WO2020050129A1 - 軸受装置 - Google Patents

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翔平 橋爪
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Ntn株式会社
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    • F16C2322/39—General buildup of machine tools, e.g. spindles, slides, actuators

Definitions

  • This invention relates to a bearing device for rotatably supporting, for example, a main shaft of a machine tool.
  • Lubrication of the bearing includes air oil (oil mist) lubrication or grease lubrication.
  • air oil lubrication new oil is always supplied from the outside, and a stable lubrication state can be maintained for a long period of time.
  • the grease lubrication is excellent in economy because no additional equipment and piping are required, and is environmentally friendly because mist generation is extremely small.
  • a bearing used in a higher speed region such as a main shaft of a machining center, for example, a region in which the inner diameter of the inner ring is multiplied by the number of revolutions and the dn value is 1,000,000 or more, requires more stable operation.
  • the bearing raceway surface may be roughened or peeled, or the cage may be abnormal, resulting in excessive temperature rise of the bearing.
  • the following techniques (1) to (3) have been disclosed in order to prevent excessive temperature rise of the bearing due to the above-mentioned causes.
  • (1) A technology that monitors the temperature near the bearing on the housing side and attempts to detect abnormalities based on the measured temperature.
  • (2) A lubrication oil pump and a non-contact type temperature sensor are built in the spacer adjacent to the bearing, and lubrication oil is supplied to the inside of the bearing by the lubrication oil pump according to the temperature measurement value of the bearing lubrication part by the temperature sensor.
  • Patent Document 1 A heat flow sensor using a technology for detecting a heat flow generated not by a temperature change but by a temperature difference between the front and back of the sensor.
  • the heat flow sensor has higher sensitivity and a faster response speed of the sensor output than a non-contact type temperature sensor or a temperature sensor such as a thermocouple used when measuring the temperature of the inner and outer rings of the bearing.
  • An object of the present invention is to provide a bearing device that accurately detects an instantaneous and sudden temperature rise of a rolling bearing and determines an abnormality of the rolling bearing based on the detection result.
  • the bearing device of the present invention is a bearing device including a rolling bearing, and inner and outer spacers axially adjacent to each of the inner and outer rings of the rolling bearing, A heat flow sensor that detects a heat flux between the inner and outer rings and is installed on a fixed raceway or a fixed raceway that is a fixed raceway of the inner and outer races, and a rotation speed of the rolling bearing. And a rotation sensor for detecting, An abnormality determining unit is provided for determining an abnormality of the rolling bearing based on a relationship between the rotation speed and the heat flux following the rotation speed.
  • the heat flux is the amount of heat passing through a unit area per unit time.
  • the rotation speed is synonymous with the number of rotations per unit time.
  • the relationship between the rotation speed and the heat flux is related to each other from, for example, one or both of a test and a simulation.
  • a heat flow sensor is used to measure a temperature change inside the bearing during operation of the bearing.
  • a heat flow sensor is a sensor that converts a heat flow into an electric signal using the Seebeck effect, and generates an output voltage from a slight temperature difference between the front and back of the sensor.
  • This heat flow sensor has higher sensitivity than a temperature sensor such as a non-contact type temperature sensor or a thermocouple, and follows a change in heat inside the bearing due to a change in rotation speed in a timely manner.
  • the abnormality determining unit determines an abnormality of the rolling bearing based on a relationship between the rotation speed and a heat flux that follows the rotation speed.
  • the abnormality determination unit monitors the relationship between the rotational speed and the heat flux at all times or for a predetermined time, and determines that the rolling bearing is abnormal when there is a discrepancy between the two.
  • the abnormality determination unit determines that the rolling bearing is abnormal, for example, when the heat flux changes abruptly in spite of a constant rotation speed.
  • the abnormality determination unit determines that the rolling bearing is abnormal if, for example, the heat flux does not follow the rotation speed while the detected rotation speed is fluctuating.
  • the instantaneous and rapid temperature rise of the rolling bearing can be accurately detected, and the abnormality of the rolling bearing can be determined based on the detection result.
  • control such as stopping the rotation of the bearing device can be executed.
  • the abnormality determination unit may determine abnormality of the rolling bearing by using a parameter calculated by time differentiation of a heat flux detected by the heat flow sensor. By using the parameters obtained by time-differentiating the heat flux, an instantaneous and rapid temperature rise can be accurately detected.
  • the fixed side spacer may have a protrusion protruding from the axial side surface between the inner and outer rings, and the heat flow sensor may be installed on the protrusion.
  • the heat flow sensor is installed on the fixed-side race of the rolling bearing, there is a concern that the processing cost of the fixed-side race is increased.
  • the heat flow sensor is installed on the fixed spacer, the above-mentioned problem can be solved and the heat flow sensor can be easily installed.
  • the heat flow sensor is installed at the projecting portion projecting between the inner and outer rings, it is possible to directly detect a temperature change inside the bearing during operation.
  • the protrusion may also serve as a nozzle that discharges lubricating oil to the rolling bearing.
  • the heat flow sensor can be installed using the existing nozzle that discharges the lubricating oil, the cost can be reduced as compared with, for example, providing a dedicated component for installing the heat flow sensor.
  • the present applicant when each sensor is operating normally, when the rotation speed of the bearing device is gradually increased from a low speed range to an ultra high speed range, the temperature, the rotation speed, and the heat flux change in a predetermined relationship. It was confirmed by the test that it was going. From this test result, the abnormality determination unit automatically determines that each sensor is operating normally at the time of initial diagnosis, etc., so that the result of whether or not the rolling bearing is abnormal can be used more objectively. it can.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a positional relationship between a heat flow sensor and a rolling bearing in the bearing device according to the embodiment of the present invention. It is the expanded sectional view which expanded the heat flow sensor and the rolling bearing partially. It is sectional drawing which shows the structure of the test machine which evaluates the same bearing apparatus schematically. It is a figure showing various sensor outputs of the bearing device. It is a figure which shows the relationship between the heat flux by an acceleration / deceleration test, temperature, and rotation speed. It is a figure which shows the relationship between the heat flux by an acceleration / deceleration test, temperature, and rotation speed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a positional relationship between a heat flow sensor and a rolling bearing in a bearing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a positional relationship between a heat flow sensor and a rolling bearing in a bearing device according to still another embodiment of the present invention.
  • the bearing device rotatably supports, for example, a main shaft 1 of a machine tool.
  • a tool (not shown) or a work chuck is attached to the end of the main shaft 1.
  • This bearing device includes a rolling bearing 2, inner and outer spacers 3, 4, sensors, and an abnormality determination unit 5 described later.
  • the main shaft 1 as a rotating body is rotatably supported by the housing 6 via the rolling bearing 2 and the inner and outer spacers 3 and 4.
  • the rolling bearing 2 is formed by combining two rows of angular ball bearings in a rear arrangement, and inner and outer spacers 3 and 4 are provided between the angular ball bearings in the axial direction of the main shaft 1.
  • the inner and outer spacers 3 and 4 are referred to as an inner ring spacer 3 and an outer ring spacer 4, respectively.
  • the rolling bearing 2 may be a row of angular contact ball bearings. In this case, one end of the inner and outer spacers 3 and 4 in the axial direction is adjacent to each of the inner and outer rings of the rolling bearing.
  • each rolling bearing 2 includes an inner ring 7, an outer ring 8 which is a fixed-side race ring, a plurality of rolling elements 9 interposed between the raceway surfaces 7 a, 8 a of the inner and outer rings 7, 8. And a retainer 10 for holding the rolling elements 9.
  • the rolling element 9 is made of, for example, a ball, and is held in a pocket 10 a of the retainer 10.
  • the outer peripheral surface of the outer race 8 is fitted in the fitting hole of the housing 6, and the inner peripheral surface of the inner race 7 is fitted in the outer peripheral surface of the main shaft 1.
  • a slope portion 7b following the raceway surface 7a is provided on the outer diameter surface of the inner ring 7 on the non-load side, that is, on the rear surface side of the bearing.
  • the slope portion 7b has a tapered shape whose diameter gradually decreases from the raceway surface 7a side toward the inner ring spacer 3 side.
  • the inner race spacer 3 is installed adjacent to the inner race end faces of the two rows of rolling bearings 2.
  • the inner peripheral surface of the inner race spacer 3 is fitted to the outer peripheral surface of the main shaft 1.
  • the outer ring spacer 4 which is a fixed side spacer has an outer ring spacer main body 4a and a protruding portion 4b.
  • the outer race spacer main body 4a is provided between the outer race end faces of the two rows of rolling bearings 2 and 2 and the outer peripheral surface of the outer race spacer main body 4a is fitted in a fitting hole of the housing 6.
  • Annular recesses 11 for holding the protruding portions 4b are formed on both side surfaces of the outer race spacer main body 4a.
  • the protrusion 4 b is a ring-shaped member on which the heat flow sensor Sa is installed, but also serves as a nozzle (FIG. 3) for discharging lubricating oil as air oil to the rolling bearing 2.
  • the protruding portion 4b has a protruding base portion 4ba fitted into each of the recesses 11, and a protruding tip portion 4bb protruding from the protruding base portion 4ba toward the slope 7b between the inner and outer rings 7,8.
  • a predetermined gap is secured between the retainer 10 and the inclined surface 7b so that the protruding tip portion 4bb does not interfere with the retainer 10 and the inclined surface 7b.
  • the outer race spacer main body 4a and the projection 4b are assembled as separate members to form the outer race spacer 4, but the outer race spacer main body 4a and the projection 4b may be integrally formed from the same material. Good.
  • the sensors include a heat flow sensor Sa, a rotation sensor Sb, a temperature sensor Sc, and a vibration sensor Sd.
  • ⁇ Heat flow sensor Sa> The rolling bearing 2 supporting the main shaft 1 generates a temperature difference between the inner ring 7 and the outer ring 8 (hereinafter, referred to as “inner / outer ring temperature difference”) as the main shaft 1 rotates. This is mainly due to the difference in heat radiation between the inner ring 7 and the outer ring 8, and the inner ring 7 that does not easily radiate heat has a higher temperature than the outer ring 8.
  • the temperature difference between the inner and outer rings increases as the rolling bearing 2 rotates at a higher speed, and accordingly, the preload load inside the bearing and the contact surface pressure of the rolling surface increase. Further, the temperature difference between the inner and outer rings also increases when an abnormality occurs inside the bearing due to poor lubrication or poor lubrication.
  • the heat flow sensor Sa employed in the present application is intended to capture a minute change from a normal temperature sensor, and measures a heat flux from the inner ring 7 having a relatively high temperature to the outer ring 8 to obtain a temperature difference between the inner and outer rings. Used for detecting abnormalities caused by
  • a heat flow sensor Sa is provided on the inner peripheral surface of one or both protruding portions 4b of the outer ring spacer 4.
  • the heat flow sensor Sa is installed so as not to interfere with the slope 7 b (FIG. 2) and the outer peripheral surface of the inner ring spacer 3.
  • the heat flow sensor Sa is a sensor that converts a heat flow into an electric signal using the Seebeck effect, and generates an output voltage from a slight temperature difference between the front and back of the sensor.
  • the heat flow sensor Sa of this embodiment generates an output voltage from the temperature difference between the temperature of the outer race spacer 4 and the temperature of the rotating atmosphere of the inner race 7 generated by the rotation of the inner race 7, the rolling elements 9, the retainer 10, and the like. .
  • the rotation sensor Sb detects the rotation speed of the rolling bearing 2.
  • the rotation sensor Sb may be a sensor that directly detects the rotation speed of the inner race 7 that is the rotating raceway or the inner race spacer 3 that is the rotating race.
  • a rotation speed calculating means for calculating a rotation speed by time-differentiating a motor angle detected by a built-in resolver or a magnetic encoder (not shown) may be used.
  • the temperature sensor Sc detects heat generation of the rolling bearing 2 caused by rotation of the main shaft 1 or a cutting load.
  • the temperature sensor Sc is installed, for example, in the recess 11 of the spacer main body 4a at a position near the outer ring end surface.
  • the temperature sensor Sc of the present application detects the temperature of the outer ring spacer 4 as the fixed spacer or the outer ring 8 as the fixed raceway ring.
  • a non-contact type temperature sensor, a thermocouple, a thermistor, or the like is applied as the temperature sensor Sc.
  • the temperature of the outer ring spacer 4 may be detected from a temperature sensor Sc provided on the spacer body 4a of the outer ring spacer 4, and a sensor installation space facing the outer ring outer peripheral surface is formed in a fitting hole of the housing 6, A temperature sensor Sc may be installed in this sensor installation space to detect the temperature of the outer ring 8.
  • the vibration sensor Sd measures the vibration of the rolling bearing 2 due to surface roughness or peeling, indentation or the like of the bearing raceway surface during operation.
  • the vibration sensor Sd is installed, for example, in the recess 11 of the spacer main body 4a.
  • a vibration meter is often attached to the outer peripheral surface of the housing for ease of installation, similarly to the above-described temperature sensor.
  • the vibration caused by the rolling bearing is attenuated. Therefore, it is difficult to detect the abnormality unless the abnormality of the rolling bearing advances and the vibration level is large.
  • the present bearing device has the built-in vibration sensor Sd in the outer race spacer 4 adjacent to the rolling bearing 2, so that it is possible to measure with high sensitivity even in the initial stage of abnormality and in a state where the vibration level is small. It is.
  • the heat flow sensor Sa has higher sensitivity than a temperature sensor such as a non-contact type temperature sensor or a thermocouple, and follows a change in heat inside the bearing due to a change in rotation speed in a timely manner.
  • the abnormality determination unit 5 determines abnormality of the rolling bearing 2 based on a relationship between the rotation speed and the heat flux that follows the rotation speed.
  • the abnormality determination unit 5 monitors the relationship between the rotational speed and the heat flux at all times during the operation of the bearing or for a predetermined time, and determines that the rolling bearing 2 is abnormal when the relationship between the two is inconsistent. Specifically, the abnormality determination unit 5 determines the abnormality of the rolling bearing 2 based on a parameter ( ⁇ Q / ⁇ t) described later, which is obtained by calculating the heat flux detected by the heat flow sensor Sa by time differentiation.
  • the bearing device according to the embodiment was incorporated into a test machine simulating a machine tool spindle, and the state detection performance of the bearing device was evaluated. Table 1 shows test conditions for this performance evaluation test.
  • As the test bearing an ultra-high-speed angular contact ball bearing containing ceramic balls (HSE type manufactured by NTN Corporation) was used.
  • the main shaft 1 is rotatably supported by the housing 6 via the bearing device described above.
  • a drive motor 12 is connected to one end of the main shaft 1 in the axial direction.
  • the drive motor 12 drives the main shaft 1 to rotate around its axis.
  • the inner and outer races 7 and 8 are fixed to the main shaft 1 and the housing 6 by an inner race retainer 13 and an outer race retainer 14, respectively.
  • the housing 6 has a double structure of an inner peripheral housing 6a and an outer peripheral housing 6b, and a cooling medium passage 15 is formed between the inner and outer housings 6a and 6b.
  • An air oil supply path 16 is provided in the inner peripheral housing 6 a, and the air oil supply path 16 communicates with an air oil supply port 17 of the outer ring spacer 4.
  • the air oil supplied to the air oil supply port 17 is discharged from a discharge hole of the projection 4 b also serving as a nozzle, is injected to the slope 7 b of the inner race 7, and is used for lubrication of the rolling bearing 2.
  • an air oil exhaust groove 18 is formed in the vicinity of the installation portion of each rolling bearing 2, and an air oil exhaust path 19 that is open from the air oil exhaust groove 18 to the atmosphere is formed.
  • FIG. 4 is a diagram showing various sensor outputs of the bearing device in the performance evaluation test. From the low speed range to the ultra high speed range (dmn value of 1.44 million), it was confirmed that all the sensors operate normally.
  • the abnormality determination unit 5 determines the abnormality of the rolling bearing, it is important to ensure that each sensor is operating normally.
  • the present applicant when each sensor is operating normally, when the rotation speed of the bearing device is gradually increased from a low speed range to an ultra high speed range, the temperature, the rotation speed, and the heat flux change in a predetermined relationship. It was confirmed by the test that it was going. From the performance evaluation test, the abnormality determination unit 5 (FIG. 1) automatically determines that each sensor is operating normally, for example, at the time of initial diagnosis before the start of operation, and thereby determines whether the rolling bearing is abnormal. These results can be used more objectively.
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams showing the relationship between heat flux, temperature, and rotation speed in an acceleration / deceleration test.
  • FIG. 6 is an enlarged view of FIG. 5 in the horizontal axis direction.
  • the sensor output of the heat flow sensor has higher responsiveness to acceleration / deceleration of the rotation speed than the sensor output of the temperature sensor, and can enhance the accuracy of detecting an abnormality in the rolling bearing.
  • the sensor output of the heat flow sensor is substantially synchronized with the rotation speed fluctuation.
  • FIG. 7 is a diagram showing a relationship among a heat flux, a temperature, and a rotation speed in a reproduction test when a bearing is abnormal.
  • An overload detection time of the drive motor 12 (FIG. 3) is indicated by a broken line t2 '. From the test results, it has been confirmed that the output value of the heat flux flux increases from a stage earlier than the temperature or the like, and it is considered that the heat flux is effective in early detecting a sign when an abnormality occurs in the rolling bearing.
  • the abnormality determination unit 5 determines the abnormality of the rolling bearing according to the following equation.
  • the abnormality determination unit 5 determines the abnormality of the rolling bearing 2 based on the relationship between the rotation speed and the heat flux that follows the rotation speed.
  • the abnormality determination unit 5 determines that the rolling bearing 2 is abnormal, for example, when the heat flux changes steeply despite a constant rotation speed.
  • the abnormality determination unit 5 determines that the rolling bearing 2 is abnormal if, for example, the detected flux is fluctuating and the heat flux does not follow the rotation speed.
  • the instantaneous and rapid temperature rise of the rolling bearing 2 can be accurately detected, and the abnormality of the rolling bearing 2 can be determined based on the detection result.
  • control such as stopping the rotation of the bearing device can be executed.
  • the outer ring spacer 4 has a protrusion 4b projecting between the inner and outer rings 7, 8 from the axial side surface of the spacer body 4a, and the heat flow sensor Sa is installed on the protrusion 4b.
  • the heat flow sensor Sa can be easily installed with a lower cost than installing a sensor.
  • the heat flow sensor Sa is provided at the protruding portion 4b protruding between the inner and outer rings 7, 8, a temperature change inside the bearing during operation can be directly detected.
  • the protruding portion 4b also serves as a nozzle for discharging lubricating oil to the rolling bearing 2, the heat flow sensor Sa can be installed using an existing nozzle for discharging lubricating oil. Therefore, for example, the cost can be reduced as compared with the case where a dedicated component for installing the heat flow sensor Sa is provided.
  • the heat flow sensor Sa may be installed on the inner peripheral surface of the spacer body 4 a of the outer ring spacer 4. Further, as shown in FIG. 9, the heat flow sensor Sa may be installed on the inner peripheral surface of the outer ring.
  • the abnormality determining unit 5 does not determine whether each sensor is operating normally, the temperature sensor Sc in the sensors may be omitted. Further, the vibration sensor Sd can be omitted. According to these configurations, since the number of sensors can be reduced, the structure of the bearing device can be simplified and the cost can be reduced.
  • the fixed raceway may be the inner race 7.
  • the fixed side spacer may be the inner ring spacer 3.
  • the bearing device according to any of the embodiments is also applicable to a machine tool in which the main shaft 1 is a vertical type.

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Abstract

転がり軸受の瞬間かつ急激な温度上昇を正確に検出し、その検出結果を基に、転がり軸受の異常を判断する軸受装置を提供する。この軸受装置は、転がり軸受(2)と、転がり軸受(2)の内外輪(7)，(8)にそれぞれ軸方向に隣接する内外の間座(3)，(4)とを備える。内外輪(7)，(8)における固定側の軌道輪である固定側軌道輪(8)または内外の間座(3)，(4)における固定側間座(4)に設置され、内外輪(7)，(8)間の熱流束を検出する熱流センサ(Sa)と、転がり軸受(2)の回転速度を検出する回転センサ(Sb)とを備え、回転速度と、この回転速度に追従する熱流束との関係に基づいて、転がり軸受(2)の異常を判断する異常判断部(5)を備えた。異常判断部(5)は、熱流センサ(Sa)で検出した熱流束を時間微分によって算出したパラメータにて転がり軸受(2)の異常を判断する。

Description

軸受装置 関連出願
　本出願は、２０１８年９月３日出願の特願２０１８－１６４４６９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　この発明は、例えば、工作機械の主軸等を回転自在に支持する軸受装置に関する。
　工作機械主軸用軸受は、高速かつ低荷重で使用されることが多く、その軸受にはアンギュラ玉軸受が広く使用される。前記軸受の潤滑には、エアオイル（オイルミスト）潤滑またはグリース潤滑がある。前記エアオイル潤滑は、常に新しい油を外部から供給し、長期に渡り安定した潤滑状態を保つことができる。前記グリース潤滑は、付帯設備および配管を必要としないことから経済性に優れ、ミストの発生が極めて少ないことで、環境に優しい。
　工作機械の中でもマシニングセンタの主軸などの、より高速な領域、例えば、内輪内径に回転数を乗じたｄｎ値で１００万以上の領域で使用される軸受は、より安定した運転が必要である。しかし、以下に記載の様々な原因で、軸受軌道面の面荒れまたはピーリング、保持器の異常を経て、軸受の過度の昇温に至ることがある。
　・エアオイル潤滑における潤滑油の給排油の不適（油量過小、過多、排気不良）
　・軸受内部に封入された潤滑グリースの劣化
　・軸受転がり部へのクーラントまたは水の浸入、あるいは異物の侵入
　・過大な予圧、つまり転がり部の接触面圧の増大による油膜切れ
　上記の原因による軸受の過度の昇温を防止すべく、以下の（１）～（３）の技術が公開されている。
　（１）軸受近傍の温度をハウジング側で計測する状態監視、および計測した温度により異常検知を試みる技術。
　（２）軸受に隣接した間座に潤滑給油ポンプと非接触式の温度センサを内蔵し、温度センサによる軸受潤滑部の温度測定値に応じて、潤滑給油ポンプにて軸受内部に潤滑油を給油する技術（特許文献１）。
　（３）温度変化ではなく、センサ表裏の温度差によって発生する熱流を検知する技術を用いた熱流センサ（特許文献２）。熱流センサは、軸受の内外輪温度を測定する際に使用される非接触式温度センサまたは熱電対などの温度センサに比べ、感度が良く、センサ出力の反応速度が速い。
　（４）また、本件出願人は、上記の熱流センサを軸受に実装し、運転時における軸受内部の温度変化を早期に検出し、軸受の不具合を防止する技術を提案している（特願２０１８－２２９５０）。
特開２０１７－２６０７８号公報 特開２０１６－１６６８３２号公報
　軸受の過度の昇温に対し、前記の従来の技術では、以下の課題がある。
　［従来技術（１）の課題］
　軸受の過度の昇温時は、通常の高速運転時に比べ、瞬間かつ急激な温度上昇を伴い発生することが多い。そのため、例えば、ハウジング側にて軸受近傍の温度を測定しても、軸受の瞬間かつ急激な温度上昇を検知することが難しい。
　［従来技術（２）の課題］
　軸受に隣接した間座に内蔵した温度センサでも同様に上記の課題がある。さらに、間座に内蔵した温度センサが非接触式の場合、軸受内部の潤滑油の影響を大きく受け、かつ、赤外線の放射率が低い金属表面の温度測定が困難なため、正確な温度測定が難しい。
　［従来技術（３）、（４）の課題］
　温度変化ではなく、センサ表裏の温度差によって発生する熱流を検知する技術を用いた熱流センサを用いて、運転時における軸受内部の温度変化を早期に検知する場合、工作機械主軸は運転中の回転速度が大きく変動し、それに伴う軸受内の空気の流れも大きいため、熱流センサの出力だけでは、軸受に過度の昇温が生じているか否かの判断が難しい。
　この発明の目的は、転がり軸受の瞬間かつ急激な温度上昇を正確に検出し、その検出結果を基に、転がり軸受の異常を判断する軸受装置を提供することである。
　この発明の軸受装置は、転がり軸受と、この転がり軸受の内外輪のそれぞれに、軸方向で隣接する内外の間座とを備えた軸受装置であって、
　前記内外輪における固定側の軌道輪である固定側軌道輪または前記内外の間座における固定側間座に設置され、内外輪間の熱流束を検出する熱流センサと、前記転がり軸受の回転速度を検出する回転センサとを備え、
　前記回転速度と、この回転速度に追従する前記熱流束との関係に基づいて、前記転がり軸受の異常を判断する異常判断部を備える。
　前記熱流束は、単位時間あたりに単位面積を通過する熱量である。この明細書において、前記回転速度は、単位時間当たりの回転数と同義である。前記回転速度と前記熱流束との関係は、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から互いに関係付けられる。
　この構成によると、軸受の運転時における軸受内部の温度変化を測定するため、熱流センサを使用する。熱流センサは、ゼーベック効果を利用して熱流を電気信号に変換するセンサであり、センサ表裏の僅かな温度差から出力電圧が発生する。この熱流センサは、非接触式温度センサまたは熱電対などの温度センサに比べ、感度が良く、回転速度の変動に伴う軸受内部の熱の変化にタイムリーに追従する。固定側軌道輪または固定側間座における軸受近傍に熱流センサが設置される場合、軸受の内外輪間に流れる熱の熱流束を直接的に検出し得る。固定側間座の例えば軸方向中央付近に熱流センサが設置される場合、軸受の内外輪間に流れる熱の熱流束を間接的に検出し得る。
　異常判断部は、回転速度と、この回転速度に追従する熱流束との関係に基づいて、転がり軸受の異常を判断する。異常判断部は、回転速度と熱流束との関係を常時にまたは定められた時間監視し、両者の関係に齟齬が生じた場合、転がり軸受の異常と判断する。異常判断部は、例えば、一定の回転速度にもかかわらず、熱流束が急峻に変化する場合、転がり軸受の異常と判断する。異常判断部は、例えば、検出される回転速度が変動しているときに、熱流束が回転速度に追従しない場合、転がり軸受の異常と判断する。このように転がり軸受の瞬間かつ急激な温度上昇を正確に検出し、その検出結果を基に、転がり軸受の異常を判断することができる。転がり軸受の異常と判断された場合、軸受装置の回転を停止させる等の制御を実行することができる。
　前記異常判断部は、前記熱流センサで検出した熱流束を時間微分によって算出したパラメータにて前記転がり軸受の異常を判断してもよい。このように熱流束を時間微分したパラメータを用いることで、瞬間かつ急激な温度上昇を精度良く検出することが可能となる。
　前記固定側間座は、軸方向側面から前記内外輪間に突出する突出部を有し、この突出部に前記熱流センサが設置されてもよい。転がり軸受の固定側軌道輪に熱流センサを設置する場合、固定側軌道輪の加工コスト等が高くなる問題が懸念される。固定側間座に熱流センサを設置する場合、前記問題が解消でき容易に熱流センサを設置できる。また内外輪間に突出する突出部に熱流センサを設置するため、運転時における軸受内部の温度変化を直接的に検出することができる。
　前記突出部は、前記転がり軸受に潤滑油を吐出するノズルを兼ねるものであってもよい。この場合、潤滑油を吐出する既存のノズルを利用して熱流センサを設置できるため、例えば、熱流センサを設置する専用部品を設けるよりもコスト低減を図れる。
　前記固定側間座または前記固定側軌道輪の温度を検出する温度センサを備え、前記異常判断部は、前記温度センサで検出した温度と、前記回転速度と、前記熱流束との関係から、前記温度センサ、前記熱流センサおよび前記回転センサが正常に動作しているか否かを判断してもよい。回転速度と熱流束を検出する際、各センサが正常に動作していることを担保することが肝要である。本件出願人は、各センサが正常に動作しているとき、軸受装置を低速域から超高速域まで段階的に回転速度を上昇させると、温度、回転速度および熱流束が所定の関係で推移していくことを試験により確認した。この試験結果から、異常判断部が初期診断時等において、各センサが正常に動作していると自動的に判断することで、転がり軸受が異常か否かの結果をより客観的に用いることができる。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、この発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
この発明の一実施形態に係る軸受装置における、熱流センサと転がり軸受の位置関係を示す断面図である。 同熱流センサおよび転がり軸受を部分的に拡大した拡大断面図である。 同軸受装置を評価する試験機の構造を概略示す断面図である。 同軸受装置の各種センサ出力を示す図である。 加減速試験による熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。 加減速試験による熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。 軸受異常時の再現試験における熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。 この発明の他の実施形態に係る軸受装置における、熱流センサと転がり軸受の位置関係を示す断面図である。 この発明のさらに他の実施形態に係る軸受装置における、熱流センサと転がり軸受の位置関係を示す断面図である。
　［第１の実施形態］
　この発明の実施形態に係る軸受装置を図１ないし図７と共に説明する。図１に示すように、軸受装置は、例えば、工作機械の主軸１を回転自在に支持する。主軸１の端部に図示外の工具またはワークのチャック等が取付けられる。この軸受装置は、転がり軸受２、内外の間座３，４、センサ類および後述する異常判断部５を備える。ハウジング６に、転がり軸受２および内外の間座３，４を介して、回転体である主軸１が回転自在に支持されている。転がり軸受２は二列のアンギュラ玉軸受が背面配列で組み合わされ、主軸１の軸方向において、これらアンギュラ玉軸受の間に、内外の間座３，４がそれぞれ設けられている。前記内外の間座３，４をそれぞれ内輪間座３、外輪間座４と称す。なお、転がり軸受２は、一列のアンギュラ玉軸受であってもよく、この場合、転がり軸受の内外輪のそれぞれに、内外の間座３，４の前記軸方向の一端部が隣接する。
　＜転がり軸受２＞
　図２に示すように、各転がり軸受２は、内輪７と、固定側軌道輪である外輪８と、内外輪７，８の軌道面７ａ，８ａ間に介在する複数の転動体９と、これら転動体９を保持する保持器１０とを備える。転動体９は、例えば、ボールから成り、保持器１０のポケット１０ａ内に保持される。ハウジング６の嵌合孔に、外輪８の外周面が嵌合され、主軸１の外周面に内輪７の内周面が嵌合される。内輪７の反負荷側つまり軸受背面側の外径面に、軌道面７ａに続く斜面部７ｂが設けられている。斜面部７ｂは、軌道面７ａ側から内輪間座３側に向かうに従って次第に小径となるテーパ形状である。各転がり軸受２および後述する内輪間座３、外輪間座４がハウジング６および主軸１に組み込まれた状態で、転がり軸受２に所定圧の定位置予圧または定圧予圧が与えられる。
　＜内輪間座３、外輪間座４＞
　図１に示すように、内輪間座３は、二列の転がり軸受２，２の内輪端面間に隣接して設置される。主軸１の外周面に、内輪間座３の内周面が嵌合されている。固定側間座である外輪間座４は、外輪間座本体４ａと、突出部４ｂとを有する。外輪間座本体４ａは、二列の転がり軸受２，２の外輪端面間に隣接し、かつ外輪間座本体４ａの外周面がハウジング６の嵌合孔に嵌合されて設けられている。外輪間座本体４ａの両側面には、突出部４ｂを保持する環状の凹み１１がそれぞれ形成されている。
　図２に示すように、突出部４ｂは、熱流センサＳａを設置するリング状部材であるが、転がり軸受２にエアオイルである潤滑油を吐出するノズル（図３）も兼ねる。突出部４ｂは、各凹み１１に嵌め込まれる突出基端部分４ｂａと、この突出基端部分４ｂａから内外輪７，８間の斜面部７ｂに向けて突出する突出先端部分４ｂｂとを有する。但し、突出先端部分４ｂｂは、保持器１０および斜面部７ｂに干渉しないように、保持器１０、斜面部７ｂに対しそれぞれ所定の隙間が確保されている。なお、この例では、外輪間座本体４ａと突出部４ｂとを別部材として組み立てることで外輪間座４としているが、外輪間座本体４ａおよび突出部４ｂを同一材料から一体に形成してもよい。
　＜センサ類について＞
　図１に示すように、センサ類は、熱流センサＳａ、回転センサＳｂ、温度センサＳｃおよび振動センサＳｄを有する。
　＜熱流センサＳａ＞
　主軸１を支持する転がり軸受２は、主軸１の回転に伴い、内輪７と外輪８の間に温度差（以下、「内外輪温度差」と言う）を生じる。これは、内輪７と外輪８の放熱性の違いが主な要因であり、放熱しにくい内輪７が外輪８より高い温度を示す。内外輪温度差は、転がり軸受２が高速回転する程大きくなり、それに伴い、軸受内部の予圧荷重および転がり面の接触面圧が増加する。また、内外輪温度差は、潤滑不良または潤滑不良による軸受内部の異常が生じる際にも増加する。本件出願において採用した熱流センサＳａは、通常の温度センサより微小な変化を捉えることを目的としており、相対的に温度の高い内輪７から外輪８に向かう熱流束を測定し、内外輪温度差に起因する異常検知に用いている。
　外輪間座４におけるいずれか一方または両方の突出部４ｂの内周面に、熱流センサＳａが設けられている。熱流センサＳａは、斜面部７ｂ（図２）、内輪間座３の外周面に干渉しないように設置されている。熱流センサＳａは、ゼーベック効果を利用して熱流を電気信号に変換するセンサであり、センサ表裏の僅かな温度差から出力電圧が発生する。この実施形態の熱流センサＳａは、外輪間座４の温度と、内輪７、転動体９および保持器１０等の回転によって発生する内輪７の回転雰囲気の温度との温度差から出力電圧を発生させる。
　＜回転センサＳｂ＞
　回転センサＳｂは、転がり軸受２の回転速度を検出する。なお、回転センサＳｂは、回転側軌道輪である内輪７または回転側間座である内輪間座３の回転速度を直接検出するセンサであってもよく、回転駆動源である後述する駆動モータに内蔵された図示外のレゾルバまたは磁気エンコーダ等で検出されるモータ角度を時間微分することで回転速度を演算する回転速度演算手段であってもよい。
　＜温度センサＳｃ＞
　温度センサＳｃは、主軸１の回転または切削負荷に起因して生じる転がり軸受２の発熱を検出する。温度センサＳｃは、例えば、間座本体４ａの凹み１１のうち、外輪端面に近い位置に設置される。ところで運転中の軸受温度を測定する場合、センサの取付けやすさから、ハウジング外周面の温度を測定するのが一般的だが、転がり軸受とハウジング外周面の間には、冷却流路が存在するため、軸受温度を直接測定した場合と比べ温度が低くなる。また、熱容量が大きいハウジングの温度を測定するため、転がり軸受に急激な発熱が発生しても、温度上昇を検出するまで時間を要する。そのため、ハウジング外周面の温度を測定する温度センサでは、転がり軸受の急激な発熱を即時に把握することが困難であった。
　そこで、本件出願の温度センサＳｃは、固定側間座である外輪間座４または固定側軌道輪である外輪８の温度を検出する。温度センサＳｃとして、非接触式温度センサまたは熱電対、サーミスタなどが適用される。外輪間座４における間座本体４ａに設けられた温度センサＳｃから外輪間座４の温度を検出してもよく、ハウジング６の嵌合孔に、外輪外周面に臨むセンサ設置空間を形成し、このセンサ設置空間に温度センサＳｃを設置して外輪８の温度を検出してもよい。
　＜振動センサＳｄ＞
　振動センサＳｄは、運転中、軸受軌道面の面荒れまたはピーリング、圧痕等に起因する転がり軸受２の振動を測定する。振動センサＳｄは、例えば、間座本体４ａの凹み１１に設置される。一般的に運転中の軸受振動を測定する場合、前述の温度センサと同様、設置のしやすさから、ハウジング外周面に振動計を取付けて測定することが多い。しかし、運転中の軸受振動をハウジング越しに測定するため、転がり軸受に起因する振動は減衰している。そのため、転がり軸受の異常が進行して、振動レベルが大きい状態でなければ検出は難しい。これに対して、本軸受装置は、転がり軸受２に隣接する外輪間座４に振動センサＳｄを内蔵しているため、異常の初期段階、振動レベルの小さな状態でも、感度良く測定することが可能である。
　＜異常判断部５について＞
　熱流センサＳａは、非接触式温度センサまたは熱電対などの温度センサに比べ、感度が良く、回転速度の変動に伴う軸受内部の熱の変化にタイムリーに追従する。異常判断部５は、前記回転速度と、この回転速度に追従する前記熱流束との関係に基づいて、転がり軸受２の異常を判断する。異常判断部５は、回転速度と熱流束との関係を軸受運転時常時にまたは定められた時間監視し、両者の関係に齟齬が生じた場合、転がり軸受２の異常と判断する。具体的には、異常判断部５は、熱流センサＳａで検出した熱流束を時間微分によって算出した後述するパラメータ（ΔＱ／Δｔ）にて転がり軸受２の異常を判断する。
　＜性能評価試験について＞
　実施形態に係る軸受装置を、工作機械主軸スピンドルを模した試験機に組込み、軸受装置の状態検出性能を評価した。この性能評価試験の試験条件を表１に示す。試験軸受は、セラミックボール入り超高速アンギュラ玉軸受（ＮＴＮ株式会社製ＨＳＥタイプ）を用いた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　＜試験機の構造＞
　図３に示すように、試験機は、ハウジング６に、前述の軸受装置を介して、主軸１が回転自在に支持されている。主軸１の軸方向一端部に駆動モータ１２が連結され、この駆動モータ１２により主軸１はその軸心回りに回転駆動される。内外輪７，８は、内輪押さえ１３および外輪押さえ１４により主軸１およびハウジング６にそれぞれ固定されている。
　ハウジング６は、内周ハウジング６ａと外周ハウジング６ｂの二重構造とされ、内外のハウジング６ａ，６ｂ間に冷却媒体流路１５が形成されている。内周ハウジング６ａには、エアオイル供給路１６が設けられ、このエアオイル供給路１６は外輪間座４のエアオイル供給口１７に連通する。エアオイル供給口１７に供給されたエアオイルは、ノズルを兼ねる突出部４ｂの吐出孔から吐出されて内輪７の斜面部７ｂに噴射され、転がり軸受２の潤滑に供される。内周ハウジング６ａには、各転がり軸受２の設置部近傍にエアオイル排気溝１８が形成されると共に、このエアオイル排気溝１８から大気に開放されるエアオイル排気路１９が形成されている。
　＜試験結果＞
　図４は、前記性能評価試験における、軸受装置の各種センサ出力を示す図である。低速域から超高速域（ｄｍｎ値１４４万）まで、いずれのセンサも正常に動作することを確認した。
　前述のように、異常判断部５（図１）が転がり軸受の異常を判断する際、各センサが正常に動作していることを担保することが肝要である。本件出願人は、各センサが正常に動作しているとき、軸受装置を低速域から超高速域まで段階的に回転速度を上昇させると、温度、回転速度および熱流束が所定の関係で推移していくことを試験により確認した。この性能評価試験から、異常判断部５（図１）が例えば運転開始前の初期診断時等において、各センサが正常に動作していると自動的に判断することで、転がり軸受が異常か否かの結果をより客観的に用いることができる。
　図５、図６は、加減速試験による熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。図６は、図５を横軸方向に拡大した図である。熱流センサのセンサ出力は、温度センサのセンサ出力よりも回転速度の加減速に対する応答性が良く、転がり軸受の異常検知の精度を高め得る。熱流センサのセンサ出力は、回転速度の変動に略同期している。
　＜軸受異常時の再現試験＞
　転がり軸受に異常が生じる際の兆候検知を試みるため、軸受異常時の再現試験を実施した。試験条件を表２に示す。この再現試験においても前記性能評価試験、加減速試験と同様、図３の試験機を使用した。本再現試験では、主軸組立時にのみごく少量の潤滑油を転がり軸受に注入することで、試験軸受に異常が発生しやすい状況を作り出した。また、試験軸受の異常に伴って駆動モータ１２（図３）が過負荷になると、リミッターが作動し、試験機を自動停止するよう設定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　＜前記再現試験における試験結果＞
　図７は、軸受異常時の再現試験における熱流束、温度、回転速度の関係を示す図である。駆動モータ１２（図３）の過負荷検出時刻を破線ｔ２´で示す。試験結果より、熱流速束は、温度等よりも早い段階から出力値の上昇が認められており、転がり軸受に異常が生じる際の兆候を早期に検出する際に有効と考えられる。
　図５ないし図７に示す、回転速度と、この回転速度に追従する熱流束との関係に基づいて、異常判断部５（図１）は転がり軸受の異常を次式に従って判断する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上式を充足する際、異常判断部５（図１）は、転がり軸受の異常（発熱大）と判断する。なお、上式の係数Ｎは、工作機械の主軸毎で異なるため、Ｎ＝１、Ｎ＝１００など、様々なケースがある。
　＜作用効果＞
　以上説明した軸受装置によれば、異常判断部５は、回転速度と、この回転速度に追従する熱流束との関係に基づいて、転がり軸受２の異常を判断する。異常判断部５は、例えば、一定の回転速度にもかかわらず、熱流束が急峻に変化する場合、転がり軸受２の異常と判断する。異常判断部５は、例えば、検出される回転速度が変動しているときに、熱流束が回転速度に追従しない場合、転がり軸受２の異常と判断する。このように転がり軸受２の瞬間かつ急激な温度上昇を正確に検出し、その検出結果を基に、転がり軸受２の異常を判断することができる。転がり軸受２の異常と判断された場合、軸受装置の回転を停止させる等の制御を実行することができる。
　外輪間座４は、間座本体４ａの軸方向側面から内外輪７，８間に突出する突出部４ｂを有し、この突出部４ｂに熱流センサＳａが設置されているため、外輪等に熱流センサを設置するよりもコスト低減を図り容易に熱流センサＳａを設置できる。また内外輪７，８間に突出する突出部４ｂに熱流センサＳａを設置するため、運転時における軸受内部の温度変化を直接的に検出することができる。突出部４ｂは、転がり軸受２に潤滑油を吐出するノズルを兼ねることから、潤滑油を吐出する既存のノズルを利用して熱流センサＳａを設置できる。このため、例えば、熱流センサＳａを設置する専用部品を設けるよりもコスト低減を図れる。
　＜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。
　図８に示すように、熱流センサＳａを、外輪間座４の間座本体４ａの内周面に設置してもよい。さらに、図９に示すように、熱流センサＳａを、外輪内周面に設置してもよい。各センサが正常に動作しているかを異常判断部５で判断しない場合、前記センサ類における温度センサＳｃを省略してもよい。さらに振動センサＳｄを省略することも可能である。これらの構成によれば、センサ個数を低減できるため、軸受装置の構造を簡素化しコスト低減を図れる。
　固定側軌道輪が内輪７であってもよい。固定側間座が内輪間座３であってもよい。いずれかの実施形態に係る軸受装置は、主軸１が立形の工作機械にも適用可能である。
　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更、削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
　２…転がり軸受、３…内輪間座、４…外輪間座（固定側間座）、４ｂ…突出部、５…異常判断部、７…内輪、８…外輪（固定側軌道輪）、Ｓａ…熱流センサ、Ｓｂ…回転センサ、Ｓｃ…温度センサ

Claims (5)

  1. 　転がり軸受と、この転がり軸受の内外輪のそれぞれに、軸方向で隣接する内外の間座とを備えた軸受装置であって、
    　前記内外輪における固定側の軌道輪である固定側軌道輪または前記内外の間座における固定側間座に設置され、内外輪間の熱流束を検出する熱流センサと、前記転がり軸受の回転速度を検出する回転センサとを備え、
    　前記回転速度と、この回転速度に追従する前記熱流束との関係に基づいて、前記転がり軸受の異常を判断する異常判断部を備えた軸受装置。
  2. 　請求項１に記載の軸受装置において、前記異常判断部は、前記熱流センサで検出した熱流束を時間微分によって算出したパラメータにて前記転がり軸受の異常を判断する軸受装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の軸受装置において、前記固定側間座は、軸方向側面から前記内外輪間に突出する突出部を有し、この突出部に前記熱流センサが設置されている軸受装置。
  4. 　請求項３に記載の軸受装置において、前記突出部は、前記転がり軸受に潤滑油を吐出するノズルを兼ねる軸受装置。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軸受装置において、前記固定側間座または前記固定側軌道輪の温度を検出する温度センサを備え、前記異常判断部は、前記温度センサで検出した温度と、前記回転速度と、前記熱流束との関係から、前記温度センサ、前記熱流センサおよび前記回転センサが正常に動作しているか否かを判断する軸受装置。
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