JP7099551B2 - 転動装置の診断方法 - Google Patents

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Description

本発明は、転動装置の診断方法に関する。
軸受の如き転動装置は、自動車、各種産業機械など幅広い産業分野にて利用されている。転動装置の内部の潤滑状態を把握することは、機械の円滑な動作、転動装置の寿命の確保などの観点から極めて重要な事項であり、適切に把握することにより、各種潤滑剤(油、グリースなど)の供給や転動装置の交換等のメンテナンスを、過不足無く最適な時期に行うことができる。しかしながら、潤滑状態を直接目視により観察することは困難であるため、転動装置の診断方法として、振動、音、油膜状態をモニタリングする方法が提案されている。
特許文献1は、交流電圧を転動装置の回転輪に対して非接触な状態で印加し、測定した静電容量を用いて軸受の油膜状態の推定ができる。すなわち、油膜をコンデンサーとみなして電気的な等価回路をモデル化し、転動装置の回転輪に対して非接触な状態で交流電圧を印加し、油膜の静電容量を測定する。静電容量と油膜厚さ(潤滑膜厚さ)は相関関係があるため、この相関関係から油膜の状態を推定するものである。
日本国特許第4942496号公報
特許文献1に開示の技術によれば、油膜厚さを測定することは可能である。しかしながら、この方法では油膜厚さのみの算出が可能であり、その他の潤滑状態に影響を与える要素について把握することは困難である。
本発明は、潤滑膜厚さだけでなく金属接触割合をも考慮して転動装置の潤滑状態を把握することを可能とする転動装置の診断方法を提供する。
本発明の転動装置の診断方法は、外方部材と、内方部材と、転動体とを備える転動装置の診断方法であって、前記外方部材と、前記転動体と、前記内方部材とから構成される電気回路に交流電圧を印加し、前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、測定した前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記外方部材と前記転動体の間または前記内方部材と前記転動体の間の少なくとも一つにおける潤滑剤の比誘電率を測定し、当該潤滑剤の摩耗粉濃度を算出するものである。
本発明によれば、転動装置における潤滑膜厚さだけでなく金属接触割合をも把握することが可能であり、より詳細にかつより正確に転動装置の潤滑状態を診断することが可能となる。特に本発明においては、転動装置の摩耗量も算出するため、さらに正確に転動装置の潤滑状態を診断することが可能となる。
図1は、ディスク試験片にボール試験片を押し付けた時の混合潤滑条件下における物理モデルを示すグラフである。 図2は、転動装置の診断における電気回路の図を示し、(a)は図1に示す一つのボール試験片(転動体)に対応する電気回路であり、(b)は転動装置全体の電気回路を示す。 図3は、潤滑剤中の摩耗粉濃度と潤滑剤の比誘電率との関係を示すグラフである。 図4は、転動装置およびその試験装置の概念図を示す。 図5は、回転軸の回転数を変化させながら平均油膜厚さおよび油膜の破断率を測定した結果のグラフを示す。 図6は、図5のグラフに対し、修正後の平均油膜厚さを重ねて示したグラフを示す。 図7は、回転軸の回転数に応じた摩耗粉濃度と比誘電率のグラフを示す。
以下、本発明に係る転動装置(軸受装置)の診断方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
従来の転動装置における油膜診断技術として、特許文献1に示されている検査装置が存在する。この検査装置の構成は、油膜をコンデンサーとしてモデル化し、転動装置の回転輪に対して非接触な状態で交流電圧を印加し、油膜の静電容量を測定する。静電容量と油膜厚さの間には所定の相関があるため、転動装置の油膜状態の推定をすることができる。しかしながら、特許文献1の方法では油膜厚さのみ測定を行い、金属接触割合について把握することが困難である。また、ヘルツ接触域外の静電容量について考慮していないため、油膜厚さの値そのものの推定精度も高いものではない。
本発明では、EHD(Elastohydrodynamic)(弾性流体)接触域に交流電圧を印加し、測定される複素インピーダンスZからEHD接触域内の油膜厚さおよび油膜の破断率を測定できる手法(インピーダンス法)を確立した。本手法を用いることにより、油膜厚さを精度良く測定することができる。ここでは油膜厚さおよび油膜の破断率(金属接触割合)の導出過程について述べる。
図1はディスク試験片にボール試験片を押し付けた時の混合潤滑条件下における物理モデルを示すグラフである。本モデルにおけるディスク試験片は転動装置の外輪または内輪、ボール試験片は転動装置の転動体に相当する。y軸は油膜厚さ方向、x軸は油膜厚さ方向と直交する方向の軸を表す。また、hはEHD接触域内の油膜を形成している箇所における油膜厚さ、aはHertzian接触円半径、rはボール試験片の半径、SはHertzian接触面積、αは油膜の破断率である。よって、EHD接触域内で油膜の破断が生じている面積は図1に示すようにαSで表される。また、図1中のf(x)はEHD接触域以外の範囲(a≦x≦r)におけるボール試験片表面のy座標を表す関数であり、以下の式(1)によって表される。
Figure 0007099551000001
実際のボール試験片は、荷重を受ける際に弾性変形が生じるためEHD接触域以外は厳密には球体ではないが、本発明では式(1)に示すように変形後も球体であると仮定した。
通常、EHD接触域内には馬蹄形と呼ばれる油膜の薄い領域が存在するが、本発明ではEHD接触域内の平均的な油膜厚さ(平均油膜厚さ)hを求めた。よって、EHD接触域内の一部で油膜の破断が生じている場合、求める平均的な油膜厚さhは油膜の破断率αと油膜厚さhを用いて、以下の式(2)によって表される。
Figure 0007099551000002
図2中の(a)は図1の物理モデルを電気的に等価な電気回路に変換して得られる電気回路(等価電気回路)E1の図を示す。ただし、Rは油膜が破断している領域における抵抗、CはHertzian接触域内の油膜による静電容量、Cはディスク試験片とボール試験片の2面間が図1におけるx=rの位置まで潤滑剤(潤滑油やグリース)で満たされていると仮定した時のHertzian接触域外に生じる静電容量である。つまり、本発明ではEHD接触域外の領域もコンデンサーとして考慮に入れている。Hertzian接触域内の油膜は、コンデンサーC(静電容量C)と抵抗R(抵抗値R)の並列回路を形成し、当該並列回路と、Hertzian接触域外のコンデンサーC(静電容量C)が並列に接続される。
図2中の(b)は図1の物理モデルを外輪1および内輪3を有する転動装置10(図4参照)に適用した際における電気回路E4を示す。各転動体5は、外輪1および内輪3の双方に接触しているため、図2中の(b)に示すように、各転動体5について、二つの電気回路E1(外輪1-転動体5間および内輪3-転動体5間)が直列接続された電気回路E2が形成される。
さらに、転動装置10にn個の転動体5が設けられている場合、電気回路E2がn個並列に接続されることになる。よって、図2中の(b)に示すように、n個全ての転動体5を含む転動装置10は電気回路E3を形成することになる。本実施形態の転動装置10の診断に際しては、転動装置10の外輪1と内輪3の間に、電源から交流電圧を印加するため、図2中の(b)に示す全体の電気回路E4が形成される。
ここで図2中の(a)の電気回路に印加される交流電圧Vは、以下の式(3)によって表される。
Figure 0007099551000003
図2中の(a)の電気回路の全体を流れる電流Iは、以下の式(4)によって表される。
Figure 0007099551000004
よって、図2中の(a)の電気回路の全体の複素インピーダンスZは、以下の式(5)によって表される。
Figure 0007099551000005
ここで、jは虚数、tは時間、ωは電圧の角振動数、θは電圧と電流の位相のずれ、すなわち位相角である。式(5)より複素インピーダンスZは、複素インピーダンスZの絶対値|Z|と位相角θという2つの独立した変数で構成されていることがわかる。すなわち、複素インピーダンスZを測定することにより、互いに独立した2つのパラメータ(ここでは平均油膜厚さhおよび破断率α)を測定可能であることを意味する。
ここで図2中の(a)に記載された電気回路の全体の複素インピーダンスZは、以下の式(6)によって表される。
Figure 0007099551000006
さらに式(6)より、以下の式(7)および(8)が導き出せる。
Figure 0007099551000007
Figure 0007099551000008
ここで、式(7)中の油膜が破断している領域の抵抗Rは、接触面積と反比例の関係にあるため、以下の式(9)によって表される。
Figure 0007099551000009
ここで、R10は静止時(すなわちα=1)における抵抗である。R10は静止時におけるインピーダンスを|Z|、位相角をθとおくと、式(6)より以下の式(10)によって表される。
Figure 0007099551000010
よって、破断率αは、式(7)、(9)、(10)より以下の式(11)によって表される。
Figure 0007099551000011
ところで、Hertzian接触域内の油膜による静電容量Cは、試験に用いる潤滑剤の誘電率εを用いて、以下の式(12)によって表される。
Figure 0007099551000012
一方、Hertzian接触域外に生じる静電容量Cは、図1中の斜線部に示すような微小幅dx、長さ2πx、高さf(x)の円環状のコンデンサーが、a≦x≦rの範囲において並列に繋がって構成されているとみなすことができる。よって静電容量Cは、以下の式(13)によって表される。
Figure 0007099551000013
ここで、一般的にr≫a、r≫hであるため、静電容量Cは式(13)に基づき、以下の式(14)をもって近似することができる。
Figure 0007099551000014
以上の式(8)、(12)、(14)より、以下の式(15)が得られる。
Figure 0007099551000015
ここで式(15)中のhを求めるため、Lambert W function(ランベルトW関数)を用いることとする。任意の複素数zに対して、Lambert W functionW(z)は以下の式(16)によって定義される。
Figure 0007099551000016
よって、式(2)、(15)、(16)より、求める平均油膜厚さhは以下の式(17)によって表される。
Figure 0007099551000017
つまり、式(11)、(17)より、静止時と油膜形成時におけるインピーダンスおよび位相を測定することにより、平均油膜厚さhおよび油膜の破断率αを算出することができる。
上述の説明は、専ら基本となる図2中の(a)の電気回路E1についてのものであるが、転動装置10の転動体5の数等を考慮することにより、図2中の(b)の電気回路E4にも適用することができる。電気回路E4において、転動体5が外輪1および内輪3に接触する2つの接触点が電気回路E1の2個の直列に対応し、転動装置10における転動体5の全個数(n個)が2個の直列した電気回路E1の並列の個数に対応する。また、転動装置10そのものが複数存在する場合(後述する図4の例では2個)、図2中の(b)の電気回路E3が、交流電圧に対して並列接続されることになる。
ところで、転動装置においては運転時間の経過とともに各部材に摩耗(図1では専らαSの領域において生ずる摩耗)が生じ、この摩耗が性能、潤滑状態に影響を与えることが推定される。転動装置において摩耗が生じている場合、式(17)により求められる平均油膜厚さhは、一般的に理論油膜厚さh(Hamrock BJ and Dowson D. Isothermal elastohydrodynamic lubrication of point contacts: part III-fully flooded results. ASME Trans J Lubricat Technol 1977; 99: 264-275.)よりも厚くなる。これは潤滑剤の比誘電率εが油中に摩耗粉を含むことによって大きくなっていることが原因である。図3は潤滑剤中の摩耗粉濃度Feと潤滑剤の比誘電率εとの関係を示すグラフであり、摩耗粉濃度Feが増大するにつれ、潤滑剤の比誘電率εが増大している。つまり、測定された油膜厚さから想定される比誘電率を算出することにより、摩耗の程度(摩耗粉濃度および摩耗量)をモニタリングすることができる。ここでは、その比誘電率を算出する過程について説明する。
EHDはまたはEHL(Elasto-Hydrodynamic Lublication)接触域内の油膜形成部における油膜厚さhは、金属接触が生じ始める油膜厚さhlimitと油膜の破断率αを用いて、以下のように表されると仮定する。理論値より厚く算出される油膜厚さを理論値と同じ油膜厚さに補正するためである。式(18)における油膜厚さhは、式(1)、(2)のものと基本的に同じ概念であり、式(2)、(18)より、h=(1-α)limitということもできる。
Figure 0007099551000018
また、上式を満たす位相角θをθ’とすると、式(11)より破断率αは測定される複素インピーダンスの絶対値|Z|を用いて以下の式(19)によって表される。
Figure 0007099551000019
また,式(8)、(12)、(14)より、以下の式(20)が得られる。
Figure 0007099551000020
ここで式(20)/式(19)より複素インピーダンスZの絶対値|Z|を消去して、以下の式(21)が得られる。
Figure 0007099551000021
この式(21)に式(18)を代入して、以下の式(22)が得られる。
Figure 0007099551000022
すなわち、式(18)を満たす位相角θ’は油膜の破断率αと金属接触が生じ始める油膜厚さhlimitから算出することが可能である。よって、式(18)の仮定から想定されるEHL接触域内の修正後の平均油膜厚さh’は、複素インピーダンスZの絶対値|Z|と位相角θ’を用いて以下の式(23)によって表される。
Figure 0007099551000023
また,摩耗が生じた後の想定される比誘電率ε’は、位相角θ’を用いて以下の式(24)によって表すことができる。
Figure 0007099551000024
したがって比誘電率ε’は、破断率αと、平均油膜厚さhと、位相角θ’を用いて式(25)によって表される。
Figure 0007099551000025
式(25)の比誘電率ε’の右辺は、全て定義済みであって既出の値であり、比誘電率ε’を算出することが可能である。
尚、上述の算出方法におけるポイントは、油膜形成部における油膜厚さhを何らかの方法で仮定することであり、この仮定方法は特に限定されない。
例えば式(18)における金属接触が生じる油膜厚さhlimitの代わりに、例えばJISB0601(2013年)に規定する表面粗さ(二乗平均粗さ[nm]:Rq1、Rq2)を用いてもよい。よって、式(18)の代わりに以下の式(18)’を用いてhを求め、さらにε’を算出してもよい。EHL接触域内における突起間干渉の程度を与えるパラメータとして膜厚比λ値が一般的に使用されているが(参考文献:トライボロジー、山本雄二、兼田もと宏、理工学社、2007年)、λ値<3、すなわち粗さの3倍程度で金属接触が生じ始める現象が知られており、このような現象を用いるものである。
Figure 0007099551000026
また、理論油膜厚さhが既知である場合、式(18)の代わりに以下の式(18)’’を用いてhを求め、さらにε’を算出してもよい。
Figure 0007099551000027
以下、本発明の実施例について説明する。
図4は転動装置(軸受装置)10とこれを試験する試験装置の概念図を示す。転動装置10は、固定された外輪(外方部材)1と、回転軸16に嵌合する回転側輪である内輪(内方部材)3と、外輪1の内周面に形成された軌道面と内輪3の外周面に形成された軌道面との間に介在する複数個の転動体5を備える。さらに外輪1と転動体5の間、および内輪3と転動体5の間には、潤滑のために供給された油、グリース等の潤滑剤からなる油膜(潤滑膜)が存在する。転動装置10は、自動車、二輪車、鉄道車両などの如き移動体や、産業機械、工作機械などに適用されるが、適用される装置は特に限定されない。
転動装置10を貫通する駆動軸の一端が回転コネクタ12を介して、一般的なLCRメーター20(交流電圧も兼ねる)に接続されるとともに、駆動軸の他端が駆動用のモーター14に接続されている。回転コネクタ12は、駆動軸の一端の回転輪に対してカーボンブラシを取り付けて構成したり、駆動軸にスリップリングを取り付けたりして構成することができるが、特に限定はされない。
図4の試験装置において、LCRメーター20に交流電圧の周波数ω、交流電圧の電圧Vを入力し、この入力を受けて、LCRメーター20に接続された転動装置10のインピーダンスの絶対値|Z|、位相角θをLCRメーター20が出力する。
使用した潤滑剤はポリ-α-オレフィン、40℃における動粘度が19mm/s、比誘電率が2.1である。測定条件は以下である。
温度:25℃
回転軸の回転数:50~6000rpm
半径方向荷重:0N
軸方向荷重:30N
最大接触圧力:0.9GPa
まず、停止時、すなわち油膜が存在しない状態における金属接触部の抵抗(接触状態抵抗)R10(α=1)を測定した(式(10)参照)。その後、交流電流を印加しながら、インピーダンス(の絶対値)|Z|と位相角θを測定した。
次に、式(11)および式(17)を用いて、回転軸の回転数Nを変化させながら平均油膜厚さhおよび油膜の破断率αを測定した。図5はその測定結果を示すグラフである。
図5より、油膜厚さhは回転数Nの高い高回転域では、上述した理論油膜厚さhに関する論文において述べられているHamrock-Dowsonの式によって得られる理論油膜厚さhよりも薄くなっていることが理解される。図5のグラフにおいては、実験が行われた室温(25℃)における理論油膜厚さhを破線によって表している。ただし、回転数6000rpmにおいて外輪温度が33℃になっていたため、全回転数に渡っての理論油膜厚さhに近い値を表すと推定できる30℃における理論油膜厚さhも一点鎖線によって表している。高回転域では実際の油膜厚さは理論油膜厚さよりも薄くなっていることから、この領域は枯渇潤滑領域(潤滑剤が転動体と外輪または内輪の転送面から排除され十分な潤滑ができていない)であることが予想される。実際、高回転域では回転数Nが増加するにつれ、油膜の破断率αが減少するとともに平均油膜厚さhが増加しており、両者の間に矛盾はない。
一方、回転数Nの低い低回転域(<100rpm)では、回転数Nが増加するにつれ、油膜の破断率αも油膜厚さhも減少しており、両者の間に矛盾が見受けられる。また、油膜厚さhが理論油膜厚さhよりも厚くなる結果が得られた。
発明者はこの一見矛盾する現象について、これまでの研究に照らし合わせつつ検討した結果、図3に示す様に潤滑剤中に含まれる摩耗粉濃度が増えると潤滑剤の比誘電率が上昇する現象に着目した。すなわち、接触域内で摩耗が生じ、潤滑剤の比誘電率が上昇したため、式(17)より得た平均油膜厚さhが油膜の破断率αと相反する挙動を示し、かつ理論油膜厚さh(破線または一点鎖線)を上回ったと考えられる。
そこで発明者は上記現象を重視し、金属接触が生じ始める油膜厚さhlimitと油膜の破断率αを考慮した式(18)から導出される式(23)を用いて修正後の平均油膜厚さh’を測定した。図6は図5のグラフに対し、式(23)を用いて測定した修正後の平均油膜厚さh’を重ねて示したグラフである。尚、式(23)の測定の際に用いるhlimit(金属接触が生じ始める油膜厚さ)は、図5または図6のhlimitと示した測定点のhとした。尚、図5及び図6において、回転数N=387rpmでhlimit=27nmである。
図6より、修正後の平均油膜厚さh’は回転数Nの低回転域において、おおよそ理論油膜厚さhと同じになっていることが理解される。回転数が100rpm以上では、平均油膜厚さhと修正後の平均油膜厚さh’が重なっており、見やすさを重視して白丸のh’のみを示し、黒丸のhは示していない。これから、所定以上の回転数においては、油膜厚さが大きくなるとともに破断率αは減少するため摩耗粉が発生せず、図3のような事象が生じていないことが推定される。
図7は式(25)を用いて算出した潤滑剤の比誘電率ε’を示すグラフである。図7は潤滑剤の摩耗粉濃度Feも示す。摩耗粉濃度Feは測定したε’から図3の示す誘電率と摩耗粉濃度の関係を用いて算出した。摩耗粉濃度に基づき、転動装置10の摩耗量、すなわち外輪(外方部材)1と転動体5の間または内輪(内方部材)3と転動体5の間の少なくとも一つにおける摩耗量を算出することができる。特に本実施形態においては、図2における電気回路を用いることにより、実際に転動体5と外輪1または内輪3とが接触する接触域近傍を流れる電流を利用して測定をしており、この接触領域近傍の摩耗粉濃度、摩耗量を算出している。接触領域近傍の状態を把握することは実際の運転状態の把握に大変有用である。
図7より、回転数Nの低回転域では想定される比誘電率が上昇しており、そのため潤滑剤に含まれる摩耗粉濃度が上昇していることを確認できた。ただし摩耗粉濃度はLiグリースを想定した場合である。このように本実施形態によれば、必ずしも摩耗粉濃度を算出する必要はなく、比誘電率の測定から接触域内で何かの事象、すなわち(比誘電率を上昇させるような)異常が生じていることが観察可能である。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
なお、本出願は、2019年1月15日出願の日本特許出願(特願2019-003990)に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
1 外輪(外方部材)
3 内輪(内方部材)
5 転動体
10 転動装置(軸受装置)
12 回転コネクタ
14 モーター
15 伝達部材
16 回転軸
20 LCRメーター
30 断熱容器

Claims (7)

  1. 外方部材と、内方部材と、転動体とを備える転動装置の診断方法であって、
    前記外方部材と、前記転動体と、前記内方部材とから構成される電気回路に交流電圧を印加し、
    前記交流電圧の印加時の前記電気回路のインピーダンスおよび位相角を測定し、
    測定した前記インピーダンスおよび前記位相角に基づき、前記外方部材と前記転動体の間または前記内方部材と前記転動体の間の少なくとも一つにおける潤滑剤の油膜厚さおよび油膜の破断率を導出し、
    当該油膜厚さおよび油膜の破断率を用いて前記潤滑剤の比誘電率を測定する、
    転動装置の診断方法。
  2. 前記潤滑剤の比誘電率ε’は、以下の式により算出される、請求項1に記載の診断方法。
    Figure 0007099551000028

    ε’:潤滑剤の比誘電率
    θ’:位相角
    π:円周率
    ω:交流電圧の角振動数
    Z:複素インピーダンス
    α:潤滑剤の油膜の破断率
    a:Hertzian接触円半径
    :平均油膜厚さ
    r:転動体の半径
  3. 前記測定された比誘電率から、当該潤滑剤の摩耗粉濃度をさらに算出する、請求項1または2に記載の診断方法。
  4. 前記潤滑剤の油膜厚さhは、以下の式により算出される、請求項1~3のいずれか一項に記載の診断方法。
    Figure 0007099551000029

    :潤滑剤の油膜厚さ
    α:潤滑剤の油膜の破断率
    limit :金属接触が生じ始める油膜厚さ
  5. 前記潤滑剤の油膜厚さhは、以下の式により算出される、請求項1~3のいずれか一項に記載の診断方法。
    Figure 0007099551000030

    :潤滑剤の油膜厚さ
    α:潤滑剤の油膜の破断率
    q1 :JISB0601(2013年)に規定する表面粗さ(二乗平均粗さ)
    q2 :JISB0601(2013年)に規定する表面粗さ(二乗平均粗さ)
  6. 前記潤滑剤の油膜厚さhは、以下の式により算出される、請求項1~3のいずれか一項に記載の診断方法。
    Figure 0007099551000031

    :潤滑剤の油膜厚さ
    :理論油膜厚さ
    α:潤滑剤の油膜の破断率
  7. 前記潤滑剤の油膜の破断率αは、以下の式により算出される、請求項1~6のいずれか一項に記載の診断方法。
    Figure 0007099551000032

    α:潤滑剤の油膜の破断率
    :複素インピーダンス(静止時)
    Z:複素インピーダンス
    θ’:位相角
    θ :位相角(静止時)
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