WO2023223463A1 - 損傷検出装置および転がり軸受 - Google Patents

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WO2023223463A1
WO2023223463A1 PCT/JP2022/020683 JP2022020683W WO2023223463A1 WO 2023223463 A1 WO2023223463 A1 WO 2023223463A1 JP 2022020683 W JP2022020683 W JP 2022020683W WO 2023223463 A1 WO2023223463 A1 WO 2023223463A1
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WO
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damage
rolling element
detection device
inclination
rolling
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/020683
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
直克 高良
淳 木下
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to PCT/JP2022/020683 priority Critical patent/WO2023223463A1/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/52—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with devices affected by abnormal or undesired conditions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such

Definitions

  • the present disclosure relates to a damage detection device that detects damage occurring in a rolling bearing and a rolling bearing.
  • Patent Document 1 discloses a rolling bearing condition monitoring device that includes a detection unit that detects acceleration in the axial direction of the rolling bearing. With the technique described in Patent Document 1, it is possible to estimate the length of a damaged portion extending in the axial direction within a region that contacts a rolling element based on the characteristic amount of acceleration in the axial direction.
  • the strength of the acceleration in the axial direction detected by the condition monitoring device described in Patent Document 1 changes depending on the operating conditions, holding conditions, etc. of the bearing. In one example, when the rotational speed is low, little acceleration may occur. Further, when the axial length of the rotating shaft is long, vibrations generated due to bending vibrations, tilting, etc. of the rotating shaft other than those caused by damage may be included. In this way, with the method of detecting acceleration in the axial direction, it is difficult to detect the length of the damaged part in the axial direction because it is not possible to detect acceleration, or it detects acceleration that includes noise or disturbance vibration. There is a problem in that it is difficult to estimate with high accuracy.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and aims to provide a damage detection device that can calculate the state of a damaged portion without being affected by bearing operating conditions, holding conditions, etc.
  • a damage detection device is arranged between an inner ring, an outer ring, a raceway surface of the outer ring, and a raceway surface of the inner ring, and is arranged between the inner ring, the outer ring, and the inner ring.
  • Damage detection that detects the state of damage to a rolling bearing that includes multiple rolling elements that roll with the rotation of the inner ring or the rotation of both the inner ring and outer ring, and a rotating shaft that rotates as one with the inner ring or outer ring.
  • the apparatus includes a sensor, a tilt processing section, and a damage determination section.
  • the direction toward the center of the rotating shaft is defined as the radial direction
  • the direction along the axial length of the rotating shaft is defined as the axial direction
  • the direction of rotation of the rotating shaft is defined as the circumferential direction.
  • the center of the rolling element Let the circumferential locus drawn by the dots be the rolling element rotation locus line.
  • the sensor detects the attitude of the rolling element.
  • the inclination processing unit calculates the inclination of the rolling element about a tangent to the rolling element rotation locus line that passes through the center point of the rolling element, based on the measurement data detected by the sensor.
  • the damage determination unit calculates the state of damage based on the slope.
  • the damage detection device has the effect of being able to calculate the state of the damaged portion without being influenced by the operating conditions, holding conditions, etc. of the bearing.
  • Diagram showing an example of changes in rolling element inclination and damaged shaft length over time in a rolling bearing A diagram showing an example of changes in the amount of movement of rolling elements, damaged circumference, and damaged shaft length over time in a rolling bearing.
  • a diagram showing an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 4 A diagram showing an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 5.
  • a diagram showing an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 6 A diagram showing an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 7
  • FIGS. 1 and 2 are diagrams showing an example of the configuration of a damage detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross section of the rolling bearing 1 passing through the rotating shaft 5 and parallel to the rotating shaft 5.
  • FIG. 2 shows a cross section of the rolling bearing 1 perpendicular to the rotating shaft 5, which corresponds to the II-II cross-sectional view in FIG.
  • the vertical direction of the paper corresponds to the vertical direction. That is, it is assumed that the axis of the rotating shaft 5 extends in the horizontal direction. Further, it is assumed that the rotating shaft 5 rotates counterclockwise in FIG. 2 .
  • a direction parallel to the axis of the rotating shaft 5, that is, a direction along the axial length of the rotating shaft 5, may be simply referred to as an axial direction or an axial direction.
  • the radial direction around the axis that is, the direction toward the center of the rotating shaft 5 may be simply referred to as the radial direction.
  • the circumferential direction around the axis, that is, the rotational direction of the rotary shaft 5 may be simply referred to as the circumferential direction.
  • the damage detection device 10 detects the state of damage in the rolling bearing 1 shown in FIGS. 1 and 2, which is a damage detection target.
  • the rolling bearing 1 includes an inner ring 2, an outer ring 3, rolling elements 4, and a rotating shaft 5.
  • Inner ring 2 and outer ring 3 are cylindrical.
  • the outer ring 3 is arranged outside the inner ring 2 and concentrically with the inner ring 2.
  • the rolling elements 4 are arranged between a raceway surface that is the inner circumferential surface of the outer ring 3 and a raceway surface that is the outer circumferential surface of the inner ring 2, and are configured to rotate the inner ring 2, the outer ring 3, or the inner ring 2 and the outer ring 3. It rolls as both rotate.
  • a plurality of rolling elements 4 are arranged between the inner ring 2 and the outer ring 3.
  • the rotating shaft 5 rotates together with the inner ring 2 or the outer ring 3.
  • the inner ring 2 rotates together with the rotating shaft 5 and the outer ring 3 is fixed, but there may also be a case where the inner ring 2 is fixed and the outer ring 3 rotates, or the inner ring 2 and the outer ring 3 are fixed.
  • the rolling bearing 1 may be configured such that the outer ring 3 rotates together.
  • the damage detection device 10 according to the first embodiment can be permanently installed in various rotating devices such as the rolling bearing 1 and an electric motor equipped with the rolling bearing 1, or can be temporarily installed as a portable device. .
  • the raceway surface may be damaged more quickly. For example, surface-originated peeling damage, where a portion of the surface layer peels off in the form of scales, abrasion damage, etc. may occur.
  • the position of the axial end of the rolling element 4 may change due to bending vibration of the rotating shaft 5, shaft tilt due to the influence of external vibration, flapping of the rolling element 4, etc. Particularly high loads occur, and initial damage is likely to occur at the axial ends. After the initial damage occurs, there is a first stage in which the damaged part 21 develops and expands in the axial direction from the damaged part 21 as a starting point to the rolling element axial length RL, which is the axial length of the rolling element 4, and then in the circumferential direction. It is thought that the damaged part 21 expands through a second stage in which the damaged part 21 develops and expands.
  • the damage detection device 10 in the first embodiment detects the damage state, such as the damage axial length AL, which is the axial length of the damaged part 21, even in the early stage of damage in the first stage when the damaged part 21 is progressing and expanding in the axial direction. It can be calculated at any time.
  • the damage state such as the damage axial length AL, which is the axial length of the damaged part 21, even in the early stage of damage in the first stage when the damaged part 21 is progressing and expanding in the axial direction. It can be calculated at any time.
  • the damage detection device 10 includes a sensor 11 and a control section 15.
  • the sensor 11 detects the attitude of the rolling element 4. It is desirable that the attitude of the rolling element 4 be such that a change in attitude due to the influence of the inclination D of the rolling element 4 in the axial cross section can be detected.
  • the control unit 15 includes a tilt processing unit 12 and a damage determination unit 13.
  • the inclination processing unit 12 calculates the inclination D of the rolling element 4.
  • the circumferential locus drawn by the center point 4C of the rolling element 4 when the rolling element 4 rotates in the circumferential direction is defined as a rolling element rotation locus line 6.
  • the inclination processing unit 12 calculates the inclination D of the rolling element 4 about a tangent to the rolling element rotation trajectory line 6 and passing through the center point 4C of the rolling element 4 based on the measurement data detected by the sensor 11. .
  • the damage determination unit 13 calculates the damage state including the damage axial length AL based on the inclination D of the rolling element 4.
  • the rolling element 41 gets stuck in the asymmetrically damaged part 21 and tilts.
  • the sensor 11 measures information related to the attitude including the inclination D of the rolling element 41, and outputs measurement data that is the measurement result to the inclination processing section 12.
  • the inclination processing unit 12 calculates the inclination D of the rolling element 41 based on the measurement data of the sensor 11.
  • the load acting on each rolling element 4 is calculated from the load acting on the rolling bearing 1 and shape data such as dimensions of the rolling bearing 1.
  • the depth dimension DL of the damaged portion 21 and the damaged circumferential length CL which is the length in the circumferential direction, have the following relationship. .
  • the depth dimension DL of the damaged portion 21 has a correlation with the depth at which the shear stress is maximized, which is determined by the Hertz contact theory using the load and shape data described above.
  • the damaged circumference CL of the damaged portion 21 has a correlation with the Hertz contact width determined by the same Hertz contact theory.
  • the damaged axial length AL can be determined geometrically. can be calculated.
  • the damage determination unit 13 determines the depth and Hertz contact width at which the shear stress is maximum, determined from the Hertz contact theory, from the load acting on the rolling bearing 1 and the shape data, and calculates the depth from the depth at which the shear stress is at the maximum.
  • the dimension DL is calculated, and the damaged circumference CL is calculated from the Hertz contact width.
  • the damage determining unit 13 geometrically calculates the damaged axial length AL using the depth dimension DL and the damaged circumferential length CL of the damaged portion 21 and the inclination D of the rolling element 4.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of changes in the inclination of rolling elements and the length of damaged shafts over time in a rolling bearing.
  • the horizontal axis shows the operating time
  • the vertical axis shows the inclination D of the rolling element 4 and the damaged axial length AL.
  • the inclination D of the rolling element 4 increases until it reaches the predetermined damaged axial length AL. Further, after reaching the predetermined damaged axis length AL, the inclination D of the rolling element 4 decreases. This is considered to be because the axial symmetry of the damaged part 21 is restored as the damaged part 21 progresses in the axial direction.
  • the damaged axial length AL reaches the rolling element axial length RL, the damaged portion 21 becomes axially symmetrical and the inclination D of the rolling element 4 returns to the initial inclination D before the damage occurred.
  • the damage determination unit 13 performs a process of calculating the damage shape such as the damage axis length AL from the above-mentioned inclination D of the rolling element 4. That is, based on the measurement data of the sensor 11, the damage determination unit 13 calculates the damage axial length AL of the damage as the damage state from the inclination D when the rolling element 4 rotates in the circumferential direction. Furthermore, the damage determination unit 13 can also calculate the damage state and remaining life of the rolling bearing 1 based on the calculated damage shape. In the conventional technology, the damage shape cannot be accurately calculated because the diagnosis is based on the axial acceleration, which is affected by other disturbances such as the rotation speed of the rotating shaft 5, bending vibration, inclination, and bearing holding conditions. However, in the first embodiment, by measuring the inclination D when the rolling element 4 fits into the damaged part 21 instead of the axial acceleration, the damage shape can be determined geometrically without the influence of other disturbances. It can be calculated with high accuracy.
  • the effects of the first embodiment compared with the conventional technology will be explained.
  • the lower the rotation speed the lower the axial force becomes, making it impossible to extract the axial acceleration.
  • the rotational speed is low, it occurs when starting or stopping, when rotating by hand during maintenance inspection, or when using low-speed rotating equipment.
  • the higher the rotation speed the larger the disturbance vibration, and the axial acceleration due to damage is buried in the disturbance vibration, making it difficult to detect the axial acceleration. Become.
  • the damaged axial length AL could only be accurately calculated at the timing of the inflection point of the axial direction acceleration.
  • the damaged axial length AL can be calculated not only at the timing of the inflection point. It also has the effect of being able to constantly calculate the damage shape and damage state.
  • the damage determination unit 13 determines that the damage axis length AL is within a predetermined range in which damage progresses at an accelerated rate. Can be done.
  • the damaged axis length AL is in the range of B1 to B2.
  • the damaged axial length AL reaches B2, and the damaged axial length AL may account for more than half of the rolling element axial length RL. In many cases, stress is extremely concentrated, which accelerates the rate of damage progression.
  • the damage determination unit 13 detects an abnormality when the inclination D of the rolling element 4 becomes larger than the predetermined value A, more specifically, from the value of the inclination D of the rolling element 4, If it is determined whether the damaged axial length AL is within the range where damage is expected to progress in an accelerated manner, damage to the rolling bearing 1 that is progressing at an accelerated pace, damage to the rolling bearing 1 that is induced in an accelerated manner, peripheral equipment, and rolling bearings can be detected. It becomes possible to prevent serious failures of rotating equipment using the bearing 1.
  • the damage detection device 10 uses the sensor 11 that measures the attitude of the rolling element 4 and the tangent of the rolling element rotation trajectory line 6 based on the measurement data measured by the sensor 11.
  • an inclination processing unit 12 that calculates the inclination D of the rolling element 4 around a tangent passing through the center point 4C of the rolling element 4;
  • a damage determination unit 13 that calculates the damage state based on the inclination D of the rolling element 4; Equipped with
  • the state of the damaged portion 21 can be determined without being influenced by the operating conditions, holding conditions, etc. of the rolling bearing 1, and specifically, the damaged shape and damage state such as the damaged axial length AL of the rolling bearing 1. can be calculated with high accuracy at all times.
  • Embodiment 2 Damage detection device 10 according to Embodiment 2 will be explained. Damage detection device 10 according to the second embodiment has the same configuration as the first embodiment. Below, with reference to FIG. 1 and FIG. 2 of Embodiment 1, the difference from Embodiment 1 is demonstrated.
  • the damage determination unit 13 determines the slope after the slope D when the rolling element 4 rotates in the circumferential direction increases from the slope determined based on the measurement data of the sensor 11.
  • the damaged circumferential length CL is calculated from the amount of movement of the rolling element 4 in the circumferential direction within a variable time period, which is the time required for the inclination to decrease.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of changes in the amount of movement of rolling elements, the damaged circumferential length, and the damaged shaft length over time in a rolling bearing.
  • the horizontal axis shows the operating time
  • the vertical axis shows the amount of movement of the rolling element 4, the damaged circumferential length CL, and the damaged axial length AL.
  • the rate of change over time of the damaged circumference CL generally matches the rate of change over time of the amount of movement of the rolling elements 4. Therefore, the damaged circumference CL can be calculated from the amount of movement of the rolling elements 4.
  • the damage determination unit 13 calculates the damage circumference CL from the amount of movement of the rolling element 4 in the circumferential direction based on information on the inclination D of the rolling element 4. Specifically, when the rolling element 4 rotates in the circumferential direction, the inclination D of the rolling element 4 changes within a varying time from when it increases more than a predetermined inclination to when it decreases less than the predetermined inclination.
  • the damage circumference CL is calculated from the amount of movement of the moving object 4.
  • the damage determining section 13 calculates the damaged circumferential length CL from the measured value of the amount of movement of the rolling element 4 in the circumferential direction.
  • the damage determination unit 13 calculates the damage circumference CL from the amount of movement of the rolling element 4 in the circumferential direction based on information on the inclination D of the rolling element 4. As a result, a more accurate value obtained through actual measurement is used for the damage circumference CL necessary for geometrically calculating the damage axis length AL, rather than a value calculated by Hertz contact theory. As a result, it is possible to calculate the damage axis length AL with higher accuracy than in the first embodiment.
  • the damage determining section 13 can also calculate the damaged axial length AL from the amount of movement of the rolling element 4 in the circumferential direction. In other words, the damage determination unit 13 can determine that the damage axial length AL has reached the predetermined length when the amount of movement of the rolling element 4 is greater than the predetermined distance.
  • the damage determination unit 13 indicates that it is possible to determine how long the damaged axial length AL is based on the amount of movement of the rolling elements 4. In one example, when the amount of movement of the rolling element 4 is larger than the radius of the rolling element 4, the damage determination unit 13 can determine that the damaged axial length AL has already reached the rolling element axial length RL. . That is, the damage determination unit 13 can determine from the amount of movement of the rolling element 4 whether the damaged axial length AL has reached the rolling element axial length RL.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 3.
  • FIG. 5 shows a cross section of the rolling bearing 1 passing through the rotating shaft 5 and parallel to the rotating shaft 5. As shown in FIG. Note that the same components as those in Embodiment 1 are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the control section 15 further includes a tilt storage section 14.
  • the inclination storage unit 14 stores in chronological order the inclination D of the rolling element 4 calculated by the inclination processing unit 12 based on the measurement data of the sensor 11. That is, the inclination storage unit 14 stores changes in the inclination D of the rolling element 4 over time.
  • the damage determination unit 13 determines the inclination D of the rolling element 4, which is the rate of change over time of the inclination D of the rolling element 4, based on the time series inclination D value stored in the inclination storage unit 14.
  • the first-order differential value of the slope D is calculated, and the damage state is determined from the first-order differential value of the slope D.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of changes in the damaged shaft length, the inclination of the rolling elements, and the first-order differential value of the inclination of the rolling elements over time in a rolling bearing.
  • the horizontal axis shows the operating time
  • the vertical axis shows the inclination D of the rolling elements 4, the first differential value of the inclination D of the rolling elements 4, and the damaged axis length AL.
  • the damage axis length AL is large enough to be within the range in which damage progresses at an accelerated rate. In other words, it can be determined that it is in the range of b1 or more and b2 or less.
  • the damaged axial length AL reaches b2
  • the damaged axial length AL often occupies more than half of the rolling element axial length RL, and stress is extremely concentrated, accelerating the rate of damage progress.
  • the damage determination section 13 detects that there is an abnormality when the first-order differential value of the inclination D of the rolling element 4 becomes larger than a predetermined positive value a, or detects that the rolling element 4 is abnormal. From the first-order differential value of the slope D, it is determined whether the damage axis length AL is within a range in which damage is expected to progress at an accelerated rate. This allows not only the degree of damage to the rolling bearing 1 to be grasped, but also damage to the rolling bearing 1 that progresses at an accelerating rate, as well as severe failures of the rolling bearing 1, peripheral equipment, and rotating equipment using the rolling bearing 1 that are induced at an accelerating pace. It is possible to prevent this from happening.
  • the damaged axis length AL has reached the predetermined size b2.
  • the damaged axial length AL often occupies more than half of the rolling element axial length RL, and it is considered that stress is extremely concentrated as described above, accelerating the rate of damage progression. Therefore, when the first differential value of the inclination D of the rolling element 4 changes from a positive value to a negative value, an abnormality is detected, or the damage axis length AL is said to indicate that damage progresses at an accelerated rate. A similar effect can be obtained by determining that the length of the range has been reached.
  • the timing at which the damaged axial length AL reaches the rolling element axial length RL is the timing at which the damaged part 21 moves to the second stage where it progresses in the circumferential direction, and the vibration or noise reaches its upper limit and begins to cause damage to peripheral parts such as gears caused by bearing damage. It can be determined that Furthermore, since the absolute value of the first differential value of the inclination D of the rolling element 4 becomes smaller than the predetermined value d, after the damaged axial length AL reaches the rolling element axial length RL, the rolling element axial length It can be determined that the RL is maintained. At this time, the damaged part 21 has already moved to the second stage of progressing in the circumferential direction, and the vibration or noise has already exceeded the upper limit, causing damage to peripheral parts such as gears caused by bearing damage. It can be determined that .
  • the inclination D of the rolling element 4 shows a continuous time change
  • the inclination D of the rolling element 4 changes over time in an inflectional manner. Therefore, by using the inclination D of the rolling element 4 stored in chronological order and detecting the inflection timing using the first-order differential value of the inclination D of the rolling element 4, the size of the specified range can be determined. It is possible to calculate the damage axial length AL with higher sensitivity.
  • the damage detection device 10 of the third embodiment further includes the inclination storage unit 14 that stores the inclination D of the rolling element 4 in chronological order, and the damage determination unit 13 stores the inclination D of the rolling element 4 over time.
  • the state of damage is determined using the first-order differential value of the inclination D of the rolling element 4, which is the rate of change. This allows the damage state to be calculated more sensitively and accurately.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 4.
  • FIG. 7 shows a cross section of the rolling bearing 1 perpendicular to the rotating shaft 5. As shown in FIG. Note that the same components as those in Embodiment 1 are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the rolling bearing 1 further includes a housing 7 connected to the rolling bearing 1.
  • the housing 7 covers the inner ring 2 and the outer ring 3 with the rolling elements 4 sandwiched between their raceway surfaces.
  • the housing 7 is fixed to the outer periphery of the outer ring 3.
  • the pitch angle in the circumferential direction on the line of the rolling element rotation trajectory line 6 connecting the center points 4C of two circumferentially adjacent rolling elements 4 is defined as the rolling element pitch angle CI.
  • the angle toward the rotation direction of the rotating shaft 5 indicating the circumferential position is the circumferential position of the upper end of the rotating shaft 5 on the opposite side to the load direction, it is defined as 0 degrees
  • the circumferential position of the lower end is defined as 180 degrees
  • the circumferential position of the upper end is defined as 360 degrees.
  • the central axis of the rotating shaft 5 has an angle with respect to the load direction, and at least one of the sensors 11 has an angle from (180-CI) degrees, which is the angle obtained by subtracting the rolling element pitch angle CI from 180 degrees, to 180 degrees. It exists within a range up to (180+CI) degrees, which is the sum of the rolling element pitch angle CI, and is installed in the inner ring 2 and outer ring 3 of the rolling bearing 1 or the housing 7 connected to the rolling bearing 1.
  • the sensor 11 has an angle between (180-CI) degrees, which is the angle obtained by subtracting the rolling element pitch angle CI from 180 degrees, and (180+CI) degrees, which is the angle obtained by adding the rolling element pitch angle CI to 180 degrees. It is set within the range up to. By providing the sensors 11 in this range, the effect of reliably detecting the damaged portion 21 can be obtained with a minimum number of sensors 11.
  • the inner ring 2 that rotates together with the rotating shaft 5 and the rolling elements 4 that rotate with the rotation of the inner ring 2 can be moved by, for example, rotating the rotating shaft 5. Therefore, the damage position of the inner ring 2 that rotates integrally with the rotating shaft 5 or the rolling elements 4 that rotate with the rotation of the inner ring 2 is also the angle obtained by subtracting the rolling element pitch angle CI from 180 degrees ( It is possible to move within the range from 180-CI) degrees to (180+CI) degrees, which is the sum of 180 degrees and the pitch angle CI of the rolling elements. In other words, damage to the inner ring 2 or the rolling elements 4 can be reliably detected using the minimum number of sensors 11.
  • the sensor 11 changes the rolling element pitch from (180-CI) degrees, which is an angle obtained by subtracting the rolling element pitch angle CI from 180 degrees, to 180 degrees. It is desirable that the angle be provided within a range of (180+CI) degrees, which is the sum of the angle CI.
  • the installation position of the sensor 11 is set from (180-CI) degrees, which is the angle obtained by subtracting the rolling element pitch angle CI from 180 degrees, to the angle obtained by adding the rolling element pitch angle CI to 180 degrees ( 180+CI) degrees.
  • 180-CI is the angle obtained by subtracting the rolling element pitch angle CI from 180 degrees
  • 180+CI 180 degrees
  • the inner ring 2 that rotates together with the rotating shaft 5 and the rolling elements 4 that rotate with the rotation of the inner ring 2 can be moved to the installation position of the sensor 11 by rotating the rotating shaft 5. Damage to the inner ring 2 that rotates integrally with the rotating shaft 5 and the rolling elements 4 that rotate as the inner ring 2 rotates can also be detected with a minimum number of sensors 11.
  • Embodiment 5 A damage detection device 10 according to a fifth embodiment will be described.
  • 8 and 9 are diagrams showing an example of the configuration of a damage detection device according to the fifth embodiment. 8 and 9 show a cross section of the rolling bearing 1 passing through the rotating shaft 5 and parallel to the rotating shaft 5. FIG. Note that the same components as those in Embodiment 1 are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the sensor 11 described in Embodiments 1 to 4 obtains displacement information of the rolling element 4 in the axial direction as shown by arrow E in FIG. 8 or in the radial direction of the rolling element 4 as shown by arrow R in FIG. Detect location information, including location information.
  • a eddy current gap sensor As the sensor 11 that detects the axial displacement or radial displacement of the rolling element 4, an eddy current gap sensor, a laser sensor, an infrared sensor, a camera, or the like can be used.
  • the rolling elements 4 are tilted asymmetrically in the axial direction, the axial side surfaces of the rolling elements 4 are displaced in the axial and radial directions in accordance with the inclination D of the rolling elements 4. Therefore, by detecting these displacements, it is possible to convert them into the inclination D of the rolling element 4.
  • the rolling element 4 rotates around the axial center point 4C of the rolling element 4, and the rolling element 4 has an inclination D, and the axial displacement becomes larger as the position is radially farther away from the axial center point 4C of the rolling element 4. Become.
  • two sensors 11 at different radial positions may be arranged on both sides of the rolling element 4 in the axial direction.
  • the rotation center position of the inclination D of the rolling element 4 can be accurately determined. Therefore, the inclination processing section 12 and the damage determination section 13 can geometrically accurately calculate the damage state such as the inclination D and the damaged axial length AL of the rolling element 4.
  • two sensors 11 for detecting the radial displacement of the rolling element 4 may be arranged on both radial side surfaces.
  • the damage determination unit 13 can also accurately calculate the damage state such as the damage axis length AL.
  • These two radial displacements have opposite directions in the radial direction. Therefore, by excluding the influence of noise or disturbance vibration and extracting only the opposite displacement component, it is possible to calculate the damage state such as the damage axis length AL with high accuracy, and it is also possible to accurately calculate the damage state from the initial stage of damage. This has the effect of making it easier to detect the presence or absence.
  • the sensor 11 includes an eddy current gap sensor, a laser sensor, an infrared sensor, a camera, etc. that detects position information including displacement information in the axial direction of the rolling element 4 or in the radial direction of the rolling element 4.
  • This has the effect that the damage state, such as the inclination D of the rolling element 4 and the damaged axial length AL, can be calculated with high accuracy.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 6.
  • FIG. 10 shows a cross section of the rolling bearing 1 passing through the rotating shaft 5 and parallel to the rotating shaft 5. As shown in FIG. Note that the same components as those in Embodiment 1 are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the sensor 11 detects reflected waves such as light, laser, and sound from the rolling elements 4.
  • the sensor 11 of the damage detection device 10 includes a transmitter 11a and a receiver 11b.
  • the transmitter 11a transmits a test wave, which is a wave such as light, laser, or sound, for detecting the state of the rolling element 4.
  • the receiving unit 11b detects a reflected wave of a test wave such as light, laser, sound, etc. reflected by the rolling element 4. By transmitting the test wave toward the rolling element 4 by the transmitter 11a, the reflected wave can be made larger.
  • the transmitting section 11a and the receiving section 11b may be arranged at different positions, or the transmitting section 11a and the receiving section 11b may be configured as one unit.
  • the rolling element 4 gets stuck in the damaged part 21 and tilts, the direction of the reflected wave changes, so the inclination D of the rolling element 4 can be calculated by detecting the change in the direction and intensity of the reflected wave. Further, since the configuration is such that the reflected waves from the rolling elements 4 are detected, the influence of other disturbances can be omitted, and the inclination D of the rolling elements 4 can be calculated with high accuracy. Further, when the rolling element 4 has an arbitrary inclination D, the receiving part 11b of the sensor 11 is arranged so that it is on the straight line where the test wave transmitted from the transmitting part 11a is reflected by the axial side surface of the rolling element 4. A sensor 11 may also be provided.
  • the senor 11 includes a transmitting section 11a that transmits a test wave to the rolling element 4, and a receiving section 11b that receives the reflected wave reflected by the rolling element 4. This has the effect that the inclination D of the rolling element 4 can be calculated by changing the direction and intensity of the reflected waves, excluding the influence of other disturbances.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the configuration of a damage detection device according to Embodiment 7.
  • FIG. 11 shows a cross section of the rolling bearing 1 passing through the rotating shaft 5 and parallel to the rotating shaft 5. As shown in FIG. Note that the same components as those in Embodiment 1 are given the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the damage detection device 10 detects the displacement or acceleration of the rolling elements 4 including a radial component at the position of the rolling bearing 1 or the housing 7 connected to the rolling bearing 1. and a sensor 11d that measures displacement or acceleration of the rolling element 4 including an axial component. That is, the sensor 11 is composed of two sensors 11c and 11d. As such sensors 11c and 11d, acceleration sensors, mechanical displacement sensors, etc. can be used. In the example of FIG. 11, the sensors 11c and 11d are arranged in the housing 7 near the rolling element 4 above the rotating shaft 5 in the vertical direction. The sensor 11c corresponds to a first sensor, and the sensor 11d corresponds to a second sensor.
  • the ratio of the axial component to the radial component of displacement or acceleration increases as the inclination D of the rolling elements 4 increases.
  • the ratio between the displacement or acceleration including the radial component and the displacement or acceleration including the axial component is determined by the sensor 11c and the sensor 11d. This displacement or acceleration ratio has a correlation with the inclination D of the rolling element 4.
  • the ratio of the displacement or acceleration including a radial component to the displacement or acceleration including an axial component is proportional to the inclination D of the rolling element 4. That is, in the seventh embodiment, the tilt processing unit 12 converts the ratio of the displacement or acceleration including the radial component to the displacement or acceleration including the axial component based on the measurement data of the sensor 11c and the sensor 11d. Calculate the inclination D of the moving object 4. Then, the damage determination unit 13 can calculate the damage state such as the damaged axial length AL of the rolling bearing 1 using the calculated inclination D of the rolling element 4.
  • the impact force due to the inclination D of the rolling elements 4, which is the source of vibration, is not easily affected by the lubrication of oil such as grease.
  • the inclination D of the moving object 4 can be detected.
  • a sensor 11c for measuring the displacement or acceleration of the rolling element 4 including a radial component is installed at the position of the rolling bearing 1 or the housing 7 connected to the rolling bearing 1, and a sensor 11c for measuring the displacement or acceleration of the rolling element 4 including a radial component and a sensor 11d that measures the displacement or acceleration of the rolling element 4 including the component.
  • the inclination D and damage state of the rolling element 4 are determined from the ratio of the displacement or acceleration including the radial component and the displacement or acceleration including the axial component detected by the sensors 11c and 11d, excluding the influence of lubricating oil. It can be calculated.
  • Embodiment 8 A rolling bearing 1 according to an eighth embodiment will be described.
  • the rolling bearing 1 of Embodiment 8 is arranged between an inner ring 2, an outer ring 3, a raceway surface of the outer ring 3, and a raceway surface of the inner ring 2, so that the rotation of the inner ring 2, the rotation of the outer ring 3, or the rotation of the inner ring 2 and It includes a plurality of rolling elements 4 that roll as both outer rings 3 rotate, a rotation shaft 5, and a damage detection device 10 according to any one of the first to seventh embodiments. That is, the rolling bearing 1 is configured to include the damage detection device 10 described in any one of the first to seventh embodiments.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the control unit of the damage detection device according to the first to seventh embodiments.
  • the control unit 15 can be realized by the control circuit 100 shown in FIG. 12, that is, the processor 101 and the memory 102.
  • the processor 101 is a CPU (also referred to as a central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, or DSP (Digital Signal Processor)) or a system LSI (Large Scale Integration).
  • the memory 102 is a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory).
  • control unit 15 The functions of the control unit 15 are realized by the processor 101 reading and executing a control program stored in the memory 102, which is a program for executing processing in the control unit 15. Further, it can be said that this control program causes the computer to execute a method for controlling the damage detection device 10 in the control unit 15.
  • the control program executed by the control unit 15 includes a process of calculating the inclination D of the rolling element 4 from the measurement data acquired from the sensor 11, and a process of calculating the damage state including the damaged axial length AL of the damaged part 21 from the inclination D of the rolling element 4. It has a modular configuration in which the damage determination process for calculating .
  • the memory 102 is used as temporary memory when the processor 101 executes various processes. Furthermore, in the third embodiment, the memory 102 is used as the inclination storage unit 14 that stores the inclination D of the rolling element 4 in time series.
  • the control program executed by the processor 101 may be an installable or executable file stored in a computer-readable storage medium and provided as a computer program product. Further, the control program executed by the processor 101 may be provided to the control unit 15 of the damage detection device 10 via a network such as the Internet.
  • control unit 15 may be realized by dedicated hardware. Furthermore, some of the functions of the control unit 15 may be realized by dedicated hardware, and some may be realized by software or firmware.
  • the inner ring 2 shown in FIGS. 1, 2, 5, and 7 to 11 is configured to rotate together with the rotating shaft 5.
  • the shaft integrated with the inner ring 2 may be rotationally fixed.
  • the outer ring 3 is shown to be fixed to the housing 7, the outer ring 3 may be configured to rotate together with a rotating shaft 5 provided on the outside thereof.
  • the inner ring 2 and the outer ring 3 may be configured to rotate together with separate rotating shafts 5.
  • the rotating shaft 5, the inner ring 2, and the outer ring 3 shown in FIGS. 1, 2, 5, and 7 to 11 are not originally inclined. It showed a horizontal state.
  • the damage detection device 10 according to any one of Embodiments 1 to 8 described above cannot be used in cases where the bearing is inclined in advance with respect to the horizontal direction, such as a tapered roller bearing, or due to alignment during installation or bending vibration during operation.
  • the damage condition such as the damaged axial length AL can be determined geometrically from the angle of inclination of the rotating shaft 5, the inner ring 2 and the outer ring 3, and the inclination D of the rolling elements 4. can be calculated.
  • the angle of inclination of the rotating shaft 5, the inner ring 2, and the outer ring 3 is smaller than a predetermined value, it can be ignored. Further, detection may be performed using an inflection point in the time course curve of the inclination D of the rolling element 4, or detection may be performed using the first-order differential value of the inclination D, which is the rate of change over time of the inclination D of the rolling element 4. Also, it is possible to ignore the influence of the angle of inclination of the rotating shaft 5, the inner ring 2, and the outer ring 3.
  • the number of sensors 11 shown in FIGS. 1, 2, 5, and 7 to 10 is one; may be two or more. Further, although the number of sensors 11 shown in FIG. 11 is two, the number of sensors 11 may be three or more. Furthermore, the arrangement position or shape of the sensor 11 is not limited to the arrangement position or shape shown in FIGS. 1, 2, 5, 7 to 11.
  • the number and arrangement of the rolling elements 4 are not limited to the number and arrangement shown in FIGS. 1, 2, 5, and 7 to 11. .
  • the damage detection device 10 includes a rolling bearing 1 to which a lubricant such as grease is supplied, a rolling bearing 1 to which a lubricant such as grease is not supplied, and a rolling bearing 1 during rotational operation.
  • the damage state can be determined including the rolling bearing 1 and the rolling bearing 1 that is not rotating.

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Abstract

損傷検出装置（１０）は、内輪（２）と、外輪（３）と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に配置され、内輪の回転、外輪の回転、あるいは内輪および外輪の両方の回転に伴って転動する複数の転動体（４）と、内輪または外輪と一体となって回転する回転軸（５）と、を備える転がり軸受の損傷の状態を検知する損傷検出装置であって、センサ（１１）と、傾き処理部（１２）と、損傷判定部（１３）と、を備える。回転軸の中心に向かう方向を径方向とし、回転軸の軸長に沿った方向を軸方向とし、回転軸の回転方向を周方向とし、転動体が周方向に回転したときに転動体の中心点が描く周方向の軌跡を転動体回転軌跡線とする。センサは、転動体の姿勢を検知する。傾き処理部は、センサで検知された測定データに基づいて、転動体回転軌跡線の接線であって転動体の中心点を通る接線まわりの転動体の傾きを算出する。損傷判定部は、傾きに基づいて損傷の状態を算出する。

Description

損傷検出装置および転がり軸受
　本開示は、転がり軸受に発生する損傷を検出する損傷検出装置および転がり軸受に関する。
　従来では、内輪、外輪、転動体および保持器の４部品を有する転がり軸受のいずれかの部品の挙動をセンサで検知して、転がり軸受の損傷状態を診断する方法が知られている。特許文献１には、転がり軸受のアキシアル方向の加速度を検出する検出部を備えた転がり軸受の状態監視装置が開示されている。特許文献１に記載の技術では、アキシアル方向の加速度の特徴量に基づいて、転動体と接触する領域内のアキシアル方向に進展する損傷部の長さを推定することができる。
特開２０２１－９２５２９号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の状態監視装置で検出するアキシアル方向の加速度は、軸受の運転条件、保持条件などによって強弱が変わる。一例では、回転数が低いときには、加速度がほとんど発生しない場合がある。また、回転軸の軸長が長いときには、損傷起因以外の回転軸の曲げ振動、傾斜などにより発生する振動が含まれている場合がある。このように、アキシアル方向の加速度を検出する方法では、加速度を検出することができなかったり、ノイズまたは外乱振動を含む加速度を検出してしまったりするために、アキシアル方向の損傷部の長さを高精度に推定することは難しいという問題があった。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、軸受の運転条件、保持条件などに影響されることなく損傷部の状態を算出することができる損傷検出装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る損傷検出装置は、内輪と、外輪と、外輪の軌道面と内輪の軌道面との間に配置され、内輪の回転、外輪の回転、あるいは内輪および外輪の両方の回転に伴って転動する複数の転動体と、内輪または外輪と一体となって回転する回転軸と、を備える転がり軸受の損傷の状態を検知する損傷検出装置であって、センサと、傾き処理部と、損傷判定部と、を備える。回転軸の中心に向かう方向を径方向とし、回転軸の軸長に沿った方向を軸方向とし、回転軸の回転方向を周方向とし、転動体が周方向に回転したときに転動体の中心点が描く周方向の軌跡を転動体回転軌跡線とする。センサは、転動体の姿勢を検知する。傾き処理部は、センサで検知された測定データに基づいて、転動体回転軌跡線の接線であって転動体の中心点を通る接線まわりの転動体の傾きを算出する。損傷判定部は、傾きに基づいて損傷の状態を算出する。
　本開示に係る損傷検出装置は、軸受の運転条件、保持条件などに影響されることなく損傷部の状態を算出することができるという効果を奏する。
実施の形態１に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 実施の形態１に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 転がり軸受における運転時間の経過に伴う転動体の傾きおよび損傷軸長の推移の一例を示す図 転がり軸受における運転時間の経過に伴う転動体の移動量、損傷周長および損傷軸長の推移の一例を示す図 実施の形態３に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 転がり軸受における運転時間の経過に伴う損傷軸長、転動体の傾き、および転動体の傾きの１階微分値の推移の一例を示す図 実施の形態４に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 実施の形態５に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 実施の形態５に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 実施の形態６に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 実施の形態７に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図 実施の形態１から７に係る損傷検出装置の制御部のハードウェア構成の一例を示す図
　以下に、本開示の実施の形態に係る損傷検出装置および転がり軸受を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
　実施の形態１に係る損傷検出装置について説明する。図１および図２は、実施の形態１に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図である。図１では、回転軸５を通り、回転軸５に平行な転がり軸受１の断面を示している。図２では、回転軸５に垂直な断面の転がり軸受１の断面を示しており、図１のＩＩ－ＩＩ断面図に対応している。図１および図２において、紙面の上下方向は鉛直方向の上下方向に対応しているものとする。すなわち、回転軸５の軸心は、水平方向に延伸しているものとする。また、回転軸５は、図２において、反時計回りに回転するものとする。さらに、以下の図１および図２と同様の断面図においても、同様である。以下の説明では、回転軸５の軸心に平行な方向のこと、すなわち回転軸５の軸長に沿った方向のことを単に軸方向またはアキシアル方向という場合がある。また、軸心を中心とした径方向のこと、すなわち回転軸５の中心に向かう方向のことを単に径方向という場合がある。軸心を中心とした周方向のこと、すなわち回転軸５の回転方向のことを単に周方向という場合がある。
　実施の形態１に係る損傷検出装置１０は、損傷の検出対象である図１および図２に示される転がり軸受１の損傷の状態を検知する。転がり軸受１は、内輪２と、外輪３と、転動体４と、回転軸５と、を備える。内輪２および外輪３は、円筒状である。外輪３は、内輪２の外側に、内輪２と同心円状に配置される。転動体４は、外輪３の内周面である軌道面と、内輪２の外周面である軌道面との間に配置され、内輪２の回転、外輪３の回転、あるいは内輪２および外輪３の両方の回転に伴って転動する。内輪２と外輪３との間には、複数の転動体４が配置される。回転軸５は、内輪２または外輪３と一体となって回転する。
　以下の実施の形態では、内輪２は回転軸５と一体となって回転し、外輪３は固定されている形態を示すが、内輪２が固定されて外輪３が回転する形態、あるいは内輪２および外輪３ともに回転する形態の転がり軸受１であってもよい。実施の形態１に係る損傷検出装置１０は、転がり軸受１、転がり軸受１を備えた電動機等の種々の回転機器に常時備え付けることもできるし、ポータブル装置として、一時的に備え付けることも可能である。
　ここで、図２に示されるように回転軸５が内輪２と一体となって紙面上の反時計回りに回転する場合の転がり軸受１における損傷部２１の発生の概要について簡単に説明する。この場合には、内輪２の軌道面に接触する複数の転動体４が内輪２の回転に伴って転動体４の中心点４Ｃを中心として紙面上の時計回りに転がりながら、内輪２と外輪３との間を回転軸５の中心軸を中心として紙面上の反時計回りに回転移動する。回転軸５の荷重などによる内輪２への負荷が鉛直下方に作用する場合には、回転軸５からの負荷の大半は、内輪２の軌道面、および回転軸５の鉛直下方に位置する転動体４１，４２，４３などの軌道面を介して、外輪３の軌道面へと伝わる。回転軸５が静止しているときには、内輪２、外輪３および転動体４のそれぞれに発生する負荷の位置と大きさは変化しない。しかし、回転軸５が回転中には、内輪２および転動体４の回転移動に伴って、負荷の位置と大きさは周期的に変化し、軌道面には、繰り返しの応力負荷が作用することになる。この繰り返しの応力負荷によって、材料内部の不純物を起点として、内部からき裂が進展して表面まで達すると、うろこ状に表面層が剥離する内部起点型の剥離損傷が発生する。この内部起点型の剥離損傷は、運転時間、軸受荷重、回転数などが大きいほど早期に発生する。
　また、グリース劣化または漏れを起因とした軌道面の潤滑不足などによって、転動体４と内輪２および外輪３との間に異常なすべりが発生すると、軌道面がより早期に損傷する場合がある。一例では、一部の表層がうろこ状に剥離する表面起点型の剥離損傷、摩耗損傷などが発生することがある。
　発明者らが実施した軸受試験から得た知見では、回転軸５の曲げ振動、外乱振動などの影響による軸傾斜、転動体４のバタつきなどによって、転動体４の軸方向端部の位置で特に高い負荷が発生し、初期損傷は軸方向端部に発生する確率が高い。また、初期損傷の発生後は、損傷部２１を起点として転動体４の軸方向長さである転動体軸長ＲＬまで軸方向に損傷部２１が進展拡大する第１段階と、その後、周方向に損傷部２１が進展拡大する第２段階と、を経て損傷部２１が拡大していくと考えられる。また、発明者らは、転がり軸受１を用いた様々な回転機械製品の運用データを基に、損傷部２１が周方向に進展拡大している第２段階においては、振動または騒音は既に上限を超えており、軸受損傷を起因としたギアなどの周辺部品にまでダメージを与えてしまっている場合が多いという考察を得ている。さらに、発明者らは、損傷部２１が軸方向に進展拡大している第１段階において、転がり軸受１の損傷部２１を検出することで、回転機械製品全体の長期安定運用が可能であるという考察も得ている。
　実施の形態１における損傷検出装置１０は、損傷部２１が軸方向に進展拡大している第１段階の損傷初期においても損傷部２１の軸方向長さである損傷軸長ＡＬなどの損傷状態を常時算出することができる。
　実施の形態１に係る損傷検出装置１０は、センサ１１と、制御部１５と、を備える。
　センサ１１は、転動体４の姿勢を検知する。転動体４の姿勢は、軸方向の断面における転動体４の傾きＤの影響による姿勢の変化を検知することができるものであることが望ましい。
　制御部１５は、傾き処理部１２と、損傷判定部１３と、を有する。傾き処理部１２は、転動体４の傾きＤを算出する。転動体４が周方向に回転したときに転動体４の中心点４Ｃが描く周方向の軌跡を転動体回転軌跡線６とする。傾き処理部１２は、センサ１１で検知された測定データに基づいて、転動体回転軌跡線６の接線であって転動体４の中心点４Ｃを通る接線まわりの転動体４の傾きＤを算出する。
　損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤに基づいて損傷軸長ＡＬを含む損傷状態を算出する。
　図１に示されるように、回転軸５の鉛直下方で損傷部２１が軸方向に進展拡大している第１段階において、損傷軸長ＡＬが転動体軸長ＲＬより小さい場合に、軸方向に非対称な損傷部２１に転動体４１がはまって傾く。センサ１１は、転動体４１の傾きＤを含む姿勢に関連した情報を測定し、測定した結果である測定データを傾き処理部１２に出力する。傾き処理部１２は、センサ１１の測定データに基づいて転動体４１の傾きＤを算出する。各転動体４に作用する負荷は、転がり軸受１に作用する負荷と、転がり軸受１の寸法などの形状データと、から計算で求まる。また、発明者らが転がり軸受１の損傷を調査および測定した結果より、損傷部２１の深さ寸法ＤＬおよび周方向長さである損傷周長ＣＬは、以下に示す関係があることが分かった。つまり、損傷部２１の深さ寸法ＤＬは、上述した負荷と形状データとを用いたHertz接触理論で求まるせん断応力が最大となる深さと相関関係がある。また、損傷部２１の損傷周長ＣＬは、同様のHertz接触理論で求まるHertz接触幅と相関関係がある。上述した形状データ、Hertz接触理論で求まる損傷部２１の深さ寸法ＤＬおよび損傷部２１の損傷周長ＣＬに加えて、転動体４の傾きＤを得ることで、幾何学的に損傷軸長ＡＬを算出することができる。
　つまり、損傷判定部１３は、転がり軸受１に作用する負荷および形状データからHertz接触理論から求まるせん断応力が最大となる深さおよびHertz接触幅を求め、せん断応力が最大となる深さから深さ寸法ＤＬを算出し、Hertz接触幅から損傷周長ＣＬを算出する。そして、損傷判定部１３は、損傷部２１の深さ寸法ＤＬおよび損傷周長ＣＬと、転動体４の傾きＤと、を用いて幾何学的に損傷軸長ＡＬを算出する。
　図３は、転がり軸受における運転時間の経過に伴う転動体の傾きおよび損傷軸長の推移の一例を示す図である。この図において、横軸は運転時間を示し、縦軸は転動体４の傾きＤおよび損傷軸長ＡＬを示している。時刻Ｔ１１で初期損傷発生後は、損傷部２１は時間経過に伴って軸方向に進展し、損傷軸長ＡＬが転動体軸長ＲＬに達した時刻Ｔ１２の後は、これ以上損傷は進展せずに一定となる。
　損傷軸長ＡＬが増加している最中は転動体４の傾きＤは定められた損傷軸長ＡＬに達するまで増加する。また、定められた損傷軸長ＡＬに達した後は、転動体４の傾きＤが減少する。これは、損傷部２１の軸方向への進展に伴って損傷部２１の軸方向の対称性が回復していくことによるものと考えられる。そして、損傷軸長ＡＬが転動体軸長ＲＬに達すると、損傷部２１が軸方向に対称となって転動体４の傾きＤが損傷発生前の初期の傾きＤに戻る。
　損傷判定部１３は、上述した転動体４の傾きＤから、損傷軸長ＡＬなどの損傷形状を算出する処理を行う。すなわち、損傷判定部１３は、センサ１１の測定データに基づいて、転動体４が周方向に回転移動したときの傾きＤから、損傷の損傷軸長ＡＬを損傷状態として算出する。また、損傷判定部１３は、算出した損傷形状に基づいて、転がり軸受１の損傷状態および残寿命を算出することも可能である。従来の技術では、回転軸５の回転数、曲げ振動、傾斜、軸受の保持条件など、他の外乱の影響を受けるアキシアル方向加速度による診断のため、損傷形状を精度よく算出できなかった。しかし、実施の形態１においては、アキシアル方向加速度ではなく、転動体４が損傷部２１にはまったときの傾きＤを測定することで、他の外乱の影響を省いて幾何学的に損傷形状を精度よく算出することができる。
　ここで、従来の技術と比較した実施の形態１の効果について説明する。従来の技術の転がり軸受１の状態監視装置の構成では、回転数が低くなるほどアキシアル力が低下して軸方向加速度を抽出できない。回転数が低い場合は、起動停止時、メンテナンス点検における手回し回転時、低速回転機器などの場合である。逆に、従来の技術の転がり軸受１の状態監視装置の構成では、回転数が高くなるほど外乱振動が大きくなり、損傷起因による軸方向加速度が外乱振動に埋もれてしまい、軸方向加速度の検知が難しくなる。
　一方、実施の形態１においては、回転数に依らず安定して転動体４の傾きＤを検知することが可能である。特に回転数が低いまたは停止している環境において、アキシアル方向加速度では検知が不可能であった損傷形状を非常に高精度に算出することが可能になるという効果を有する。また、従来の技術では、アキシアル方向加速度の変曲点のタイミングでしか損傷軸長ＡＬを精度よく算出することはできなかった。しかし、実施の形態１では、転動体４の傾きＤの絶対値から幾何学的に損傷軸長ＡＬの絶対値を算出することができるため、変曲点のタイミングに限らずに損傷軸長ＡＬなどの損傷形状および損傷状態を常時算出することができるという効果も有する。
　また、損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤが定められた値よりも大きいときに、損傷軸長ＡＬは加速的に損傷が進展すると定められた範囲の長さにあると判定することができる。一例では、図３に示されるように、転動体４の傾きＤが定められた値Ａよりも大きいときには、損傷軸長ＡＬはＢ１以上Ｂ２以下の範囲にあることがわかる。転動体４の傾きＤが定められた値Ａよりも再び小さくなったときには、損傷軸長ＡＬがＢ２に達し、転動体軸長ＲＬに対して損傷軸長ＡＬが半分以上を占めている場合が多く、応力が極端に集中することから、損傷進展速度が加速する。このため、損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤが定められた値Ａよりも大きくなったときに異常を検知すれば、より具体的には、転動体４の傾きＤの値から、損傷軸長ＡＬが加速的に損傷が進展するとされる範囲の長さにあるかを判定すれば、加速的に進展する転がり軸受１の損傷、加速的に誘発する転がり軸受１、周辺機器および転がり軸受１を用いた回転機器の重度故障を未然に防ぐことが可能となる。
　以上説明したように、実施の形態１では、損傷検出装置１０は、転動体４の姿勢を測定するセンサ１１と、センサ１１によって測定された測定データに基づいて、転動体回転軌跡線６の接線であって転動体４の中心点４Ｃを通る接線まわりの転動体４の傾きＤを算出する傾き処理部１２と、転動体４の傾きＤに基づいて損傷状態を算出する損傷判定部１３と、を備える。この構成によって、損傷部２１にはまったときの転動体４の傾きＤから、損傷部２１の形状を幾何学的に計算し、損傷状態を精度よく算出することができる。また、幾何学的な算出方法であるため、転がり軸受１の運転条件、保持条件などの影響を受けにくく、損傷部２１の状態を常時、精度よく算出することができる。つまり、実施の形態１では、転がり軸受１の運転条件、保持条件などに影響されることなく損傷部２１の状態、具体的には、転がり軸受１の損傷軸長ＡＬなどの損傷形状および損傷状態を常時、精度よく算出することができる。
実施の形態２．
　実施の形態２に係る損傷検出装置１０について説明する。実施の形態２に係る損傷検出装置１０は、実施の形態１の構成と同様である。以下では、実施の形態１の図１および図２を参照して、実施の形態１と異なる点について説明する。
　図１および図２に示されるように、損傷周長ＣＬの範囲に転動体４の軌道面が位置しているときに転動体４は傾く。転動体４が周方向に回転する際に、損傷部２１にはまっている状態では、転動体４の傾きＤが定められた傾きよりも増加し、損傷部２１から抜け出した瞬間に、転動体４の傾きＤが定められた傾きよりも減少する。そこで、実施の形態２では、損傷判定部１３は、センサ１１の測定データに基づいて、転動体４が周方向に回転移動したときの傾きＤが定められた傾きよりも増加してから定められた傾きよりも減少するまでの時間である変動時間内における転動体４の周方向の移動量から損傷周長ＣＬを算出する。
　図４は、転がり軸受における運転時間の経過に伴う転動体の移動量、損傷周長および損傷軸長の推移の一例を示す図である。この図において、横軸は運転時間を示し、縦軸は転動体４の移動量、損傷周長ＣＬおよび損傷軸長ＡＬを示している。図４に示されるように、損傷周長ＣＬの時間変化率は転動体４の移動量の時間変化率と概ね一致することがわかる。このため、転動体４の移動量から損傷周長ＣＬを算出することができる。
　つまり、実施の形態２では、損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤの情報を基に、転動体４の周方向の移動量から損傷周長ＣＬを算出する。具体的には、転動体４が周方向に回転移動したときの転動体４の傾きＤが、定められた傾きよりも増加してから定められた傾きよりも減少するまでの変動時間内における転動体４の移動量から、損傷周長ＣＬを算出する。このように実施の形態２では、損傷判定部１３は、転動体４の周方向の移動量の実測値から損傷周長ＣＬを算出する。
　実施の形態２では、損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤの情報を基に、転動体４の周方向の移動量から損傷周長ＣＬを算出する。これによって、損傷軸長ＡＬを幾何学的に算出するために必要な損傷周長ＣＬに、Hertz接触理論により算出した値ではなく、実測で得たより精度の高い値が用いられる。この結果、実施の形態１に比して損傷軸長ＡＬの高精度な算出が可能になるという効果を有する。
　なお、損傷部２１が軸方向に進展している最中は、損傷部２１の周方向への進展速度は遅いが、軸方向への進展に伴って周方向への進展も進むという一定の相関関係があるため、損傷周長ＣＬから損傷軸長ＡＬを算出することができる。この相関関係を利用することで、損傷判定部１３は、転動体４の周方向の移動量から、損傷軸長ＡＬを算出することも可能である。つまり、損傷判定部１３は、転動体４の移動量が定められた距離よりも大きい場合に、損傷軸長ＡＬが定められた長さに達していると判定することができる。あるいは、損傷判定部１３は、損傷軸長ＡＬがどの程度の長さであるかを、転動体４の移動量から判定することができることを示している。一例では、損傷判定部１３は、転動体４の移動量が転動体４の半径よりも大きくなっているときには、損傷軸長ＡＬは既に転動体軸長ＲＬに達していると判断することができる。つまり、損傷判定部１３は、転動体４の移動量から、損傷軸長ＡＬが転動体軸長ＲＬに達しているかを判定することができる。
実施の形態３．
　実施の形態３に係る損傷検出装置１０について説明する。図５は、実施の形態３に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図である。図５では、回転軸５を通り、回転軸５に平行な転がり軸受１の断面を示している。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図５に示されるように、実施の形態３の損傷検出装置１０では、制御部１５は、傾き記憶部１４をさらに備える。傾き記憶部１４は、傾き処理部１２でセンサ１１の測定データに基づいて算出された転動体４の傾きＤを時系列で記憶する。すなわち、傾き記憶部１４は、転動体４の傾きＤの経時的な変化を記憶する。
　実施の形態３では、損傷判定部１３は、傾き記憶部１４に記憶された時系列の傾きＤの値に基づいて転動体４の傾きＤの経時的な変化率である転動体４の傾きＤの１階微分値を算出し、傾きＤの１階微分値から損傷状態を判定する。
　図６は、転がり軸受における運転時間の経過に伴う損傷軸長、転動体の傾き、および転動体の傾きの１階微分値の推移の一例を示す図である。この図において、横軸は運転時間を示し、縦軸は転動体４の傾きＤ、転動体４の傾きＤの１階微分値および損傷軸長ＡＬを示している。
　図６に示されるように、転動体４の傾きＤの１階微分値が定められた正の値ａよりも大きいときは、損傷軸長ＡＬは加速的に損傷が進展するとされる範囲の大きさ、すなわちｂ１以上ｂ２以下の範囲にあると判定することができる。損傷軸長ＡＬがｂ２に達すると、転動体軸長ＲＬに対して損傷軸長ＡＬが半分以上を占めている場合が多く、応力が極端に集中することから、損傷進展速度が加速する。このことを利用して、損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤの１階微分値が定められた正の値ａより大きくなったときに異常であると検知する、あるいは転動体４の傾きＤの１階微分値から、損傷軸長ＡＬは加速的に損傷が進展するとされる範囲の長さにあるかを判定する。これによって、転がり軸受１の損傷度を把握できるだけでなく、加速的に進展する転がり軸受１の損傷、並びに加速的に誘発する転がり軸受１、周辺機器および転がり軸受１を用いた回転機器の重度故障を未然に防ぐことが可能となる。
　また、転動体４の傾きＤの１階微分値が正の値から負の値に転じるＴ３１の時点では、損傷軸長ＡＬが定められた大きさｂ２に達したと判定することができる。このとき、転動体軸長ＲＬに対して損傷軸長ＡＬが半分以上を占めている場合が多く、上記のように応力が極端に集中し、損傷進展速度が加速すると考えられる。このため、転動体４の傾きＤの１階微分値が正の値から負の値に転じるときに、異常であると検知すること、あるいは損傷軸長ＡＬは加速的に損傷が進展するとされる範囲の長さに達したと判定することでも、同様の効果を得ることができる。
　さらに、転動体４の傾きＤの１階微分値が定められた下限値ｃより低くなるＴ３２の時点では、損傷軸長ＡＬが転動体軸長ＲＬに達するタイミングであると判定することができる。このとき、損傷部２１が周方向に進展する第２段階に移行するタイミングであり、振動または騒音が上限に達して、軸受損傷を起因としたギアなどの周辺部品にまでダメージを与え始めている状態と判断することができる。さらに、その後、転動体４の傾きＤの１階微分値の絶対値が定められた値ｄよりも小さくなることから、損傷軸長ＡＬが転動体軸長ＲＬに達した後、転動体軸長ＲＬのまま保持されていると判定できる。このとき、損傷部２１が周方向に進展する第２段階に既に移行しており、振動または騒音は既に上限を超え、軸受損傷を起因としたギアなどの周辺部品にまでダメージを与えている状態になっていると判断することができる。
　また、転動体４の傾きＤは連続的な時間推移を示すが、転動体４の傾きＤは変曲的に時間推移する。このため、転動体４の傾きＤを時系列で記憶したものを用いて転動体４の傾きＤの１階微分値を用いて変曲的なタイミングを検知することで、定められた範囲の大きさにある損傷軸長ＡＬをより感度よく算出することができる。
　以上のように、実施の形態３の損傷検出装置１０は、転動体４の傾きＤを時系列で記憶する傾き記憶部１４をさらに備え、損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤの経時的な変化率である転動体４の傾きＤの１階微分値を用いて、損傷の状態を判定する。これによって、損傷状態をより感度よく正確に算出することができる。
実施の形態４．
　実施の形態４に係る損傷検出装置１０について説明する。図７は、実施の形態４に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図である。図７では、回転軸５に垂直な断面の転がり軸受１の断面を示している。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図７に示されるように、転がり軸受１は、転がり軸受１に接続されるハウジング７をさらに備える。ハウジング７は、転動体４を軌道面で挟んだ状態の内輪２および外輪３を覆う。ハウジング７は、一例では、外輪３の外周に固定される。
　周方向に隣接する２個の転動体４の中心点４Ｃを結ぶ転動体回転軌跡線６の線上の周方向のピッチ角度を転動体ピッチ角ＣＩとする。また、周方向の位置を示す回転軸５の回転方向に向かった角度が、回転軸５の荷重方向に対して反対側の上端部の周方向の位置である場合を０度とし、荷重方向の下端部の周方向の位置である場合を１８０度とし、さらに上端部の周方向の位置である場合を３６０度とする。回転軸５の中心軸が荷重方向に対して角度を持ち、センサ１１のうち少なくとも１つは、１８０度から転動体ピッチ角ＣＩを引いた角度である（１８０－ＣＩ）度から、１８０度に転動体ピッチ角ＣＩを足した角度である（１８０＋ＣＩ）度までの範囲内に存在して、転がり軸受１の内輪２、外輪３または転がり軸受１に接続されたハウジング７に備え付けられている。
　内輪２、外輪３または転動体４の軌道面に発生する損傷は、負荷が最大となる鉛直下方に位置する転動体４１との接触時に接触面で発生する確率が高い。ハウジング７に固定されている外輪３の損傷を検知するためには、損傷発生位置にセンサ１１を配置する必要がある。実施の形態４では、センサ１１は、１８０度から転動体ピッチ角ＣＩを引いた角度である（１８０－ＣＩ）度から、１８０度に転動体ピッチ角ＣＩを足した角度である（１８０＋ＣＩ）度までの範囲内に設けられる。この範囲にセンサ１１を設けることによって、最小限のセンサ１１の数で、確実に損傷部２１を検知する効果を得られる。また、回転軸５と一体となって回転する内輪２、および内輪２の回転に伴って回転する転動体４は、回転軸５を回転させる等して、移動させることができる。このため、回転軸５と一体となって回転する内輪２、あるいは内輪２の回転に伴って回転する転動体４の損傷位置についても、１８０度から転動体ピッチ角ＣＩを引いた角度である（１８０－ＣＩ）度から、１８０度に転動体ピッチ角ＣＩを足した角度である（１８０＋ＣＩ）度までの範囲内に移動させることが可能である。つまり、内輪２または転動体４の損傷についても、最小限のセンサ１１の数で、確実に検知することができる。このため、実施の形態１から３に示した損傷検出装置１０において、センサ１１は、１８０度から転動体ピッチ角ＣＩを引いた角度である（１８０－ＣＩ）度から、１８０度に転動体ピッチ角ＣＩを足した角度である（１８０＋ＣＩ）度までの範囲内に設けられることが望ましい。
　実施の形態４では、センサ１１の設置位置を、１８０度から転動体ピッチ角ＣＩを引いた角度である（１８０－ＣＩ）度から、１８０度に転動体ピッチ角ＣＩを足した角度である（１８０＋ＣＩ）度までの範囲内とした。これによって、損傷が発生する確率が高い負荷が最大となる鉛直下方に位置する転動体４１を検知することができるので、最小限のセンサ１１の数で、確実に損傷を検知する効果を得られる。また、回転軸５と一体となって回転する内輪２、内輪２の回転に伴って回転する転動体４は回転軸５を回転させることで、センサ１１の設置位置まで移動させることができるので、回転軸５と一体となって回転する内輪２、内輪２の回転に伴って回転する転動体４の損傷についても、最小限のセンサ１１の数で損傷を検知することができる。
実施の形態５．
　実施の形態５に係る損傷検出装置１０について説明する。図８および図９は、実施の形態５に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図である。図８および図９では、回転軸５を通り、回転軸５に平行な転がり軸受１の断面を示している。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　実施の形態１から４で説明したセンサ１１は、図８の矢印Ｅで示されるように転動体４の軸方向、あるいは図９の矢印Ｒで示されるように転動体４の径方向の変位情報などを含む位置情報を検知する。このような転動体４の軸方向の変位または径方向の変位を検知するセンサ１１として、渦電流式のギャップセンサ、レーザセンサ、赤外線センサ、カメラなどを用いることができる。
　転動体４は、軸方向に非対称に傾くため、転動体４の傾きＤに伴って、転動体４の軸方向側面は軸方向および径方向に変位する。このため、これらの変位を検知することで、転動体４の傾きＤに換算することが可能である。基本的には、転動体４の軸方向の中心点４Ｃの近傍まわりに回転する形で転動体４は傾きＤ、転動体４の中心点４Ｃから径方向に離れた位置ほど軸方向変位が大きくなる。このため、軸方向の変位を検知するセンサ１１を、転動体４の中心点４Ｃから径方向になるべく離れた位置に取り付けることが望ましい。これによって、転動体４の傾きＤを算出する精度が高まり、結果として損傷軸長ＡＬなどの損傷状態を算出する精度も高まる。
　また、径方向の位置の異なる２個のセンサ１１を転動体４の軸方向の両側面に配置してもよい。２個の軸方向変位情報を組み合わせることで、転動体４の傾きＤの回転中心位置を正確に求めることができる。このため、傾き処理部１２および損傷判定部１３は、転動体４の傾きＤおよび損傷軸長ＡＬなどの損傷状態を幾何学的に精度よく算出することができる。
　さらに、転動体４の径方向の変位を検知する２個のセンサ１１を径方向の両側面に配置してもよい。２個の径方向変位情報と転動体軸長ＲＬとを用いて、転動体４の傾きＤを幾何学的に精度よく算出することができる。このため、損傷判定部１３は、損傷軸長ＡＬなどの損傷状態も精度よく算出することができる。この２個の径方向変位は、それぞれ径方向の向きが反対の変位になる。このため、ノイズまたは外乱振動の影響を省いて、この反対の変位成分のみを抽出することで、損傷軸長ＡＬなどの損傷状態も精度よく算出することができる他、損傷初期の段階から損傷の有無を検知しやすいという効果がある。
　また、センサ１１に、金属のみに反応する渦電流式のギャップセンサなどを用いることで、転動体４の周辺にある樹脂製の保持器またはグリースなどの油分の影響を省いて精度よく転動体４の傾きＤを検知することができる。
　実施の形態５では、センサ１１として、転動体４の軸方向、または転動体４の径方向の変位情報などを含む位置情報を検知する渦電流式のギャップセンサ、レーザセンサ、赤外線センサ、カメラなどを用いる。これによって、転動体４の傾きＤ、損傷軸長ＡＬなどの損傷状態を精度よく算出することができるという効果を有する。
実施の形態６．
　実施の形態６に係る損傷検出装置１０について説明する。図１０は、実施の形態６に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図である。図１０では、回転軸５を通り、回転軸５に平行な転がり軸受１の断面を示している。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　実施の形態６では、センサ１１は、転動体４からの光、レーザ、音などの反射波を検知するものである。一例では、図１０に示されるように、損傷検出装置１０のセンサ１１は、発信部１１ａと、受信部１１ｂと、を有する。発信部１１ａは、光、レーザ、音などの転動体４の状態を検知するための波である検査波を発信する。受信部１１ｂは、光、レーザ、音などの検査波が転動体４で反射された反射波を検知する。発信部１１ａによって検査波を転動体４に向けて発信することで、反射波をより大きくすることができる。発信部１１ａと受信部１１ｂとは、異なる位置に配置されていてもよいし、発信部１１ａと受信部１１ｂとが一体となって構成されていてもよい。
　転動体４が損傷部２１にはまって傾いたとき、反射波の向きが変化するため、反射波の向きおよび強度の変化を検知することで、転動体４の傾きＤを算出することができる。また、転動体４からの反射波を検知する構成となっているため、その他の外乱の影響を省くことができ、精度よく転動体４の傾きＤを算出することができる。さらに、転動体４が任意の傾きＤとなったときに、発信部１１ａから発信された検査波が転動体４の軸方向側面で反射した直線上にセンサ１１の受信部１１ｂが存在するようにセンサ１１を配置してもよい。このようにすることで、転動体４が任意の傾きＤとなったタイミングで反射波の強度を最大になるように調整することが可能である。つまり、使用環境に合わせて設定した任意の損傷閾値に対応する角度で反射波の強度が最大となるので、損傷の進捗度合いを高精度に算出することが可能である。
　実施の形態６では、センサ１１は、検査波を転動体４に発信する発信部１１ａと、転動体４で反射された反射波を受信する受信部１１ｂと、を備える。反射波の向きおよび強度の変化によって転動体４の傾きＤを、その他の外乱の影響を除いて算出することができるという効果を有する。
実施の形態７．
　実施の形態７に係る損傷検出装置１０について説明する。図１１は、実施の形態７に係る損傷検出装置の構成の一例を示す図である。図１１では、回転軸５を通り、回転軸５に平行な転がり軸受１の断面を示している。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図１１に示されるように、実施の形態７に係る損傷検出装置１０は、転がり軸受１または転がり軸受１に接続されたハウジング７の位置において、径方向の成分を含む転動体４の変位または加速度を測定するセンサ１１ｃと、軸方向の成分を含む転動体４の変位または加速度を測定するセンサ１１ｄと、を備える。すなわち、センサ１１が２つのセンサ１１ｃ，１１ｄによって構成される。このようなセンサ１１ｃ，１１ｄとして、加速度センサ、機械式変位センサ等を用いることができる。なお、図１１の例では、回転軸５に対して鉛直方向の上方の転動体４の近傍のハウジング７にセンサ１１ｃ，１１ｄが配置されている。センサ１１ｃは、第１センサに対応し、センサ１１ｄは、第２センサに対応する。
　転動体４が損傷部２１にはまって傾いたとき、傾きＤが大きいほど、転動体４から内輪２および外輪３に作用する衝撃力の軸方向成分が大きくなり、転がり軸受１または転がり軸受１に接続されたハウジング７に発生する変位または加速度の軸方向成分も大きくなる。また、変位または加速度の径方向成分に対する軸方向成分の比率は、転動体４の傾きＤが大きいほど大きくなる。実施の形態７の構成によれば、センサ１１ｃおよびセンサ１１ｄにより、径方向成分を含む変位または加速度と、軸方向成分を含む変位または加速度と、の比率が求まる。この変位または加速度の比率は、転動体４の傾きＤと相関関係がある。一例では、径方向成分を含む変位または加速度と、軸方向成分を含む変位または加速度と、の比率は、転動体４の傾きＤと比例関係がある。つまり、実施の形態７では、傾き処理部１２は、センサ１１ｃおよびセンサ１１ｄの測定データに基づいて、径方向成分を含む変位または加速度と、軸方向成分を含む変位または加速度と、の比率から転動体４の傾きＤを算出する。そして、損傷判定部１３は、算出した転動体４の傾きＤを用いて、転がり軸受１の損傷軸長ＡＬなどの損傷状態を算出することができる。
　また、振動の基となる転動体４の傾きＤによる衝撃力は、グリースなどの油分による潤滑の影響を受けにくいため、転動体４の周辺にあるグリースなどの油分の影響を省いて精度よく転動体４の傾きＤを検知することができる。
　実施の形態７の損傷検出装置１０では、転がり軸受１または転がり軸受１に接続されたハウジング７の位置に、径方向の成分を含む転動体４の変位または加速度を測定するセンサ１１ｃと、軸方向の成分を含む転動体４の変位または加速度を測定するセンサ１１ｄと、を備える。センサ１１ｃ，１１ｄによって検出された径方向成分を含む変位または加速度と、軸方向成分を含む変位または加速度と、の比率から、転動体４の傾きＤおよび損傷状態を、潤滑油の影響を除いて算出することができる。
実施の形態８．
　実施の形態８に係る転がり軸受１について説明する。実施の形態８の転がり軸受１は、内輪２と、外輪３と、外輪３の軌道面と内輪２の軌道面との間に配置され、内輪２の回転、外輪３の回転、または内輪２および外輪３の両方の回転に伴って転動する複数の転動体４と、回転軸５と、実施の形態１から７のいずれかに記載の損傷検出装置１０と、を備える。つまり、転がり軸受１が、実施の形態１から７のいずれか１つに記載の損傷検出装置１０を備える構成となっている。
　一般に、転がり軸受１を備える電動機などの回転機器では、転がり軸受１への負荷が最も大きく、最初に損傷しやすい傾向にある。転がり軸受１の損傷が大きくなると、回転軸５を含めた回転機器全体が不安定な挙動となり、転がり軸受１の周辺機器および回転軸５、ギアおよびカップリング、固定子、ハウジング７、フレームなどの損傷に繋がる。実施の形態８では、電動機などの回転機器に設けられる転がり軸受１などを対象として、損傷検出装置１０を備え付けることで、転がり軸受１の損傷状態を判定することができるだけでなく、回転機器全体の損傷状態も判定することができる。また、転がり軸受１の損傷状態を早期に把握し、故障対策を行うことで、回転機器全体の重大な故障を予防することもできる。
　ここで、損傷検出装置１０の制御部１５のハードウェア構成について説明する。図１２は、実施の形態１から７に係る損傷検出装置の制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。
　制御部１５は、図１２に示される制御回路１００、すなわちプロセッサ１０１およびメモリ１０２により実現することができる。プロセッサ１０１の例は、ＣＰＵ（中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital　Signal　Processor）ともいう）またはシステムＬＳＩ（Large　Scale　Integration）である。メモリ１０２の例は、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）またはＲＯＭ（Read　Only　Memory）である。
　プロセッサ１０１がメモリ１０２に記憶されている制御部１５での処理を実行するためのプログラムである制御プログラムを読み出して実行することによって、制御部１５の機能は実現される。また、この制御プログラムは、制御部１５における損傷検出装置１０の制御方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。制御部１５で実行される制御プログラムは、センサ１１から取得した測定データから転動体４の傾きＤを算出する処理、および転動体４の傾きＤから損傷部２１の損傷軸長ＡＬを含む損傷状態を算出する損傷判定処理をモジュール化したモジュール構成となっており、これらが主記憶装置上にロードされ、これらが主記憶装置上に生成される。
　メモリ１０２は、プロセッサ１０１が各種処理を実行する際の一時メモリに使用される。また、実施の形態３では、メモリ１０２は、転動体４の傾きＤを時系列で記憶する傾き記憶部１４として使用される。
　プロセッサ１０１が実行する制御プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルで、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供されてもよい。また、プロセッサ１０１が実行する制御プログラムは、インターネットなどのネットワーク経由で損傷検出装置１０の制御部１５に提供されてもよい。
　また、制御部１５を専用のハードウェアで実現してもよい。また、制御部１５の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。
　上記実施の形態１から８のいずれかに係る損傷検出装置１０では、図１、図２、図５、図７から図１１に示した内輪２は回転軸５とともに回転する構成となっているが、内輪２と一体となった軸が回転固定されていてもよい。また、外輪３はハウジング７に固定された構成を示したが、外輪３がその外側に備えた回転軸５と一体となって回転する構成になっていてもよい。さらに、内輪２および外輪３が共に別々の回転軸５と一体となって回転する構成になっていてもよい。
　上記実施の形態１から８のいずれかに係る損傷検出装置１０では、図１、図２、図５、図７から図１１に示した回転軸５、内輪２および外輪３がもともと傾斜しておらず水平な状態を示した。しかし、上記実施の形態１から８のいずれかに係る損傷検出装置１０は、円すいころ軸受など、水平方向に対して予め傾斜している場合、あるいは取付け時のアライメントまたは運転時の曲げ振動などにより回転軸５が水平方向に対して傾斜する場合などにおいても、回転軸５、内輪２および外輪３の傾斜の角度と転動体４の傾きＤとから幾何学的に損傷軸長ＡＬなどの損傷状態を算出することができる。なお、回転軸５、内輪２および外輪３の傾斜の角度が既定の値より小さいときは無視することも可能である。また、転動体４の傾きＤの時間推移曲線における変曲点を用いた検知、あるいは転動体４の傾きＤの経時的な変化率である傾きＤの１階微分値を用いた検知を行うことによっても、回転軸５、内輪２および外輪３の傾斜の角度の影響を無視することが可能である。
　上記実施の形態１から８のいずれかに係る損傷検出装置１０では、図１、図２、図５、図７から図１０に示したセンサ１１の個数は１個であるが、センサ１１の個数が２個以上であってもよい。また、図１１に示したセンサ１１の個数は２個であるが、センサ１１の個数が３個以上であってもよい。さらに、センサ１１の配置位置または形状についても、図１、図２、図５、図７から図１１に示した配置位置または形状には限定されない。
　上記実施の形態１から８のいずれかに係る損傷検出装置１０では、転動体４の個数および配置は、図１、図２、図５、図７から図１１に示した個数および配置に限定されない。
　上記実施の形態１から８のいずれかに係る損傷検出装置１０は、グリースなどの潤滑剤が供給されている転がり軸受１、グリースなどの潤滑剤が供給されていない転がり軸受１、回転運転中の転がり軸受１、および回転停止中の転がり軸受１も含めて、損傷状態を判定することができる。
　なお、この明細書において、「軸方向」、「径方向」、「周方向」、「直線上」等の方向を表す表現は、厳密にそのような方向を含むだけでなく、実質的に同じ機能が得られる方向も含むものである。また、この明細書において、「備える」、「設ける」、「含む」および「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現を意味するものではない。
　本開示には、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独でまたは様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本開示の技術の範囲内において想定される。一例では、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。また、以上の実施の形態に示した構成は、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるる。つまり、以上の実施の形態に示した構成は、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　１　転がり軸受、２　内輪、３　外輪、４，４１，４２，４３　転動体、４Ｃ　中心点、５　回転軸、６　転動体回転軌跡線、７　ハウジング、１０　損傷検出装置、１１，１１ｃ，１１ｄ　センサ、１１ａ　発信部、１１ｂ　受信部、１２　傾き処理部、１３　損傷判定部、１４　傾き記憶部、１５　制御部、２１　損傷部、ＡＬ　損傷軸長、ＣＩ　転動体ピッチ角、ＣＬ　損傷周長、ＤＬ　深さ寸法、ＲＬ　転動体軸長。

Claims (16)

  1. 　内輪と、外輪と、前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に配置され、前記内輪の回転、前記外輪の回転、あるいは前記内輪および前記外輪の両方の回転に伴って転動する複数の転動体と、前記内輪または前記外輪と一体となって回転する回転軸と、を備える転がり軸受の損傷の状態を検知する損傷検出装置であって、
    　前記回転軸の中心に向かう方向を径方向とし、前記回転軸の軸長に沿った方向を軸方向とし、前記回転軸の回転方向を周方向とし、前記転動体が前記周方向に回転したときに前記転動体の中心点が描く前記周方向の軌跡を転動体回転軌跡線とし、
    　前記転動体の姿勢を検知するセンサと、
    　前記センサで検知された測定データに基づいて、前記転動体回転軌跡線の接線であって前記転動体の中心点を通る前記接線まわりの前記転動体の傾きを算出する傾き処理部と、
    　前記傾きに基づいて前記損傷の状態を算出する損傷判定部と、
    　を備えることを特徴とする損傷検出装置。
  2. 　前記損傷判定部は、前記センサの測定データに基づいて、前記転動体が前記周方向に回転移動したときの前記傾きから、前記損傷の前記軸方向の長さである損傷軸長を前記損傷の状態として算出することを特徴とする請求項１に記載の損傷検出装置。
  3. 　前記損傷判定部は、前記傾きの値から、前記損傷軸長が加速的に前記損傷が進展するとされる範囲の長さにあるかを判定することを特徴とする請求項２に記載の損傷検出装置。
  4. 　前記損傷判定部は、前記センサの測定データに基づいて、前記転動体が前記周方向に回転移動したときの前記傾きが、定められた傾きよりも増加してから前記定められた傾きよりも減少するまでの時間である変動時間内における前記転動体の移動量から、前記損傷の前記周方向の長さである損傷周長を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の損傷検出装置。
  5. 　前記損傷判定部は、前記センサの測定データに基づいて、前記傾きと前記損傷周長から前記損傷の前記軸方向の長さである損傷軸長を算出することを特徴とする請求項４に記載の損傷検出装置。
  6. 　前記損傷判定部は、前記転動体の移動量から、前記損傷軸長が前記転動体の前記軸方向の長さである転動体軸長に達しているかを判定することを特徴とする請求項５に記載の損傷検出装置。
  7. 　前記傾きの経時的な変化を記憶する傾き記憶部をさらに備え、
    　前記損傷判定部は、前記傾き記憶部の記憶値に基づいて、前記傾きの経時的な変化率である前記傾きの１階微分値から、前記損傷の状態を算出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の損傷検出装置。
  8. 　前記損傷判定部は、前記傾きの１階微分値から、前記損傷の前記軸方向の長さである損傷軸長は加速的に前記損傷が進展するとされる範囲の長さにあるかを判定することを特徴とする請求項７に記載の損傷検出装置。
  9. 　前記損傷判定部は、前記傾きの１階微分値が正の値から負の値に転じた場合に、前記損傷の前記軸方向の長さである損傷軸長は加速的に前記損傷が進展するとされる範囲の長さに達したと判定することを特徴とする請求項７に記載の損傷検出装置。
  10. 　前記損傷判定部は、前記傾きの１階微分値が定められた下限値より低くなった場合に、前記損傷の前記軸方向の長さである損傷軸長が前記転動体の前記軸方向の長さに達していると判定することを特徴とする請求項７に記載の損傷検出装置。
  11. 　前記周方向に隣接する２個の前記転動体の中心点を結ぶ前記転動体回転軌跡線上の前記周方向のピッチ角度を転動体ピッチ角とし、
    　前記周方向の位置を示す前記回転軸の回転方向に向かった角度が、前記回転軸の荷重方向に対して反対側の上端部の前記周方向の位置を０度とし、前記荷重方向の下端部の前記周方向の位置を１８０度とし、さらに前記上端部の前記周方向の位置を３６０度とすると、
    　前記回転軸の中心軸が前記荷重方向に対して角度を持ち、
    　前記センサのうち少なくとも１つは、１８０度から前記転動体ピッチ角を引いた角度から、１８０度に前記転動体ピッチ角を足した角度までの範囲内に存在して、前記内輪、前記外輪、または前記転がり軸受に接続されるハウジングに取り付けられることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の損傷検出装置。
  12. 　前記センサのうち少なくとも１つは、前記転動体の前記軸方向の位置情報を検知するセンサであることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の損傷検出装置。
  13. 　前記センサのうち少なくとも１つは、前記転動体の前記径方向の位置情報を検知するセンサであることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の損傷検出装置。
  14. 　前記センサのうち少なくとも１つは、前記転動体からの光、レーザまたは音波の反射波を検知するセンサであることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１つに記載の損傷検出装置。
  15. 　前記センサのうち少なくとも１つは、前記転がり軸受または前記転がり軸受に接続されたハウジングの位置において、前記径方向の成分を含む変位または加速度を測定する第１センサと、前記軸方向の成分を含む変位または加速度を測定する第２センサと、を有し、
    　前記傾き処理部は、前記径方向の成分を含む変位または加速度と、前記軸方向の成分を含む変位または加速度と、の比率から、前記傾きを算出することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１つに記載の損傷検出装置。
  16. 　内輪と、
    　外輪と、
    　前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に配置され、前記内輪の回転、前記外輪の回転、または前記内輪および前記外輪の両方の回転に伴って転動する複数の転動体と、
    　前記内輪または前記外輪と一体となって回転する回転軸と、
    　請求項１から１５のいずれか１つに記載の損傷検出装置と、
    　を備えることを特徴とする転がり軸受。
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JPS63251619A (ja) * 1987-04-03 1988-10-19 Nippon Seiko Kk 鍔付ころ軸受の運転監視方法
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