JP7211852B2 - ROLLING BEARING CONDITION MONITORING DEVICE AND ROLLING BEARING CONDITION MONITORING METHOD - Google Patents
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Description
この発明は、転がり軸受の状態監視装置および転がり軸受の状態監視方法に関する。 The present invention relates to a rolling bearing condition monitoring device and a rolling bearing condition monitoring method.
特開2010-159710号公報(特許文献1)は、風力発電装置の主軸軸受(転がり軸受)の状態を監視する監視装置を開示する。この監視装置は、荷重検出手段と、判定手段とを備える。荷重検出手段は、主軸軸受に作用する負荷荷重を検出する。判定手段は、荷重検出手段の検出信号を判定情報の一つとして用いて、上記主軸軸受に関する所定の判定、たとえばメンテナンス必要時期の判定を行なう。 Japanese Patent Laying-Open No. 2010-159710 (Patent Document 1) discloses a monitoring device that monitors the state of a main shaft bearing (rolling bearing) of a wind turbine generator. This monitoring device includes load detection means and determination means. The load detection means detects the applied load acting on the main shaft bearing. The judging means uses the detection signal of the load detecting means as one piece of judgment information to make a predetermined judgment regarding the main shaft bearing, for example, judgment of when maintenance is required.
この監視装置によれば、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測等の判定を精度良く行なうことができる(特許文献1参照)。 According to this monitoring device, it is possible to accurately determine, for example, prediction of when maintenance is required for a main shaft bearing in a wind turbine generator (see Patent Document 1).
風力発電装置の主軸軸受のように、交換が容易ではなく、かつ、比較的低速条件で使用される軸受(転がり軸受)は、損傷が発生しても継続使用されることが多い。そのために、このような軸受については、損傷の進展に従って軸受を交換する時期の予測が課題となっている。 Bearings (rolling bearings) that are not easy to replace and that are used under relatively low speed conditions, such as the main shaft bearings of wind power generators, are often used continuously even if damage occurs. For this reason, with regard to such bearings, it is an issue to predict when the bearings should be replaced according to the progress of damage.
低速条件で使用される転がり軸受については、損傷が進展しても、装置の構成部品(たとえば、風力発電装置において主軸に連結される増速機など)が損壊する程までには振動は増大しない。しかしながら、損傷が進展することにより内外輪間の相対変位(静止輪に対する回転輪のぶれを示す。)が増大すると、軸受が支持している部品の変位による弊害が生じ、軸受が支持している部品とそれに隣接する部品との異常接触や、歯車の噛み合い不良等を生じ得る。たとえば、風力発電装置の場合には、主軸軸受の損傷による内外輪間の相対変位の増大は、主軸に連結される増速機の歯車の噛み合い不良等を生じ得る。したがって、風力発電装置の主軸軸受のような低速条件で使用される転がり軸受については、内外輪間の相対変位に基づいて軸受の交換時期を予測するのが望ましい。 For rolling bearings used at low speeds, even if the damage progresses, the vibration does not increase to the extent that the component parts of the device (for example, the gearbox connected to the main shaft in a wind power generator) are damaged. . However, as the damage progresses, if the relative displacement between the inner and outer rings (indicating the runout of the rotating ring with respect to the stationary ring) increases, the parts supported by the bearing will be displaced, resulting in an adverse effect. Abnormal contact between a part and its adjacent parts, poor meshing of gears, etc. can occur. For example, in the case of a wind power generator, an increase in the relative displacement between the inner and outer rings due to damage to the main shaft bearings can cause problems such as poor meshing of the gears of the speed increaser connected to the main shaft. Therefore, for rolling bearings used under low-speed conditions, such as the main shaft bearings of wind power generators, it is desirable to predict when to replace the bearings based on the relative displacement between the inner and outer rings.
なお、このような低速条件で使用される転がり軸受としては、風力発電装置用の軸受のほか、たとえば、潮力発電装置用の軸受や、大型の圧延ローラやガイドローラ用の軸受等が想定される。 Rolling bearings used under such low-speed conditions include bearings for wind power generators, bearings for tidal power generators, and bearings for large rolling rollers and guide rollers. be.
軸受の交換時期の根拠とする内外輪間の相対変位の許容量については、軸受が支持する部品に基づいて決定し得るが、この場合は、軸受が支持する部品の寸法精度に加えて、部品の組立精度や温度分布等も考慮する必要があり、軸受が支持する部品から内外輪間の相対変位の許容量を決定するのは容易ではない。 The permissible amount of relative displacement between the inner and outer rings, which is the basis for bearing replacement timing, can be determined based on the parts supported by the bearing. Therefore, it is not easy to determine the permissible amount of relative displacement between the inner and outer rings based on the parts supported by the bearing.
上記特許文献1に記載の監視装置は、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測を精度良く行なうことができる一手法を提供するものとして有用であるけれども、損傷が生じつつも継続使用される軸受の交換時期の予測については、精度改善の余地がある。
The monitoring device described in
本願発明者らは、軸受交換時期の予測を実現するにあたり、転がり軸受の損傷の進展について種々の検討及び実験を行なった結果、静止輪に対する転動体の総通過回数(転がり軸受の総回転回数に比例する。)の増加に応じて内外輪間の相対変位が段階的に増大し、所定の段階から相対変位が軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大することの知見を得た。そして、本願発明者らは、さらに検討を深めた結果、転がり軸受の損傷について、段階的に増大する相対変位の各段階における損傷状況と損傷の進展メカニズムについて知見を得るに至った。 The inventors of the present application conducted various studies and experiments on the progress of damage to rolling bearings in order to predict the timing of bearing replacement. proportionally.), the relative displacement between the inner and outer rings increases in stages, and from a predetermined stage, the relative displacement increases abruptly to the extent that it can affect the bearing support parts. As a result of further investigation, the inventors of the present application have obtained knowledge about the damage state and damage progression mechanism at each stage of the relative displacement that increases step by step with respect to damage to the rolling bearing.
それゆえに、この発明の主たる目的は、軸受交換時期を予測可能な転がり軸受の状態監視装置および状態監視方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide a rolling bearing condition monitoring device and a condition monitoring method capable of predicting when to replace the bearing.
この発明によれば、転がり軸受の状態監視装置は、複数の転動体が回転輪と静止輪との間に周方向に一定の間隔で配置され、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視装置である。転がり軸受の状態監視装置は、静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出する損傷検出部と、負荷域中央から周方向に上記間隔だけ離れた位置において、損傷検出部によって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測する予測部とを備える。予測部は、損傷検出部が損傷を検出するまでの第1の総負荷回数と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第1の最大接触面圧と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第2の最大接触面圧と、損傷検出部が損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第2の総負荷回数との関係を用いて交換時期を予測する。第1の最大接触面圧と第2の最大接触面圧とは、いずれも負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧である。 According to the present invention, the rolling bearing condition monitoring device has a plurality of rolling elements arranged at regular intervals in the circumferential direction between a rotating ring and a stationary ring, and is used under a radial load. It is a monitoring device. The rolling bearing condition monitoring device includes a damage detection unit that detects damage occurring in the center of the load area of the raceway surface of the stationary ring, and a damage detection unit that detects damage at a position spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction by the above distance. and a predicting unit that predicts, as the replacement time, the time when new damage will occur due to the damage. The prediction unit calculates the first total number of loads until the damage detection unit detects damage, and the first maximum contact surface when contact surface pressure is generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range. the second maximum contact surface pressure when it is assumed that no contact surface pressure occurs between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range; The timing of replacement is predicted using the relationship with the second total load count until damage occurs at a position separated by a distance in the direction. The first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure are both maximum contact surface pressures generated between the rolling elements and the raceway surface at positions spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction.
好ましくは、予測部は、転がり軸受に負荷される第1のラジアル荷重に基づいて、第1の最大接触面圧と第2の最大接触面圧とを算出する。予測部は、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第1の最大接触面圧となる第2のラジアル荷重を算出する。予測部は、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第2の最大接触面圧となる第3のラジアル荷重を算出する。予測部は、第2のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第1の基本定格寿命を算出する。予測部は、第3のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第2の基本定格寿命を算出する。予測部は、第1の総負荷回数と、第1の基本定格寿命と、第2の基本定格寿命と、損傷が生じてから交換時期までの転がり軸受の第2の総負荷回数との関係式を用いて、第2の総負荷回数を算出する。 Preferably, the prediction unit calculates the first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure based on the first radial load applied to the rolling bearing. The prediction unit calculates a second radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range is the first maximum contact surface pressure. The prediction unit calculates a third radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range is the second maximum contact surface pressure. The prediction unit calculates a first basic rating life from the second radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing. The prediction unit calculates a second basic rating life from the third radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing. The prediction unit is a relational expression between the first total number of times of load, the first basic rating life, the second basic rating life, and the second total number of times of load of the rolling bearing from occurrence of damage to replacement time. is used to calculate the second total load number.
好ましくは、転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成される。転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備える。制御部は、予測部により予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制する。 Preferably, the rolling bearing condition monitoring device is configured to monitor the condition of the main shaft bearing of the wind turbine generator. The rolling bearing condition monitoring device further includes a control section that controls the power generated by the wind power generator. If the replacement time predicted by the prediction unit is less than the desired replacement time, the control unit compares the generated power after the time when damage was detected by the damage detection unit with the generated power before that time. to suppress.
好ましくは、転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成される。転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備える。制御部は、予測部により予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制するように構成される。制御部は、所望の交換時期に基づいた、損傷検出部が損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第3の総負荷回数と、第1の総負荷回数と、第1の基本定格寿命と、第3の基本定格寿命との関係式を用いて、第3の基本定格寿命を算出する。制御部は、第3の基本定格寿命と転がり軸受の基本動定格荷重とから第4のラジアル荷重を算出する。制御部は、転がり軸受に第4のラジアル荷重が負荷される場合に、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が第2の最大接触面圧となる第5のラジアル荷重を算出する。制御部は、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と発電電力との予め準備された関係を用いて、第5のラジアル荷重に基づいて発電電力の抑制率を算出する。制御部は、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、抑制率を用いて抑制する。 Preferably, the rolling bearing condition monitoring device is configured to monitor the condition of the main shaft bearing of the wind turbine generator. The rolling bearing condition monitoring device further includes a control section that controls the power generated by the wind power generator. If the replacement time predicted by the prediction unit is less than the desired replacement time, the control unit compares the generated power after the time when damage was detected by the damage detection unit with the generated power before that time. configured to suppress Based on the desired replacement timing, the control unit calculates a third total number of loads after the damage detection unit detects damage until damage occurs at a position spaced apart in the circumferential direction from the center of the load range; The third basic rating life is calculated using the relational expression among the total number of load cycles, the first basic rating life, and the third basic rating life. The control unit calculates a fourth radial load from the third basic rating life and the basic dynamic load rating of the rolling bearing. The control unit provides a fifth maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range when a fourth radial load is applied to the rolling bearing to a second maximum contact surface pressure. Calculate the radial load. The control unit uses a relationship prepared in advance between the radial load applied to the rolling bearing and the generated power to calculate the suppression rate of the generated power based on the fifth radial load. The control unit uses the suppression rate to suppress the power generation after the damage is detected by the damage detection unit.
好ましくは、転がり軸受の状態監視装置は、転がり軸受の内外輪間のラジアル方向の相対変位を検出するための変位検出部をさらに備える。損傷検出部は、変位検出部によって検出された相対変位に基づいて、損傷が生じたことを検出する。 Preferably, the rolling bearing condition monitoring device further includes a displacement detector for detecting relative displacement in the radial direction between the inner and outer rings of the rolling bearing. The damage detector detects occurrence of damage based on the relative displacement detected by the displacement detector.
好ましくは、変位検出部は、相対変位を検出する変位センサを含む。
好ましくは、変位検出部は、転がり軸受の振動加速度、転がり軸受から生じる音、及び転がり軸受に生じる応力のうちの少なくとも1つの測定値と相対変位との予め準備された関係を用いて、測定値に基づいて相対変位を間接的に検出する。
Preferably, the displacement detector includes a displacement sensor that detects relative displacement.
Preferably, the displacement detection unit detects the measured value using a relationship prepared in advance between the measured value of at least one of the vibration acceleration of the rolling bearing, the sound produced by the rolling bearing, and the stress produced by the rolling bearing, and the relative displacement. indirectly detects the relative displacement based on .
また、この発明によれば、転がり軸受の状態監視方法は、複数の転動体が回転輪と静止輪との間に周方向に一定の間隔で配置され、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視方法である。転がり軸受の状態監視方法は、静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出するステップと、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において、損傷を検出するステップによって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測するステップとを含む。予測するステップは、損傷を検出するステップが損傷を検出するまでの第1の総負荷回数と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第1の最大接触面圧と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第2の最大接触面圧と、損傷を検出するステップが損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第2の総負荷回数との関係を用いて交換時期を予測する。第1の最大接触面圧と第2の最大接触面圧とは、いずれも負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧である。 According to the present invention, there is provided a rolling bearing condition monitoring method in which a plurality of rolling elements are arranged between a rotating ring and a stationary ring at regular intervals in the circumferential direction and are used under a radial load. state monitoring method. A method for monitoring the condition of a rolling bearing comprises a step of detecting damage occurring in the center of the load area of the raceway surface of a stationary ring, and a step of detecting damage at a position spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction. and predicting the time when new damage will occur due to the above as the replacement time. The step of predicting is the first total number of loads until the damage is detected in the step of detecting damage, and the first total number of loads when contact surface pressure is generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range. The maximum contact surface pressure, the second maximum contact surface pressure when it is assumed that no contact surface pressure occurs between the rolling elements and the raceway surface in the center of the load range, and after the step of detecting damage detects damage, The timing of replacement is predicted using the relationship with the second total number of loads until damage occurs at a position spaced apart in the circumferential direction from the center of the load range. The first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure are both maximum contact surface pressures generated between the rolling elements and the raceway surface at positions spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction.
好ましくは、予測するステップは、転がり軸受に負荷される第1のラジアル荷重に基づいて、第1の最大接触面圧と第2の最大接触面圧とを算出するステップを含む。予測するステップは、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第1の最大接触面圧となる第2のラジアル荷重を算出するステップを含む。予測するステップは、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第2の最大接触面圧となる第3のラジアル荷重を算出するステップを含む。予測するステップは、第2のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第1の基本定格寿命を算出するステップを含む。予測するステップは、第3のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第2の基本定格寿命を算出するステップを含む。予測するステップは、第1の総負荷回数と、第1の基本定格寿命と、第2の基本定格寿命と、損傷が生じてから交換時期までの転がり軸受の第2の総負荷回数との関係式を用いて、第2の総負荷回数を算出するステップを含む。 Preferably, the predicting step includes calculating the first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure based on the first radial load applied to the rolling bearing. The predicting step includes a step of calculating a second radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range becomes the first maximum contact surface pressure. The predicting step includes a step of calculating a third radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range becomes the second maximum contact surface pressure. The predicting step includes calculating a first basic rating life from the second radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing. The predicting step includes calculating a second basic rating life from the third radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing. The prediction step is the relationship between the first total number of loads, the first basic rating life, the second basic rating life, and the second total number of loads of the rolling bearing from occurrence of damage to replacement time. and calculating a second total load number using the formula.
好ましくは、転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成され、風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含む。制御するステップは、予測するステップにより予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制する。 Preferably, the rolling bearing condition monitoring method is configured to monitor the condition of the main shaft bearing of the wind turbine generator, and further includes the step of controlling the power generated by the wind turbine generator. In the controlling step, when the replacement timing predicted by the predicting step is less than the desired replacement timing, the generated power after the time point when the damage is detected by the damage detecting step is replaced with the power generated before the time point. Suppression compared to generated power.
好ましくは、転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成される。転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含む。制御するステップは、予測するステップにより予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制するように構成される。制御するステップは、所望の交換時期に基づいた、損傷検出部が損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第3の総負荷回数と、第1の総負荷回数と、第1の基本定格寿命と、第3の基本定格寿命との関係式を用いて、第3の基本定格寿命を算出するステップを含む。制御するステップは、第3の基本定格寿命と転がり軸受の基本動定格荷重とから第4のラジアル荷重を算出するステップを含む。転がり軸受に第4のラジアル荷重が負荷される場合に、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が第2の最大接触面圧となる第5のラジアル荷重を算出するステップを含む。制御するステップは、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と発電電力との予め準備された関係を用いて、第5のラジアル荷重に基づいて発電電力の抑制率を算出するステップを含む。制御するステップは、損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の発電電力を、抑制率を用いて抑制するステップとを含む。 Preferably, the rolling bearing condition monitoring method is configured to monitor the condition of a main shaft bearing of a wind turbine generator. The rolling bearing condition monitoring method further includes controlling the power generated by the wind power generator. In the controlling step, if the replacement timing predicted by the predicting step is less than the desired replacement timing, the generated power after the time when the damage is detected by the damage detection unit is replaced with the generated power before that time. is configured to suppress relative to The step of controlling comprises: a third total number of loads after the damage detection unit detects damage until damage occurs at a position spaced apart in the circumferential direction from the center of the load range, based on the desired replacement timing; A step of calculating a third basic rating life using a relational expression of the first total number of loads, the first basic rating life, and the third basic rating life. The controlling step includes calculating a fourth radial load from the third basic rating life and the basic dynamic load rating of the rolling bearing. When the fourth radial load is applied to the rolling bearing, calculate the fifth radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range becomes the second maximum contact surface pressure. including the step of The controlling step includes a step of calculating a generated power suppression rate based on the fifth radial load, using a relationship prepared in advance between the radial load applied to the rolling bearing and the generated power. The controlling step includes using a curtailment rate to curtail the generated power after the damage is detected by the damage detecting step.
この発明によれば、軸受交換時期を予測可能な転がり軸受の状態監視装置および状態監視方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a rolling bearing condition monitoring device and a condition monitoring method capable of predicting when to replace the bearing.
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
(転がり軸受及び状態監視装置の構成)
図1は、この発明の実施の形態1による状態監視装置によって監視される転がり軸受の断面図と、状態監視装置のブロック図とを併せて示した図である。なお、この実施の形態1では、外輪が回転輪のころ軸受によって転がり軸受が構成される場合について代表的に説明されるが、この発明の適用範囲は、このような軸受の状態監視装置に限定されるものではなく、監視対象の転がり軸受は、内輪が回転輪のものであってもよいし、玉軸受等であってもよい。
[Embodiment 1]
(Configuration of rolling bearing and condition monitoring device)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a rolling bearing monitored by a condition monitoring device according to
図1を参照して、転がり軸受10は、内輪12と、外輪16と、複数の転動体18とを含む。内輪12は、非回転の軸体14に外嵌される。外輪16は、内輪12の外周側に設けられ、図示しない回転体と一体的に回転する。複数の転動体18の各々は、円柱形の「ころ」であり、図示されない保持器によって隣接の転動体と等間隔に保持されつつ内輪12と外輪16との間に介在する。
Referring to FIG. 1 , rolling
内輪12は、複数の転動体18のうち負荷域を通過中のものからラジアル荷重を受ける。なお、この実施の形態では、静止輪である内輪12において、その中心軸よりも鉛直方向上側に負荷域が形成される。そして、内輪12は、軌道面(内輪12の外周面)に損傷が発生していない正常状態においては、複数の転動体18のうち、内輪中心軸の鉛直上方向に位置する負荷域中央を通過している転動体から最大の荷重を受ける。
The
転がり軸受10の状態を監視する状態監視装置100は、変位センサ102と、回転センサ104と、損傷検出部106と、予測部108とを含む。変位センサ102は、内輪12と外輪16とのラジアル方向の相対変位δを検出するためのセンサである。変位センサ102は、軸体14又は軸体14に対して変位しない堅牢な構造物に固設され、内輪12(静止輪)に対する外輪16(回転輪)の鉛直方向Xの変位を検出して損傷検出部106へ出力する。回転センサ104は、転がり軸受10の回転速度dNを検出し、その検出値を予測部108へ出力する。なお、回転センサ104が転がり軸受10の回転位置を検出し、その検出値に基づいて予測部108が回転速度dNを算出してもよい。
A
上記したように、内輪12は、軌道面に損傷が発生していない正常状態においては、負荷域中央を通過している転動体から最大の荷重を受ける。そのため、負荷域中央に初期損傷が生じる確率が高い。損傷検出部106は、変位センサ102の検出値に基づいて、負荷域中央に初期損傷が生じたことを検出する。具体的には、損傷検出部106は、変位センサ102の検出値に基づいて、内輪12と外輪16との間のラジアル方向の最大変位δx(図1におけるX方向の変位)を検出する。なお、変位センサ102によって検出される内外輪間の相対変位δは、複数の転動体18の公転に伴なって微小変動を繰り返すところ、ここでの最大変位δxとは、短期的(たとえば、外輪16の1回転又は複数の転動体18の1公転等)な相対変位δの最大値である。以下では、この最大変位δxを、単に「内外輪間の相対変位δx」と称する。
As described above, the
損傷検出部106は、内外輪間の相対変位δxが増大したことに応じて、負荷域中央に損傷が生じたことを検出し、負荷域中央に損傷が生じたことを予測部108に通知する。
The
予測部108は、損傷検出部106からの通知を受けたことに応じて、相対変位δxの段階的な増大パターンに基づき、初期損傷が発生してから「ころピッチ損傷」が最初に発生するまでの総負荷回数を算出することによって、軸受10の交換時期を予測する。なお、総負荷回数とは、内輪12(静止輪)の軌道面における周方向の任意の箇所(例えば負荷域中央)において、複数の転動体18の各々が通過する毎に軌道面が受ける負荷回数の、転がり軸受10の使用が開始されてからの総数である。総負荷回数は、言い換えれば、内輪12に対する複数の転動体18の総通過回数であり、総負荷回数TLは、転がり軸受10の総回転回数TR(転がり軸受10の使用が開始されてからの外輪16(回転輪)の回転回数の総数を示す)に基づいて、次式(1)にて算出することができる。
In response to the notification from the
TL=TR×Nc/dN×転動体数 …(1)
ここで、Ncは、転動体中心の公転回転速度を示し、転動体18の直径及びピッチ円径が分かればdNから算出可能である。
TL=TR×Nc/dN×number of rolling elements (1)
Here, Nc indicates the revolution speed of the center of the rolling element, and can be calculated from dN if the diameter of the rolling
すなわち、本願発明者らは、転がり軸受の損傷の進展について種々の検討及び実験を行なった結果、静止輪が複数の転動体から受ける総負荷回数(静止輪に対する複数の転動体の総通過回数)の増加に応じて内外輪間の相対変位が段階的に増大し、ある段階から相対変位が軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大することの知見を得た。そして、本願発明者らは、このような相対変位の増大パターンは、以下に説明する「ころピッチ損傷」が静止輪の軌道面に発生することによるものであるとの知見をさらに得て、「ころピッチ損傷」が静止輪の軌道面に最初に発生する時期を軸受10の交換時期とすることとした。
That is, the inventors of the present application conducted various studies and experiments on the progress of damage to rolling bearings, and as a result, the total number of times a stationary ring is subjected to a load from a plurality of rolling elements (total number of times a plurality of rolling elements pass through a stationary ring) The inventors have found that the relative displacement between the inner and outer rings increases step by step as . Further, the inventors of the present application have further obtained knowledge that such an increase pattern of relative displacement is caused by "roller pitch damage" described below occurring on the raceway surface of the stationary ring. The timing at which "roller pitch damage" first occurs on the raceway surface of the stationary ring is set as the timing for replacing the
そこで、以下では、この「ころピッチ損傷」について、その発生メカニズムと、静止輪である内輪12が受ける総負荷回数の増加に応じた相対変位δxの段階的な増大パターンについて詳しく説明する。
Therefore, in the following, the occurrence mechanism of this "roller pitch damage" and the gradual increase pattern of the relative displacement δx according to the increase in the total number of loads applied to the
(ころピッチ損傷の説明)
図2は、転がり軸受10について、初期損傷発生前の負荷域中央付近の状態を模式的に示した図である。図3は、転がり軸受10について、初期損傷発生後の負荷域中央付近の状態を模式的に示した図である。「初期損傷」とは、内輪12(静止輪)の軌道面に最初に生じる損傷のことである。この初期損傷は、複数の転動体18と内輪12(静止輪)の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において発生する確率が高く、ここでも、負荷域中央において初期損傷が発生するものとする。
(Description of roller pitch damage)
FIG. 2 is a diagram schematically showing the state of the rolling
なお、この図2および図3では、転がり軸受10の負荷域中央付近が拡大して示されており、図示を容易にするために、軌道面が直線状に描かれている。そして、複数の転動体18のうちのある転動体が負荷域中央を通過しているときに、次に負荷域中央を通過するもの、現在負荷域中央を通過中のもの、及びその前に負荷域中央を通過したものを、それぞれ転動体18-1,18-2,18-3とする。
In FIGS. 2 and 3, the vicinity of the center of the load area of the rolling
図2を参照して、負荷域中央を通過中の転動体18-2と内輪12(静止輪)の軌道面との最大接触面圧を最大接触面圧Pmax0とする。このとき、転動体18-2に隣接する転動体18-1,18-3と内輪12の軌道面との最大接触面圧を最大接触面圧Pmax1とする。最大接触面圧Pmax1は「第1の最大接触面圧」に相当する。初期損傷が発生する以前においては、負荷域中央を通過中の転動体18-2と内輪12の軌道面との接触面圧が最大であり、したがって、最大接触面圧Pmax0>最大接触面圧Pmax1である。
Referring to FIG. 2, the maximum contact surface pressure between the rolling elements 18-2 passing through the center of the load range and the raceway surface of the inner ring 12 (stationary ring) is defined as the maximum contact surface pressure Pmax0. At this time, the maximum contact surface pressure between the rolling elements 18-1 and 18-3 adjacent to the rolling element 18-2 and the raceway surface of the
図3を参照して、複数の転動体18と内輪12の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において、内輪12の軌道面に初期損傷が発生したものとする。そして、初期損傷がある程度拡大すると、負荷域中央を通過中の転動体18-2から内輪12が荷重をほとんど受けない状態(或いは、隣接する転動体18-1,18-3に比べて接触面圧が十分に小さい状態であり、以下では、概略的に「無負荷」状態とも称する。)が発生する。
Referring to FIG. 3, it is assumed that initial damage occurs on the raceway surface of
負荷域中央を通過中の転動体18-2が無負荷の状態においては、転動体18-2が受けるべき荷重をその他の転動体で受けることとなり、特に、転動体18-2に隣接する転動体18-1,18-3には大きな荷重がかかる。さらに、転動体18-2が初期損傷部を通過する際に、内輪12(静止輪)に対して外輪16(回転輪)が変動することによる慣性力も生じる。 When the rolling element 18-2 passing through the center of the load area is in an unloaded state, the load that should be received by the rolling element 18-2 is received by the other rolling elements. A large load is applied to the moving bodies 18-1 and 18-3. Furthermore, when the rolling element 18-2 passes through the initial damage portion, an inertial force is also generated due to the fluctuation of the outer ring 16 (rotating ring) with respect to the inner ring 12 (stationary ring).
このように、初期損傷の発生後は、転動体18-2に隣接する転動体18-1,18-3には、荷重を受ける転動体数の減少と、初期損傷部を転動体が通過する際の慣性力とによって、初期損傷発生前に比べて大きな接触面圧が生じる。初期損傷発生後における転動体18-1,18-3と内輪12の軌道面との最大接触面圧を最大接触面圧Pmax2とすると、最大接触面圧Pmax2>最大接触面圧Pmax0(>最大接触面圧Pmax1)である。最大接触面圧Pmax2は「第2の最大接触面圧」に相当する。
In this way, after the occurrence of the initial damage, the rolling elements 18-1 and 18-3 adjacent to the rolling element 18-2 experience a decrease in the number of rolling elements receiving a load and a Due to the inertial force at the time, a larger contact surface pressure is generated than before the initial damage occurs. If the maximum contact surface pressure between the rolling elements 18-1 and 18-3 and the raceway surface of the
したがって、負荷域中央において初期損傷が発生すると、負荷域中央の初期損傷部を転動体が通過する毎に、負荷域中央の初期損傷部からころピッチだけ離れた位置において大きな接触面圧(最大接触面圧Pmax2)が繰り返し生じ、内輪12の軌道面に新たなフレーキングが発生する。以下では、初期損傷部からころピッチだけ離れた位置に発生する損傷を「ころピッチ損傷」と称する。
Therefore, when initial damage occurs in the center of the load range, each time the rolling elements pass through the initial damage area in the center of the load range, a large contact surface pressure (maximum contact The surface pressure Pmax2) is repeatedly generated, and new flaking occurs on the raceway surface of the
そして、ころピッチ損傷が一旦発生すると、損傷が進展したころピッチ損傷部と初期損傷部とを隣接する転動体が通過する際に同時に「無負荷」となる状態が発生する。そうすると、ころピッチ損傷部からさらにころピッチだけ離れた位置においてさらに大きな接触面圧が繰り返し生じる状態となり、連鎖的かつ加速的にころピッチ損傷が進展する。 Once the roller pitch damage occurs, when the adjacent rolling elements pass through the roller pitch damage portion where the damage has progressed and the initial damage portion, a state of "no load" occurs at the same time. As a result, a larger contact surface pressure is repeatedly generated at a position further away from the roller pitch damage portion by the roller pitch, and the roller pitch damage progresses in a chain reaction and accelerated manner.
以上のような損傷の進展により、内外輪間の相対変位δxは段階的に増大する。図4から図7は、転がり軸受10において、負荷域中央に発生した損傷が進展する様子を示した図である。なお、これらの図では、転がり軸受10の負荷中央域付近が拡大して示されている。
As the damage progresses as described above, the relative displacement δx between the inner and outer rings increases step by step. 4 to 7 are diagrams showing how damage occurring in the center of the load range progresses in the rolling
図4は、負荷中央に初期損傷が発生した直後の状態を示した図である。初期損傷とは、内輪12(静止輪)の軌道面に最初に生じる損傷のことである。この初期損傷は、転動体18と内輪12(静止輪)の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において発生する確率が高く、図4から図7でも、負荷域中央において初期損傷が発生した場合について示されている。
FIG. 4 is a diagram showing the state immediately after initial damage occurs at the center of the load. Initial damage is damage that first occurs on the raceway surface of the inner ring 12 (stationary ring). This initial damage has a high probability of occurring in the center of the load range where the contact surface pressure between the rolling
図4を参照して、転動体18と内輪12の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において、内輪12の軌道面に初期損傷(D1-1)が発生している。以下では、負荷域中央に初期損傷が発生する以前の状態を「ステージ0」と称し、負荷域中央に初期損傷が発生した状態(図4)を「ステージ1」と称する。
Referring to FIG. 4, initial damage (D1-1) occurs on the raceway surface of
図5は、負荷域中央に発生した初期損傷が軌道面の幅方向全域に拡大した状態を示した図である。図5を参照して、初期損傷が発生した負荷域中央において、損傷(D1-2)が軌道面の周方向に拡大しつつ幅方向全域に拡大すると、負荷域中央を通過中の転動体18は、荷重をほとんど受けない状態(或いは、隣接する転動体に比べて接触面圧が十分に小さい状態であり、以下では、概略的に「無負荷」状態とも称する。)となる。以下では、負荷域中央において初期損傷部が軌道面幅方向全域に拡大することにより(図5)、負荷域中央を通過中の転動体18が「無負荷」となる状態を「ステージ2」と称する。
FIG. 5 is a diagram showing a state in which the initial damage that occurs in the center of the load area spreads over the entire width direction of the raceway surface. Referring to FIG. 5, at the center of the load area where the initial damage occurred, if the damage (D1-2) expands in the circumferential direction of the raceway surface and expands over the entire width direction, the rolling
図6は、負荷域中央に発生した損傷が軌道面の周方向にさらに拡大した状態を示した図である。図6を参照して、負荷域中央において軌道面の幅方向全域に拡大した損傷は、さらに軌道面の周方向(主に転動体18の移動下流方向)へと拡大する(D1-3)。そして、軌道面の周方向への損傷が進展すると、隣接する2つの転動体18が損傷部に同時に入り込む状況が発生する。以下では、軌道面の周方向への損傷が進展し、複数の転動体18が損傷部に同時に入り込むことにより複数の転動体18が「無負荷」となる状態を「ステージ3」と称する。
FIG. 6 is a diagram showing a state in which the damage occurring in the center of the load area has further expanded in the circumferential direction of the raceway surface. Referring to FIG. 6, the damage that spreads across the entire width direction of the raceway surface at the center of the load range further spreads in the circumferential direction of the raceway surface (mainly in the downstream direction of movement of the rolling elements 18) (D1-3). As the damage progresses in the circumferential direction of the raceway surface, a situation occurs in which two adjacent rolling
以上のような損傷の進展により、内外輪間の相対変位δxは段階的に増大する。すなわち、負荷域中央において初期損傷が発生してから、その初期損傷が拡大して負荷域中央を通過中の転動体18が「無負荷」状態になるまで、初期損傷の拡大に伴なって相対変位δxは増大する(ステージ1)。
As the damage progresses as described above, the relative displacement δx between the inner and outer rings increases step by step. That is, after the initial damage occurs in the center of the load range, the initial damage expands until the rolling
負荷域中央を通過中の転動体18が「無負荷」となる状態(ステージ2)では、内外輪間の相対変位δxは、初期損傷が生じていることによりステージ0に比べて大きい。しかしながら、隣接する2つの転動体18が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大するまでは、相対変位δxは、ステージ0と同様に総負荷回数の増加に応じて増大傾向を示さない。
In the state (stage 2) where the rolling
そして、隣接する2つの転動体18が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大し、複数の転動体18が同時に「無負荷」となる状態が発生すると(ステージ3)、荷重を受ける転動体数が減少することにより内外輪間の相対変位δxはさらに増大する。
Then, when the damage expands in the circumferential direction of the raceway surface until two adjacent rolling
さらに、複数の転動体18が同時に「無負荷」状態になると(ステージ3)、内外輪間の相対変位δxは急激に増大する。この理由は、以下のとおりと考えられる。すなわち、同時に「無負荷」状態となる転動体18が発生すると、荷重を受ける転動体数がさらに減少することによって各転動体18が受ける荷重が増大し、その結果、損傷の進展速度が上昇する。これにより、内外輪間の相対変位δxが急激に増大する。
Furthermore, when a plurality of rolling
なお、複数の転動体18が同時に「無負荷」となる状態は、隣接する2つの転動体18が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大する場合に限られず、以下のような場合にも生じ得る。
The state in which a plurality of rolling
図7は、初期損傷部から離れた位置に新たなフレーキングが発生した様子を示した図である。図7を参照して、初期損傷の発生後、初期損傷部(D1)から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し得る(D2)。そして、この新たなフレーキングによる損傷が軌道面幅方向に拡大すると、新たなフレーキングに起因する損傷部と初期損傷部とに複数の転動体18が同時に浸入する状況が発生し得る。この場合にも、荷重を受ける転動体数が複数減少することによって各転動体18が受ける荷重が増大し、その結果、損傷の進展速度が上昇する。
FIG. 7 is a diagram showing how new flaking occurs at a position away from the initial damaged portion. Referring to FIG. 7, after the initial damage occurs, new flaking occurs at a position distant from the initial damage portion (D1), starting from an indentation generated on the raceway surface due to the biting of the peeled pieces of the damage. (D2). If the damage caused by this new flaking expands in the width direction of the raceway surface, a situation may occur in which a plurality of rolling
なお、各転動体18が受ける荷重の増大は、転動体18が損傷部に進入する際に、静止輪(内輪12)に対して回転輪(外輪16)が変動することによる慣性力も増大させるので、この点からの損傷の進展速度の増大に寄与する。以上のような理由により、複数の転動体18が同時に「無負荷」となる状態になると(ステージ3)、内外輪間の相対変位δxは急激に増大する。
An increase in the load received by each rolling
なお、ステージ3においても、理論的には、2つの転動体18が「無負荷」状態となってから、さらに損傷が拡大することにより、又は新たなフレーキングが発生することにより、3つめの転動体18が「無負荷」状態となるまで、総負荷回数の増加に応じて相対変位δxが増大傾向を示さない状態が発生し得る。しかしながら、このような状態になると、多数の無負荷の転動体18が発生することによってその他の転動体18が受ける荷重が相当増大し、かつ、複数の転動体18が損傷部を同時に通過するときに生じる慣性力も相当なものとなり、損傷が連鎖的かつ加速的に進展する。その結果、転動体18が損傷部を通過する際に同時に無負荷となる転動体数が加速的に増加し、内外輪間の相対変位δxも加速的に増大することとなる。
In
図8は、無負荷の転動体数と内外輪間の相対変位δxとの関係を示した図である。なお、相対変位δxは、ラジアル荷重の影響を受けるので、この図8では、3段階のラジアル荷重毎に分けて図示されている。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the number of rolling elements under no load and the relative displacement δx between the inner and outer rings. Since the relative displacement .delta.x is affected by the radial load, FIG. 8 shows the radial load divided into three stages.
図8を参照して、横軸は、ころピッチ損傷が進展することによって転動体が損傷部を通過時に同時に無負荷となる転動体の数を示す。縦軸は、内外輪間の相対変位δxを示す。丸印は、ラジアル荷重が90kNの場合を示し、三角印は、ラジアル荷重が70kNの場合を示す。四角印は、ラジアル荷重が50kNの場合を示す。 Referring to FIG. 8, the horizontal axis indicates the number of rolling elements that become unloaded at the same time when the rolling elements pass through the damaged portion due to progress of roller pitch damage. The vertical axis indicates the relative displacement δx between the inner and outer rings. A circle indicates the case of a radial load of 90 kN, and a triangle indicates the case of a radial load of 70 kN. A square mark indicates the case where the radial load is 50 kN.
図示されるように、無負荷の転動体数が増加するに従って、内外輪間の相対変位δxは加速的に増大する。そして、上述のように、ころピッチ損傷が一旦発生すると、ころピッチ間隔で無負荷となる転動体の数が加速的に増加し、その結果、内外輪間の相対変位δxは加速的に増大する。すなわち、ステージ3における相対変位δxの増大速度は非常に速い。そこで、この実施の形態1に従う状態監視装置では、ステージ3が開始する時点を転がり軸受10の交換時期とすることとした。
As shown in the figure, the relative displacement δx between the inner and outer rings accelerates as the number of unloaded rolling elements increases. As described above, once roller pitch damage occurs, the number of rolling elements that become unloaded at the roller pitch interval increases at an accelerated rate, and as a result, the relative displacement δx between the inner and outer rings increases at an accelerated rate. . That is, the increasing speed of the relative displacement δx on the
図9は、複数の転動体18から内輪12が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δxとの関係を調べた実験結果の一例を示す図である。図9は、初期損傷部から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し、その新たなフレーキングに起因する損傷部と初期損傷部とに複数の転動体18が同時に進入する状態となる場合の実験結果を示したものである。なお、実験条件としては、転がり軸受10は、内径120mm、外径215mm、幅40m、動定格荷重260kNの単列円筒ころ軸受とし、この転がり軸受10に対して、ラジアル荷重90kN、回転速度500回/分を付与した。
FIG. 9 is a diagram showing an example of experimental results of examining the relationship between the total number of times the
図9において、STG0はステージ0を、STG1はステージ1を、STG2はステージ2を、STG3はステージ3をそれぞれ意味している。
In FIG. 9, STG0 means
この実施の形態1においては、初期損傷が検出された時点で、初期損傷が発生した時点からころピッチ損傷が発生する時点までの総負荷回数(以下では、「余寿命」ともいう。)を算出することにより、転がり軸受10の交換時期を予測することとした。図9において、N1は初期損傷が発生するまでの総負荷回数、N2は初期損傷が発生してからころピッチ損傷が発生するまでの総負荷回数である。ステージ1が継続する時間は他のステージと比べて短いため、この実施の形態においてはステージ2の開始時点において初期損傷が発生することとした。したがって、図9において余寿命は、ステージ2が開始する時点からステージ3が開始する時点までの総負荷回数、すなわちN2である。総負荷回数N1は「第1の総負荷回数」に対応し、総負荷回数N2は「第2の総負荷回数」に対応する。
In the first embodiment, when the initial damage is detected, the total number of load times (hereinafter also referred to as "remaining life") from the time when the initial damage occurs to the time when the roller pitch damage occurs is calculated. By doing so, the replacement timing of the rolling
(予測部による交換時期の予測)
図10は、同一回転速度におけるラジアル荷重と初期損傷発生までの総負荷回数との関係を表す図である。図11は、同一回転速度におけるラジアル荷重と余寿命との関係を表す図である。
(Prediction of replacement time by prediction section)
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the radial load at the same rotational speed and the total number of loads until initial damage occurs. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between radial load and remaining life at the same rotational speed.
図10,11を参照して、ラジアル荷重が大きくなると初期損傷発生までの総負荷回数と余寿命とが共に小さくなることがわかる。すなわち、ラジアル荷重が転がり軸受10の交換時期に与える影響は大きい。
10 and 11, as the radial load increases, both the total number of loading cycles until initial damage occurs and the remaining life decrease. That is, the radial load has a great influence on the replacement timing of the rolling
図12は、同一ラジアル荷重における回転速度と初期損傷発生までの総負荷回数との関係を表す図である。図13は、同一ラジアル荷重における回転速度と余寿命との関係を表す図である。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the rotational speed and the total number of loads until the initial damage occurs under the same radial load. FIG. 13 is a diagram showing the relationship between rotational speed and remaining life under the same radial load.
図12,13を参照して、回転速度が大きくなっても、初期損傷発生までの総負荷回数と余寿命とはそれほど変化しないことがわかる。すなわち、回転速度が転がり軸受10の交換時期に与える影響は小さい。
12 and 13, it can be seen that even if the rotation speed increases, the total number of load cycles until the occurrence of initial damage and the remaining life do not change much. That is, the rotational speed has little effect on the replacement timing of the rolling
ラジアル荷重が転がり軸受10の交換時期に大きな影響を与えるのは、ラジアル荷重が大きくなるほど、負荷域中にある転動体18と軌道面との間に生じる接触面圧が大きくなるためである。そこで、この実施の形態では、転がり軸受10に負荷されるラジアル荷重、負荷域中央からころピッチだけ離れた位置において転動体18と軌道面との間に生じる最大接触面圧、および当該位置における総負荷回数の関係を用いて、当該位置の余寿命を算出し、転がり軸受10の交換時期を予測することとした。
The reason why the radial load has a great influence on the replacement timing of the rolling
ころピッチ損傷は、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置において、転動体18から軌道面に繰り返し負荷される接触面圧による転がり疲れが蓄積することにより生じるといえる。また、当該位置における最大接触面圧は、負荷域中央に初期損傷が生じる前後で大きく異なる。そこで、予測部108は、変動応力を繰り返し受ける部材の寿命予測法である修正マイナー則に従い、当該初期損傷が生じる前後の基本定格寿命と総負荷回数との関係式から余寿命を算出して転がり軸受10の交換時期を予測する。基本定格寿命とは、一群の同じ軸受を同一条件で個々に回転させたとき、その90%(信頼度90%)が転がり疲れによるフレーキングを生じることなく回転できる実質的な総回転数をいう。
It can be said that roller pitch damage is caused by the accumulation of rolling fatigue due to contact surface pressure repeatedly applied to the raceway surface from the rolling
基本定格寿命はラジアル荷重から算出することができるが、予測部108が行なう余寿命の算出に必要な基本定格寿命は、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転がり疲れに関連するものである。そこで、当該位置における最大接触面圧が負荷域中央に負荷されるものとした場合のラジアル荷重を用いる。すなわち、予測部108は、転がり軸受10に負荷されるラジアル荷重から、負荷域中央からころピッチだけ離れた位置における、負荷域中央に初期損傷が生じる前後の最大接触面圧をそれぞれ求める。負荷域中央に当該最大接触面圧が生じるような、初期損傷が生じる前後のラジアル荷重をそれぞれ逆算する。当該ラジアル荷重から転がり軸受10の初期損傷が生じる前後の基本定格寿命をそれぞれ求める。
The basic rating life can be calculated from the radial load, but the basic rating life required for the calculation of the remaining life performed by the
再び図9を参照して、負荷域中央に損傷が発生してから相対変位δxは総負荷回数の増加に応じて増大傾向を示すが、総負荷回数がN1に達すると、当該増大傾向を示さなくなる。この実施の形態においては、当該時点において負荷域中央に損傷が発生することとした。損傷検出部106は当該時点において負荷域中央に損傷が発生したことを検出し、当該損傷の発生の検出を予測部108に通知する。相対変位δxが上記増大傾向を示している期間は比較的短いため、損傷検出部106が予測部108に当該通知を行なう時点は、相対変位δxが増大を開始した時点としてもよい。
Referring to FIG. 9 again, after damage occurs in the center of the load range, the relative displacement δx shows an increasing tendency as the total number of loading times increases, and when the total number of loading times reaches N1, the increasing tendency is shown. Gone. In this embodiment, it is assumed that damage occurs in the center of the load range at that time. The
予測部108は、損傷検出部106からの上記通知に応じて、転がり軸受10の余寿命を算出する。図14は、予測部108により実行される転がり軸受10の余寿命を算出する処理を説明するためのフローチャートである。
The
図14を参照して、予測部108は、ステップS10において損傷検出部106から負荷域中央に損傷が生じたことを検出した旨の通知があったか否かを判定する。当該通知があった場合(S10にてYES)、予測部108はステップS11に処理を進める。当該通知がない場合(S10にてNO)、予測部108はステップS10に処理を戻す。
Referring to FIG. 14,
予測部108は、ステップS11において、負荷域中央に損傷が生じるまでの総負荷回数N1を算出する。負荷域中央に損傷が生じるまでに内輪12が複数の転動体18から受ける総負荷回数は、言い換えれば、負荷域中央に損傷が生じるまでの、内輪12に対する複数の転動体18の総通過回数である。この総負荷回数(すなわち転動体18の総通過回数)N1は、負荷域中央に損傷が生じるまでの転がり軸受10の総回転回数R1に基づいて、以下の式(2)にて算出することができる。
In step S11, the
N1=R1×Nc/dN×転動体数 …(2)
予測部108は、ステップS12において、予め最大接触面圧Pmax1から導出した基本定格寿命L1と、予め最大接触面圧Pmax2から導出した基本定格寿命L2と、総負荷回数N1と、余寿命N2との、修正マイナー則における関係式(3)から余寿命N2を算出する(式(3)を変形した式(4)参照)。
N1=R1×Nc/dN×number of rolling elements (2)
In step S12, the
N1/L1+N2/L2=1 …(3)
N2=L2(1-N1/L1) …(4)
以下では、ステップS12において必要となる基本定格寿命L1,L2を算出する処理について説明する。図15は、予測部108により実行される転がり軸受10の基本定格寿命を算出する処理(以下では「軸受寿命計算」ともいう。)を説明するためのフローチャートである。軸受寿命計算は、転がり軸受の仕様が決定すれば行なえる。そのため、予測部108による交換時期の予測の直前に行なわれる必要はなく、当該予測に先立って行なわれていればどのような時期で行なわれてもよい。また、軸受寿命計算は、予測部108によって行なわれる必要はなく、予測部108が他の計算実体によって行なわれた軸受寿命計算の結果を参照するようにしてもよい。
N1/L1+N2/L2=1 (3)
N2=L2(1-N1/L1) (4)
Below, the processing for calculating the basic rated lives L1 and L2 required in step S12 will be described. FIG. 15 is a flowchart for explaining the process of calculating the basic rating life of the rolling bearing 10 (hereinafter also referred to as “bearing life calculation”) executed by the
この軸受寿命計算において算出される最大接触面圧及びラジアル荷重は、転動体と軌道面との接触部分を弾性体として、その他の部分を剛体とするヘルツ理論によって算出される。 The maximum contact surface pressure and radial load calculated in this bearing life calculation are calculated according to the Hertzian theory that the contact portion between the rolling element and the raceway surface is an elastic body and the other portion is a rigid body.
図15を参照して、予測部108は、ステップS110において、実際のラジアル荷重Fr0が転がり軸受10に負荷された場合の最大接触面圧Pmax1と最大接触面圧Pmax2とを算出する。ラジアル荷重Fr0は「第1のラジアル荷重」に対応する。最大接触面圧Pmax1は、上述したように、初期損傷が発生する以前において、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転動体18と内輪12の軌道面との間に生じる最大接触面圧である。最大接触面圧Pmax2は、上述したように、初期損傷が発生した後において、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転動体18と内輪12の軌道面との間に生じる最大接触面圧である。
15,
予測部108は、ステップS111において、負荷域中央の最大接触面圧Pmax0が最大接触面圧Pmax1となるラジアル荷重Fr1を算出する。ラジアル荷重Fr1は「第2のラジアル荷重」に対応する。さらに、予測部108は、ステップS112において、負荷域中央の最大接触面圧Pmax0が最大接触面圧Pmax2となるラジアル荷重Fr2を算出する。ラジアル荷重Fr2は「第3のラジアル荷重」に対応する。
In step S111, the
図16は、ヘルツ理論に基づくラジアル荷重(横軸)と最大接触面圧(縦軸)との関係を表す図である。この図を用いて、図15のステップS110~S112において行なわれた処理を視覚的に説明する。 FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the radial load (horizontal axis) and the maximum contact surface pressure (vertical axis) based on Hertzian theory. Using this figure, the processing performed in steps S110 to S112 of FIG. 15 will be visually explained.
図16とともに図15を参照して、曲線S0はラジアル荷重と最大接触面圧Pmax0との関係を表す。曲線S1はラジアル荷重と最大接触面圧Pmax1との関係を表す。曲線S2はラジアル荷重と最大接触面圧Pmax2との関係を表す。 Referring to FIG. 15 together with FIG. 16, curve S0 represents the relationship between radial load and maximum contact surface pressure Pmax0. A curve S1 represents the relationship between the radial load and the maximum contact surface pressure Pmax1. A curve S2 represents the relationship between the radial load and the maximum contact surface pressure Pmax2.
曲線S1上の点P1は、ラジアル荷重がFr0である曲線S1上の点であり、点P1の最大接触面圧が最大接触面圧Pmax1である。曲線S2上の点P2は、ラジアル荷重がFr0である曲線S2上の点であり、点P2の最大接触面圧がPmax2となる。これらは、図15のステップS110において最大接触面圧Pmax1と最大接触面圧Pmax2とを算出していることに相当する。 A point P1 on the curve S1 is a point on the curve S1 where the radial load is Fr0, and the maximum contact surface pressure at the point P1 is the maximum contact surface pressure Pmax1. A point P2 on the curve S2 is a point on the curve S2 where the radial load is Fr0, and the maximum contact surface pressure at the point P2 is Pmax2. These correspond to calculating the maximum contact surface pressure Pmax1 and the maximum contact surface pressure Pmax2 in step S110 of FIG.
曲線S0上の点P10は、最大接触面圧Pmax0が最大接触面圧Pmax1である曲線S0上の点であり、点P10のラジアル荷重がFr1である。これは、図15のステップS111によりFr1を求めていることに相当する。 A point P10 on the curve S0 is a point on the curve S0 where the maximum contact pressure Pmax0 is the maximum contact pressure Pmax1, and the radial load at the point P10 is Fr1. This corresponds to obtaining Fr1 in step S111 of FIG.
曲線S0上の点P20は、最大接触面圧Pmax0が最大接触面圧Pmax2である曲線S0上の点であり、点P20のラジアル荷重がFr2となる。これは、図15のステップS112によりFr2を求めていることに相当する。 A point P20 on the curve S0 is a point on the curve S0 where the maximum contact pressure Pmax0 is the maximum contact pressure Pmax2, and the radial load at the point P20 is Fr2. This corresponds to obtaining Fr2 in step S112 of FIG.
再び図15を参照して、予測部108は、以下の式(5)よりラジアル荷重Fr1が負荷されている場合の転がり軸受10の基本定格寿命L1を算出する(ステップS113)。基本定格寿命L1は「第1の基本定格寿命」に対応する。
Referring to FIG. 15 again,
L1=(C/Fr1)10/3 …(5)
Cは基本動定格荷重である。基本動定格荷重とは、転がり軸受の動的負荷能力を表すもので100万回転の基本定格寿命を与えるような一定荷重をいう。
L1=(C/Fr1) 10/3 (5)
C is the basic dynamic load rating. The basic dynamic load rating represents the dynamic load capacity of a rolling bearing, and refers to a constant load that gives a basic rated life of 1 million revolutions.
予測部108は、以下の式(6)よりラジアル荷重Fr2が負荷されている場合の転がり軸受10の基本定格寿命L2を算出する(ステップS114)。基本定格寿命L2は「第2の基本定格寿命」に対応する。
L2=(C/Fr2)10/3 …(5)
以上の処理により、予測部108は、転がり軸受10の余寿命を算出し、転がり軸受10の交換時期を予測する。
L2=(C/Fr2) 10/3 (5)
Through the above processing, the
なお、この実施の形態1においては、軸受寿命計算において行なわれる最大接触面圧及びラジアル荷重はヘルツ理論によって算出したが、それ以外の方法によって算出しても構わない。例えば、有限要素法(FEM)を用いて全ての部分を弾性体や弾塑性体とする方法によって算出してもよい。動力学解析によって動的な影響を考慮した方法によってもよい。動力学解析とは、転がり軸受10の構成要素(内輪12、外輪16及び転動体18)毎に運動方程式を立て、連立常微分方程式を時間軸に沿って積分していく手法である。理論モード解析を用いて状態監視装置全体のモード情報を求めて、当該モード情報を動力学解析に導入して振動特性を考慮する方法によって算出してもよい。理論モード解析とは、構造体(弾性体)がどのような振動モード(固有値情報)を有しているかを数理的に求めるものである。
In the first embodiment, the maximum contact surface pressure and the radial load used in calculating the life of the bearing are calculated according to the Hertzian theory, but they may be calculated using other methods. For example, the finite element method (FEM) may be used to calculate all parts with elastic bodies or elastoplastic bodies. A method that considers dynamic effects by dynamic analysis may be used. The dynamics analysis is a method of establishing an equation of motion for each component of the rolling bearing 10 (the
図17は、余寿命の予測値と実測値との関係を表す図である。図17を参照して、余寿命の予測値と実測値とは明確な関係があり、予測部108が行なう交換時期の予測が有効な指針となることがわかる。なお、余寿命の実測値は予測値に比べ一桁程度短寿命となるのは、損傷部分から生じる剥離片が転動体に噛み込むことにより圧痕が形成され、その圧痕付近に接触面圧が集中するためと考えられる。余寿命の予測値は、上記剥離片の影響などの外的要因により、実際の余寿命とかい離する場合もある。かい離が大きい場合には、実情に合わせた実験や解析を行ない、その結果に基づいて余寿命の予測値を補正するのが望ましい。
FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the predicted value of remaining life and the measured value. Referring to FIG. 17, there is a clear relationship between the predicted value of remaining life and the measured value, and it can be seen that the prediction of the replacement time performed by
上述した転がり軸受の状態監視装置100は、様々な機械装置に適用可能であるが、特に、風力発電装置の主軸軸受の状態監視に好適である。すなわち、風力発電装置の主軸軸受は、交換が容易ではなく、かつ、比較的低速条件で使用され、さらに、軸受に損傷が発生しても継続使用されることが多い。このような風力発電装置の主軸軸受については、損傷による軸受交換時期の予測が課題である。そこで以下では、この実施の形態1に従う状態監視装置100を適用した風力発電装置について説明する。
The rolling bearing
(風力発電装置の構成)
図18は、この実施の形態1に従う転がり軸受の状態監視装置が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。図18を参照して、風力発電装置210は、主軸220と、ブレード230と、増速機240と、発電機250と、主軸軸受(以下、単に「軸受」と称する。)260と、変位センサ270と、データ処理装置280とを備える。増速機240、発電機250、軸受260、変位センサ270及びデータ処理装置280は、ナセル290に格納され、ナセル290は、タワー300によって支持される。
(Configuration of wind turbine generator)
FIG. 18 is a diagram schematically showing the configuration of a wind turbine generator to which the rolling bearing condition monitoring device according to the first embodiment is applied. Referring to FIG. 18,
主軸220は、ナセル290内に進入して増速機240の入力軸に接続され、軸受260によって回転自在に支持される。そして、主軸220は、風力を受けたブレード230により発生する回転トルクを増速機240の入力軸へ伝達する。ブレード230は、主軸220の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸220に伝達する。
増速機240は、主軸220と発電機250との間に設けられ、主軸220の回転速度を増速して発電機250へ出力する。一例として、増速機240は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機240内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機250は、増速機240の出力軸に接続され、増速機240から受ける回転トルクによって発電する。発電機250は、たとえば誘導発電機によって構成されるが、発電機250の種類はこれに限定されるものではない。なお、この発電機250内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。
The
軸受260は、ナセル290内において固設され、主軸220を回転自在に支持する。軸受260は、転がり軸受であり、この実施の形態に従う状態監視装置の監視対象となる軸受である。なお、この軸受260は、内輪が回転輪であり、外輪が静止輪である点で、図1以下に説明した転がり軸受10と異なるが、上記の実施の形態1に従う状態監視装置100は、このような軸受260にも適用可能である。なお、外輪が静止輪の場合、負荷域は、外輪においてその中心軸よりも鉛直方向下側であり、初期損傷及びころピッチ損傷は、外輪内周面の軌道面に形成される。
Bearing 260 is fixed within
変位センサ270は、軸受260の内外輪間の相対変位を検出するためのセンサである。変位センサ270は、軸受260のハウジングに固設され、外輪(静止輪)に対する内輪(回転輪)の鉛直方向の変位δxを検出してデータ処理装置280へ出力する。
データ処理装置280は、ナセル290内に設けられ、変位センサ270から検出値を受ける。そして、データ処理装置280は、予め設定されたプログラムに従って、軸受260の余寿命を算出することにより軸受260の交換時期を予測する。このデータ処理装置280は、上述した損傷検出部106及び予測部108の機能を実現するものである。
A
以上のように、この実施の形態1においては、余寿命を算出することにより、転がり軸受の交換時期を予測することができる。 As described above, in the first embodiment, the time to replace the rolling bearing can be predicted by calculating the remaining life.
[実施の形態2]
上述した実施の形態1では、初期損傷が検出された時点で、初期損傷が発生した時点からころピッチ損傷が発生する時点までの総負荷回数(余寿命)を算出することにより、転がり軸受の交換時期を予測する構成について説明した。
[Embodiment 2]
In the above-described first embodiment, when the initial damage is detected, the total number of load cycles (remaining life) from the time when the initial damage occurs to the time when the roller pitch damage occurs is calculated. The configuration for predicting the time has been described.
実施の形態2では、予測された交換時期を所望の交換時期まで遅らせるための構成について説明する。この構成は、算出された余寿命が、所望の交換時期に基づいた所望の余寿命に満たない場合に適用される。なお、所望の交換時期(所望の余寿命)は、この実施の形態に従う転がり軸受の状態監視装置が適用される風力発電装置(図18参照)が目標とする総発電量および、転がり軸受を交換するための人員および機械設備の確保などを参考にして設定することができる。
図19は、風力発電装置の発電電力とラジアル荷重との関係を示した図である。図19を参照して、横軸はラジアル荷重を示し、縦軸は風力発電装置の発電電力を示す。 FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the power generated by the wind power generator and the radial load. Referring to FIG. 19, the horizontal axis indicates the radial load, and the vertical axis indicates the power generated by the wind power generator.
図示されるように、風力発電装置の発電電力が増加するに従って、ラジアル荷重は増大する。図11で説明したように、ラジアル荷重が大きくなると、余寿命が小さくなる。すなわち、風力発電装置において、発電電力が余寿命に与える影響が大きい。 As shown in the figure, the radial load increases as the power generated by the wind power generator increases. As described with reference to FIG. 11, the remaining life becomes shorter as the radial load increases. That is, in the wind turbine generator, the generated power has a great influence on the remaining life.
そこで、この実施の形態2に従う状態監視装置においては、初期損傷が検出された時点で算出される余寿命が所望の余寿命に満たない場合には、風力発電装置の発電電力を抑制することとした。風力発電装置の発電電力を抑制することで転がり軸受に負荷されるラジアル荷重も抑制されるため、転がり軸受の余寿命を延ばすことができる。 Therefore, in the condition monitoring device according to the second embodiment, if the remaining life calculated when the initial damage is detected is less than the desired remaining life, the power generated by the wind power generator is suppressed. bottom. Since the radial load applied to the rolling bearing is also suppressed by suppressing the power generated by the wind power generator, the remaining life of the rolling bearing can be extended.
図20は、この発明の実施の形態2による状態監視装置の構成を示すブロック図である。この実施の形態2による状態監視装置100は、図1に示した実施の形態1による状態監視装置100と同様に、転がり軸受10の状態を監視する。実施の形態2による状態監視装置100は、実施の形態1による状態監視装置100に対して、発電制御部110を付加したものである。
FIG. 20 is a block diagram showing the configuration of a condition monitoring device according to
上述したように、予測部108は、損傷検出部106からの通知を受けたことに応じて、図14のフローチャートに示す処理を実行することにより、転がり軸受10の余寿命N2(初期損傷が発生してからころピッチ損傷が最初に発生するまでの総負荷回数)を算出する。
As described above, in response to the notification from the
発電制御部110には、図示しない上位制御装置から転がり軸受10の所望の余寿命N3が予め通知されている。所望の余寿命N3は「第3の総負荷回数」に対応する。発電制御部110は、所望の余寿命N3に基づいて、風力発電装置の発電電力の抑制率を算出する。発電電力の抑制率とは、初期損傷が検出された時点での発電電力に対する発電電力の減少量の割合[%]をいう。発電制御部110は「制御部」の一実施例に対応する。
The power
図21は、発電制御部110により実行される発電電力の抑制率を算出する処理を説明するためのフローチャートである。図20に示すフローチャートは、図14に示したフローチャートのS12の処理の後に、ステップS13~S17の処理を追加したものである。
FIG. 21 is a flowchart for explaining the process of calculating the suppression rate of the generated power, which is executed by the power
図14と同じステップS12において、予測部108により転がり軸受10の余寿命N2が算出されると、発電制御部110は、ステップS13において、予め最大接触面圧Pmax1から導出した基本定格寿命L1と、総負荷回数N1と、所望の余寿命N3と、基本定格寿命L3との、修正マイナー則における関係式(6)から基本定格寿命L3を算出する(式(6)を変形した式(7)参照)。
In step S12, which is the same as in FIG. 14, when the remaining life N2 of the rolling
N1/L1+N3/L3=1 …(6)
L3=N3/(1-N1/L1) …(7)
算出された基本定格寿命L3は、所望の余寿命N3を得ることができる転がり軸受10の基本定格寿命に相当する。基本定格寿命L3は「第3の基本定格寿命」に対応する。発電制御部110は、ステップS14において、図19に示した軸受寿命計算の逆算を行なうことにより、基本定格寿命L3を与えるために転がり軸受10に負荷されるラジアル荷重Fr3を算出する。ラジアル荷重Fr3は「第4のラジアル荷重」に対応する。具体的には、発電制御部110は、以下の式(8)より転がり軸受10の基本定格寿命L3および基本動定格荷重Cからラジアル荷重Fr3を算出する。
N1/L1+N3/L3=1 (6)
L3=N3/(1-N1/L1) (7)
The calculated basic rating life L3 corresponds to the basic rating life of the rolling
Fr3=C/L33/10 …(8)
発電制御部110は、ステップS15において、実際のラジアル荷重Fr3が転がり軸受10に負荷された場合の負荷域中央の最大接触面圧Pmax0が最大接触面圧Pmax2となるラジアル荷重Fr4を算出する。最大接触面圧Pmax2は、上述したように、初期損傷が発生した後において、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転動体18と内輪12の軌道面との間に生じる最大接触面圧である。
Fr3=C/L3 3/10 (8)
In step S15, the power
図22は、ヘルツ理論に基づくラジアル荷重(横軸)と最大接触面圧(縦軸)との関係を示す図である。この図を用いて、図21のステップS15において行なわれた処理を視覚的に説明する。 FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the radial load (horizontal axis) and the maximum contact surface pressure (vertical axis) based on Hertzian theory. Using this figure, the processing performed in step S15 of FIG. 21 will be visually explained.
図22における曲線S0,S1,S2は図16における曲線S0,S1,S2と同じものである。曲線S0上の点P3は、ラジアル荷重がFr3である曲線S0上の点であり、点P3の最大接触面圧が最大接触面圧Pmax0である。 Curves S0, S1 and S2 in FIG. 22 are the same as curves S0, S1 and S2 in FIG. A point P3 on the curve S0 is a point on the curve S0 where the radial load is Fr3, and the maximum contact surface pressure at the point P3 is the maximum contact surface pressure Pmax0.
曲線S2上の点P30は、最大接触面圧が最大接触面圧Pmax0である曲線S2上の点であり、点P30のラジアル荷重がFr4となる。これは、図21のステップS15によりFr4を求めていることに相当する。言い換えると、ラジアル荷重Fr4は、実際のラジアル荷重Fr3が負荷された場合において、負荷域中央の最大接触面圧Pmax0が最大接触面圧Pmax2となるラジアル荷重に相当する。ラジアル荷重Fr4は「第5のラジアル荷重」に対応する。 A point P30 on the curve S2 is a point on the curve S2 where the maximum contact pressure is Pmax0, and the radial load at the point P30 is Fr4. This corresponds to obtaining Fr4 in step S15 of FIG. In other words, the radial load Fr4 corresponds to the radial load at which the maximum contact pressure Pmax0 at the center of the load range becomes the maximum contact pressure Pmax2 when the actual radial load Fr3 is applied. Radial load Fr4 corresponds to the "fifth radial load".
再び図21を参照して、発電制御部110は、ステップS16において、負荷域中央の最大接触面圧Pmax0が最大接触面圧Pmax2となるラジアル荷重Fr4を転がり軸受10に負荷するための発電電力の抑制率を算出する。具体的には、発電制御部110は、図19に示す風力発電装置の発電電力とラジアル荷重との関係に基づいて、ラジアル荷重Fr4を転がり軸受10に負荷する場合の発電電力を算出する。図19に示す発電電力とラジアル荷重との関係を表す関係式またはテーブル等を予め用意しておくことにより、発電制御部110は、ラジアル荷重Fr4が負荷される場合の発電電力を算出することができる。
Referring to FIG. 21 again, in step S16, power
発電制御部110は、算出した発電電力と、初期損傷が検出された時点での発電電力に対する発電電力とに基づいて、発電電力の抑制率を算出する。発電電力の抑制率は、(初期損傷が検出された時点での発電電力-算出した発電電力)/(初期損傷が検出された時点での発電電力)で表わすことができる。
The power
発電制御部110は、ステップS17において、算出した発電電力の抑制率に従って、風力発電装置の発電電力を抑制する。
In step S17, the power
図23は、風力発電装置の発電電力の抑制率と所望の余寿命比との関係を示した図である。図23において、所望の余寿命比とは、発電電力の抑制率が0%のときの余寿命N2に対する所望の余寿命N3の割合である。図23を参照して、発電電力の抑制率が大きくなると、所望の余寿命比が大きくなることがわかる。すなわち、発電電力の抑制率を調整することで、余寿命を調整することができ、結果的に転がり軸受10の交換時期を所望の時期まで遅らせることが可能となる。
FIG. 23 is a diagram showing the relationship between the control rate of the power generated by the wind power generator and the desired remaining life ratio. In FIG. 23, the desired remaining life ratio is the ratio of the desired remaining life N3 to the remaining life N2 when the power generation control rate is 0%. Referring to FIG. 23, it can be seen that the desired remaining life ratio increases as the control rate of generated power increases. That is, by adjusting the control rate of the generated power, the remaining life can be adjusted, and as a result, the replacement timing of the rolling
以上のように、この実施の形態2においては、所望の交換時期に基づいた所望の余寿命を用いて発電電力の抑制率を算出し、この抑制率に従って発電電力を抑制することにより、転がり軸受10の交換時期を所望の交換時期まで遅延させることができる。 As described above, in the second embodiment, the power generation suppression rate is calculated using the desired remaining life based on the desired replacement timing, and the power generation is suppressed according to this suppression rate. 10 replacement times can be delayed until the desired replacement time.
なお、上述した実施の形態1および2では、転がり軸受10はころ軸受であるものとしたが、この発明は玉軸受についても同様に適用可能である。
In the first and second embodiments described above, the rolling
図24は、玉軸受について、内輪が複数の転動体から受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δxとの関係を示した図である。図24は、ころ軸受についての図9に対応するものである。図24では、軸受の負荷域中央に初期損傷が発生してからの総負荷回数と相対変位δx戸の関係が示されている。 FIG. 24 is a diagram showing the relationship between the total number of times the inner ring receives loads from a plurality of rolling elements and the relative displacement δx between the inner and outer rings in a ball bearing. Figure 24 corresponds to Figure 9 for the roller bearing. FIG. 24 shows the relationship between the total number of loads after the occurrence of initial damage in the center of the load range of the bearing and the relative displacement δx.
図24を参照して、ころ軸受と同様に、玉軸受の場合も、総負荷回数がN11に到達した時点からステージ3が開始するまでの余寿命N12を算出することにより、玉軸受の交換時期を予測することができる。
Referring to FIG. 24, similarly to the roller bearing, in the case of the ball bearing as well, by calculating the remaining life N12 from the time when the total number of loads reaches N11 to the start of
玉軸受の場合、軸受寿命計算において行なわれるラジアル荷重Frが負荷される場合の基本定格寿命Lの算出は以下の式(9)による。 In the case of a ball bearing, the calculation of the basic rating life L when a radial load Fr is applied in bearing life calculation is based on the following equation (9).
L=(C/Fr)3 …(9)
また、玉軸受の場合も、ころ軸受と同様に、総負荷回数がN11に到達した時点から、所望の余寿命N3から算出されるラジアル荷重Fr4が負荷されるように、発電電力を抑制することにより、玉軸受の交換時期を所望の交換時期まで遅らせることができる。
L=(C/Fr) 3 (9)
Also, in the case of the ball bearing, similarly to the roller bearing, the generated power is suppressed so that the radial load Fr4 calculated from the desired remaining life N3 is applied from the time when the total number of loads reaches N11. Therefore, the replacement timing of the ball bearing can be delayed until the desired replacement timing.
また、上記においては、内外輪間の相対変位δxは、変位センサ102(270)によって測定するものとしたが、転がり軸受10の回転加速度、回転速度、転がり軸受10から生じる音、及び転がり軸受10に生じる応力のうちの少なくとも1つの測定値と相対変位δxとの予め準備された関係を用いて、先の測定値に基づいて相対変位δxを間接的に検出してもよい。 In the above description, the relative displacement δx between the inner and outer rings is measured by the displacement sensor 102 (270). A prearranged relationship between the relative displacement δx and the measured value of at least one of the stresses occurring in , may be used to indirectly detect the relative displacement δx based on previous measurements.
さらに、上記においては、内外輪間の相対変位δxの変化に従って軸受の交換時期を予測したが、それ以外の検出値に従っても構わない。例えば、加速度センサの検出値から軸受が正常に振動していた状態から異常な振動を行なうようになった時点を検出し、当該時点で負荷域中央に損傷が発生したものとしてもよい。 Furthermore, in the above description, the replacement timing of the bearing is predicted according to the change in the relative displacement δx between the inner and outer rings, but it may be determined according to other detected values. For example, the point in time when the bearing starts to vibrate abnormally from the state of normal vibration may be detected from the detection value of the acceleration sensor, and it may be assumed that damage occurred in the center of the load range at that point.
今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It is also planned to implement each embodiment disclosed this time in appropriate combination. And the embodiment disclosed this time should be considered as an illustration and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the description of the above-described embodiments, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
10,260 軸受、12 内輪、14 軸体、16 外輪、18 転動体、100 状態監視装置、102,270 変位センサ、104 回転センサ、106 損傷検出部、108 予測部、110 発電制御部、210 風力発電装置、220 主軸、230 ブレード、240 増速機、250 発電機、280 データ処理装置、290 ナセル、300 タワー。 Reference Signs List 10,260 bearing, 12 inner ring, 14 shaft, 16 outer ring, 18 rolling element, 100 condition monitoring device, 102,270 displacement sensor, 104 rotation sensor, 106 damage detection unit, 108 prediction unit, 110 power generation control unit, 210 wind force Power generator, 220 main shaft, 230 blades, 240 gearbox, 250 generator, 280 data processor, 290 nacelle, 300 tower.
Claims (11)
前記静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出する損傷検出部と、
前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において、前記損傷検出部によって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測する予測部とを備え、
前記予測部は、前記損傷検出部が損傷を検出するまでの第1の総負荷回数と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第1の最大接触面圧と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第2の最大接触面圧と、前記損傷検出部が損傷を検出した後に、前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第2の総負荷回数との関係を用いて前記交換時期を予測し、
前記第1の最大接触面圧と前記第2の最大接触面圧とは、いずれも前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧である、転がり軸受の状態監視装置。 A state monitoring device for a rolling bearing in which a plurality of rolling elements are arranged at regular intervals in the circumferential direction between a rotating ring and a stationary ring and used under radial load,
a damage detection unit that detects damage occurring in the center of the load area of the raceway surface of the stationary ring;
a prediction unit that predicts, as a replacement time, a time at which new damage will occur due to the damage detected by the damage detection unit at a position spaced apart in the circumferential direction from the center of the load range,
The prediction unit calculates a first total number of loads until the damage detection unit detects damage, and a first total number of loads when a contact surface pressure is generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range. , the second maximum contact surface pressure when no contact surface pressure is generated between the rolling elements and the raceway surface in the center of the load range, and the damage detection unit detects damage later predicting the replacement timing using a relationship with a second total number of loads until damage occurs at a position spaced apart in the circumferential direction from the center of the load range;
Both the first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure are the maximum contact generated between the rolling elements and the raceway surface at a position spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction by the distance. Condition monitoring device for rolling bearings, which is surface pressure.
前記転がり軸受に負荷される第1のラジアル荷重に基づいて、前記第1の最大接触面圧と前記第2の最大接触面圧とを算出し、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第1の最大接触面圧となる第2のラジアル荷重を算出し、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第2の最大接触面圧となる第3のラジアル荷重を算出し、
前記第2のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第1の基本定格寿命を算出し、
前記第3のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第2の基本定格寿命を算出し、
前記第1の総負荷回数と、前記第1の基本定格寿命と、前記第2の基本定格寿命と、前記損傷が生じてから前記交換時期までの前記転がり軸受の第2の総負荷回数との関係式を用いて、前記第2の総負荷回数を算出する、請求項1に記載の転がり軸受の状態監視装置。 The prediction unit
calculating the first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure based on the first radial load applied to the rolling bearing;
calculating a second radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface in the center of the load range becomes the first maximum contact surface pressure;
calculating a third radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface in the center of the load range becomes the second maximum contact surface pressure;
calculating a first basic rating life from the second radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing;
calculating a second basic rating life from the third radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing;
the first total load frequency, the first basic rating life, the second basic rating life, and the second total load frequency of the rolling bearing from the occurrence of the damage to the replacement time; 2. The rolling bearing condition monitoring device according to claim 1, wherein said second total load count is calculated using a relational expression.
前記風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記予測部により予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制する、請求項1または2に記載の転がり軸受の状態監視装置。 The rolling bearing condition monitoring device is configured to monitor the condition of the main shaft bearing of the wind turbine generator,
Further comprising a control unit for controlling the power generated by the wind turbine generator,
When the replacement timing predicted by the prediction unit is less than the desired replacement timing, the control unit reduces the generated power after the time point when damage is detected by the damage detection unit before the time point. 3. The rolling bearing condition monitoring device according to claim 1, wherein the generated power is suppressed in comparison with the generated power of the rolling bearing.
前記風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記予測部により予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制するように構成され、
前記制御部は、
前記所望の交換時期に基づいた、前記損傷検出部が損傷を検出した後に、前記負荷域中
央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第3の総負荷回数と、前記第1の総負荷回数と、前記第1の基本定格寿命と、第3の基本定格寿命との関係式を用いて、前記第3の基本定格寿命を算出し、
前記第3の基本定格寿命と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第4のラジアル荷重を算出し、
前記転がり軸受に前記第4のラジアル荷重が負荷される場合に、前記負荷域中央において前記転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が前記第2の最大接触面圧となる第5のラジアル荷重を算出し、
前記転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と前記発電電力との予め準備された関係を用いて、前記第5のラジアル荷重に基づいて前記発電電力の抑制率を算出し、
前記損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、前記抑制率を用いて抑制する、請求項2に記載の転がり軸受の状態監視装置。 The rolling bearing condition monitoring device is configured to monitor the condition of the main shaft bearing of the wind turbine generator,
Further comprising a control unit for controlling the power generated by the wind turbine generator,
When the replacement timing predicted by the prediction unit is less than the desired replacement timing, the control unit reduces the generated power after the time point when damage is detected by the damage detection unit before the time point. configured to be suppressed compared to the generated power of
The control unit
a third total load count from when the damage detector detects damage until damage occurs at a position spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction by the distance, based on the desired replacement timing; calculating the third basic rating life using the relational expression among the first total number of loads, the first basic rating life, and the third basic rating life;
calculating a fourth radial load from the third basic rating life and the basic dynamic load rating of the rolling bearing;
When the fourth radial load is applied to the rolling bearing, the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range becomes the second maximum contact surface pressure. Calculate the radial load of 5,
calculating a suppression rate of the generated power based on the fifth radial load using a relationship prepared in advance between the radial load applied to the rolling bearing and the generated power;
3. The rolling bearing condition monitoring device according to claim 2, wherein the power generation after the damage is detected by the damage detector is suppressed using the suppression rate.
前記損傷検出部は、前記変位検出部によって検出された相対変位に基づいて、前記損傷が生じたことを検出する、請求項1から4のいずれか1項に記載の転がり軸受の状態監視装置。 further comprising a displacement detection unit for detecting relative displacement in the radial direction between the inner and outer rings of the rolling bearing;
5. The rolling bearing condition monitoring device according to claim 1, wherein said damage detector detects occurrence of said damage based on the relative displacement detected by said displacement detector.
前記静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出するステップと、
前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において、前記損傷を検出するステップによって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測するステップとを含み、
前記予測するステップは、前記損傷を検出するステップが損傷を検出するまでの第1の総負荷回数と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第1の最大接触面圧と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第2の最大接触面圧と、前記損傷を検出するステップが損傷を検出した後に、前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第2の総負荷回数との関係を用いて前記交換時期を予測し、
前記第1の最大接触面圧と前記第2の最大接触面圧とは、いずれも前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧である、転がり軸受の状態監視方法。 A method for monitoring the condition of a rolling bearing in which a plurality of rolling elements are arranged at regular intervals in the circumferential direction between a rotating ring and a stationary ring and used under a radial load, comprising:
detecting damage occurring in the center of the load area of the raceway surface of the stationary ring;
Predicting, as a replacement time, a time at which new damage will occur due to the damage detected by the damage detection step at a position spaced apart in the circumferential direction from the center of the load range by the distance,
The step of predicting includes a first total load count until the step of detecting damage detects damage, and a contact surface pressure between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range. a first maximum contact surface pressure, a second maximum contact surface pressure when no contact surface pressure is generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range, and the step of detecting the damage predicts the replacement timing using a relationship with a second total number of loads until damage occurs at a position spaced apart in the circumferential direction from the center of the load range after the damage is detected,
Both the first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure are the maximum contact generated between the rolling elements and the raceway surface at a position spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction by the distance. A method for monitoring the condition of a rolling bearing, which is surface pressure.
前記転がり軸受に負荷される第1のラジアル荷重に基づいて、前記第1の最大接触面圧と前記第2の最大接触面圧とを算出するステップと、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第1の最大接触面圧となる第2のラジアル荷重を算出するステップと、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第2の最大接触面圧となる第3のラジアル荷重を算出するステップと、
前記第2のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第1の基本定格寿命を算出するステップと、
前記第3のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第2の基本定格寿命を算出するステップと、
前記第1の総負荷回数と、前記第1の基本定格寿命と、前記第2の基本定格寿命と、前記損傷が生じてから前記交換時期までの前記転がり軸受の第2の総負荷回数との関係式を用いて、前記第2の総負荷回数を算出するステップとを含む、請求項8に記載の転がり軸受の状態監視方法。 The predicting step includes:
calculating the first maximum contact surface pressure and the second maximum contact surface pressure based on a first radial load applied to the rolling bearing;
calculating a second radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface in the center of the load range becomes the first maximum contact surface pressure;
calculating a third radial load at which the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface in the center of the load range becomes the second maximum contact surface pressure;
calculating a first basic rating life from the second radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing;
calculating a second basic rating life from the third radial load and the basic dynamic load rating of the rolling bearing;
the first total load frequency, the first basic rating life, the second basic rating life, and the second total load frequency of the rolling bearing from the occurrence of the damage to the replacement time; 9. The rolling bearing condition monitoring method according to claim 8, further comprising the step of calculating said second total load count using a relational expression.
前記風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含み、
前記制御するステップは、前記予測するステップにより予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制する、請求項8または9に記載の転がり軸受の状態監視方法。 The rolling bearing condition monitoring method is configured to monitor the condition of a main shaft bearing of a wind turbine generator,
further comprising controlling the power generated by the wind turbine generator;
In the controlling step, when the replacement timing predicted by the predicting step is less than the desired replacement timing, the generated power after the damage is detected by the damage detecting step is 10. The rolling bearing condition monitoring method according to claim 8 or 9, wherein the generated power is suppressed compared to the generated power before the time point.
前記風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含み、
前記制御するステップは、前記予測するステップにより予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制するように構成され、
前記制御するステップは、
前記所望の交換時期に基づいた、前記損傷を検出するステップが損傷を検出した後に、前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第3の総負荷回数と、前記第1の総負荷回数と、前記第1の基本定格寿命と、第3の基本定格寿命との関係式を用いて、前記第3の基本定格寿命を算出するステップと、
前記第3の基本定格寿命と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第4のラジアル荷重を算出するステップと、
前記転がり軸受に前記第4のラジアル荷重が負荷される場合に、前記負荷域中央において前記転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が前記第2の最大接触面圧となる第5のラジアル荷重を算出するステップと、
前記転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と前記発電電力との予め準備された関係を用いて、前記第5のラジアル荷重に基づいて前記発電電力の抑制率を算出するステップと、
前記損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、前記抑制率を用いて抑制するステップとを含む、請求項9に記載の転がり軸受の状態監視方法。 The rolling bearing condition monitoring method is configured to monitor the condition of a main shaft bearing of a wind turbine generator,
further comprising controlling the power generated by the wind turbine generator;
In the controlling step, when the replacement timing predicted by the predicting step is less than the desired replacement timing, the generated power after the damage is detected by the damage detecting step is is configured to be suppressed compared to the generated power before the point in time,
The controlling step includes:
a third total number of load times until damage occurs at a position spaced apart from the center of the load area in the circumferential direction by the distance after the step of detecting damage detects damage, based on the desired replacement timing; , calculating the third basic rating life using a relational expression among the first total number of loads, the first basic rating life, and the third basic rating life;
calculating a fourth radial load from the third basic rating life and the basic dynamic load rating of the rolling bearing;
When the fourth radial load is applied to the rolling bearing, the maximum contact surface pressure generated between the rolling elements and the raceway surface at the center of the load range becomes the second maximum contact surface pressure. calculating the radial load of 5;
calculating a suppression rate of the generated power based on the fifth radial load using a relationship prepared in advance between the radial load applied to the rolling bearing and the generated power;
10. The method of monitoring the state of a rolling bearing according to claim 9, further comprising the step of using the suppression rate to suppress the generated power after the damage is detected by the step of detecting the damage.
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