KR101138534B1 - 축 이음 감시장치 - Google Patents

Abstract

십자축의 4개의 각 축의 외주면을 전동면(轉動面)으로서 사용한 십자축 이음을 감시하는 축 이음 감시장치에 있어서, 각 축의 내부에, 전동면의 손상을 검출하기 위한 센서를 형성한다. 이것에 의해, 압연설비 등의 구동축에 편입되는 십자축 이음에 있어서도, 그 십자축의 각 축에 형성된 전동면에서의 박리 등의 손상을 축 단위로 정밀도 좋게, 또한 조기에 검지한다.

십자축 이음, 전동면, 변위 센서, 구동축, 외주면

Description

축 이음 감시장치{SHAFT JOINT MONITORING DEVICE}

본 발명은 압연설비 등의 구동축에 편입되는 십자축 이음을 감시하는 축 이음 감시장치에 관한 것이다.

예를 들면 철강용 압연설비에서는, 압연 롤러와 구동 모터 사이에 접속된 구동축의 도중 부분에 십자축 이음을 형성함으로써, 상기 롤러가 압연 중의 강재(鋼材)에 대하여 상하로 움직이는 것을 허용한 상태에서, 압연 처리를 행하고 있다.

상기와 같은 십자축 이음에서는, 예를 들면 일본국 특허공개 평11-51073호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 그 십자축의 4개의 각 축에 베어링컵을 형성함과 아울러, 이 컵과 축 사이에 롤러를 전동(轉動) 자유롭게 배치해서 당해 축의 외주면을 전동면으로 이용하는 것이 제안되어 있다. 그리고, 이 십자축 이음에서는, 구동축의 구동 모터측 및 압연 롤러측에 각각 배치되는 구동축부 및 종동축부의 각 단부를, 다른 직선상의 2개의 상기 베어링컵에 접속함으로써 당해 이음은 구동축 내에 편입되어 구동 모터의 회전력을 압연 롤러측에 전달한다.

그런데, 상기와 같은 십자축 이음에서는, 철강 압연시에 상기 압연 롤러측으로부터 축 및 각 베어링컵에 작용하는 부하 하중은 매우 큰 것이어서, 사용 시간 등에 따라 축 표면에 박리가 발생하기 쉬웠다. 게다가, 상기 압연 롤러가 상하로 움직였을 때에, 상기 베어링컵이 부착된 대응하는 축에 대하여 요동하기 때문에, 박리나 균열 등의 손상이 각 축에 형성된 전동면의 둘레방향에서 부분적으로 발생하기 쉬웠다. 또한, 4개의 축에서 표면 박리의 정도가 다른 경우가 있었다.

그러나, 압연설비 등에서는, 십자축 이음의 십자축은 4개의 상기 베어링컵에 의해 축방향 주위의 부분이 덮여짐과 아울러, 상기 구동축부 및 종동축부의 각 단부가 십자축의 중앙부에 거의 밀착하도록 이어져서 당해 십자축은 외부에 거의 노출되지 않고 구동축 내에 편입되어 있다. 이 때문에, 각 축에 형성된 전동면에서의 박리 등의 손상을 검출하기 위한 센서를 십자축 이음에 부착하는 것은 곤란하며,센서 검출 결과에 의한 손상 검지를 행하는 것도 어려웠다. 그러므로, 압연설비에서는, 정기적으로, 구동축으로부터 십자축 이음을 떼어내고, 또한 축과 베어링컵을 분리해서 십자축 이음을 완전히 분해함으로써, 각 축에서의 표면 박리의 정도를 눈으로 확인하는 것이 요구되어, 이 정기점검 작업에 매우 노력과 시간을 요하였다. 또한, 상기 전동면에 공급된 사용이 끝난 그리스 내의 철분의 함유량을 측정함으로써, 축 표면에서의 손상 발생을 유추하는 것도 행해지고 있으나, 이 방법에서는 손상 검지를 상시 행할 수 없고, 게다가, 그 유추 결과에 의한 손상 발생의 검지 정밀도는 낮으며, 또한 축 단위의 손상 검지를 행하는 것은 곤란하였다.

따라서, 본 발명은 압연설비 등의 구동축에 편입되는 십자축 이음에 있어서도, 그 십자축의 각 축에 형성된 전동면에서의 박리 등의 손상을 축 단위로 정밀도 좋게, 또한 조기에 검지할 수 있는 새로운 기술적 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 십자축의 4개의 각 축의 외주면을 전동체가 전동하는 전동면으로서 사용한 십자축 이음을 감시하는 축 이음 감시장치로서, 상기 축의 내부에, 당해 축의 상기 전동면의 손상을 검출하기 위한 센서를 형성한 것을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같이 구성된 축 이음 감시장치에서는, 십자축의 축에 있어서, 그 내부에, 당해 축의 상기 전동면의 손상을 검출하기 위한 센서를 형성하고 있으므로, 압연설비 등과 같이 십자축 이음의 십자축이 외부에 거의 노출되지 않고 구동축 내에 편입되는 경우라도, 전동면에 대한 고정밀도의 손상 검지를 축 단위로 행할 수 있다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 4개의 각 축에는, 베어링컵이 요동 가능하게 장착되고, 상기 축과, 그 상기 베어링컵 사이의 상대적인 변위를 검출하는 변위 센서를, 상기 센서로서 상기 베어링컵측에 형성해도 좋다.

상기와 같이 구성된 축 이음 감시장치에서는, 십자축의 축에 있어서, 상기 베어링컵과의 사이의 상대적인 변위를 변위 센서로 검출함으로써, 본 발명의 발명자들은 박리 등의 손상이 전동면에 발생하고 있는지 아닌지에 대하여 판별할 수 있는 것을 발견하였다. 즉, 손상이 전동면에 발생하고 있는 경우에만, 축이 그 손상에 의해 휘는 경우가 있고, 그 휨에 기인하는 변동이 변위 센서의 출력에 나타났다. 본 발명은 이러한 지견에 기초해서 완성된 것으로, 변위 센서의 출력변동을 검출함으로써 그 전동면에서의 손상 발생을 즉석에서 검지할 수 있다. 또한, 상기의 출력변동은 전동면에 있어서의 손상의 발생위치나 정도에 따라 변화하기 때문에, 당해 발생위치나 정도를 판별할 수도 있다. 또한, 변위 센서가 베어링컵측에 형성되어 있으므로, 압연설비 등과 같이 십자축 이음의 십자축이 외부에 거의 노출되지 않고 구동축 내에 편입되는 경우라도, 당해 센서를 베어링컵과 함께 대응하는 축에 대하여 요동시키면서, 전동면에 대한 고정밀도의 손상 검지를 축 단위로 행할 수 있다. 한편, 상기 변위 센서는 십자축의 4개의 각 축에 형성해도 좋고, 손상이 발생하기 쉬운 축에만 설치해도 좋다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 변위 센서는 상기 십자축 이음의 회전방향과 평행한 방향으로 상기 축의 중심을 지나는 선상에 배치되는 것이 바람직하다.

이 경우, 변위 센서가 전동면의 손상에 의한 축의 휨방향 또는 그 휨방향의 축 중심에 관해서 180deg 반대의 방향에 배치되게 되어, 휨에 의한 변위변동을 최고 감도로 검출할 수 있으며, 손상 검지를 보다 고정밀도로 행할 수 있다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 변위 센서가 상기 축에 형성된 당해 축과 동심의 구멍의 내부에 배치됨과 아울러, 이 구멍의 내벽면과의 거리를 검출함으로써, 상기 변위를 검출하는 것이 바람직하다.

이 경우, 변위 센서가 전동면에 발생한 손상에 의해 휘는 축 자체의 내부에 형성되어 변위를 검출하므로, 당해 센서의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 전동면을 향하여 초음파를 발신하고, 또한, 그 전동면에서 반사한 초음파를 수신 가능한 초음파 센서를, 상기 센서로서 상기 축의 내부에 배치한 것을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같이 구성된 축 이음 감시장치에서는, 초음파 센서로부터 전동면을 향하여 초음파를 발신시키고, 그 전동면에서 반사한 초음파를 당해 센서로 수신시킴으로써, 본 발명의 발명자들은 박리 등의 손상이 전동면에 발생하고 있는지 아닌지에 대해 판별할 수 있는 것을 발견하였다. 즉, 손상이 전동면에 발생하고 있지 않은 경우에는, 그 전동면으로부터의 초음파의 반사파는 그 초음파의 발신파에 대하여 거의 감쇠하지 않아, 상기 센서는 그 반사파를 수신할 수 있었다. 이에 비해서, 손상이 전동면에 발생하고 있는 경우에는, 그 손상에 의해 초음파가 확산되어, 센서측에 반사되는 반사파가 현저히 감쇠하거나, 전혀 센서로 수신할 수 없었다. 본 발명은 상술과 같은 지견에 기초해서 완성된 것으로, 전동면으로부터의 초음파의 반사파의 변화를 검출함으로써 그 전동면에서의 손상 발생을 즉석에서 검지할 수 있다. 또한, 초음파 센서는 축 내부에 배치되어 있으므로, 압연설비 등과 같이 십자축 이음의 십자축이 외부에 거의 노출되지 않고 구동축 내에 편입되는 경우라도, 전동면에 대한 고정밀도의 손상 검지를 축 단위로 행할 수 있다. 한편, 상기 초음파 센서는 십자축의 4개의 각 축에 형성해도 좋고, 손상이 발생하기 쉬운 축에만 설치해도 좋다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 초음파 센서는 당해 초음파 센서가 수신하는 상기 전동면으로부터의 초음파의 반사파가 증폭되도록, 그 초음파의 발신파의 위상을, 상기 전동면에 손상이 발생하고 있지 않을 때에 그 전동면으로부터 반사되는 초음파의 반사파의 위상에 맞춰서, 당해 발신파를 상기 전동면을 향하여 발신하는 것이 바람직하다.

이 경우, 송신파와 반사파와의 간섭 작용에 의해, 초음파 센서에 입력되는 전동면으로부터의 초음파의 진폭을 크게 할 수 있으며, 당해 전동면에 대한 손상 검지 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 4개의 각 축에는, 베어링컵이 요동 가능하게 장착됨과 아울러, 상기 초음파 센서는 상기 베어링컵측에 고정된 상태에서, 상기 축의 내부에 형성된 배치 스페이스에 배치되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 초음파 센서가 베어링컵에 고정되어 있으므로, 그 컵이 대응하는 축에 대하여 요동했을 때에, 당해 센서도 함께 요동하여, 그 전동면상의 초음파의 발신처 부위(센싱(sensing) 부위)를 이동시킬 수 있다. 다시 말하면, 초음파 센서는 상기 컵의 요동에 따라, 전동면을 순차 센싱할 수 있으며, 초음파의 발신 범위를 크게 하지 않고 필요한 범위에 초음파를 조사할 수 있음과 아울러, 당해 전동면에 있어서의 손상 발생의 부위를 특정하는 것도 가능해진다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 초음파 센서는 상기 배치 스페이스의 벽면에 밀접한 상태에서, 상기 전동면을 향하여 초음파를 발신해도 좋다.

이 경우, 초음파 센서와 전동면 사이의 초음파의 전파경로상에 계면이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 계면에 의한 굴절 등의 초음파의 전파경로가 변경되는 것을 방지하여, 전동면의 소망 부위에 대한 초음파 센싱을 확실히 행하게 할 수 있다.

또한, 상기 축 이음 감시장치에 있어서, 상기 초음파 센서는 상기 축에 형성된 그리스 통로용의 구멍의 내부에 배치되어도 좋다.

이 경우, 초음파 센서를 축 내부에 배치하기 위한 구멍이나 오목부 등을 당해 축에 형성하지 않고, 당해 센서를 설치할 수 있다.

도 1은 철강 메이커의 압연설비에 사용되는 구동축을 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따른 축 이음 감시장치의 주요부를 구동축의 축방향에서 본 도면이다(일부 단면을 포함한다.).

도 3은 상기 축 이음 감시장치의 변위 센서를 나타내는 확대 단면도이다.

도 4는 도 2에 나타낸 십자축 이음에 있어서의 요동 동작을 나타내는 도면으로, (a) 및 (b)는 각각 상기 구동축의 작동각 및 이 작동각에 의해 축에 대하여 요동하는 베어링컵을 나타내는 도면이다.

도 5는 (a) 및 (b)는 각각 축이 휘어 있지 않은 경우 및 휘어 있는 경우에서의 상기 변위 센서의 동작을 나타내는 도면이다.

도 6은 (a) 및 (b)는 각각 전동면에 손상이 발생하고 있지 않은 경우 및 전동면에 손상이 발생하고 있는 경우에서의 상기 변위 센서의 구체적인 출력 파형을 나타내는 파형도이다.

도 7은 상기 축 이음 감시장치에서의 손상 발생 부위의 특정방법을 나타내는 도면으로, (a)～(d)는 손상 발생 부위와 상기 베어링컵의 요동에 따라 변화하는 변위 센서의 검출위치와의 관계를 나타내는 도면이다.

도 8은 상기 축 이음 감시장치에 포함되는 자기(子機;sub-unit)의 요부 구성예를 나타내는 도면이다.

도 9는 상기 축 이음 감시장치의 구체적인 전체 구성예를 나타내는 블록도이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 축 이음 감시장치의 주요부를 구동축의 축방향에서 본 도면이다(일부 단면을 포함한다.).

도 11은 도 10에 나타낸 축 이음 감시장치의 초음파 센서를 나타내는 도면으로, (a) 및 (b)는 각각 손상이 발생하고 있지 않은 경우 및 손상이 발생하고 있는 경우에서의 동(同) 센서의 구체적인 동작예를 나타내는 도면이다.

도 12는 상기 초음파 센서의 구체적인 동작 파형을 나타내는 도면으로, (a)는 동 센서의 발신파를 나타내는 파형도이고, (b)는 상기 십자축 이음의 축의 외주면(전동면)에 손상이 발생하고 있지 않을 때에 그 전동면으로부터 반사되는 반사파를 나타내는 파형도이며, (c)는 상기 축의 전동면에 손상이 발생하고 있지 않을 때에 동 센서가 실제로 수신하는 반사파를 나타내는 파형도이다.

도 13은 다른 실시형태에 따른 축 이음 감시장치의 초음파 센서를 나타내는 도면으로, (a) 및 (b)는 각각 손상이 발생하고 있지 않은 경우 및 손상이 발생하고 있는 경우에서의 동 센서의 구체적인 동작예를 나타내는 도면이다.

도 14는 도 13에 나타낸 축 이음 감시장치에서의 손상 발생 부위의 특정방법을 나타내는 도면으로, (a)～(d)는 손상 발생 부위와 상기 베어링컵의 요동에 따라 변화하는 초음파 센서의 검출위치와의 관계를 나타내는 도면이다.

도 15는 도 9에 나타낸 패널 컴퓨터측에 입력되는 초음파 센서의 구체적인 검출 파형을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 축 이음 감시장치의 바람직한 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 이하의 설명에서는, 압연설비의 구동축에 편입되는 십자축 이음에 적용한 경우를 예시해서 설명한다.

<실시형태 1>

도 1은 철강 메이커의 압연설비에 사용되는 구동축을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따른 축 이음 감시장치의 주요부를 구동축의 축방향에서 본 도면이다(일부 단면을 포함한다.). 도면에 있어서, 구동축(10)의 양단부 근방에는 십자축 이음(11)이 사용되고 있으며, 이 이음(11)을 개재시켜서, 당해 구동축(10)의 일단(一端)측 및 타단측에는 도시를 생략한 구동 모터 및 철강용 압연 롤러가 각각 연결되어 있다. 다시 말하면, 구동축(10)에는, 2개의 십자축 이음(11) 사이에 배치되는 중간축부(제1축부)(10a)에 더하여, 상기 모터 및 롤러측에 각각 접속되는 구동축부(제2축부)(10b) 및 종동축부(제3축부)(10c)가 형성되어 있으며, 한쪽의 십자축 이음(11)으로 중간축부(10a)와 구동축부(10b)가 연결되고, 다른쪽의 십자축 이음(11)으로 중간축부(10a)와 종동축부(10c)가 연결되어 있다(도 1 참조). 또한, 압연설비에서는, 2개의 구동축(10)이 서로 평행하게 배치되어 있으며, 각 구동축(10)에 연결된 2개의 상기 롤러 사이에 슬래브 등을 통과시킴으로써 압연 처리가 실시된 강재를 제조하도록 구성되어 있다. 또한, 이 압연 처리시에, 각 십자축 이음(11)은 접속된 구동축(10)이 그 축방향으로부터 기우는 것을 허용한 상태에서 상기 구동 모터의 회전력을 압연 롤러에 전달한다. 또한, 각 십자축 이음(11)을 형성함으로써, 각 압연 롤러가 마모했을 때나 강재의 압연 폭을 변경할 때에 상하의 롤러심 사이를 용이하게 조정할 수 있도록 되어 있다.

상기 십자축 이음(11)은 십자축(12)과, 4개의 베어링컵(13)을 구비하고 있으며, 베어링컵(13)이 십자축(12)의 축방향 주위의 부분을 덮도록 당해 십자축(12)의 4개의 각 축(12a)에 요동 가능하게 부착되어 있다. 각 베어링컵(13)은 바닥이 있는 형상의 컵부(131)와, 그 내부에 보유되며, 상기 축(12a)에 구름 접촉(rolling contact)하는 복수의 롤러(132)를 구비하고 있고, 컵부(131)의 내주면 및 축(12a)의 외주면을 각각 외륜 궤도 및 내륜 궤도로 하고 있다. 또한, 도 2에 있어서의 상하 한 쌍의 베어링컵(13)은 당해 십자축 이음(11)에서 보아 축방향 한쪽측의 구동축(10)의 축부(예를 들면, 상기 구동축부(10b))에, 좌우 한 쌍의 베어링컵(13)은 축방향 다른쪽측의 구동축(10)의 축부(예를 들면, 상기 중간축부(10a))에, 각각 접속되어 있다. 상세하게는, 컵부(131)의 좌우 양단부측에 형성된 볼트구멍(131a)에 나사식 부착되는 볼트를 통해서 구동축(10)의 대응하는 축부의 단부에 형성된 플랜지부가 당해 컵부(131)에 연결되어 있으며, 십자축(12)의 좌우 양측의 중앙부가 축부 단부에 거의 밀접해서, 당해 십자축(12)이 외부에 거의 노출되지 않고 구동축(10) 내에 편입된 상태에서 각 축부에 접속되어 있다.

상기 컵부(131)의 둘레방향 중앙에는 그리스 주입용의 구멍(131b)이 형성되어 있다. 또한, 이 컵부(131)의 저면(底面)(131c)에는, 예를 들면 합성수지로 이루 어지는 스러스트 와셔(16)가 축(12a)의 축 단부와의 사이에 배치되어 있어, 이들 저면(131c)과 축 단부가 금속 접촉하는 것을 방지한 상태에서 당해 축 단부를 지지하고 있다. 또한, 상기 십자축(12)의 각 축(12a)에는, 상기 구멍(131b)과 동축적으로, 당해 축(12a)의 중심축 주위에서 동심으로 구멍(12b)이 형성되어 있으며, 십자축 이음(11)의 내부에서 서로 연결되어 있다. 이 구멍(12b)은 상기 롤러(132)의 축 외주면 및 컵부 내주면과의 구름 접촉부를 윤활하는 그리스가 흐르는 그리스용 통로를 구성하고 있다.

또한, 상기 구멍(131b)에는, 뚜껑(14)이 착탈(着脫) 가능하게 부착되어 있어, 상기 구름 접촉부로부터 당해 구멍(131b)을 통해서 외부에 그리스가 새어나가는 것을 방지하도록 되어 있다. 상세하게 말하자면, 이 뚜껑(14)에는, 예를 들면 단차형상으로 형성된 구멍(131b)의 내주면과 밀접해서 당해 구멍(131b)을 실질적으로 밀폐하는 바닥이 평평한 공기형상의 부착부(14a)와, 그 저부로부터 축(12a)의 축방향으로 연장되어 그 축측의 상기 구멍(12b)에 삽입된 둥근 봉형상의 지지부(14b)를 갖고 있다.

또한, 상기 십자축(12)의 각 축(12a)에서는, 그 구멍(12b)의 내부에 본 발명의 축 이음 감시장치에 포함된 변위 센서(151, 152, 153, 154)가 배치되어 있으며, 대응하는 축(12a)의 외주면을 사용한 상기 롤러(132)의 전동면에서의 박리나 균열 등의 손상의 검지를 행하도록 구성되어 있다. 즉, 이들 각 변위 센서(151～154)는 대응하는 축(12a)의 내부에 배치되어, 그 축(12a)의 전동면의 손상을 검출하기 위한 센서를 구성하고 있다.

또한, 변위 센서(151)에는, 상기 부착부(14a)에 착탈 가능하게 부착된 자기(子機;sub-unit)(1)가 케이블(17)을 통해서 접속되어 있으며, 자기(1)로부터 후술하는 친기(親機;base unit)에 변위 센서(151)의 검출 결과를 무선 송신하도록 되어 있다.

또한, 다른 3부위의 축(12a)에 대해서도 마찬가지로, 뚜껑(14)(도시하지 않음), 변위 센서(152, 153 및 154)에 각각 접속된 자기(2, 3 및 4)가 형성되어 있으며, 각 자기(2～4)로부터 친기에 대응하는 센서 결과를 발신하도록 되어 있다.

구체적으로는, 도 3에 예시하는 바와 같이, 변위 센서(151)는 화살표 R로 나타내는 십자축 이음(11)의 회전방향에 맞춰 베어링컵(13)측에 형성된 것으로, 당해 회전방향(R)과 평행한 방향으로 축(12a)의 중심을 지나는 선상에 배치되어 있다. 그리고, 이 변위 센서(151)는 베어링컵(13)의 축(12a)에 대한 요동에 따라 당해 컵(13)과 함께 요동(왕복회동)하도록 되어 있다. 즉, 이 변위 센서(151)는 베어링컵(13)에 착탈 가능한 상기 뚜껑(14)의 지지부(14b)에 형성된 설치구멍(14b1) 내에서 도시하지 않은 브래킷 등의 고정수단에 의해 당해 설치구멍(14b1)의 벽면에 고정되어 있으며, 컵 요동에 일치해서 축(12a)에 대하여 요동한다. 그리고, 변위 센서(151)는 뚜껑(14)에 고정된 상태에서 축(12a)측의 구멍(12b)의 내부에 배치되어 있으며, 동(同) 도면에 양 화살표 L로 나타내는 구멍(12b)의 내벽면(12b1)과의 사이의 거리를 측정함으로써 축(12a)과 베어링컵(13) 사이의 상대적인 변위로서 축(12a)의 직경방향의 변위를 검출하고, 그 검출신호(전압신호)를 자기(1)에 출력한다. 또한, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 상기 설치구멍(14b1)의 중심과 축구 멍(12b)의 중심이 편심하고 있기 때문에, 변위 센서(151)의 검출신호는 베어링컵(13)의 요동에 따라 주기적으로 변화하는 정현파 형상이 된다(상세한 것은 후술).

또한, 변위 센서(151)에는, 예를 들면 와전류식의 자기(磁氣)타입의 것이 사용되고 있으며, 센서(151)는 상기 설치구멍(14b1)의 개구부를 통해서 상기 내벽면(12b1)의 표층부에 고주파 자계를 부여하고, 당해 표층부에 발생한 와전류에 의한 임피던스 변화를 내장 코일로 구함으로써, 컵 요동에 따라 변화하는 상기 축(12a)의 직경방향의 변위(상대적인 변위)를 검출한다.

또한, 변위 센서(151)는 십자축 이음(11)의 회전 동작시에, 상기 전동면(12a1)에 있어서 최대 부하가 작용하는 부위의 범위이며, 당해 전동면(12a1)에서 상기의 손상이 가장 발생하기 쉬운 축(12a)의 선단부(베어링컵(13))측에 존재하는 최대 부하 범위측에 배치되어 있고, 전동면(12a1)에 발생한 손상에 따라 그 축(12a)에 휨이 발생하면, 그 휨에 기인해서 변화하는 상기 상대적인 변위를 검출함으로써 당해 손상을 검지 가능하게 되어 있다.

상세하게는, 상기 구동축(10)에서는, 압연 롤러측의 종동축부(10c)가 상하방향으로 움직이는 것을 허용하기 때문에, 종동축부(10c) 및 중간축부(10a)는 각각 중간축부(10a) 및 구동축부(10b)에 대해서, 소정의 작동각(예를 들면, 최대 5deg)의 범위 내에서 상하방향으로 요동 가능하게 대응하는 십자축 이음(11)을 통하여 연결되어 있다. 그러므로, 예를 들면 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 중간축부(10a)가 구동축부(10b)에 대하여 최대 작동각에서 상방향으로 기울어 있는 경우 에는, 예를 들면 중간축부(10a)에 연결된 각 베어링컵(13)은 동 도(b)의 이점쇄선으로 나타내는 바와 같이, 그 장착된 축(12a)에 대하여 도면의 우측 단부가 상방향으로 기운 상태로 되어 있다. 또한, 중간축부(10a)가 상기 도 4(a)에 나타내는 상태로부터 최대 작동각을 유지한 상태로 90deg 및 180deg 회전하면, 이 컵(13)도 중간축부(10a)의 회전 동작에 따라, 동 도(b)의 실선 및 점선으로 나타내는 바와 같이, 축(12a)에 대하여 요동한다. 즉, 십자축 이음(11)에서는, 당해 이음(11)이 구동축(10)과 함께 회전했을 때에, 각 베어링컵(13)은 그 구동축(10)에 설정된 최대 작동각의 2배의 각도 범위(예를 들면, ＋5～－5deg)에서 축(12a)의 중심(O)에 대하여 요동(왕복회동)하도록 되어 있다.

또한, 십자축 이음(11)에서는, 그 회전 동작시에 4개의 각 축(12a)을 갖는 십자축(12)은 구동축(10)의 회전에 따라 동일 평면 내에서 회전하고 있으나, 각 축(12a)에 장착된 베어링컵(13)은 상기와 같이 요동한다. 이 때문에, 도 4(b)에 나타낸 축(12a)의 단부가 동 도면의 지면(紙面)에 수직인 평면 내에서 그 도면의 하측을 향하여 회전할 때에는, 그 축(12a)의 전동면(12a1)(도 3)에 있어서 베어링컵(13)측으로부터의 최대 부하가 작용하는 부위는, 당해 컵(13)의 축(12a)에 대한 요동에 따라 이동하게 되어, 상기 최대 부하 범위(A)는 동 도(b)에 양 화살표로 나타내는 범위가 된다. 또한, 이 최대 부하 범위(A)의 전동면(12a1)의 둘레방향 치수(N)는 당해 전동면(12a1)의 원주(J)와, 구동축(10)의 최대 작동각의 2배의 각도인 십자축 이음(11)의 작용각(M)(예를 들면, 10deg)을 사용해서, N＝J×M÷360deg로 구해진다.

또한, 십자축 이음(11)으로부터 중간축부(10a)에 전달되는 회전력은 축(12a)으로부터 이 축 선단부측에 형성된 베어링컵(13)을 통해서 중간축부(10a)에 전달되기 때문에, 최대 부하 범위(A)는 전동면(12a1)의 축 선단부측이며, 변위 센서(151)는 도 3에 나타낸 바와 같이, 구멍(12b) 내에서 전동면(12a1)의 축 선단부측에 대향 배치되어 있다. 또한, 이와 같이 변위 센서(151)가 배치됨으로써, 당해 센서(151)의 검출 정밀도가 향상되어 있다. 다시 말하면, 축(12a)이 휘었을 때에 당해 축(12a) 선단부측은 십자축 이음(11) 중심측이 구속된 캔틸레버빔의 비구속(자유단)측이며, 이 자유단측에 변위 센서(151)가 형성되어 있기 때문에, 당해 센서(151)는 고정밀도로 변위를 검출할 수 있다.

여기에서, 변위 센서(151)의 검출신호에 대하여, 도 5～도 7도 참조해서, 구체적으로 설명한다. 한편, 이하의 설명에서는, 설명의 간략화를 위해서, 상기 중간축부(10a)가 그 최대 작동각의 상태의 회전을 계속하고, 베어링컵(13)에서는 그 축(12a)에 대한 요동 각도가 －5deg～＋5deg의 범위에서 변화하는 것으로 한다. 또한, 베어링컵(13)이 도 4(b)에 실선, 점선, 및 이점쇄선으로 각각 나타낸 상태일 때에, 당해 컵(13)의 상기 요동 각도는 0deg, －5deg 및 ＋5deg로 한다.

우선, 도 6(a)를 참조해서, 전동면(12a1)에 손상이 발생하고 있지 않은 경우에서의 변위 센서(151)의 검출신호에 대하여 설명한다.

손상이 발생하고 있지 않은 경우에서는, 변위 센서(151)의 검출신호는 도 6(a)의 파형(50a)에 나타내는 바와 같이, 십자축 이음(11)의 회전 동작에 따른 베어링컵(13)의 축(12a)에 대한 요동에 따라 정현파 형상으로 변화한다. 상세하게는, 변위 센서(151)의 검지방향은 베어링컵(13)의 축(12a)에의 붙임 정밀도 등에 의해, 반드시 축(12a)의 구멍(12b)의 중심선과 일치하는 것은 아니므로, 이 설치구멍(14b1) 내에 설치된 변위 센서(151)의 검출신호는 십자축 이음(11)이 1회전하는 동안에 상기 －5deg～＋5deg의 범위에서 요동하는 베어링컵(13)의 요동 각도만큼에 따라 주기적으로 변화한다. 예를 들면 요동 각도가 ＋5deg 및 －5deg인 경우에 변위 센서(151)의 검출신호는 각각 최고값 및 최저값이 되며, 파형(50a)에 나타낸 바와 같이, 상기 십자축 이음(11)의 1회전을 1주기로 하는 정현파 형상으로 변화한다.

다음으로, 손상으로서 예를 들면 도 5에 나타내는 박리(H)가 전동면(12a1)에 발생하고 있는 경우에서의 변위 센서(151)의 검출신호에 대하여 설명한다.

베어링컵(13)은 십자축 이음(11)의 회전 동작에 따라, 축(12a)의 중심(O)에 대하여 순차 요동하며, 그 요동 각도가 0deg, －5deg, 0deg, ＋5deg로 변화한다. 변위 센서(151)는 베어링컵(13)에 고정되어 있으므로, 이 센서(151)의 검지방향(S)에 대한 축(12a)의 상대적인 동작은 도 7(a)～도 7(d)가 된다. 또한, 동(同) 도 7에 화살표 Max로 나타내는 베어링컵(13)으로부터 축(12a)측에 작용하는 부하의 최대 부위에 대하여, 당해 축(12a)의 전동면(12a1)은 상대적으로 이동하므로, 당해 컵(13)이 도 7(a)에 나타내는 상태로부터 도 7(b)에 나타내는 상태, 및 동 (b)에 나타내는 상태로부터 도 7(c)에 나타내는 상태로 요동하는 동안에, 최대 부하 부위는 전동면(12a1)에 발생한 상기 박리(H)상을 통과한다.

또한, 이와 같이, 최대 부하 부위가 베어링컵(13)의 요동에 따라 박리(H)상 을 통과하므로, 그 최대 부하 부위와 박리(H)와의 위치관계에 따라서는 축(12a)에 휨이 발생한다.

구체적으로는, 최대 부하 부위와 박리(H)가 비교적 떨어져 있을 때에는, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 축(12a)에는 휨이 발생하고 있지 않으며, 박리(H)가 발생하고 있지 않은 경우와 마찬가지로, 변위 센서(151)는 베어링컵(13)의 요동 각도에 따라 변화하는 내벽면(12b1)과의 사이의 거리(LO)를 측정하고, 그 센서 검출신호에는 휨에 기인하는 변동이 발생하지 않는다.

한편, 최대 부하 부위가 박리(H)상을 통과할 때 및 그 통과 전후에서 비교적 가까워지고 있을 때에는, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 당해 최대 부하 부위측에의 휨이 축(12a)에 발생하고, 그 축 단부가 십자축 이음(11)의 회전방향(R)에서 도면의 우측 방향 하측으로 기운 상태가 된다. 또한, 이 축(12a)의 휨은 박리(H)의 깊이나 범위 등의 정도에 따라 변화하는 것으로, 이와 같은 휨이 발생하면, 변위 센서(151)로 검출되는 변위 검출값도 변동한다. 다시 말하면, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 축(12a)의 휨에 의해, 변위 센서(151)와 내벽면(12b1) 사이의 거리(L1)가, 휨이 발생하고 있지 않은 경우에 비해서 증가하고 있다. 이 결과, 변위 센서(151)의 검출신호도 또한 증가하여, 도 6(b)의 파형(50b)에 나타내는 바와 같이, 휨이 발생함과 아울러 커져서, 최대 부하 부위가 박리(H)상을 통과하여 축(12a)이 최대로 휘었을 때에 피크값이 되는 증가 변동이 나타난다. 그리고, 이와 같은 변위 센서(151)의 출력 변동을 후술하는 패널 컴퓨터 등으로 검출함으로써, 전동면(12a1)에서의 박리(H)(손상) 발생의 유무, 및 발생한 손상의 위치 및 그 깊이나 범위 등의 정도를 검지하도록 되어 있다(상세한 것은 후술).

한편, 상기의 설명 이외에, 변위 센서(151)를 상기 축구멍(12b)의 중심에 일치시켜서 배치하여 상기 요동 각도에 관계없이 당해 센서(151)와 내벽면(12b1)과의 거리를 일정하게 하고, 축(12a)이 전동면(12a1)의 손상에 의해 휘었을 때만, 그 휨에 의한 당해 거리의 변화를 변위 센서(151)가 검출하는 구성이어도 좋다.

상기 자기(1)는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 변위 센서(151)로부터의 검출신호를 입력함과 아울러, 도시하지 않은 볼트 등의 고정수단에 의해 부착부(14a)의 저부에 고정되는 센서 기판(31)과, 이 센서 기판(31)의 상방에 배치된 와이어리스 기판(32)과, 이 와이어리스 기판(32)의 상방에 배치된 배터리 전원(33)을 구비하고 있다. 또한, 자기(1)에서는, 서로 접리(接離) 자유로운 커넥터로 각 기판(31, 32)과 전원(33)이 순차 접속되도록 되어 있으며, 당해 유닛(1)은 비스구멍(14c) 내에 삽입되는 비스(도시하지 않음)에 의해 상기 구멍(131b)에 장착되는 뚜껑(14)의 내부에 수납되어 있다. 즉, 센서 기판(31) 및 와이어리스 기판(32)은 각각 형성된 결합 커넥터(31c 및 32c)가 서로 연결됨으로써 이들 기판(31 및 32)이 전기적으로 접속되며, 또한 와이어리스 기판(32) 및 배터리 전원(33)은 각각 형성된 결합 커넥터(32d 및 33a)가 서로 연결됨으로써 이들 기판(32) 및 전원(33)이 전기적으로 접속되어 있다. 한편, 도 8에서는, 도면의 간략화를 위해서, 상기 지지부(14b)의 도시는 생략하고 있다. 또한, 각 기판(31 및 32)은 몰드 수지에 의해 코팅된 것으로, 이들 기판(31 및 32)의 회로 등의 전자부품에 그리스나 습기 등에 의한 악영향을 가능한 한 발생시키지 않도록 구성되어 있다.

상기 센서 기판(31)은 변위 센서(151)로부터의 검출신호를 A/D 변환하여 센서 검출신호 데이터를 생성하는 A/D 변환 기능이 부여된 DSP 등의 연산부를 갖는 센서 회로(31a)와, 상기 배터리 전원(33)에 포함된 예를 들면 2개의 단삼형 전지(33a)로부터의 직류를 유닛 각 부에 적절히 분배 공급하기 위한 전원 회로(31b)를 구비하고 있다.

상기 와이어리스 기판(32)에는, 예를 들면 DSP를 사용해서 구성된 송수신 회로(32a)와, 이 송수신 회로(32a)나 상기 센서 회로(31a) 등에서 사용되는 프로그램 등의 데이터를 보유하는 메모리(32b)를 구비하고 있으며, 당해 와이어리스 기판(32)이 센서 회로(31a)로부터의 상기 센서 검출신호 데이터를 무선 송신하는 데이터 송신부를 구성하고 있다. 상기 송수신 회로(32a)에는, 소정 주파수의 발신파(반송파)를 발진하는 발진 기능, 이 반송파에 검출신호 데이터를 싣기 위한 변조 기능이 부여되어 있다. 또한, 송수신 회로(32a)는 후술하는 친기(5)(도 9)로부터의 발신파를 수신하고, 그 수신한 발신파를 복조해서 그 발신파에 포함된 동(同) 친기(5)로부터의 지시신호를 추출하는 복조 기능을 갖고 있으며, 상기 지시신호에 의해 자기(1)의 각 부는 그 구동제어가 행해지도록 되어 있다. 또한, 송수신 회로(32a)에는, 배터리 전원(33)의 상방에서 뚜껑(14)의 개구단 부근에 배치되는 안테나(34)가 접속되어 있으며, 이 안테나(34)가 상기 센서 검출신호 데이터의 시리얼 데이터열을 포함한 송신파를 외부에 발신한다. 한편, 이 설명 이외에, 안테나(34)를 베어링컵(13)의 외표면을 따르게 해서 배치하는 구성이어도 좋다.

또한, 다른 자기(2～4)도 자기(1)와 마찬가지로 상하 3단으로 분할 배치된 기판 및 전원을 갖고 있으며, 대응하는 변위 센서(152～154)로부터의 검출신호 데이터를 발신하도록 되어 있다.

또한, 상기 자기(1～4) 및 변위 센서(151～154)는 상기 축 이음 감시장치(T)에 포함된 것으로, 각 자기(1～4)에는 각각 식별자로서의 연속한 정수의 ID번호 0, 1, 2, 3이 할당되어 있고, 각 자기(1～4)의 상기 송수신 회로(32a)에서는, 센서 검출 결과의 송신을 행할 때에 예를 들면 헤더부에 할당된 ID번호를 포함시켜, 송신파를 발신하도록 구성되어 있다. 그리고, 축 이음 감시장치(T) 내에서 각 자기(1～4)와, 이들 자기(1～4)에 접속된 변위 센서(151～154)를 특정 가능하게 되어 있다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 상기 축 이음 감시장치(T)는 변위 센서(151～154)(도 2)와, 대응하는 센서(151～154)가 접속된 자기(1～4)와, 이들 각 자기(1～4)로부터의 송신파를 수신하는 친기(5)를 구비하고 있다. 이 친기(5)에는, 예를 들면 RS232C에 준거한 통신선(6a)을 통해서 압연설비 내에 배치된 패널 컴퓨터(7)가 접속되어 있다. 또한, 이 패널 컴퓨터(7)에는, 예를 들면 10Base-T선을 사용한 LAN(6b)을 통해서, 압연설비로부터 떨어진 감시실 내 등에 설치된 퍼스널 컴퓨터(이하, "PC"라고 약칭한다.)(8)가 접속되어 있으며, 이 PC(8)는 인터넷 등의 통신 네트워크(20)를 개재시켜서 예를 들면 십자축 이음(11)의 제조 메이커나 그 메인터넌스(maintenance) 회사 등의 정보처리 단말(21)에 접속 가능하게 구성되어 있다. 한편, 축 이음 감시장치(T)에서는, 상기 2개의 구동축(10)에 맞붙여진 4개의 각 십자축 이음(11)에 자기(1～4)가 장착되어 있으며, 패널 컴퓨터(7) 및 PC(8)는 당해 감시장치(T) 내에 포함된 모든 각 자기로부터의 송신 데이터를 상기 ID번호를 기초 로 판별하여 각 십자축 이음(11)의 감시를 상기 축(12a) 단위로 행할 수 있도록 되어 있다.

상기 패널 컴퓨터(7)에는, 그 컴퓨터 기능으로서, 각 자기(1～4)를 통하여 보내져 온 변위 센서(151～154)의 상기 센서 검출신호 데이터에 기초해서 대응하는 축(12a)에서의 손상의 유무, 및 발생한 손상의 위치 및 그 깊이나 범위 등의 정도에 대한 판별?진단 기능이 부여되어 있다.

구체적으로는, 도 6(a)의 파형(50a)에 나타낸 바와 같이, 센서 검출신호에 증가 변동이 나타나 있지 않은 경우, 패널 컴퓨터(7)는 대응하는 축(12a)의 전동면(12a1)에 손상이 발생하고 있지 않다고 판별한다.

한편, 도 6(b)의 파형(50b)에 나타낸 바와 같이, 센서 검출신호에 증가 변동이 나타나 있는 경우, 즉 입력한 신호 데이터에 주기적이지 않은 돌발적인 증가 변동값이 포함되어 있는 경우에는, 패널 컴퓨터(7)는 상기 전동면(12a1)에 박리(H)(손상)가 발생하고 있다고 판별한다. 또한, 컴퓨터(7)는 도시하지 않은 위치 센서로부터 십자축 이음(11)(또는 구동축(10))의 회전 절대각 정보를 취득하고, 전동면(12a1)에서의 손상 발생 위치를 특정하도록 구성되어 있다. 다시 말하면, 베어링컵(13)의 요동 동작과 십자축 이음(11)의 회전 동작은 서로 상관관계를 갖고 있으며, 패널 컴퓨터(7)는 그 상관관계에 기초해서 미리 입력 설정된 테이블 등을 참조함으로써, 취득한 십자축 이음(11)의 회전 절대각 정보로부터 베어링컵(13)의 요동 상태(요동 각도?위치)를 판별할 수 있다. 그리고, 패널 컴퓨터(7)는 상기 요동 상태의 정보와 변위 센서(151～154)의 검출 결과를 사용해서, 전동면(12a1)상에서의 박리 위치를 특정할 수 있다.

또한, 축(12a)의 휨은 손상의 깊이나 범위 등의 정도에 따라 변화하므로, 패널 컴퓨터(7)는 상기 신호 데이터의 증가 변동값의 시간간격을 검출함으로써 손상의 발생 범위를 검지함과 아울러, 그 증가 변동값의 크기에 기초해서 손상의 정도를 검지한다.

또한, 상기 패널 컴퓨터(7)에는, 각 자기(1～4)의 배터리 전원(33)에서의 전지 용량의 잔량 관리 등의 감시장치(T)의 구성요소의 메인터넌스 작업에 필요한 정보 관리 기능, 및 각 센서 검출 데이터의 파형이나 상기 센서 검출신호 데이터의 변화 등의 소정의 이력 정보를 디스플레이에 표시하는 모니터링 기능이 소프트웨어로 부여되어 있다.

또한, PC(8)에는, 패널 컴퓨터(7)가 갖는 상기의 컴퓨터 기능에 더하여, 입력한 검출 데이터나 그것에 기초하는 손상의 진단 결과 등의 데이터를 보존하거나, 다른 정보처리 단말(21)에 상기의 보존 데이터를 제공하는 Web 서버로서 작동하는 서버 기능이 부여되어 있다.

이상과 같이 구성된 본 실시형태 1에서는, 십자축(12)의 각 축(12a)의 내부에 변위 센서(151～154)를 형성함과 아울러, 각 변위 센서(151～154)가 내벽면(12b1)과의 사이의 거리를 측정함으로써 대응하는 축(12a)과 베어링컵(13) 사이의 축(12a)의 직경방향의 변위(상대적인 변위)를 검출하고 있다. 그리고, 패널 컴퓨터(7) 또는 PC(8)가 전동면(12a1)에 발생한 손상에 따라 축(12a)이 휘었을 때에, 이 휨에 기인해서 변동하는 변위 센서(151～154)의 검출 결과에 기초해서, 당해 전 동면(12a1)에서의 손상 발생의 유무, 그 범위나 깊이 등의 정도(진행 정도)를 판별하고 있다. 이것에 의해, 전동면(12a1)에 대한 손상 검지를 포함하는 십자축 이음(11)의 감시?진단을 축(12a) 단위로 정밀도 좋게, 또한 조기에 행할 수 있다. 이 결과, 종전의 정기점검 작업 및 이에 따른 십자축 이음(11)의 분해 작업을 실시하지 않고, 고정밀도의 진단 결과에 기초하는 메인터넌스 작업을 정확한 타이밍으로 적절히 행하게 할 수 있다.

또한, 본 실시형태 1에서는, 각 변위 센서(151～154)가 십자축 이음(11)의 회전방향(R)과 평행한 방향으로 축(12a)의 중심(O)을 지나는 선상에서 상기 최대 부하 범위(A)측에 배치되어 있으므로, 이들 각 변위 센서(151～154)는 전동면(12a1)의 손상이 발생했을 때에 발생하는 축(12a)의 휨방향으로 배치된다. 따라서, 각 센서(151～154)는 당해 휨에 의한 변위 변동을 최고 감도로 검출할 수 있으며, 손상 검지를 보다 고정밀도로 행할 수 있다.

또한, 본 실시형태 1에서는, 각 변위 센서(151～154)가 대응하는 축(12a)에 형성된 당해 축(12a)과 동심의 그리스 통로용 구멍(12b)의 내부에 배치됨과 아울러, 그 구멍 내벽면(12b1)과의 거리를 측정함으로써 상기 상대적인 변위를 검출하고 있다. 이와 같이 각 변위 센서(151～154)가 전동면(12a1)에 발생한 손상에 의해 휘는, 축 자체의 내부에 형성되어 상기 상대적인 변위를 검출하므로, 당해 센서의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 그리스 통로용 구멍(12b)을 이용하고 있으므로, 변위 센서(151～154)를 각 축 내부에 배치하기 위한 구멍이나 오목부 등을 형성하지 않고, 이들 각 센서(151～154)를 십자축 이음(11)에 용이하게 설치할 수 있다.

<실시형태 2>

도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 축 이음 감시장치의 주요부를 구동축의 축방향에서 본 도면이다(일부 단면을 포함한다.). 도면에 있어서, 본 실시형태 2와 상기 실시형태 1과의 주된 차이점은 변위 센서(151～154)를 대신해서, 축(12a)의 전동면(12a1)을 향하여 초음파를 발신하고, 또한, 그 전동면(12a1)에서 반사한 초음파를 수신 가능한 초음파 센서를, 상기 센서로서 축 단위로 형성한 점이다. 한편, 실시형태 1과 공통하는 요소에 대해서는, 동일한 참조부호를 붙이고, 그 중복된 설명을 생략한다.

즉, 도 10에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 2에 있어서, 상기 십자축(12)의 각 축(12a)에서는, 그 구멍(12b)의 내부에 본 발명의 축 이음 감시장치(T)에 포함된 초음파 센서(251, 252, 253, 254)가 배치되어 있으며, 대응하는 축(12a)의 외주면을 사용한 상기 롤러(132)의 전동면(12a1)에서의 박리나 균열 등의 손상의 검지를 행하도록 구성되어 있다.

구체적으로는, 도 11에 예시하는 바와 같이, 초음파 센서(251)는 배치 스페이스로서의 상기 구멍(12b)의 내부에 있어서, 초음파의 발신부 및 수신부가 구성된 센서 단부가 구멍(12b)의 내벽면(12b1)에 밀접한 상태에서, 축(12a)의 외주면으로 이루어지는 상기 전동면(12a1)을 향하여 초음파의 발신파(W)를 발신하고, 또한 그 전동면(12a1)으로부터의 초음파의 반사파(R)를 수신 가능하게 구성되어 있다. 또한, 이 초음파 센서(251)는 브래킷 등의 부착수단(도시하지 않음)으로 축(12a)측에 고정된 것으로, 상기 센서 단부와 내벽면(12b1) 사이에 동 도면에 점으로 나타내는 그리스를 개재시키지 않고 구멍(12b) 내부에 배치되어 있다.

또한, 초음파 센서(251)는 초음파를 발생하는 피에조 소자와 수신하는 피에조 소자를 포함한 것으로, 십자축 이음(11)의 회전 동작시에, 상기 전동면(12a1)에 있어서 최대 부하가 작용하는 부위의 범위이며, 당해 전동면(12a1)에서 상기의 손상이 가장 발생하기 쉬운 축(12a)의 선단부(베어링컵(13))측에 존재하는 상기 최대 부하 범위(A)(도 4도 참조)의 전역을 1주기로 커버할 수 있는 초음파를 발신하도록 되어 있다. 또한, 초음파 센서(251)는 변위 센서(151)와 마찬가지로, 상기 최대 부하 범위(A)에 대응하기 위해서 구멍(12b) 내에서 전동면(12a1)(도 3)의 축 선단부측에 대향 배치되어 있다(도 10을 참조.).

또한, 초음파 센서(251)는 도 11에 나타낸 바와 같이, 최대 부하 범위(A) 전역을 1주기로 커버할 수 있는 초음파로서, 상기 둘레방향 치수(N)와 동등한 진폭을 갖는 횡파 초음파, 또는 동 치수(N)와 동등한 확산폭을 갖는 종파 초음파의 상기 발신파(W)를 전동면(12a1)에 발신하고 있다. 또한, 이 발신파(W)의 주파수는 초음파의 전파 매체로서의 축(12a) 내의 전파경로상에서 현저하게 감쇠되지 않는 값이 선택되어 있다.

또한, 도 11(a)에 나타내는 바와 같이, 전동면(12a1)에 손상(박리(H))이 발생하고 있지 않은 경우에는, 초음파 센서(251)의 발신부가 전동면(12a1)을 향해서 발사한 발신파(W)는 당해 전동면(12a1)에서 반사되며, 그 발신 후로부터 소정 시간을 경과한 후에 반사파(R)로서 센서(251)의 수신부에서 수신된다. 그리고, 초음파 센서(251)는 수신한 반사파(R)에 따른 검출신호(전압신호)를 상기 자기(1)의 센서 회로(31a)(도 8)에 출력한다.

한편, 도 11(b)에 나타내는 바와 같이, 전동면(12a1)에 손상(박리(H))이 발생하고 있는 경우에는, 초음파 센서(251)의 발신부로부터 전동면(12a1)에의 발신파(W)는 당해 박리(H)로 확산된다. 이 때문에, 초음파 센서(251)의 수신부가 동 도(b)에 나타내는 바와 같이, 반사파(R)를 전혀 수신할 수 없거나, 혹은 센서(251)는 확산된 일부의 초음파를 상기 소정 시간 경과 후에 박리(H)가 발생하고 있지 않은 경우에 비해서 대폭으로 작은 반사파(R)를 수신한다. 이와 같이, 박리(H)의 유무에 의해 초음파 센서(251)의 수신부가 수신하는 반사파(R)가 변화하고, 또한 당해 센서(251)로부터 상기 센서 회로(31a)에 출력되는 검출신호도 마찬가지로 변화한다.

또한, 초음파 센서(251)에서는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 상기 발신파(W)는 초음파 센서(251)가 수신하는 초음파의 반사파(R)가 증폭되도록, 그 위상이 조정되어서 발신되고 있다. 다시 말하면, 발신파(W)의 위상은, 도 12(a) 및 (b)에 나타내는 바와 같이, 전동면(12a1)에 손상이 발생하고 있지 않을 때에 그 전동면(12a1)으로부터 반사되는 초음파의 반사파(R0)의 위상에 맞춰진 것이며, 당해 전동면(12a1)에 손상이 발생하고 있지 않을 때에는, 이들 발신파(W) 및 반사파(RO)의 간섭 작용에 의해, 동 도(c)에 나타내는 바와 같이, 초음파 센서(251)는 최대 피크값(P)(발신파(W)×2－롤러에의 투과분)을 갖는 반사파(R)를 수신하도록 되어 있다.

또한, 상기 자기(1)에서는, 실시형태 1과 마찬가지로, 그 센서 회로(31a)가 초음파 센서(251)로부터의 검출신호에 A/D 변환 처리 등의 소정의 데이터 처리를 실시하여, 안테나(34)로부터 상기 검출신호 데이터의 시리얼 데이터열을 포함한 송신파를 친기(5)에 발신하고, 패널 컴퓨터(7)측에 송신하도록 되어 있다(도 8 및 도 9를 참조.).

또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 다른 3부위의 축(12a)에 대해서도 마찬가지로, 초음파 센서(252, 253 및 254)에 각각 접속된 자기(2, 3 및 4)가 형성되어 있으며, 합계 4개의 자기(1～4)로부터 각각 검출신호(결과) 데이터를 패널 컴퓨터(7)측에 송신할 수 있다. 또한, 이들 자기(1～4) 및 초음파 센서(251～254)는 상기 축 이음 감시장치(T)에 포함된 것으로, 각 자기(1～4)에 할당된 식별자(ID번호)를 기초로 축 이음 감시장치(T) 내에서 각 자기(1～4)와 초음파 센서(251～254)를 특정 가능하게 되어 있다.

그리고, 패널 컴퓨터(7) 또는 PC(8)는 그 컴퓨터 기능으로서 부여된 식별?진단 기능에 의해, 각 초음파 센서(251～254)로부터의 검출신호 데이터에 기초한 대응하는 축(12a)에서의 손상의 유무에 대하여 판단한다. 다시 말하면, 패널 컴퓨터(7) 또는 PC(8)는 각 센서(251～254)의 상기 발신부가 초음파의 발신파(W)를 발사한 후, 대응하는 상기 수신부에서 수신되는 초음파의 반사파(R)의 변화, 예를 들면 그 최대 피크값을 감시하고 있으며, 이 감시하고 있는 최대 피크값이 도 12(c)에 나타낸 (발신파(W)×2－롤러에의 투과분)의 값에 도달했을 때에는, 감시 대상의 전동면(12a1)에 손상이 발생하고 있지 않다고 판별한다. 한편, 감시하고 있는 최대 피크값이 상술의 2배의 값에 도달하지 않았을 때에는, 감시 대상의 전동면(12a1)에 손상이 발생했다고 판별한다.

이상과 같이 구성된 본 실시형태 2에서는, 십자축(12)의 각 축(12a)의 내부에 초음파 센서(251～254)를 형성함과 아울러, 각 초음파 센서(251～254)로부터 대응하는 축(12a)의 전동면(12a1)을 향해서 초음파를 발신시키고, 또한 그 전동면(12a1)으로부터의 반사파(R)를 수신시키고 있다. 그리고, 패널 컴퓨터(7) 또는 PC(8)가 반사파(R)의 변화를 기초로 전동면(12a1)에서의 손상 발생이나 그 진행 정도를 판별하고 있다. 따라서, 실시형태 1과 마찬가지로, 압연설비 등의 구동축에 편입되는 십자축 이음에 있어서도, 전동면(12a1)에 대한 손상 검지를 포함하는 십자축 이음(11)의 감시?진단을 축(12a) 단위로 정밀도 좋게, 또한 조기에 행할 수 있다. 이 결과, 종전의 정기점검 작업 및 이에 따른 십자축 이음(11)의 분해 작업을 실시하지 않고, 고정밀도의 진단 결과에 기초하는 메인터넌스 작업을 정확한 타이밍으로 적절히 행하게 할 수 있다.

또한, 본 실시형태 2에서는, 각 초음파 센서(251～254)는 전동면(12a1)에 손상이 발생하고 있지 않을 때에 그 전동면(12a1)으로부터 반사되는 초음파의 반사파(R0)의 위상에, 송신파(W)의 위상을 맞춰서 당해 송신파(W)를 발신하고 있으므로, 각 센서(251～254)가 수신하는 초음파의 진폭을 크게 할 수 있으며, 대응하는 전동면(12a1)에 대한 손상 검지의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태 2에서는, 각 초음파 센서(251～254)는 구멍(12b)의 내벽면(12b1)에 밀접한 상태에서, 전동면(12a1)을 향하여 초음파를 발신하고 있으므로, 이들 센서(251～254)와 각 전동면(12a1) 사이의 초음파의 전파경로상에 계면이 발 생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 계면에 의한 굴절 등의 초음파의 전파경로가 변경되는 것을 방지하여, 전동면(12a1)의 소망 부위에 대한 초음파 센싱을 확실히 행하게 할 수 있다.

<실시형태 3>

도 13은 다른 실시형태에 따른 축 이음 감시장치의 초음파 센서를 나타내는 도면이다. 도면에 있어서, 본 실시형태 3과 상기 실시형태 2와의 주된 차이점은, 초음파 센서의 고정 위치를, 축측에서 베어링컵측으로 변경한 점이다. 한편, 실시형태 1과 공통하는 요소에 대해서는, 동일한 참조부호를 붙이고, 그 중복된 설명을 생략한다.

도 13에 있어서, 본 실시형태에서는, 각 축(12a)의 내부에 형성된 센서, 예를 들면 초음파 센서(251)는 상기 뚜껑(14)의 지지부(14b)(도 10)에 부착된 고정부재(14d)에 의해, 당해 뚜껑(14)을 통하여 베어링컵(13)에 고정된 상태에서, 구멍(12b)의 내부에 배치되어 있다. 또한, 본 실시형태의 초음파 센서(251)는 구멍(12b)의 내벽면(12b1)으로부터 이간한 상태에서, 그 발신부로부터 초음파의 발신파(W)를 전동면(12a1)을 향하여 발신하고, 또한 그 수신부에서 전동면(12a1)으로부터의 반사파(R)를 수신하도록 되어 있다. 또한, 이와 같이, 초음파 센서(251)는 내벽면(12b1)에 대하여 이간 배치되며, 축(12a)과 밀도가 다른 그리스를 개재시키고 있으므로, 당해 초음파 센서(251)에서는, 밀도가 다른 물질끼리의 계면을 통과하므로 발신파(W)가 표면파가 되어 전동면(12a1)에 전파되지 않을 가능성이 있는 횡파 초음파보다도, 표면파가 되지 않는 종파 초음파를 발신하는 편이 바람직하다. 또 한, 초음파 센서(251)의 내벽면(12b1)에 대한 이간 거리를 작게 해서 센서(251)를 내벽면(12b1)에 근접 배치하는 편이 바람직하다.

이상과 같이 구성된 본 실시형태 3에서는, 초음파 센서(251)가 베어링컵(13)측에 고정되어 있으므로, 당해 컵(13)이 구동축(10)의 요동에 따라 대응하는 축(12a)에 대하여 요동했을 때에, 당해 센서(251)의 발신파(W)의 도달 부위, 즉 전동면(12a1)상의 초음파의 센싱 부위도 상기 최대 부하 범위(A) 내를 요동(왕복회동)한다. 따라서, 전동면(12a1)에 박리(H)가 발생하고 있지 않은 경우에는, 도 13(a)에 나타내는 바와 같이, 상기 실시형태 2와 마찬가지로, 초음파 센서(251)의 발신부로부터 전동면(12a1)에의 발신파(W)는 당해 전동면(12a1)에서 반사되고, 그 발신 후로부터 소정 시간을 경과한 후에 반사파(R)로서 센서(251)의 수신부에서 수신된다. 또한, 베어링컵(13)의 요동을 따라, 초음파 센서(251)의 조사 부위가, 도 13(a)에 나타낸 상태로부터 동 도면의 우측으로 요동하여, 도 13(b)에 나타내는 상태가 되면, 상기 발신부로부터 전동면(12a1)에의 발신파(W)는 그 전동면(12a1)상의 박리(H)에 의해 확산되어, 정상적인 반사파(R)를 센서(251)가 수신할 수 없어 박리(H)(손상)의 발생을 검지 가능하게 된다. 이 결과, 초음파 센서(251)측으로부터 패널 컴퓨터(7)측에 송신되는 박리(H)의 검출 파형은 예를 들면 도 15의 파형(50c)에 나타내는 바와 같이, 당해 박리(H)의 검출 부위만 전압값이 저하한 파형이 된다.

또한, 본 실시형태 3에서는, 초음파 센서(251)의 센싱 부위가, 최대 부하 범위(A) 내를 요동하므로, 상기 실시형태 2와 달리, 당해 부하 범위(A) 전역을 1주기 로 커버 가능한 고진폭?고출력의 초음파를 발신할 필요가 없으며, 동 실시형태 2에 비해서 저출력의 초음파로 손상 검지를 행할 수 있다.

또한, 상기 패널 컴퓨터(7)나 PC(8)에 있어서, 십자축 이음(11)(구동축(10))의 회전수를 검지함으로써, 전동면(12a1)에 있어서의 손상의 발생 부위를 특정하는 것도 가능해진다. 구체적으로는, 베어링컵(13)은 축(12a)의 중심(O)에 대하여 순차 요동하면, 초음파 센서(251)는 베어링컵(13)에 고정되어 있으므로, 이 센서(251)의 발신파(W)에 대한 축(12a)의 상대적인 동작은 도 14(a)～(d)가 된다. 또한, 박리(H)도 도 14(a)에 나타내는 상태로부터 도 14(b)에 나타내는 상태, 및 동 (b)에 나타내는 상태로부터 도 14(c)에 나타내는 상태로 상대적으로 이동하며, 상기 최대 부하 범위(A) 내에서 요동하는 동안에 2회, 센서(251)는 반사파(R)를 수신할 수 없거나, 정상적인 최대 피크값(P)(도 12(c))보다도 현저하게 작아진 반사파(R)를 수신한다. 그래서, 예를 들면 패널 컴퓨터(7)는 도시하지 않은 위치 센서로부터 십자축 이음(11)(또는 구동축(10))의 회전 절대각 정보를 취득하고, 전동면(12a1)에서의 손상 발생 위치를 특정하도록 구성되어 있다. 다시 말하면, 베어링컵(13)의 요동 동작과 십자축 이음(11)의 회전 동작은 서로 상관관계를 갖고 있으며, 패널 컴퓨터(7)는 그 상관관계에 기초해서 미리 입력 설정된 테이블 등을 참조함으로써, 취득한 십자축 이음(11)의 회전 절대각 정보로부터 베어링컵(13)의 요동 상태(요동 각도?위치)를 판별할 수 있다. 그리고, 패널 컴퓨터(7)는 상기 요동 상태의 정보와 초음파 센서(251)의 검출 결과를 사용하여, 전동면(12a1)상에서의 박리 위치를 특정할 수 있다.

한편, 상기의 설명에서는, 압연설비의 구동축에 편입되는 십자축 이음에 적용한 경우에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 축의 외주면으로 구성되는 전동면의 손상을 검출하기 위한 센서를 당해 축의 내부에 형성한 것이면 되고, 예를 들면 철도 차량에 맞붙여진 구동축의 십자축 이음의 감시에 본 발명을 사용할 수도 있다.

또한, 상기의 설명에서는, 변위 센서 또는 초음파 센서의 검출 결과를 외부에 송신하는 자기를 형성한 구성에 대해서 설명하였으나, 자기 대신에, 센서의 검출 결과를 기억하는 메모리를 설치하고, 이 메모리에서 보유한 검출 결과를 기초로 손상 감시를 행하는 구성이어도 좋다. 단, 상기와 같이, 자기가 센서 검출 결과를 순차적으로 송신하는 경우인 편이 전동면의 손상 검지를 보다 실시간으로 행할 수 있는 점에서 바람직하다.

또한, 상기의 설명에서는, 패널 컴퓨터 또는 PC에 있어서, 변위 센서 또는 초음파 센서의 검출 결과에 기초하는 손상 유무나 그 진행 정도의 판별 처리를 행하게 하는 구성에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 상기 센서 회로에 형성한 DSP 등의 데이터 처리부에 있어서 상기의 판별 처리를 실행시켜도 좋다.

또한, 상기 실시형태 1의 설명에서는, 변위 센서가 그리스 통로용의 구멍의 내벽면과의 사이의 거리(즉, 축의 직경방향의 변위)를 측정하도록 각 베어링컵에 착탈 가능한 뚜껑에 고정된 구성에 대해서 설명하였으나, 본 발명의 변위 센서의 설치 부위 및 검출 부위는 이것에 한정되는 것은 아니며, 축의 전동면에 발생한 손상에 의해 당해 축이 휘었을 때에 발생하는 베어링컵과의 사이의 상대적인 변위를 검출할 수 있는 것을 베어링컵측에 형성한 것이라면 조금도 한정되지 않는다. 구체적으로는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 축이 휘었을 때에 상기 컵부의 저면측으로 기운 스러스트 와셔와의 사이의 거리, 다시 말하면 축의 축방향의 변위를 변위 센서로 측정함으로써 상기 상대적인 변위를 검출하는 구성이어도 좋다. 또한, 상기 최대 부하 범위측에 변위 센서를 배치한 경우에 대해서 설명하였으나, 십자축 이음의 회전방향과 평행한 방향으로 축 중심을 지나는 선상 또는 그 근방에 배치한 것이면 좋고, 최대 부하 범위와 십자축 이음의 회전방향으로 180deg 반대의 최소 부하 범위측에 변위 센서를 배치하는 구성이어도 좋다.

또한, 상기 실시형태 1의 설명에서는, 와전류식의 변위 센서를 사용한 구성에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상기 변위를 검출할 수 있는 센서이면, 센서의 종류나 설치수 등은 상기의 것에 조금도 한정되지 않는다. 구체적으로는, 정전용량식, 광학식, 초음파식, 또는 접촉식 등의 다른 타입의 변위 센서를 사용할 수도 있다. 단, 와전류식 센서를 사용하는 경우인 편이 센서 자체의 구성이 다른 타입보다도 콤팩트하기 때문에, 그 부착을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 와전류식 센서는 그리스에 함침된 상태라도, 변위를 정상적으로 검출할 수 있기 때문에, 상기 설치 구멍의 개구부를 막지 않고, 베어링컵측에 형성할 수 있는 점에서도 바람직하다.

또한, 상기 실시형태 2, 3의 설명에서는, 그리스 통로용의 구멍의 내부에 초음파 센서를 배치한 경우에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 당해 센서를 배치하기 위한 구멍이나 오목부 등의 배치 스페이스를 십자축의 축에 형성해서 배치하는 구성이어도 좋다. 단, 상기와 같이, 축에 형성된 그리스 통로용 구멍의 내부에 초음파 센서를 배치하는 경우인 편이 당해 구멍을 상기 배치 스페이스로서 활용할 수 있으며, 센서를 간단하게, 또한 비용 저렴하게 부착할 수 있는 점에서 바람직하다.

또한, 상기 실시형태 3의 설명에서는, 초음파 센서를 구멍의 내벽면으로부터 떨어뜨린 상태에서 베어링컵측에 고정한 구성에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 초음파 센서의 센서 선단부가 상기 내벽면에 항상 밀접되도록 당해 센서 선단부를 내벽면측에 가력(加力)하는 스프링 등의 가력수단을 통해서 센서를 베어링컵측에 고정하는 구성이어도 좋다. 이와 같이 구성한 경우에는, 상기 실시형태 2의 것과 마찬가지로, 초음파의 전파경로상에 밀도가 다른 물질끼리의 계면이 발생하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 베어링컵의 요동에 따라 초음파의 주사위치를 변경해서 손상위치를 특정할 수 있는 실시형태 3에서의 당해 손상위치의 특정 정밀도가 상기 계면에 의해 저하하는 것을 확실히 방지할 수 있거나, 횡파 초음파를 사용할 수도 있다.

Claims (9)

1. 십자축의 4개의 각 축의 외주면을 전동체(轉動體)가 전동하는 전동면으로서 사용한 십자축 이음을 감시하는 축 이음 감시장치로서,

   상기 축의 내부에, 당해 축의 상기 전동면의 손상을 검출하기 위한 센서를 형성하고,

   상기 4개의 각 축에는, 베어링컵이 상기 각 축 둘레로 왕복 회동 가능하게 장착되며,

   상기 축과, 상기 베어링컵 사이의 상대적인 변위를 검출하는 변위 센서를, 상기 센서로서 상기 베어링컵측에 형성하고,

   상기 변위 센서가 상기 축에 형성된 당해 축과 동심의 구멍의 내부에 배치됨과 아울러, 상기 구멍의 내벽면과의 거리를 검출함으로써, 상기 변위를 검출하는 것을 특징으로 하는 축 이음 감시장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 변위 센서는 상기 십자축 이음의 회전방향과 평행한 방향으로 상기 축의 중심을 지나는 선상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 축 이음 감시장치.
3. 십자축의 4개의 각 축의 외주면을 전동체(轉動體)가 전동하는 전동면으로서 사용한 십자축 이음을 감시하는 축 이음 감시장치로서,

   상기 축의 내부에, 당해 축의 상기 전동면의 손상을 검출하기 위한 센서를 형성하고,

   상기 전동면을 향해서 초음파를 발신하고, 또한, 상기 전동면에서 반사한 초음파를 수신 가능한 초음파 센서를, 상기 센서로서 상기 축의 내부에 배치하고,

   상기 초음파 센서는 당해 초음파 센서가 수신하는 상기 전동면으로부터의 초음파의 반사파가 증폭되도록, 상기 초음파의 발신파의 위상을, 상기 전동면에 손상이 발생하고 있지 않을 때에 상기 전동면으로부터 반사되는 초음파의 반사파의 위상에 맞춰서, 당해 발신파를 상기 전동면을 향하여 발신하는 것을 특징으로 하는 축 이음 감시장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 4개의 각 축에는, 베어링컵이 상기 각 축 둘레로 왕복 회동 가능하게 장착됨과 아울러,

   상기 초음파 센서는 상기 베어링컵측에 고정된 상태에서, 상기 축의 내부에 형성된 배치 스페이스에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 축 이음 감시장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 초음파 센서는 상기 배치 스페이스의 벽면에 밀접한 상태에서, 상기 전동면을 향하여 초음파를 발신하는 것을 특징으로 하는 축 이음 감시장치.
6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초음파 센서는 상기 축에 형성된 그리스 통로용의 구멍의 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 축 이음 감시장치.
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