JP7335743B2 - 軸受異常予知装置および軸受異常予知方法 - Google Patents

Description

この発明は、軸受異常予知装置および軸受異常予知方法に関し、例えば、鉄道車両駆動装置等に使用される転がり軸受の劣化モードの典型例の一つである過度の昇温を予知する技術に関する。

軸受の異常を診断する従来技術が種々提案されている。
［先行文献１］
先行文献１では、軸受のハウジングに取り付けた加速度センサからの振動加速度信号に基づいて軸受の異常を診断し、異常ありと診断した場合には、その異常の発生頻度を確認することで異常の種類を判別する（特許文献１）。
この先行文献１における異常有無の判定方法は、振動加速度のスペクトルデータに転動体通過周波数が検出された場合には異常と判定し、転動体通過周波数が検出されなければ正常と判定する（明細書段落［００１９］）。

［先行文献２］
軸受の運用時間に応じて摩耗等により軸受の性能が劣化し、軸受に生じる振動が変化するため、軸受の異常診断においては予め定めた振動の閾値との対比による判定では誤診断が発生し得る。
先行文献２は、振動検出部、特徴周波数成分抽出部、異常診断部に加え、運用度算出部、閾値設定部からなる異常診断装置であって、上述の誤診断を減らすため、軸受の運用履歴から算出される運用度に基づいて設定した閾値により異常診断を行う。
この先行文献２における異常診断の方法は、外輪軌道面の剥離等による軸受振動の特徴周波数成分の全てが診断閾値以上である場合に、軸受の異常と判断する（明細書段落［００７５］）。

［先行文献３］
先行文献３は、振動センサ、簡易診断部、フィルタ処理部、演算処理部、精密診断部、損傷レベル診断部から構成される状態監視装置であって、精度良く、且つ効率良く診断ができるように、簡易診断部で軸受の異常有無を診断し、精密診断部と損傷レベル診断部でそれぞれ異常発生部位と損傷の程度を特定する。
前記簡易診断部における軸受の異常有無の診断方法は、振動センサにより検出された信号波形から得られる実効値、ピーク値、波効率の少なくとも一つの簡易診断値を算出して各閾値と比較し、簡易診断値が閾値を超える場合に、軸受の異常と診断する（明細書段落［００２５］）。

特開２０１８－８０９２４号公報 特開２０１７－３２４６７号公報 特開２０１７－３２５２０号公報

ところで、図７に示すように、鉄道車両駆動装置の小歯車軸５０には、円すいころ軸受５１を小歯車５０の軸方向両側に正面合わせで配置して使用するのが一般的である。この用途の軸受の典型的な異常モードには、軌道面剥離または摩耗以外に、内輪鍔面と円すいころの大端面が摺動することによる過度の昇温が挙げられる。過度の昇温は軌道面剥離または摩耗と異なり、軸受異常の進展が早く、発生後短時間（数十秒から数分）で軸受が回転不能となり得るため、駆動装置の安定的な使用に対して、軌道面剥離および摩耗よりもリスクが高い。

従来技術のように損傷発生後の振動レベルを閾値と比較し、閾値を超えた場合に異常判定する方法では、軸受における過度の昇温の兆候を捉えることはできず、軸受が回転不能となるまでの時間が十分確保できないため、軸受の過度の昇温を未然に防ぐことは不可能であった。軸受が回転不能となった場合、軸受のみならず、軸または装置自体の異常にもつながり、その被害は大きい。
先行文献の従来技術は、いずれも軸受に剥離または摩耗等が発生した後に、それに伴って発生する振動レベルの増加を検出し、軸受の異常診断を行っている。

この発明の目的は、転がり軸受における過度の昇温に起因して転がり軸受が回転不良となることを防止し、転がり軸受等の異常による経済的損失等を削減することができる軸受異常予知装置および軸受異常予知方法を提供することである。

この発明の軸受異常予知装置は、転がり軸受３の過度の昇温を予知する軸受異常予知装置であって、
前記転がり軸受３の回転時の振動を検出する振動検出手段１４と、
この振動検出手段１４の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受３に過度の昇温の兆候があると判定する判定手段１６と、を備えている。
前記閾値は、この値未満となると過度の昇温の兆候があると判定できる値であって、設計等によって任意に定める閾値であり、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な閾値を求めて定められる。

転がり軸受３は、内部すきまとして所望のアキシアルすきまを有するように装置に組み込まれる。前記転がり軸受３に回転自在に支持された軸４が、転がり軸受３の過度の昇温前の過程で、転がり軸受３から生じる熱により熱膨張することで、転がり軸受３のアキシアルすきまは徐々に小さくなり、これに伴って転がり軸受３の回転による振動が低下する。
そこで、この構成によると、振動検出手段１４の検出値が閾値未満になったとき、転がり軸受３に過度の昇温があると判定する。このように転がり軸受３の振動の低下を検出することで、転がり軸受３に過度の昇温が発生する兆候を捉えることができる。したがって、転がり軸受３に過度の昇温が発生する前に回転速度を低減するなどの対処をすることで、転がり軸受等の異常による経済的損失等を削減することができる。軸受の異常判別に振動検出値を用いる場合、通常は閾値以上である場合に異常とするが、通常とは逆に閾値未満であると過度の昇温の兆候があると判定するため、より早期に兆候を検出して対処することができる。
なお、転がり軸受３として、アキシアル荷重およびラジアル荷重の両方を負荷可能な転がり軸受を適用してもよい。

前記判定手段１６は、
前記振動検出手段１４の検出値をエンベロープ処理したエンベロープスペクトルを得る演算処理部１６ａと、
この演算処理部１６ａで求めたエンベロープスペクトルに対し、前記転がり軸受３における転動体３ｂの通過周波数に相当する周波数帯域の振動レベルの低下を検出することで、前記転がり軸受３に過度の昇温の兆候があると判定する異常判定部１６ｂと、を有してもよい。

この構成によると、エンベロープスペクトルに対し、転動体３ｂの通過周波数に相当する周波数帯域の振動レベルの低下を検出するため、転がり軸受３の過度の昇温の判定に必要な特徴周波数の振動レベルを用いて異常判定を効率良く行うことができる。したがって、例えば、歯車５，６の噛み合い等による振動および車両が走行することによる振動、電磁ノイズの影響等を排除することができる。

前記転がり軸受３の温度を検出する温度検出手段１８を備え、前記判定手段１６は、前記振動検出手段１４の検出値と、前記温度検出手段１８の検出値とを用いて前記転がり軸受３の過度の昇温を予知してもよい。この場合、より精度良く、転がり軸受３に過度の昇温の兆候があると判定することができる。

前記判定手段１６で前記転がり軸受３に過度の昇温の兆候があると判定したとき、警報信号を出力する警報手段１７を有してもよい。この場合、アラーム信号等の警報で異常予知を喚起された人の操作により回転速度を低減するなどの対処をすることができる。

軸受異常予知装置が、鉄道車両の駆動する駆動源Ｍと、この駆動源Ｍの回転駆動力を減速して車輪に伝達する減速機１とを備える鉄道車両駆動装置に用いられてもよい。この場合、転がり軸受３に過度の昇温が発生する前に回転速度を低減するなどの対処をすることで、鉄道車両駆動装置の異常に伴う経済的損失、修繕のためのコストおよび工数を削減することができる。

この発明の軸受異常予知方法は、転がり軸受３の過度の昇温を予知する軸受異常予知方法であって、
前記転がり軸受３の回転時の振動を検出する振動検出過程と、
この振動検出過程の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受３の過度の昇温の兆候があると判定する判定過程と、を備えている。
前記閾値は、設計等によって任意に定める閾値であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な閾値を求めて定められる。

このように転がり軸受３の振動の低下を検出することで、転がり軸受３に過度の昇温が発生する兆候を捉えることができる。したがって、転がり軸受３に過度の昇温が発生する前に回転速度を低減するなどの対処をすることで、転がり軸受等の異常による経済的損失等を削減することができる。

この発明の軸受異常予知装置は、転がり軸受の過度の昇温を予知する軸受異常予知装置であって、前記転がり軸受の回転時の振動を検出する振動検出手段と、この振動検出手段の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受に過度の昇温の兆候があると判定する判定手段と、を備えたため、転がり軸受における過度の昇温に起因して転がり軸受が回転不良となることを防止し、転がり軸受等の異常による経済的損失等を削減することができる。

この発明の軸受異常予知方法は、転がり軸受の過度の昇温を予知する軸受異常予知方法であって、前記転がり軸受の回転時の振動を検出する振動検出過程と、この振動検出過程の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受の過度の昇温の兆候があると判定する判定過程と、を備えたため、転がり軸受における過度の昇温に起因して転がり軸受が回転不良となることを防止し、転がり軸受等の異常による経済的損失等を削減することができる。

この発明の実施形態に係る軸受異常予知装置を備えた鉄道車両駆動装置の要部の断面図である。 この発明の実施形態に係る軸受異常予知方法を表すフローチャートである。 振動、回転速度等の測定結果を示す図である。 エンベロープスペクトルにおける特徴周波数を表す図である。 この発明の他の実施形態に係る軸受異常予知装置を備えた鉄道車両駆動装置の要部の断面図である。 振動、軸受温度、回転速度等の測定結果を示す図である。 従来例の鉄道車両駆動装置の要部の断面図である。

［第１の実施形態］
この発明の実施形態に係る軸受異常予知装置および軸受異常予知方法を図１ないし図４と共に説明する。実施形態に係る軸受異常予知装置は、例えば、鉄道車両駆動装置に用いられる。

＜鉄道車両駆動装置について＞
図１は、この実施形態に係る軸受異常予知装置を備えた鉄道車両駆動装置の要部の断面図である。鉄道車両駆動装置は、駆動源である電動機Ｍの回転駆動力を減速機１を介して減速し図示外の車輪へ伝達する。減速機１は、ハウジング２、転がり軸受３、軸４、小歯車５および大歯車６を備える。ハウジング２は、転がり軸受３、軸４の一部、小歯車５および大歯車６を収容する部材であり、ハウジング本体（軸箱）である歯車箱７と、この歯車箱７の軸方向両側の開口端にそれぞれ複数のボルト８により締結される蓋体である軸受蓋９，１０とを有する。

各軸受蓋９，１０に、アキシアル荷重およびラジアル荷重を負荷可能な転がり軸受３として、２個の円すいころ軸受が設置されている。これら円すいころ軸受はそれぞれ組込後所望のアキシアルすきまを有するように正面合わせで所定間隔隔てて設置されている。各円すいころ軸受における内輪３ａの外周面には、ころ３ｂの大端面に臨む鍔３ａａが設けられている。各軸受蓋９，１０は、それぞれ軸受蓋本体部１１と、嵌合部１２と、フランジ部１３とを有し、これらは同一部材から一体形成されている。但し、軸方向一方側（図１右側）の軸受蓋本体部１１は、歯車箱７の開口端を完全に封止しているのに対し、軸方向他方側（図１左側）の軸受蓋本体部１１には、軸４を回転可能に挿通する貫通孔１１ａが形成されている。

各軸受蓋本体部１１の外周部には、歯車箱７内に円筒状に延び歯車箱７の内周面に印籠嵌合される嵌合部１２と、この嵌合部１２の外周面よりも半径方向外方に延びるフランジ部１３とが設けられている。各嵌合部１２の内周面に転がり軸受３の外輪３ｃが嵌合されている。歯車箱７の開口端に、環状のシール部材を介してフランジ部１３が複数のボルト８により締結されている。

各転がり軸受３の内輪３ａに軸４が回転自在に支持され、この軸４に同軸で且つ２個の円すいころ軸受間に小歯車５が設けられ、この小歯車５に噛み合う大歯車６が回転自在に支持されている。大歯車６は小歯車５よりも大径で、これら小歯車５、大歯車６として通常はすば歯車が用いられている。

＜軸受異常予知装置１５＞
軸受異常予知装置１５は、前記転がり軸受３の過度の昇温を予知する装置であり、振動検出手段１４と、回転速度検出器１９と、判定手段１６と、警報手段１７とを備える。振動検出手段１４は、転がり軸受３の回転時の振動を検出する。この振動検出手段１４として、例えば、加速度センサ、速度センサ、変位センサ等の振動センサが挙げられるが、加速度センサが望ましい。また振動センサは１０ｋＨｚ以上測定可能なものを使用するのが望ましい。振動検出手段１４は、この例では、歯車箱７の外周面における軸方向中間付近部に取り付けられている。測定対象振動の方向は径方向でも軸方向でもよい。

回転速度検出器１９は、前記過度の昇温を予知するための特徴周波数を得るため、軸４の回転速度を検出する。前記回転速度は、単位時間当たりの回転数と同義である。回転速度検出器１９は、例えば、軸４に取り付けられた被検出部と、この被検出部を検出するセンサ部とを有する。例えば、軸受蓋本体部１１に前記センサ部が取り付けられる。回転速度検出器１９としては、例えば、エンコーダ、パルサーリングあるいはホールセンサなど形式を問わず採用可能である。

判定手段１６は、振動検出手段１４の検出値を用いて転がり軸受３に過度の昇温の兆候があると判定する。判定手段１６は、例えば、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成される。この他、判定手段１６は、例えば、複数の車両の管理を行う遠隔地の集中管理センターに設けられてもよい。またこの軸受異常予知装置が台車に設けられてもよい。判定手段１６による判定結果は、例えば、車両発進時からの経過時間、車速または電動機Ｍの回転速度等と共に統計されて出力されるようにしてもよい。前記判定結果と回転速度等の統計データを記録する記録手段を軸受異常予知装置に設け、軸受異常予知装置において、前記記録手段に記録された統計データを解析してもよい。

判定手段１６は、演算処理部１６ａと、異常判定部１６ｂとを有する。判定手段１６には、振動検出手段１４の検出値と回転速度検出器１９からの回転速度がそれぞれ入力される。演算処理部１６ａは、振動検出手段１４の検出値をエンベロープ処理（包絡線処理）および周波数分析して図４に示すエンベロープスペクトルを得る。図４（ａ）は図３の時点（１）におけるエンベロープスペクトルであり、図４（ｂ）は図３の時点（２）におけるエンベロープスペクトルであり、図４（ｃ）は図３の時点（３）におけるエンベロープスペクトルである。前記周波数分析としては、例えば、高速フーリエ変換等が適用されるが、高速フーリエ変換だけに限定されるものではない。

図１および図４に示すように、異常判定部１６ｂでは、エンベロープスペクトルに対し、前記回転速度検出器１９からの回転速度を基に、特徴周波数として外輪３ｃに対する転動体３ｂの通過周波数（１次～５次）を算出する。また異常判定部１６ｂは、各特徴周波数の振動レベルを閾値と比較して、少なくともいずれか１つの振動レベルが閾値未満になったとき、“過度の昇温の兆候あり”と判定し、警報手段１７はアラーム信号を出力する。アラーム信号として、例えば、警告音、警告灯、メッセージ等が挙げられる。

異常判定部１６ｂは、２つ以上の特徴周波数の振動レベルが閾値未満になったとき、“過度の昇温の兆候あり”と判定してもよい。過度の昇温の予知は、特徴周波数の振動レベルの単位時間あたりの変化に閾値を設けてもよい。一般に回転速度が高い程、振動レベルが高いことを考慮し、特徴周波数に対する振動レベルの閾値を、前記回転速度が高くなるに従って大きくするように定めてもよい。

＜軸受異常予知方法＞
図２は、この実施形態に係る軸受異常予知方法を表すフローチャートである。図１も適宜参照しつつ説明する。この軸受異常予知方法は、前記転がり軸受３の過度の昇温を予知する。軸受異常予知方法は、転がり軸受３の回転時の振動を検出する振動検出過程Ｓ１と、この振動検出過程Ｓ１の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受３の過度の昇温の兆候があると判定する判定過程Ｓ２と、この判定過程Ｓ２で過度の昇温の兆候があると判定したときアラーム信号等を出力する警報過程Ｓ３とを有する。判定過程Ｓ２では、振動検出過程Ｓ１で検出された検出値が閾値以上であるとき、振動検出過程Ｓ１に戻る。
振動検出過程Ｓ１は振動検出手段１４により実行され、判定過程Ｓ２は判定手段１６により実行され、警報過程Ｓ３は警報手段１７により実行される。

＜作用効果＞
鉄道車両駆動装置における小歯車５が設けられる軸（小歯車軸）４用の円すいころ軸受は、内部すきまとして所望のアキシアルすきまを有するように装置に組み込まれる。この用途の円すいころ軸受の過度の昇温は、特に低温環境下において鉄道車両駆動装置を始動した際に、円すいころ軸受から生じる熱により前記小歯車軸４が熱膨張することで、内輪鍔面と円すいころ（ころ）３ｂの大端面とが過大な接触面圧で接触しながら摺動することによって発生する。円すいころ軸受が過度の昇温となる前の過程で、小歯車軸４の熱膨張により、円すいころ軸受のアキシアルすきまは徐々に小さくなり、これに伴って円すいころ軸受の回転による振動のレベルが低下する（図３）。このとき、振動のエンベロープスペクトルは、円すいころ軸受の転動体通過周波数のレベルが低下する（図４）。

そこで、小歯車軸用の転がり軸受周辺の振動実効値、ピーク値またはエンベロープスペクトルの転動体通過周波数を特徴周波数としてその振動レベルを監視し、その振動レベルの低下を検出することで、円すいころ軸受に過度の昇温が発生する兆候を捉えることができる。したがって、円すいころ軸受に過度の昇温が発生する前に前記電動機Ｍの回転速度を低減するなどの対処をすることで、円すいころ軸受、軸４、小歯車５および大歯車６の異常を未然に回避することができる。なお前記電動機Ｍの回転速度を低減するとは、回転速度を０ｒｐｍにすることも含む。このような円すいころ軸受等の異常による経済的損失を削減することができる。

判定手段１６により転がり軸受３に過度の昇温の兆候があると判定したとき、軸受異常予知装置１５が電動機Ｍの回転速度を低減する制御を行ってもよいし、アラーム信号等で異常予知を喚起された人の操作により電動機Ｍの回転速度を低減してもよい。

エンベロープスペクトルに対し、転動体３ｂの通過周波数に相当する周波数帯域の振動レベルの低下を検出するため、転がり軸受３の過度の昇温の判定に必要な特徴周波数の振動レベルを用いて異常判定を効率良く行うことができる。したがって、例えば、歯車５，６の噛み合いによる振動および車両が走行することによる振動、電磁ノイズの影響等を排除することができる。

軸受異常予知装置１５が鉄道車両駆動装置に用いられる場合に、円すいころ軸受に過度の昇温が発生する前に前記電動機Ｍの回転速度を低減するなどの対処をすることで、鉄道車両駆動装置の異常に伴う経済的損失、修繕のためのコストおよび工数を削減することができる。

＜他の実施形態について＞
以下の説明においては、各実施の形態で先行して説明している事項に対応している部分には同一の参照符号を付し、重複する説明を略する。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、特に記載のない限り先行して説明している形態と同様とする。同一の構成から同一の作用効果を奏する。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

前述の実施形態は、軸の回転数を基に算出する特徴周波数の振動レベルを対象に過度の昇温を予知するため、例えば、歯車の噛み合いによる振動および車両が走行することによる振動、電磁ノイズの影響を排除できる点が特徴である。これら他からの入力が過度の昇温の予知を阻害せず、振動の実効値、ピーク値、またはそれらの時間変化率を監視することで過度の昇温を予知できる場合には、前述の実施形態のエンベロープ処理に代えて適切なフィルタ処理を行い、周波数分析と特徴周波数の演算を省略してもよい。また、回転速度が高い程、振動レベルが高いことを考慮し、振動レベルの閾値を、前記回転速度が高くなるに従って大きくするように定めてもよい。

図５に示すように、各転がり軸受の温度をそれぞれ検出する温度検出手段１８を設け、判定手段１６は、振動検出手段１４の検出値と、前記温度検出手段１８の検出値とを用いて転がり軸受３に過度の昇温の兆候があることを判定してもよい。温度検出手段１８は、例えばサーミスタ等が適用され、固定輪である外輪３ｃまたは外輪３ｃに近接する軸受蓋９，１０の一部に設置される。

図６に示すように、転がり軸受に過度の昇温が発生する前の過程では、前述の振動レベルの低下と同時に単位時間あたりの軸受温度上昇が変化する。そこで、転がり軸受に過度の昇温が発生する予知の信頼性を向上するため、図５に示すように、振動検出手段１４の検出値と、温度検出手段１８の温度検出値とを併用して転がり軸受３に過度の昇温の兆候があることを判定し得る。具体的には、判定手段１６は、振動検出手段１４の検出値が閾値未満で、且つ、ＰＷ側外輪およびＰＭ側外輪のいずれか一方または両方の温度検出値が定められた温度閾値を超えたときに、“過度の昇温の兆候あり”と判定することができる。前記温度閾値は、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適宜に定められる。

鉄道車両以外の車両の駆動装置に、軸受異常予知装置を用いてもよい。
産業機械、工作機械、ロボット等に軸受異常予知装置を適用することも可能である。
異常予知を行う転がり軸受は、円すいころ軸受に限定されるものではなく、例えば、アンギュラ玉軸受、深溝玉軸受、円筒ころ軸受等にも適用し得る。
駆動源は、電動機に限定されるものではなく、例えば内燃機関であってもよい。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、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。この発明の範囲は上記した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およ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。

１…減速機、３…転がり軸受、１４…振動検出手段、１６…判定手段、１６ａ…演算処理部、１６ｂ…異常判定部、１７…警報手段、１８…温度検出手段、Ｍ…電動機（駆動源）

Claims (6)

1. 所望のアキシアルすきまを有する転がり軸受の過度の昇温を予知する軸受異常予知装置であって、
   前記転がり軸受の回転時の振動を検出する振動検出手段と、
   前記転がり軸受から生じる熱により前記所望のアキシアルすきまが小さくなることに伴って前記振動検出手段の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受に過度の昇温の兆候があると判定する判定手段と、を備えた軸受異常予知装置。
2. 転がり軸受の過度の昇温を予知する軸受異常予知装置であって、
   前記転がり軸受の回転時の振動を検出する振動検出手段と、
   この振動検出手段の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受に過度の昇温の兆候があると判定する判定手段と、を備え、前記判定手段は、
   前記振動検出手段の検出値をエンベロープ処理したエンベロープスペクトルを得る演算処理部と、
   この演算処理部で求めたエンベロープスペクトルに対し、前記転がり軸受における転動体の通過周波数に相当する周波数帯域の振動レベルの低下を検出することで、前記転がり軸受に過度の昇温の兆候があると判定する異常判定部と、を有する軸受異常予知装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の軸受異常予知装置において、前記転がり軸受の温度を検出する温度検出手段を備え、前記判定手段は、前記振動検出手段の検出値と、前記温度検出手段の検出値とを用いて前記転がり軸受の過度の昇温を予知する軸受異常予知装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軸受異常予知装置において、前記判定手段で前記転がり軸受に過度の昇温の兆候があると判定したとき、警報信号を出力する警報手段を有する軸受異常予知装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軸受異常予知装置において、鉄道車両の駆動する駆動源と、この駆動源の回転駆動力を減速して車輪に伝達する減速機とを備える鉄道車両駆動装置に用いられる軸受異常予知装置。
6. 所望のアキシアルすきまを有する転がり軸受の過度の昇温を予知する軸受異常予知方法であって、
   前記転がり軸受の回転時の振動を検出する振動検出過程と、
   前記転がり軸受から生じる熱により前記所望のアキシアルすきまが小さくなることに伴って前記振動検出過程の検出値が閾値未満になったとき、前記転がり軸受の過度の昇温の兆候があると判定する判定過程と、を備えた軸受異常予知方法。
   

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