KR20210099121A - 전동 장치의 진단 방법 - Google Patents

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Abstract

외방 부재 (1) 와 내방 부재 (3) 와 전동체 (5) 를 구비하는 전동 장치 (10) 의 진단 방법으로서, 외방 부재 (1) 와 전동체 (5) 와 내방 부재 (3) 로 구성되는 전기 회로에 교류 전압을 인가하고, 교류 전압의 인가 시의 전기 회로의 임피던스 및 위상각을 측정하고, 측정한 임피던스 및 위상각에 기초하여, 외방 부재 (1) 와 전동체 (5) 의 사이 또는 내방 부재 (3) 와 전동체 (5) 의 사이 중 적어도 하나에 있어서의 윤활제의 비유전률을 측정한다.

Description

전동 장치의 진단 방법
본 발명은 전동 장치의 진단 방법에 관한 것이다.
베어링과 같은 전동 장치는, 자동차, 각종 산업 기계 등 폭넓은 산업 분야에서 이용되고 있다. 전동 장치의 내부의 윤활 상태를 파악하는 것은, 기계의 원활한 동작, 전동 장치의 수명 확보 등의 관점에서 매우 중요한 사항이며, 적절히 파악함으로써, 각종 윤활제 (기름, 그리스 등) 의 공급이나 전동 장치의 교환 등의 메인터넌스를, 과부족 없이 최적인 시기에 실시할 수 있다. 그러나, 윤활 상태를 직접 육안으로 관찰하는 것은 곤란하기 때문에, 전동 장치의 진단 방법으로서, 진동, 소리, 유막 상태를 모니터링하는 방법이 제안되어 있다.
특허문헌 1 은, 교류 전압을 전동 장치의 회전륜에 대하여 비접촉인 상태에서 인가하고, 측정한 정전 용량을 사용하여 베어링의 유막 상태를 추정할 수 있다. 즉, 유막을 콘덴서로 간주하여 전기적인 등가 회로를 모델화하고, 전동 장치의 회전륜에 대하여 비접촉인 상태에서 교류 전압을 인가하고, 유막의 정전 용량을 측정한다. 정전 용량과 유막 두께 (윤활 막두께) 는 상관 관계가 있기 때문에, 이 상관 관계로부터 유막 상태를 추정하는 것이다.
일본 특허공보 제4942496호
특허문헌 1 에 개시된 기술에 의하면, 유막 두께를 측정하는 것은 가능하다. 그러나, 이 방법에서는 유막 두께만의 산출이 가능하고, 그 밖의 윤활 상태에 영향을 주는 요소에 대해 파악하는 것은 곤란하다.
본 발명은, 윤활 막두께 뿐만 아니라 금속 접촉 비율도 고려하여 전동 장치의 윤활 상태를 파악하는 것을 가능하게 하는 전동 장치의 진단 방법을 제공한다.
본 발명의 전동 장치의 진단 방법은, 외방 부재와, 내방 부재와, 전동체를 구비하는 전동 장치의 진단 방법으로서, 상기 외방 부재와, 상기 전동체와, 상기 내방 부재로 구성되는 전기 회로에 교류 전압을 인가하고, 상기 교류 전압의 인가 시의 상기 전기 회로의 임피던스 및 위상각을 측정하고, 측정한 상기 임피던스 및 상기 위상각에 기초하여, 상기 외방 부재와 상기 전동체의 사이 또는 상기 내방 부재와 상기 전동체의 사이 중 적어도 하나에 있어서의 윤활제의 비유전률을 측정하고, 당해 윤활제의 마모 분말 농도를 산출하는 것이다.
본 발명에 의하면, 전동 장치에 있어서의 윤활 막두께 뿐만 아니라 금속 접촉 비율도 파악하는 것이 가능하며, 보다 상세하게 또한 보다 정확하게 전동 장치의 윤활 상태를 진단하는 것이 가능해진다. 특히 본 발명에 있어서는, 전동 장치의 마모량도 산출하기 때문에, 더욱 정확하게 전동 장치의 윤활 상태를 진단하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 디스크 시험편에 볼 시험편을 가압했을 때의 혼합 윤활 조건하에 있어서의 물리 모델을 나타내는 그래프이다.
도 2 는, 전동 장치의 진단에 있어서의 전기 회로의 도면을 나타내고, (a) 는 도 1 에 나타내는 하나의 볼 시험편 (전동체) 에 대응하는 전기 회로이며, (b) 는 전동 장치 전체의 전기 회로를 나타낸다.
도 3 은, 윤활제 중의 마모 분말 농도와 윤활제의 비유전률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4 는, 전동 장치 및 그 시험 장치의 개념도를 나타낸다.
도 5 는, 회전축의 회전수를 변화시키면서 평균 유막 두께 및 유막의 파단율을 측정한 결과의 그래프를 나타낸다.
도 6 은, 도 5 의 그래프에 대하여, 수정 후의 평균 유막 두께를 겹쳐 나타낸 그래프를 나타낸다.
도 7 은, 회전축의 회전수에 따른 마모 분말 농도와 비유전률의 그래프를 나타낸다.
이하, 본 발명에 관련된 전동 장치 (베어링 장치) 의 진단 방법의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
종래의 전동 장치에 있어서의 유막 진단 기술로서, 특허문헌 1 에 개시되어 있는 검사 장치가 존재한다. 이 검사 장치의 구성은, 유막을 콘덴서로서 모델화하고, 전동 장치의 회전륜에 대하여 비접촉인 상태에서 교류 전압을 인가하고, 유막의 정전 용량을 측정한다. 정전 용량과 유막 두께의 사이에는 소정의 상관이 있기 때문에, 전동 장치의 유막 상태를 추정할 수 있다. 그러나, 특허문헌 1 의 방법에서는 유막 두께만 측정을 실시하고, 금속 접촉 비율에 대해 파악하는 것이 곤란하다. 또, 헤르츠 접촉역 외의 정전 용량에 대해 고려하고 있지 않기 때문에, 유막 두께의 값 그 자체의 추정 정밀도도 높은 것은 아니다.
본 발명에서는, EHD (Elastohydrodynamic) (탄성 유체) 접촉역에 교류 전압을 인가하고, 측정되는 복소 임피던스 (Z) 로부터 EHD 접촉역 내의 유막 두께 및 유막의 파단율을 측정할 수 있는 수법 (임피던스법) 을 확립하였다. 본 수법을 이용함으로써, 유막 두께를 양호한 정밀도로 측정할 수 있다. 여기서는 유막 두께 및 유막의 파단율 (금속 접촉 비율) 의 도출 과정에 대해서 서술한다.
도 1 은 디스크 시험편에 볼 시험편을 가압했을 때의 혼합 윤활 조건하에 있어서의 물리 모델을 나타내는 그래프이다. 본 모델에 있어서의 디스크 시험편은 전동 장치의 외륜 또는 내륜, 볼 시험편은 전동 장치의 전동체에 상당한다. y 축은 유막 두께 방향, x 축은 유막 두께 방향과 직교하는 방향의 축을 나타낸다. 또, h1 은 EHD 접촉역 내의 유막을 형성하고 있는 지점에 있어서의 유막 두께, a 는 Hertzian 접촉 원 반경, r 은 볼 시험편의 반경, S 는 Hertzian 접촉 면적, α 는 유막의 파단율이다. 따라서, EHD 접촉역 내에서 유막의 파단이 발생하고 있는 면적은 도 1 에 나타내는 바와 같이 αS 로 나타내어진다. 또, 도 1 중의 f(x) 는 EHD 접촉역 이외의 범위 (a ≤ x ≤ r) 에 있어서의 볼 시험편 표면의 y 좌표를 나타내는 함수이며, 이하의 식 (1) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00001
실제의 볼 시험편은, 하중을 받을 때에 탄성 변형이 발생하기 때문에 EHD 접촉역 이외는 엄밀하게는 구체 (球體) 는 아니지만, 본 발명에서는 식 (1) 에 나타내는 바와 같이 변형 후에도 구체라고 가정하였다.
통상적으로, EHD 접촉역 내에는 말굽형으로 불리는 유막이 얇은 영역이 존재하지만, 본 발명에서는 EHD 접촉역 내의 평균적인 유막 두께 (평균 유막 두께) (ha) 를 구하였다. 따라서, EHD 접촉역 내의 일부에서 유막의 파단이 발생하고 있는 경우, 구하는 평균적인 유막 두께 (ha) 는 유막의 파단율 (α) 과 유막 두께 (h1) 를 사용하여, 이하의 식 (2) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00002
도 2 중의 (a) 는 도 1 의 물리 모델을 전기적으로 등가인 전기 회로로 변환하여 얻어지는 전기 회로 (등가 전기 회로) (E1) 의 도면을 나타낸다. 단, R1 은 유막이 파단되어 있는 영역에 있어서의 저항, C1 은 Hertzian 접촉역 내의 유막에 의한 정전 용량, C2 는 디스크 시험편과 볼 시험편의 2 면간이 도 1 에 있어서의 x = r 의 위치까지 윤활제 (윤활유나 그리스) 로 채워져 있는 것으로 가정했을 때의 Hertzian 접촉역 외에 발생하는 정전 용량이다. 요컨대, 본 발명에서는 EHD 접촉역 외의 영역도 콘덴서로서 고려에 넣고 있다. Hertzian 접촉역 내의 유막은, 콘덴서 (C1) (정전 용량 C1) 와 저항 (R1) (저항값 R1) 의 병렬 회로를 형성하고, 당해 병렬 회로와, Hertzian 접촉역 외의 콘덴서 (C2) (정전 용량 C2) 가 병렬로 접속된다.
도 2 중의 (b) 는 도 1 의 물리 모델을 외륜 (1) 및 내륜 (3) 을 갖는 전동 장치 (10) (도 4 참조) 에 적용했을 때에 있어서의 전기 회로 (E4) 를 나타낸다. 각 전동체 (5) 는, 외륜 (1) 및 내륜 (3) 의 쌍방에 접촉해 있기 때문에, 도 2 중의 (b) 에 나타내는 바와 같이, 각 전동체 (5) 에 대해, 2 개의 전기 회로 (E1) (외륜 (1) - 전동체 (5) 사이 및 내륜 (3) - 전동체 (5) 사이) 가 직렬 접속된 전기 회로 (E2) 가 형성된다.
또한, 전동 장치 (10) 에 n 개의 전동체 (5) 가 형성되어 있는 경우, 전기 회로 (E2) 가 n 개 병렬로 접속되게 된다. 따라서, 도 2 중의 (b) 에 나타내는 바와 같이, n 개의 모든 전동체 (5) 를 포함하는 전동 장치 (10) 는 전기 회로 (E3) 를 형성하게 된다. 본 실시형태의 전동 장치 (10) 의 진단 시에는, 전동 장치 (10) 의 외륜 (1) 과 내륜 (3) 사이에, 전원으로부터 교류 전압을 인가하기 때문에, 도 2 중의 (b) 에 나타내는 전체의 전기 회로 (E4) 가 형성된다.
여기서 도 2 중의 (a) 의 전기 회로에 인가되는 교류 전압 (V) 은, 이하의 식 (3) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00003
도 2 중의 (a) 의 전기 회로의 전체를 흐르는 전류 (I) 는, 이하의 식 (4) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00004
따라서, 도 2 중의 (a) 의 전기 회로의 전체의 복소 임피던스 (Z) 는, 이하의 식 (5) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00005
여기서, j 는 허수, t 는 시간, ω 는 전압의 각 (角) 진동수, θ 는 전압과 전류의 위상 차이, 즉 위상각이다. 식 (5) 로부터 복소 임피던스 (Z) 는, 복소 임피던스 (Z) 의 절대값 (｜Z｜) 과 위상각 (θ) 이라는 2 개의 독립된 변수로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 복소 임피던스 (Z) 를 측정함으로써, 서로 독립된 2 개의 파라미터 (여기서는 평균 유막 두께 (ha) 및 파단율 (α)) 를 측정 가능한 것을 의미한다.
여기서 도 2 중의 (a) 에 기재된 전기 회로의 전체의 복소 임피던스 (Z) 는, 이하의 식 (6) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00006
또한 식 (6) 으로부터, 이하의 식 (7) 및 (8) 이 도출될 수 있다.
Figure pct00007
Figure pct00008
여기서, 식 (7) 중의 유막이 파단되어 있는 영역의 저항 (R1) 은, 접촉 면적과 반비례의 관계에 있기 때문에, 이하의 식 (9) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00009
여기서, R10 은 정지 시 (즉 α = 1) 에 있어서의 저항이다. R10 은 정지 시에 있어서의 임피던스를 ｜Z0｜, 위상각을 θ0 으로 두면, 식 (6) 으로부터 이하의 식 (10) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00010
따라서, 파단율 (α) 은, 식 (7), (9), (10) 으로부터 이하의 식 (11) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00011
그런데, Hertzian 접촉역 내의 유막에 의한 정전 용량 (C1) 은, 시험에 사용하는 윤활제의 유전율 (ε) 을 사용하여, 이하의 식 (12) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00012
한편, Hertzian 접촉역 외에 발생하는 정전 용량 (C2) 은, 도 1 중의 사선부에 나타내는 바와 같은 미소폭 (dx), 길이 (2πx), 높이 (f(x)) 의 원환상 (圓環狀) 의 콘덴서가, a ≤ x ≤ r 의 범위에 있어서 병렬로 연결되어 구성되어 있는 것으로 간주할 수 있다. 따라서 정전 용량 (C2) 은, 이하의 식 (13) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00013
여기서, 일반적으로 r ≫ a, r ≫ h1 이기 때문에, 정전 용량 (C2) 은 식 (13) 에 기초하여, 이하의 식 (14) 로 근사할 수 있다.
Figure pct00014
이상의 식 (8), (12), (14) 로부터, 이하의 식 (15) 가 얻어진다.
Figure pct00015
여기서 식 (15) 중의 h1 을 구하기 위해서, Lambert W function (람베르트 W 함수) 을 사용하는 것으로 한다. 임의의 복소 수 (z) 에 대하여, Lambert W function (W(z)) 은 이하의 식 (16) 에 의해 정의된다.
Figure pct00016
따라서, 식 (2), (15), (16) 으로부터. 구하는 평균 유막 두께 (ha) 는 이하의 식 (17) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00017
요컨대, 식 (11), (17) 로부터. 정지 시와 유막 형성 시에 있어서의 임피던스 및 위상을 측정함으로써, 평균 유막 두께 (ha) 및 유막의 파단율 (α) 을 산출할 수 있다.
상기 서술한 설명은, 오로지 기본이 되는 도 2 중의 (a) 의 전기 회로 (E1) 에 대한 것이지만, 전동 장치 (10) 의 전동체 (5) 의 수 등을 고려함으로써, 도 2 중의 (b) 의 전기 회로 (E4) 에도 적용할 수 있다. 전기 회로 (E4) 에 있어서, 전동체 (5) 가 외륜 (1) 및 내륜 (3) 에 접촉하는 2 개의 접촉점이 전기 회로 (E1) 의 2 개의 직렬에 대응하고, 전동 장치 (10) 에 있어서의 전동체 (5) 의 전체 개수 (n 개) 가 2 개의 직렬한 전기 회로 (E1) 의 병렬의 개수에 대응한다. 또, 전동 장치 (10) 그 자체가 복수 존재하는 경우 (후술하는 도 4 의 예에서는 2 개), 도 2 중의 (b) 의 전기 회로 (E3) 가, 교류 전압에 대하여 병렬 접속되게 된다.
그런데, 전동 장치에 있어서는 운전 시간의 경과와 함께 각 부재에 마모 (도 1 에서는 오로지 αS 의 영역에 있어서 발생하는 마모) 가 발생하고, 이 마모가 성능, 윤활 상태에 영향을 주는 것이 추정된다. 전동 장치에 있어서 마모가 발생하고 있는 경우, 식 (17) 에 의해 구해지는 평균 유막 두께 (ha) 는, 일반적으로 이론 유막 두께 (hc) (Hamrock BJ and Dowson D. Isothermal elastohydrodynamic lubrication of point contacts : part III-fully flooded results. ASME Trans J Lubricat Technol 1977 ; 99 : 264-275.) 보다 두꺼워진다. 이것은 윤활제의 비유전률 (ε) 이 기름 중에 마모 분말을 포함함으로써 커져 있는 것이 원인이다. 도 3 은 윤활제 중의 마모 분말 농도 (Fe) 와 윤활제의 비유전률 (ε) 의 관계를 나타내는 그래프이며, 마모 분말 농도 (Fe) 가 증대함에 따라, 윤활제의 비유전률 (ε) 이 증대되고 있다. 요컨대, 측정된 유막 두께로부터 상정되는 비유전률을 산출함으로써, 마모의 정도 (마모 분말 농도 및 마모량) 를 모니터링할 수 있다. 여기서는, 그 비유전률을 산출하는 과정에 대해서 설명한다.
EHD 는 또는 EHL (Elasto-Hydrodynamic Lublication) 접촉역 내의 유막 형성부에 있어서의 유막 두께 (h1) 는, 금속 접촉이 발생하기 시작하는 유막 두께 (h limit) 와 유막의 파단율 (α) 을 사용하여, 이하와 같이 나타내어지는 것으로 가정한다. 이론값보다 두껍게 산출되는 유막 두께를 이론값과 동일한 유막 두께로 보정하기 위해서이다. 식 (18) 에 있어서의 유막 두께 (h1) 는, 식 (1), (2) 의 것과 기본적으로 동일한 개념이며, 식 (2), (18) 로부터. ha = (1 ― α)2hlimit 라고 할 수도 있다.
Figure pct00018
또, 상기 식을 충족하는 위상각 (θ) 을 θ' 로 하면, 식 (11) 로부터 파단율 (α) 은 측정되는 복소 임피던스의 절대값 (｜Z｜) 을 사용하여 이하의 식 (19) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00019
또, 식 (8), (12), (14) 로부터. 이하의 식 (20) 이 얻어진다.
Figure pct00020
여기서 식 (20) / 식 (19) 로부터 복소 임피던스 (Z) 의 절대값 (｜Z｜) 을 소거하여, 이하의 식 (21) 이 얻어진다.
Figure pct00021
이 식 (21) 에 식 (18) 을 대입하여, 이하의 식 (22) 가 얻어진다.
Figure pct00022
즉, 식 (18) 을 충족하는 위상각 (θ') 은 유막의 파단율 (α) 과 금속 접촉이 발생하기 시작하는 유막 두께 (hlimit) 로부터 산출하는 것이 가능하다. 따라서, 식 (18) 의 가정으로부터 상정되는 EHL 접촉역 내의 수정 후의 평균 유막 두께 (ha') 는, 복소 임피던스 (Z) 의 절대값 (｜Z｜) 과 위상각 (θ') 을 사용하여 이하의 식 (23) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00023
또, 마모가 발생한 후의 상정되는 비유전률 (ε') 은, 위상각 (θ') 을 사용하여 이하의 식 (24) 에 의해 나타낼 수 있다.
Figure pct00024
따라서 비유전률 (ε') 은, 파단율 (α) 과, 평균 유막 두께 (ha) 와, 위상각 (θ') 을 사용하여 식 (25) 에 의해 나타내어진다.
Figure pct00025
식 (25) 의 비유전률 (ε') 의 우변은, 모두 정의가 끝난 상태로 기출된 값이며, 비유전률 (ε') 을 산출하는 것이 가능하다.
또한, 상기 서술한 산출 방법에 있어서의 포인트는, 유막 형성부에 있어서의 유막 두께 (h1) 를 어떠한 방법으로 가정하는 것이며, 이 가정 방법은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어 식 (18) 에 있어서의 금속 접촉이 발생하는 유막 두께 (hlimit) 대신에, 예를 들어 JISB0601 (2013년) 에 규정하는 표면 조도 (제곱 평균 조도 [㎚] : Rq1, Rq2) 를 사용해도 된다. 따라서, 식 (18) 대신에 이하의 식 (18') 를 사용하여 h1 을 구하고, 또한 ε' 를 산출해도 된다. EHL 접촉역 내에 있어서의 돌기간 간섭의 정도를 부여하는 파라미터로서 막두께비 λ 값이 일반적으로 사용되고 있지만 (참고 문헌 : 트라이볼러지, 야마모토 유지, 카네다 모토히로, 리코가쿠샤, 2007년), λ 값 ＜ 3, 즉 조도의 3 배 정도로 금속 접촉이 발생하기 시작하는 현상이 알려져 있어, 이와 같은 현상을 사용하는 것이다.
Figure pct00026
또, 이론 유막 두께 (hc) 가 이미 알려진 경우, 식 (18) 대신에 이하의 식 (18'') 를 사용하여 h1 을 구하고, 또한 ε' 를 산출해도 된다.
Figure pct00027
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
도 4 는 전동 장치 (베어링 장치) (10) 와 이것을 시험하는 시험 장치의 개념도를 나타낸다. 전동 장치 (10) 는, 고정된 외륜 (외방 부재) (1) 과, 회전축 (16) 에 끼워 맞추는 회전측륜인 내륜 (내방 부재) (3) 과, 외륜 (1) 의 내주면에 형성된 궤도면과 내륜 (3) 의 외주면에 형성된 궤도면의 사이에 개재하는 복수 개의 전동체 (5) 를 구비한다. 또한 외륜 (1) 과 전동체 (5) 의 사이, 및 내륜 (3) 과 전동체 (5) 의 사이에는, 윤활을 위해서 공급된 기름, 그리스 등의 윤활제로 이루어지는 유막 (윤활막) 이 존재한다. 전동 장치 (10) 는, 자동차, 이륜차, 철도 차량 등과 같은 이동체나, 산업 기계, 공작 기계 등에 적용되지만, 적용되는 장치는 특별히 한정되지 않는다.
전동 장치 (10) 를 관통하는 구동축의 일단이 회전 커넥터 (12) 를 통해서, 일반적인 LCR 미터 (20) (교류 전압도 겸한다) 에 접속됨과 함께, 구동축의 타단이 구동용 모터 (14) 에 접속되어 있다. 회전 커넥터 (12) 는, 구동축의 일단의 회전륜에 대하여 카본 브러쉬를 장착하여 구성하거나, 구동축에 슬립 링을 장착하거나 하여 구성할 수 있지만, 특별히 한정되지는 않는다.
도 4 의 시험 장치에 있어서, LCR 미터 (20) 에 교류 전압의 주파수 (ω), 교류 전압의 전압 (V) 을 입력하고, 이 입력을 받아, LCR 미터 (20) 에 접속된 전동 장치 (10) 의 임피던스의 절대값 (｜Z｜), 위상각 (θ) 을 LCR 미터 (20) 가 출력한다.
사용한 윤활제는 폴리-α-올레핀, 40 ℃ 에 있어서의 동점도가 19 ㎟/s, 비유전률이 2.1 이다. 측정 조건은 이하이다.
온도 : 25 ℃
회전축의 회전수 : 50 ∼ 6000 rpm
반경 방향 하중 : 0 N
축 방향 하중 : 30 N
최대 접촉 압력 : 0.9 ㎬
먼저, 정지 시, 즉 유막이 존재하지 않는 상태에 있어서의 금속 접촉부의 저항 (접촉 상태 저항) R10 (α = 1) 을 측정하였다 (식 (10) 참조). 그 후, 교류 전류를 인가하면서, 임피던스 (의 절대값) (｜Z｜) 과 위상각 (θ) 을 측정하였다.
다음으로, 식 (11) 및 식 (17) 을 사용하여, 회전축의 회전수 (N) 를 변화시키면서 평균 유막 두께 (ha) 및 유막의 파단율 (α) 을 측정하였다. 도 5 는 그 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 로부터, 유막 두께 (ha) 는 회전수 (N) 가 높은 고회전역에서는, 상기 서술한 이론 유막 두께 (hc) 에 관한 논문에 있어서 서술되어 있는 Hamrock-Dowson의 식에 의해 얻어지는 이론 유막 두께 (hc) 보다 얇아져 있는 것이 이해된다. 도 5 의 그래프에 있어서는, 실험이 실시된 실온 (25 ℃) 에 있어서의 이론 유막 두께 (hc) 를 파선에 의해 나타내고 있다. 단, 회전수 6000 rpm 에 있어서 외륜 온도가 33 ℃ 가 되어 있었기 때문에, 전체 회전수에 걸친 이론 유막 두께 (hc) 에 가까운 값을 나타내는 것으로 추정할 수 있는 30 ℃ 에 있어서의 이론 유막 두께 (hc) 도 일점 쇄선에 의해 나타내고 있다. 고회전역에서는 실제의 유막 두께는 이론 유막 두께보다 얇아져 있기 때문에, 이 영역은 고갈 윤활 영역 (윤활제가 전동체와 외륜 또는 내륜의 전송면으로부터 배제되어 충분한 윤활이 되어 있지 않다) 인 것이 예상된다. 실제, 고회전역에서는 회전수 (N) 가 증가함에 따라, 유막의 파단율 (α) 이 감소함과 함께 평균 유막 두께 (ha) 가 증가하고 있어, 양자간에 모순은 없다.
한편, 회전수 (N) 가 낮은 저회전역 (＜ 100 rpm) 에서는, 회전수 (N) 가 증가함에 따라, 유막의 파단율 (α) 도 유막 두께 (ha) 도 감소하고 있어, 양자 사이에 모순이 보인다. 또, 유막 두께 (ha) 가 이론 유막 두께 (hc) 보다 두꺼워지는 결과가 얻어졌다.
발명자는 이러한 일견 모순되는 현상에 대해, 지금까지의 연구와 대조하면서 검토한 결과, 도 3 에 나타내는 바와 같이 윤활제 중에 포함되는 마모 분말 농도가 증가하면 윤활제의 비유전률이 상승하는 현상에 주목하였다. 즉, 접촉역 내에서 마모가 발생하고, 윤활제의 비유전률이 상승했기 때문에, 식 (17) 로부터 얻은 평균 유막 두께 (ha) 가 유막의 파단율 (α) 과 상반되는 거동을 나타내고, 또한 이론 유막 두께 (hc) (파선 또는 일점 쇄선) 를 상회한 것으로 생각된다.
그래서 발명자는 상기 현상을 중시하여, 금속 접촉이 발생하기 시작하는 유막 두께 (hlimit) 와 유막의 파단율 (α) 을 고려한 식 (18) 로부터 도출되는 식 (23) 을 사용하여 수정 후의 평균 유막 두께 (ha') 를 측정하였다. 도 6 은 도 5 의 그래프에 대하여, 식 (23) 을 사용하여 측정한 수정 후의 평균 유막 두께 (ha') 를 겹쳐 나타낸 그래프이다. 또한, 식 (23) 의 측정 시에 사용하는 hlimit (금속 접촉이 발생하기 시작하는 유막 두께) 는, 도 5 또는 도 6 의 hlimit 로 나타낸 측정점의 ha 로 하였다. 또한, 도 5 및 도 6 에 있어서, 회전수 N = 387 rpm 에서 hlimit = 27 ㎚ 이다.
도 6 으로부터, 수정 후의 평균 유막 두께 (ha') 는 회전수 (N) 의 저회전역에 있어서, 대체로 이론 유막 두께 (hc) 와 동일하게 되어 있는 것이 이해된다. 회전수가 100 rpm 이상에서는, 평균 유막 두께 (ha) 와 수정 후의 평균 유막 두께 (ha') 가 겹쳐져 있으며, 보기 용이함을 중시하여 백색 동그라미의 ha' 만을 나타내고, 흑색 동그라미의 ha 는 나타내고 있지 않다. 이것으로부터, 소정 이상의 회전수에 있어서는, 유막 두께가 커짐과 함께 파단율 (α) 은 감소하기 때문에 마모 분말이 발생하지 않고, 도 3 과 같은 사상 (事象) 이 발생하지 않는 것이 추정된다.
도 7 은 식 (25) 를 사용하여 산출한 윤활제의 비유전률 (ε') 을 나타내는 그래프이다. 도 7 은 윤활제의 마모 분말 농도 (Fe) 도 나타낸다. 마모 분말 농도 (Fe) 는 측정한 ε' 로부터 도 3 이 나타내는 유전율과 마모 분말 농도의 관계를 사용하여 산출하였다. 마모 분말 농도에 기초하여, 전동 장치 (10) 의 마모량, 즉 외륜 (외방 부재) (1) 과 전동체 (5) 의 사이 또는 내륜 (내방 부재) (3) 과 전동체 (5) 의 사이 중 적어도 하나에 있어서의 마모량을 산출할 수 있다. 특히 본 실시형태에 있어서는, 도 2 에 있어서의 전기 회로를 사용함으로써, 실제로 전동체 (5) 와 외륜 (1) 또는 내륜 (3) 이 접촉하는 접촉역 근방을 흐르는 전류를 이용하여 측정을 하고 있고, 이 접촉 영역 근방의 마모 분말 농도, 마모량을 산출하고 있다. 접촉 영역 근방의 상태를 파악하는 것은 실제 운전 상태의 파악에 매우 유용하다.
도 7 로부터, 회전수 (N) 의 저회전역에서는 상정되는 비유전률이 상승하고 있고, 그 때문에 윤활제에 포함되는 마모 분말 농도가 상승하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 단 마모 분말 농도는 Li 그리스를 상정했을 경우이다. 이와 같이 본 실시형태에 의하면, 반드시 마모 분말 농도를 산출할 필요는 없고, 비유전률의 측정으로부터 접촉역 내에서 무엇인가의 사상, 즉 (비유전률을 상승시키는) 이상이 발생하고 있는 것이 관찰 가능하다.
또한, 본 발명은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 적절히, 변형, 개량 등이 가능하다. 그 외, 상기 서술한 실시형태에 있어서의 각 구성 요소의 재질, 형상, 치수, 수치, 형태, 수, 배치 지점 등은 본 발명을 달성할 수 있는 것이면 임의이며, 한정되지 않는다.
이상, 도면을 참조하면서 각종 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 당업자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 분명하고, 그것들에 대해서도 당연하게 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다. 또, 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상기 실시형태에 있어서의 각 구성 요소를 임의로 조합해도 된다.
또한, 본 출원은, 2019년 1월 15일 출원의 일본 특허출원 (일본 특허출원 2019-003990) 에 기초하는 것이며, 그 내용은 본 출원 중에 참조로서 원용된다.
1 : 외륜 (외방 부재)
3 : 내륜 (내방 부재)
5 : 전동체
10 : 전동 장치 (베어링 장치)
12 : 회전 커넥터
14 : 모터
15 : 전달 부재
16 : 회전축
20 : LCR 미터
30 : 단열 용기

Claims (2)

  1. 외방 부재와, 내방 부재와, 전동체를 구비하는 전동 장치의 진단 방법으로서,
    상기 외방 부재와, 상기 전동체와, 상기 내방 부재로 구성되는 전기 회로에 교류 전압을 인가하고,
    상기 교류 전압의 인가 시의 상기 전기 회로의 임피던스 및 위상각을 측정하고,
    측정한 상기 임피던스 및 상기 위상각에 기초하여, 상기 외방 부재와 상기 전동체의 사이 또는 상기 내방 부재와 상기 전동체의 사이 중 적어도 하나에 있어서의 윤활제의 비유전률을 측정하는,
    전동 장치의 진단 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정된 비유전률로부터, 당해 윤활제의 마모 분말 농도를 더 산출하는, 진단 방법.
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