(57)【要約】【課題】軸受交換時期を予測可能な転がり軸受の状態監視装置及び状態監視方法を提供する。【解決手段】複数の転動体１８が静止輪１２と回転輪１６との間に周方向に一定の間隔で配置され、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受１０の状態監視装置１００は、損傷検出部１０６と、予測部１０８とを備える。損傷検出部１０６は静止輪１２の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出する。予測部１０８は、負荷域中央から周方向に上記間隔だけ離れた位置において、損傷検出部１０６によって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測する。【選択図】図１
2020143947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の転動体が回転輪と静止輪との間に周方向に一定の間隔で配置され、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視装置であって、
前記静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出する損傷検出部と、
前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において、前記損傷検出部によって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測する予測部とを備え、
前記予測部は、前記損傷検出部が損傷を検出するまでの第１の総負荷回数と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第１の最大接触面圧と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第２の最大接触面圧と、前記損傷検出部が損傷を検出した後に、前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第２の総負荷回数との関係を用いて前記交換時期を予測し、
前記第１の最大接触面圧と前記第２の最大接触面圧とは、いずれも前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧である、転がり軸受の状態監視装置。
【請求項２】
前記予測部は、
前記転がり軸受に負荷される第１のラジアル荷重に基づいて、前記第１の最大接触面圧と前記第２の最大接触面圧とを算出し、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第１の最大接触面圧となる第２のラジアル荷重を算出し、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第２の最大接触面圧となる第３のラジアル荷重を算出し、
前記第２のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第１の基本定格寿命を算出し、
前記第３のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第２の基本定格寿命を算出し、
前記第１の総負荷回数と、前記第１の基本定格寿命と、前記第２の基本定格寿命と、前記損傷が生じてから前記交換時期までの前記転がり軸受の第２の総負荷回数との関係式を用いて、前記第２の総負荷回数を算出する、請求項１に記載の転がり軸受の状態監視装置。
【請求項３】
前記転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成され、
前記風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記予測部により予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制する、請求項１または２に記載の転がり軸受の状態監視装置。
【請求項４】
前記転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成され、
前記風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記予測部により予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制するように構成され、
前記制御部は、
前記所望の交換時期に基づいた、前記損傷検出部が損傷を検出した後に、前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第３の総負荷回数と、前記第１の総負荷回数と、前記第１の基本定格寿命と、第３の基本定格寿命との関係式を用いて、前記第３の基本定格寿命を算出し、
前記第３の基本定格寿命と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第４のラジアル荷重を算出し、
前記転がり軸受に前記第４のラジアル荷重が負荷される場合に、前記負荷域中央において前記転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が前記第２の最大接触面圧となる第５のラジアル荷重を算出し、
前記転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と前記発電電力との予め準備された関係を用いて、前記第５のラジアル荷重に基づいて前記発電電力の抑制率を算出し、
前記損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、前記抑制率を用いて抑制する、請求項２に記載の転がり軸受の状態監視装置。
【請求項５】
前記転がり軸受の内外輪間のラジアル方向の相対変位を検出するための変位検出部をさらに備え、
前記損傷検出部は、前記変位検出部によって検出された相対変位に基づいて、前記損傷が生じたことを検出する、請求項１から４のいずれか１項に記載の転がり軸受の状態監視装置。
【請求項６】
前記変位検出部は、前記相対変位を検出する変位センサを含む、請求項５に記載の転がり軸受の状態監視装置。
【請求項７】
前記変位検出部は、前記転がり軸受の振動加速度、前記転がり軸受から生じる音、及び前記転がり軸受に生じる応力のうちの少なくとも１つの測定値と前記相対変位との予め準備された関係を用いて、前記測定値に基づいて前記相対変位を間接的に検出する、請求項５または請求項６に記載の転がり軸受の状態監視装置。
【請求項８】
複数の転動体が回転輪と静止輪との間に周方向に一定の間隔で配置され、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視方法であって、
前記静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出するステップと、
前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において、前記損傷を検出するステップによって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測するステップとを含み、
前記予測するステップは、前記損傷を検出するステップが損傷を検出するまでの第１の総負荷回数と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第１の最大接触面圧と、前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第２の最大接触面圧と、前記損傷を検出するステップが損傷を検出した後に、前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第２の総負荷回数との関係を用いて前記交換時期を予測し、
前記第１の最大接触面圧と前記第２の最大接触面圧とは、いずれも前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧である、転がり軸受の状態監視方法。
【請求項９】
前記予測するステップは、
前記転がり軸受に負荷される第１のラジアル荷重に基づいて、前記第１の最大接触面圧と前記第２の最大接触面圧とを算出するステップと、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第１の最大接触面圧となる第２のラジアル荷重を算出するステップと、
前記負荷域中央において転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が、前記第２の最大接触面圧となる第３のラジアル荷重を算出するステップと、
前記第２のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第１の基本定格寿命を算出するステップと、
前記第３のラジアル荷重と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第２の基本定格寿命を算出するステップと、
前記第１の総負荷回数と、前記第１の基本定格寿命と、前記第２の基本定格寿命と、前記損傷が生じてから前記交換時期までの前記転がり軸受の第２の総負荷回数との関係式を用いて、前記第２の総負荷回数を算出するステップとを含む、請求項８に記載の転がり軸受の状態監視方法。
【請求項１０】
前記転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成され、
前記風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含み、
前記制御するステップは、前記予測するステップにより予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制する、請求項８または９に記載の転がり軸受の状態監視方法。
【請求項１１】
前記転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成され、
前記風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含み、
前記制御するステップは、前記予測するステップにより予測された前記交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、前記損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、当該時点より前の前記発電電力に比べて抑制するように構成され、
前記制御するステップは、
前記所望の交換時期に基づいた、前記損傷検出部が損傷を検出した後に、前記負荷域中央から周方向に前記間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第３の総負荷回数と、前記第１の総負荷回数と、前記第１の基本定格寿命と、第３の基本定格寿命との関係式を用いて、前記第３の基本定格寿命を算出するステップと、
前記第３の基本定格寿命と前記転がり軸受の基本動定格荷重とから第４のラジアル荷重を算出するステップと、
前記転がり軸受に前記第４のラジアル荷重が負荷される場合に、前記負荷域中央において前記転動体と前記軌道面との間に生じる最大接触面圧が前記第２の最大接触面圧となる第５のラジアル荷重を算出するステップと、
前記転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と前記発電電力との予め準備された関係を用いて、前記第５のラジアル荷重に基づいて前記発電電力の抑制率を算出するステップと、
前記損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の前記発電電力を、前記抑制率を用いて抑制するステップとを含む、請求項９に記載の転がり軸受の状態監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受の状態監視装置および転がり軸受の状態監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１０−１５９７１０号公報（特許文献１）は、風力発電装置の主軸軸受（転がり軸受）の状態を監視する監視装置を開示する。この監視装置は、荷重検出手段と、判定手段とを備える。荷重検出手段は、主軸軸受に作用する負荷荷重を検出する。判定手段は、荷重検出手段の検出信号を判定情報の一つとして用いて、上記主軸軸受に関する所定の判定、たとえばメンテナンス必要時期の判定を行なう。
【０００３】
この監視装置によれば、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測等の判定を精度良く行なうことができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５９７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
風力発電装置の主軸軸受のように、交換が容易ではなく、かつ、比較的低速条件で使用される軸受（転がり軸受）は、損傷が発生しても継続使用されることが多い。そのために、このような軸受については、損傷の進展に従って軸受を交換する時期の予測が課題となっている。
【０００６】
低速条件で使用される転がり軸受については、損傷が進展しても、装置の構成部品（たとえば、風力発電装置において主軸に連結される増速機など）が損壊する程までには振動は増大しない。しかしながら、損傷が進展することにより内外輪間の相対変位（静止輪に対する回転輪のぶれを示す。）が増大すると、軸受が支持している部品の変位による弊害が生じ、軸受が支持している部品とそれに隣接する部品との異常接触や、歯車の噛み合い不良等を生じ得る。たとえば、風力発電装置の場合には、主軸軸受の損傷による内外輪間の相対変位の増大は、主軸に連結される増速機の歯車の噛み合い不良等を生じ得る。したがって、風力発電装置の主軸軸受のような低速条件で使用される転がり軸受については、内外輪間の相対変位に基づいて軸受の交換時期を予測するのが望ましい。
【０００７】
なお、このような低速条件で使用される転がり軸受としては、風力発電装置用の軸受のほか、たとえば、潮力発電装置用の軸受や、大型の圧延ローラやガイドローラ用の軸受等が想定される。
【０００８】
軸受の交換時期の根拠とする内外輪間の相対変位の許容量については、軸受が支持する部品に基づいて決定し得るが、この場合は、軸受が支持する部品の寸法精度に加えて、部品の組立精度や温度分布等も考慮する必要があり、軸受が支持する部品から内外輪間の相対変位の許容量を決定するのは容易ではない。
【０００９】
上記特許文献１に記載の監視装置は、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測を精度良く行なうことができる一手法を提供するものとして有用であるけれども、損傷が生じつつも継続使用される軸受の交換時期の予測については、精度改善の余地がある。
【００１０】
本願発明者らは、軸受交換時期の予測を実現するにあたり、転がり軸受の損傷の進展について種々の検討及び実験を行なった結果、静止輪に対する転動体の総通過回数（転がり軸受の総回転回数に比例する。）の増加に応じて内外輪間の相対変位が段階的に増大し、所定の段階から相対変位が軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大することの知見を得た。そして、本願発明者らは、さらに検討を深めた結果、転がり軸受の損傷について、段階的に増大する相対変位の各段階における損傷状況と損傷の進展メカニズムについて知見を得るに至った。
【００１１】
それゆえに、この発明の主たる目的は、軸受交換時期を予測可能な転がり軸受の状態監視装置および状態監視方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明によれば、転がり軸受の状態監視装置は、複数の転動体が回転輪と静止輪との間に周方向に一定の間隔で配置され、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視装置である。転がり軸受の状態監視装置は、静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出する損傷検出部と、負荷域中央から周方向に上記間隔だけ離れた位置において、損傷検出部によって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測する予測部とを備える。予測部は、損傷検出部が損傷を検出するまでの第１の総負荷回数と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第１の最大接触面圧と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第２の最大接触面圧と、損傷検出部が損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第２の総負荷回数との関係を用いて交換時期を予測する。第１の最大接触面圧と第２の最大接触面圧とは、いずれも負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧である。
【００１３】
好ましくは、予測部は、転がり軸受に負荷される第１のラジアル荷重に基づいて、第１の最大接触面圧と第２の最大接触面圧とを算出する。予測部は、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第１の最大接触面圧となる第２のラジアル荷重を算出する。予測部は、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第２の最大接触面圧となる第３のラジアル荷重を算出する。予測部は、第２のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第１の基本定格寿命を算出する。予測部は、第３のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第２の基本定格寿命を算出する。予測部は、第１の総負荷回数と、第１の基本定格寿命と、第２の基本定格寿命と、損傷が生じてから交換時期までの転がり軸受の第２の総負荷回数との関係式を用いて、第２の総負荷回数を算出する。
【００１４】
好ましくは、転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成される。転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備える。制御部は、予測部により予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制する。
【００１５】
好ましくは、転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成される。転がり軸受の状態監視装置は、風力発電装置の発電電力を制御する制御部をさらに備える。制御部は、予測部により予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制するように構成される。制御部は、所望の交換時期に基づいた、損傷検出部が損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第３の総負荷回数と、第１の総負荷回数と、第１の基本定格寿命と、第３の基本定格寿命との関係式を用いて、第３の基本定格寿命を算出する。制御部は、第３の基本定格寿命と転がり軸受の基本動定格荷重とから第４のラジアル荷重を算出する。制御部は、転がり軸受に第４のラジアル荷重が負荷される場合に、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が第２の最大接触面圧となる第５のラジアル荷重を算出する。制御部は、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と発電電力との予め準備された関係を用いて、第５のラジアル荷重に基づいて発電電力の抑制率を算出する。制御部は、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、抑制率を用いて抑制する。
【００１６】
好ましくは、転がり軸受の状態監視装置は、転がり軸受の内外輪間のラジアル方向の相対変位を検出するための変位検出部をさらに備える。損傷検出部は、変位検出部によって検出された相対変位に基づいて、損傷が生じたことを検出する。
【００１７】
好ましくは、変位検出部は、相対変位を検出する変位センサを含む。
好ましくは、変位検出部は、転がり軸受の振動加速度、転がり軸受から生じる音、及び転がり軸受に生じる応力のうちの少なくとも１つの測定値と相対変位との予め準備された関係を用いて、測定値に基づいて相対変位を間接的に検出する。
【００１８】
また、この発明によれば、転がり軸受の状態監視方法は、複数の転動体が回転輪と静止輪との間に周方向に一定の間隔で配置され、ラジアル荷重を受けて使用される転がり軸受の状態監視方法である。転がり軸受の状態監視方法は、静止輪の軌道面の負荷域中央に生じる損傷を検出するステップと、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において、損傷を検出するステップによって検出された損傷に起因して新たな損傷が発生する時期を交換時期として予測するステップとを含む。予測するステップは、損傷を検出するステップが損傷を検出するまでの第１の総負荷回数と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じるとした場合の第１の最大接触面圧と、負荷域中央において転動体と軌道面との間に接触面圧が生じないとした場合の第２の最大接触面圧と、損傷を検出するステップが損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第２の総負荷回数との関係を用いて交換時期を予測する。第１の最大接触面圧と第２の最大接触面圧とは、いずれも負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧である。
【００１９】
好ましくは、予測するステップは、転がり軸受に負荷される第１のラジアル荷重に基づいて、第１の最大接触面圧と第２の最大接触面圧とを算出するステップを含む。予測するステップは、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第１の最大接触面圧となる第２のラジアル荷重を算出するステップを含む。予測するステップは、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が、第２の最大接触面圧となる第３のラジアル荷重を算出するステップを含む。予測するステップは、第２のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第１の基本定格寿命を算出するステップを含む。予測するステップは、第３のラジアル荷重と転がり軸受の基本動定格荷重とから第２の基本定格寿命を算出するステップを含む。予測するステップは、第１の総負荷回数と、第１の基本定格寿命と、第２の基本定格寿命と、損傷が生じてから交換時期までの転がり軸受の第２の総負荷回数との関係式を用いて、第２の総負荷回数を算出するステップを含む。
【００２０】
好ましくは、転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成され、風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含む。制御するステップは、予測するステップにより予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制する。
【００２１】
好ましくは、転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視するように構成される。転がり軸受の状態監視方法は、風力発電装置の発電電力を制御するステップをさらに含む。制御するステップは、予測するステップにより予測された交換時期が所望の交換時期に満たない場合には、損傷検出部によって損傷が検出された時点より後の発電電力を、当該時点より前の発電電力に比べて抑制するように構成される。制御するステップは、所望の交換時期に基づいた、損傷検出部が損傷を検出した後に、負荷域中央から周方向に間隔だけ離れた位置において損傷が発生するまでの第３の総負荷回数と、第１の総負荷回数と、第１の基本定格寿命と、第３の基本定格寿命との関係式を用いて、第３の基本定格寿命を算出するステップを含む。制御するステップは、第３の基本定格寿命と転がり軸受の基本動定格荷重とから第４のラジアル荷重を算出するステップを含む。転がり軸受に第４のラジアル荷重が負荷される場合に、負荷域中央において転動体と軌道面との間に生じる最大接触面圧が第２の最大接触面圧となる第５のラジアル荷重を算出するステップを含む。制御するステップは、転がり軸受に負荷されるラジアル荷重と発電電力との予め準備された関係を用いて、第５のラジアル荷重に基づいて発電電力の抑制率を算出するステップを含む。制御するステップは、損傷を検出するステップによって損傷が検出された時点より後の発電電力を、抑制率を用いて抑制するステップとを含む。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、軸受交換時期を予測可能な転がり軸受の状態監視装置および状態監視方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施の形態に従う状態監視装置によって監視される転がり軸受の断面図と、状態監視装置のブロック図とを併せて示した図である。
【図２】転がり軸受について、初期損傷発生前の負荷域中央付近の状態を模式的に示した図である。
【図３】転がり軸受について、初期損傷発生後の負荷域中央付近の状態を模式的に示した図である。
【図４】ステージ１における負荷域中央付近の損傷状態の一例を示す図である。
【図５】ステージ２における負荷域中央付近の損傷状態の一例を示す図である。
【図６】ステージ３における負荷域中央付近の損傷状態の一例を示す図である。
【図７】ステージ３における負荷域中央付近の損傷状態の一例を示す図である。
【図８】無負荷の転動体数と内外輪間の相対変位δｘとの関係を示した図である。
【図９】内輪が複数の転動体から受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δｘとの関係を示した図である。
【図１０】同一回転速度におけるラジアル荷重と初期損傷発生までの総負荷回数との関係を表す図である。
【図１１】同一回転速度におけるラジアル荷重と余寿命との関係を表す図である。
【図１２】同一ラジアル荷重における回転速度と初期損傷発生までの総負荷回数との関係を表す図である。
【図１３】同一ラジアル荷重における回転速度と余寿命との関係を表す図である。
【図１４】予測部により実行される転がり軸受の余寿命を算出する処理を説明するためのフローチャートである。
【図１５】予測部により実行される転がり軸受の基本定格寿命を算出する処理を説明するためのフローチャートである。
【図１６】ヘルツ理論に基づいて算出されたラジアル荷重と最大接触面圧との関係を表す図である。
【図１７】余寿命の予測値と実測値との関係を表す図である。
【図１８】この実施の形態１に従う転がり軸受の状態監視装置が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。
【図１９】風力発電装置の発電電力とラジアル荷重との関係を示した図である。
【図２０】この発明の実施の形態２による状態監視装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】発電制御部により実行される発電電力の抑制率を算出する処理を説明するためのフローチャートである。
【図２２】ヘルツ理論に基づくラジアル荷重（横軸）と最大接触面圧（縦軸）との関係を示す図である。
【図２３】風力発電装置の発電電力の抑制率と所望の余寿命比との関係を示した図である。
【図２４】玉軸受について、内輪が複数の転動体から受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付して、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００２５】
［実施の形態１］
（転がり軸受及び状態監視装置の構成）
図１は、この発明の実施の形態１による状態監視装置によって監視される転がり軸受の断面図と、状態監視装置のブロック図とを併せて示した図である。なお、この実施の形態１では、外輪が回転輪のころ軸受によって転がり軸受が構成される場合について代表的に説明されるが、この発明の適用範囲は、このような軸受の状態監視装置に限定されるものではなく、監視対象の転がり軸受は、内輪が回転輪のものであってもよいし、玉軸受等であってもよい。
【００２６】
図１を参照して、転がり軸受１０は、内輪１２と、外輪１６と、複数の転動体１８とを含む。内輪１２は、非回転の軸体１４に外嵌される。外輪１６は、内輪１２の外周側に設けられ、図示しない回転体と一体的に回転する。複数の転動体１８の各々は、円柱形の「ころ」であり、図示されない保持器によって隣接の転動体と等間隔に保持されつつ内輪１２と外輪１６との間に介在する。
【００２７】
内輪１２は、複数の転動体１８のうち負荷域を通過中のものからラジアル荷重を受ける。なお、この実施の形態では、静止輪である内輪１２において、その中心軸よりも鉛直方向上側に負荷域が形成される。そして、内輪１２は、軌道面（内輪１２の外周面）に損傷が発生していない正常状態においては、複数の転動体１８のうち、内輪中心軸の鉛直上方向に位置する負荷域中央を通過している転動体から最大の荷重を受ける。
【００２８】
転がり軸受１０の状態を監視する状態監視装置１００は、変位センサ１０２と、回転センサ１０４と、損傷検出部１０６と、予測部１０８とを含む。変位センサ１０２は、内輪１２と外輪１６とのラジアル方向の相対変位δを検出するためのセンサである。変位センサ１０２は、軸体１４又は軸体１４に対して変位しない堅牢な構造物に固設され、内輪１２（静止輪）に対する外輪１６（回転輪）の鉛直方向Ｘの変位を検出して損傷検出部１０６へ出力する。回転センサ１０４は、転がり軸受１０の回転速度ｄＮを検出し、その検出値を予測部１０８へ出力する。なお、回転センサ１０４が転がり軸受１０の回転位置を検出し、その検出値に基づいて予測部１０８が回転速度ｄＮを算出してもよい。
【００２９】
上記したように、内輪１２は、軌道面に損傷が発生していない正常状態においては、負荷域中央を通過している転動体から最大の荷重を受ける。そのため、負荷域中央に初期損傷が生じる確率が高い。損傷検出部１０６は、変位センサ１０２の検出値に基づいて、負荷域中央に初期損傷が生じたことを検出する。具体的には、損傷検出部１０６は、変位センサ１０２の検出値に基づいて、内輪１２と外輪１６との間のラジアル方向の最大変位δｘ（図１におけるＸ方向の変位）を検出する。なお、変位センサ１０２によって検出される内外輪間の相対変位δは、複数の転動体１８の公転に伴なって微小変動を繰り返すところ、ここでの最大変位δｘとは、短期的（たとえば、外輪１６の１回転又は複数の転動体１８の１公転等）な相対変位δの最大値である。以下では、この最大変位δｘを、単に「内外輪間の相対変位δｘ」と称する。
【００３０】
損傷検出部１０６は、内外輪間の相対変位δｘが増大したことに応じて、負荷域中央に損傷が生じたことを検出し、負荷域中央に損傷が生じたことを予測部１０８に通知する。
【００３１】
予測部１０８は、損傷検出部１０６からの通知を受けたことに応じて、相対変位δｘの段階的な増大パターンに基づき、初期損傷が発生してから「ころピッチ損傷」が最初に発生するまでの総負荷回数を算出することによって、軸受１０の交換時期を予測する。なお、総負荷回数とは、内輪１２（静止輪）の軌道面における周方向の任意の箇所（例えば負荷域中央）において、複数の転動体１８の各々が通過する毎に軌道面が受ける負荷回数の、転がり軸受１０の使用が開始されてからの総数である。総負荷回数は、言い換えれば、内輪１２に対する複数の転動体１８の総通過回数であり、総負荷回数ＴＬは、転がり軸受１０の総回転回数ＴＲ（転がり軸受１０の使用が開始されてからの外輪１６（回転輪）の回転回数の総数を示す）に基づいて、次式（１）にて算出することができる。
【００３２】
ＴＬ＝ＴＲ×Ｎｃ／ｄＮ×転動体数  …（１）
ここで、Ｎｃは、転動体中心の公転回転速度を示し、転動体１８の直径及びピッチ円径が分かればｄＮから算出可能である。
【００３３】
すなわち、本願発明者らは、転がり軸受の損傷の進展について種々の検討及び実験を行なった結果、静止輪が複数の転動体から受ける総負荷回数（静止輪に対する複数の転動体の総通過回数）の増加に応じて内外輪間の相対変位が段階的に増大し、ある段階から相対変位が軸受支持部品に影響を与え得るほど急激に増大することの知見を得た。そして、本願発明者らは、このような相対変位の増大パターンは、以下に説明する「ころピッチ損傷」が静止輪の軌道面に発生することによるものであるとの知見をさらに得て、「ころピッチ損傷」が静止輪の軌道面に最初に発生する時期を軸受１０の交換時期とすることとした。
【００３４】
そこで、以下では、この「ころピッチ損傷」について、その発生メカニズムと、静止輪である内輪１２が受ける総負荷回数の増加に応じた相対変位δｘの段階的な増大パターンについて詳しく説明する。
【００３５】
（ころピッチ損傷の説明）
図２は、転がり軸受１０について、初期損傷発生前の負荷域中央付近の状態を模式的に示した図である。図３は、転がり軸受１０について、初期損傷発生後の負荷域中央付近の状態を模式的に示した図である。「初期損傷」とは、内輪１２（静止輪）の軌道面に最初に生じる損傷のことである。この初期損傷は、複数の転動体１８と内輪１２（静止輪）の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において発生する確率が高く、ここでも、負荷域中央において初期損傷が発生するものとする。
【００３６】
なお、この図２および図３では、転がり軸受１０の負荷域中央付近が拡大して示されており、図示を容易にするために、軌道面が直線状に描かれている。そして、複数の転動体１８のうちのある転動体が負荷域中央を通過しているときに、次に負荷域中央を通過するもの、現在負荷域中央を通過中のもの、及びその前に負荷域中央を通過したものを、それぞれ転動体１８−１，１８−２，１８−３とする。
【００３７】
図２を参照して、負荷域中央を通過中の転動体１８−２と内輪１２（静止輪）の軌道面との最大接触面圧を最大接触面圧Ｐｍａｘ０とする。このとき、転動体１８−２に隣接する転動体１８−１，１８−３と内輪１２の軌道面との最大接触面圧を最大接触面圧Ｐｍａｘ１とする。最大接触面圧Ｐｍａｘ１は「第１の最大接触面圧」に相当する。初期損傷が発生する以前においては、負荷域中央を通過中の転動体１８−２と内輪１２の軌道面との接触面圧が最大であり、したがって、最大接触面圧Ｐｍａｘ０＞最大接触面圧Ｐｍａｘ１である。
【００３８】
図３を参照して、複数の転動体１８と内輪１２の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において、内輪１２の軌道面に初期損傷が発生したものとする。そして、初期損傷がある程度拡大すると、負荷域中央を通過中の転動体１８−２から内輪１２が荷重をほとんど受けない状態（或いは、隣接する転動体１８−１，１８−３に比べて接触面圧が十分に小さい状態であり、以下では、概略的に「無負荷」状態とも称する。）が発生する。
【００３９】
負荷域中央を通過中の転動体１８−２が無負荷の状態においては、転動体１８−２が受けるべき荷重をその他の転動体で受けることとなり、特に、転動体１８−２に隣接する転動体１８−１，１８−３には大きな荷重がかかる。さらに、転動体１８−２が初期損傷部を通過する際に、内輪１２（静止輪）に対して外輪１６（回転輪）が変動することによる慣性力も生じる。
【００４０】
このように、初期損傷の発生後は、転動体１８−２に隣接する転動体１８−１，１８−３には、荷重を受ける転動体数の減少と、初期損傷部を転動体が通過する際の慣性力とによって、初期損傷発生前に比べて大きな接触面圧が生じる。初期損傷発生後における転動体１８−１，１８−３と内輪１２の軌道面との最大接触面圧を最大接触面圧Ｐｍａｘ２とすると、最大接触面圧Ｐｍａｘ２＞最大接触面圧Ｐｍａｘ０（＞最大接触面圧Ｐｍａｘ１）である。最大接触面圧Ｐｍａｘ２は「第２の最大接触面圧」に相当する。
【００４１】
したがって、負荷域中央において初期損傷が発生すると、負荷域中央の初期損傷部を転動体が通過する毎に、負荷域中央の初期損傷部からころピッチだけ離れた位置において大きな接触面圧（最大接触面圧Ｐｍａｘ２）が繰り返し生じ、内輪１２の軌道面に新たなフレーキングが発生する。以下では、初期損傷部からころピッチだけ離れた位置に発生する損傷を「ころピッチ損傷」と称する。
【００４２】
そして、ころピッチ損傷が一旦発生すると、損傷が進展したころピッチ損傷部と初期損傷部とを隣接する転動体が通過する際に同時に「無負荷」となる状態が発生する。そうすると、ころピッチ損傷部からさらにころピッチだけ離れた位置においてさらに大きな接触面圧が繰り返し生じる状態となり、連鎖的かつ加速的にころピッチ損傷が進展する。
【００４３】
以上のような損傷の進展により、内外輪間の相対変位δｘは段階的に増大する。図４から図７は、転がり軸受１０において、負荷域中央に発生した損傷が進展する様子を示した図である。なお、これらの図では、転がり軸受１０の負荷中央域付近が拡大して示されている。
【００４４】
図４は、負荷中央に初期損傷が発生した直後の状態を示した図である。初期損傷とは、内輪１２（静止輪）の軌道面に最初に生じる損傷のことである。この初期損傷は、転動体１８と内輪１２（静止輪）の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において発生する確率が高く、図４から図７でも、負荷域中央において初期損傷が発生した場合について示されている。
【００４５】
図４を参照して、転動体１８と内輪１２の軌道面との接触面圧が最大となる負荷域中央において、内輪１２の軌道面に初期損傷（Ｄ１−１）が発生している。以下では、負荷域中央に初期損傷が発生する以前の状態を「ステージ０」と称し、負荷域中央に初期損傷が発生した状態（図４）を「ステージ１」と称する。
【００４６】
図５は、負荷域中央に発生した初期損傷が軌道面の幅方向全域に拡大した状態を示した図である。図５を参照して、初期損傷が発生した負荷域中央において、損傷（Ｄ１−２）が軌道面の周方向に拡大しつつ幅方向全域に拡大すると、負荷域中央を通過中の転動体１８は、荷重をほとんど受けない状態（或いは、隣接する転動体に比べて接触面圧が十分に小さい状態であり、以下では、概略的に「無負荷」状態とも称する。）となる。以下では、負荷域中央において初期損傷部が軌道面幅方向全域に拡大することにより（図５）、負荷域中央を通過中の転動体１８が「無負荷」となる状態を「ステージ２」と称する。
【００４７】
図６は、負荷域中央に発生した損傷が軌道面の周方向にさらに拡大した状態を示した図である。図６を参照して、負荷域中央において軌道面の幅方向全域に拡大した損傷は、さらに軌道面の周方向（主に転動体１８の移動下流方向）へと拡大する（Ｄ１−３）。そして、軌道面の周方向への損傷が進展すると、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込む状況が発生する。以下では、軌道面の周方向への損傷が進展し、複数の転動体１８が損傷部に同時に入り込むことにより複数の転動体１８が「無負荷」となる状態を「ステージ３」と称する。
【００４８】
以上のような損傷の進展により、内外輪間の相対変位δｘは段階的に増大する。すなわち、負荷域中央において初期損傷が発生してから、その初期損傷が拡大して負荷域中央を通過中の転動体１８が「無負荷」状態になるまで、初期損傷の拡大に伴なって相対変位δｘは増大する（ステージ１）。
【００４９】
負荷域中央を通過中の転動体１８が「無負荷」となる状態（ステージ２）では、内外輪間の相対変位δｘは、初期損傷が生じていることによりステージ０に比べて大きい。しかしながら、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大するまでは、相対変位δｘは、ステージ０と同様に総負荷回数の増加に応じて増大傾向を示さない。
【００５０】
そして、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大し、複数の転動体１８が同時に「無負荷」となる状態が発生すると（ステージ３）、荷重を受ける転動体数が減少することにより内外輪間の相対変位δｘはさらに増大する。
【００５１】
さらに、複数の転動体１８が同時に「無負荷」状態になると（ステージ３）、内外輪間の相対変位δｘは急激に増大する。この理由は、以下のとおりと考えられる。すなわち、同時に「無負荷」状態となる転動体１８が発生すると、荷重を受ける転動体数がさらに減少することによって各転動体１８が受ける荷重が増大し、その結果、損傷の進展速度が上昇する。これにより、内外輪間の相対変位δｘが急激に増大する。
【００５２】
なお、複数の転動体１８が同時に「無負荷」となる状態は、隣接する２つの転動体１８が損傷部に同時に入り込むまでに損傷が軌道面周方向に拡大する場合に限られず、以下のような場合にも生じ得る。
【００５３】
図７は、初期損傷部から離れた位置に新たなフレーキングが発生した様子を示した図である。図７を参照して、初期損傷の発生後、初期損傷部（Ｄ１）から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し得る（Ｄ２）。そして、この新たなフレーキングによる損傷が軌道面幅方向に拡大すると、新たなフレーキングに起因する損傷部と初期損傷部とに複数の転動体１８が同時に浸入する状況が発生し得る。この場合にも、荷重を受ける転動体数が複数減少することによって各転動体１８が受ける荷重が増大し、その結果、損傷の進展速度が上昇する。
【００５４】
なお、各転動体１８が受ける荷重の増大は、転動体１８が損傷部に進入する際に、静止輪（内輪１２）に対して回転輪（外輪１６）が変動することによる慣性力も増大させるので、この点からの損傷の進展速度の増大に寄与する。以上のような理由により、複数の転動体１８が同時に「無負荷」となる状態になると（ステージ３）、内外輪間の相対変位δｘは急激に増大する。
【００５５】
なお、ステージ３においても、理論的には、２つの転動体１８が「無負荷」状態となってから、さらに損傷が拡大することにより、又は新たなフレーキングが発生することにより、３つめの転動体１８が「無負荷」状態となるまで、総負荷回数の増加に応じて相対変位δｘが増大傾向を示さない状態が発生し得る。しかしながら、このような状態になると、多数の無負荷の転動体１８が発生することによってその他の転動体１８が受ける荷重が相当増大し、かつ、複数の転動体１８が損傷部を同時に通過するときに生じる慣性力も相当なものとなり、損傷が連鎖的かつ加速的に進展する。その結果、転動体１８が損傷部を通過する際に同時に無負荷となる転動体数が加速的に増加し、内外輪間の相対変位δｘも加速的に増大することとなる。
【００５６】
図８は、無負荷の転動体数と内外輪間の相対変位δｘとの関係を示した図である。なお、相対変位δｘは、ラジアル荷重の影響を受けるので、この図８では、３段階のラジアル荷重毎に分けて図示されている。
【００５７】
図８を参照して、横軸は、ころピッチ損傷が進展することによって転動体が損傷部を通過時に同時に無負荷となる転動体の数を示す。縦軸は、内外輪間の相対変位δｘを示す。丸印は、ラジアル荷重が９０ｋＮの場合を示し、三角印は、ラジアル荷重が７０ｋＮの場合を示す。四角印は、ラジアル荷重が５０ｋＮの場合を示す。
【００５８】
図示されるように、無負荷の転動体数が増加するに従って、内外輪間の相対変位δｘは加速的に増大する。そして、上述のように、ころピッチ損傷が一旦発生すると、ころピッチ間隔で無負荷となる転動体の数が加速的に増加し、その結果、内外輪間の相対変位δｘは加速的に増大する。すなわち、ステージ３における相対変位δｘの増大速度は非常に速い。そこで、この実施の形態１に従う状態監視装置では、ステージ３が開始する時点を転がり軸受１０の交換時期とすることとした。
【００５９】
図９は、複数の転動体１８から内輪１２が受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δｘとの関係を調べた実験結果の一例を示す図である。図９は、初期損傷部から離れた位置に、損傷の剥離片の噛み込みにより軌道面に生じた圧痕が起点となって新たなフレーキングが発生し、その新たなフレーキングに起因する損傷部と初期損傷部とに複数の転動体１８が同時に進入する状態となる場合の実験結果を示したものである。なお、実験条件としては、転がり軸受１０は、内径１２０ｍｍ、外径２１５ｍｍ、幅４０ｍ、動定格荷重２６０ｋＮの単列円筒ころ軸受とし、この転がり軸受１０に対して、ラジアル荷重９０ｋＮ、回転速度５００回／分を付与した。
【００６０】
図９において、ＳＴＧ０はステージ０を、ＳＴＧ１はステージ１を、ＳＴＧ２はステージ２を、ＳＴＧ３はステージ３をそれぞれ意味している。
【００６１】
この実施の形態１においては、初期損傷が検出された時点で、初期損傷が発生した時点からころピッチ損傷が発生する時点までの総負荷回数（以下では、「余寿命」ともいう。）を算出することにより、転がり軸受１０の交換時期を予測することとした。図９において、Ｎ１は初期損傷が発生するまでの総負荷回数、Ｎ２は初期損傷が発生してからころピッチ損傷が発生するまでの総負荷回数である。ステージ１が継続する時間は他のステージと比べて短いため、この実施の形態においてはステージ２の開始時点において初期損傷が発生することとした。したがって、図９において余寿命は、ステージ２が開始する時点からステージ３が開始する時点までの総負荷回数、すなわちＮ２である。総負荷回数Ｎ１は「第１の総負荷回数」に対応し、総負荷回数Ｎ２は「第２の総負荷回数」に対応する。
【００６２】
（予測部による交換時期の予測）
図１０は、同一回転速度におけるラジアル荷重と初期損傷発生までの総負荷回数との関係を表す図である。図１１は、同一回転速度におけるラジアル荷重と余寿命との関係を表す図である。
【００６３】
図１０，１１を参照して、ラジアル荷重が大きくなると初期損傷発生までの総負荷回数と余寿命とが共に小さくなることがわかる。すなわち、ラジアル荷重が転がり軸受１０の交換時期に与える影響は大きい。
【００６４】
図１２は、同一ラジアル荷重における回転速度と初期損傷発生までの総負荷回数との関係を表す図である。図１３は、同一ラジアル荷重における回転速度と余寿命との関係を表す図である。
【００６５】
図１２，１３を参照して、回転速度が大きくなっても、初期損傷発生までの総負荷回数と余寿命とはそれほど変化しないことがわかる。すなわち、回転速度が転がり軸受１０の交換時期に与える影響は小さい。
【００６６】
ラジアル荷重が転がり軸受１０の交換時期に大きな影響を与えるのは、ラジアル荷重が大きくなるほど、負荷域中にある転動体１８と軌道面との間に生じる接触面圧が大きくなるためである。そこで、この実施の形態では、転がり軸受１０に負荷されるラジアル荷重、負荷域中央からころピッチだけ離れた位置において転動体１８と軌道面との間に生じる最大接触面圧、および当該位置における総負荷回数の関係を用いて、当該位置の余寿命を算出し、転がり軸受１０の交換時期を予測することとした。
【００６７】
ころピッチ損傷は、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置において、転動体１８から軌道面に繰り返し負荷される接触面圧による転がり疲れが蓄積することにより生じるといえる。また、当該位置における最大接触面圧は、負荷域中央に初期損傷が生じる前後で大きく異なる。そこで、予測部１０８は、変動応力を繰り返し受ける部材の寿命予測法である修正マイナー則に従い、当該初期損傷が生じる前後の基本定格寿命と総負荷回数との関係式から余寿命を算出して転がり軸受１０の交換時期を予測する。基本定格寿命とは、一群の同じ軸受を同一条件で個々に回転させたとき、その９０％（信頼度９０％）が転がり疲れによるフレーキングを生じることなく回転できる実質的な総回転数をいう。
【００６８】
基本定格寿命はラジアル荷重から算出することができるが、予測部１０８が行なう余寿命の算出に必要な基本定格寿命は、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転がり疲れに関連するものである。そこで、当該位置における最大接触面圧が負荷域中央に負荷されるものとした場合のラジアル荷重を用いる。すなわち、予測部１０８は、転がり軸受１０に負荷されるラジアル荷重から、負荷域中央からころピッチだけ離れた位置における、負荷域中央に初期損傷が生じる前後の最大接触面圧をそれぞれ求める。負荷域中央に当該最大接触面圧が生じるような、初期損傷が生じる前後のラジアル荷重をそれぞれ逆算する。当該ラジアル荷重から転がり軸受１０の初期損傷が生じる前後の基本定格寿命をそれぞれ求める。
【００６９】
再び図９を参照して、負荷域中央に損傷が発生してから相対変位δｘは総負荷回数の増加に応じて増大傾向を示すが、総負荷回数がＮ１に達すると、当該増大傾向を示さなくなる。この実施の形態においては、当該時点において負荷域中央に損傷が発生することとした。損傷検出部１０６は当該時点において負荷域中央に損傷が発生したことを検出し、当該損傷の発生の検出を予測部１０８に通知する。相対変位δｘが上記増大傾向を示している期間は比較的短いため、損傷検出部１０６が予測部１０８に当該通知を行なう時点は、相対変位δｘが増大を開始した時点としてもよい。
【００７０】
予測部１０８は、損傷検出部１０６からの上記通知に応じて、転がり軸受１０の余寿命を算出する。図１４は、予測部１０８により実行される転がり軸受１０の余寿命を算出する処理を説明するためのフローチャートである。
【００７１】
図１４を参照して、予測部１０８は、ステップＳ１０において損傷検出部１０６から負荷域中央に損傷が生じたことを検出した旨の通知があったか否かを判定する。当該通知があった場合（Ｓ１０にてＹＥＳ）、予測部１０８はステップＳ１１に処理を進める。当該通知がない場合（Ｓ１０にてＮＯ）、予測部１０８はステップＳ１０に処理を戻す。
【００７２】
予測部１０８は、ステップＳ１１において、負荷域中央に損傷が生じるまでの総負荷回数Ｎ１を算出する。負荷域中央に損傷が生じるまでに内輪１２が複数の転動体１８から受ける総負荷回数は、言い換えれば、負荷域中央に損傷が生じるまでの、内輪１２に対する複数の転動体１８の総通過回数である。この総負荷回数（すなわち転動体１８の総通過回数）Ｎ１は、負荷域中央に損傷が生じるまでの転がり軸受１０の総回転回数Ｒ１に基づいて、以下の式（２）にて算出することができる。
【００７３】
Ｎ１＝Ｒ１×Ｎｃ／ｄＮ×転動体数  …（２）
予測部１０８は、ステップＳ１２において、予め最大接触面圧Ｐｍａｘ１から導出した基本定格寿命Ｌ１と、予め最大接触面圧Ｐｍａｘ２から導出した基本定格寿命Ｌ２と、総負荷回数Ｎ１と、余寿命Ｎ２との、修正マイナー則における関係式（３）から余寿命Ｎ２を算出する（式（３）を変形した式（４）参照）。
【００７４】
Ｎ１／Ｌ１＋Ｎ２／Ｌ２＝１  …（３）
Ｎ２＝Ｌ２（１−Ｎ１／Ｌ１）  …（４）
以下では、ステップＳ１２において必要となる基本定格寿命Ｌ１，Ｌ２を算出する処理について説明する。図１５は、予測部１０８により実行される転がり軸受１０の基本定格寿命を算出する処理（以下では「軸受寿命計算」ともいう。）を説明するためのフローチャートである。軸受寿命計算は、転がり軸受の仕様が決定すれば行なえる。そのため、予測部１０８による交換時期の予測の直前に行なわれる必要はなく、当該予測に先立って行なわれていればどのような時期で行なわれてもよい。また、軸受寿命計算は、予測部１０８によって行なわれる必要はなく、予測部１０８が他の計算実体によって行なわれた軸受寿命計算の結果を参照するようにしてもよい。
【００７５】
この軸受寿命計算において算出される最大接触面圧及びラジアル荷重は、転動体と軌道面との接触部分を弾性体として、その他の部分を剛体とするヘルツ理論によって算出される。
【００７６】
図１５を参照して、予測部１０８は、ステップＳ１１０において、実際のラジアル荷重Ｆｒ０が転がり軸受１０に負荷された場合の最大接触面圧Ｐｍａｘ１と最大接触面圧Ｐｍａｘ２とを算出する。ラジアル荷重Ｆｒ０は「第１のラジアル荷重」に対応する。最大接触面圧Ｐｍａｘ１は、上述したように、初期損傷が発生する以前において、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転動体１８と内輪１２の軌道面との間に生じる最大接触面圧である。最大接触面圧Ｐｍａｘ２は、上述したように、初期損傷が発生した後において、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転動体１８と内輪１２の軌道面との間に生じる最大接触面圧である。
【００７７】
予測部１０８は、ステップＳ１１１において、負荷域中央の最大接触面圧Ｐｍａｘ０が最大接触面圧Ｐｍａｘ１となるラジアル荷重Ｆｒ１を算出する。ラジアル荷重Ｆｒ１は「第２のラジアル荷重」に対応する。さらに、予測部１０８は、ステップＳ１１２において、負荷域中央の最大接触面圧Ｐｍａｘ０が最大接触面圧Ｐｍａｘ２となるラジアル荷重Ｆｒ２を算出する。ラジアル荷重Ｆｒ２は「第３のラジアル荷重」に対応する。
【００７８】
図１６は、ヘルツ理論に基づくラジアル荷重（横軸）と最大接触面圧（縦軸）との関係を表す図である。この図を用いて、図１５のステップＳ１１０〜Ｓ１１２において行なわれた処理を視覚的に説明する。
【００７９】
図１６とともに図１５を参照して、曲線Ｓ０はラジアル荷重と最大接触面圧Ｐｍａｘ０との関係を表す。曲線Ｓ１はラジアル荷重と最大接触面圧Ｐｍａｘ１との関係を表す。曲線Ｓ２はラジアル荷重と最大接触面圧Ｐｍａｘ２との関係を表す。
【００８０】
曲線Ｓ１上の点Ｐ１は、ラジアル荷重がＦｒ０である曲線Ｓ１上の点であり、点Ｐ１の最大接触面圧が最大接触面圧Ｐｍａｘ１である。曲線Ｓ２上の点Ｐ２は、ラジアル荷重がＦｒ０である曲線Ｓ２上の点であり、点Ｐ２の最大接触面圧がＰｍａｘ２となる。これらは、図１５のステップＳ１１０において最大接触面圧Ｐｍａｘ１と最大接触面圧Ｐｍａｘ２とを算出していることに相当する。
【００８１】
曲線Ｓ０上の点Ｐ１０は、最大接触面圧Ｐｍａｘ０が最大接触面圧Ｐｍａｘ１である曲線Ｓ０上の点であり、点Ｐ１０のラジアル荷重がＦｒ１である。これは、図１５のステップＳ１１１によりＦｒ１を求めていることに相当する。
【００８２】
曲線Ｓ０上の点Ｐ２０は、最大接触面圧Ｐｍａｘ０が最大接触面圧Ｐｍａｘ２である曲線Ｓ０上の点であり、点Ｐ２０のラジアル荷重がＦｒ２となる。これは、図１５のステップＳ１１２によりＦｒ２を求めていることに相当する。
【００８３】
再び図１５を参照して、予測部１０８は、以下の式（５）よりラジアル荷重Ｆｒ１が負荷されている場合の転がり軸受１０の基本定格寿命Ｌ１を算出する（ステップＳ１１３）。基本定格寿命Ｌ１は「第１の基本定格寿命」に対応する。
【００８４】
Ｌ１＝（Ｃ／Ｆｒ１）10/3  …（５）
Ｃは基本動定格荷重である。基本動定格荷重とは、転がり軸受の動的負荷能力を表すもので１００万回転の基本定格寿命を与えるような一定荷重をいう。
【００８５】
予測部１０８は、以下の式（６）よりラジアル荷重Ｆｒ２が負荷されている場合の転がり軸受１０の基本定格寿命Ｌ２を算出する（ステップＳ１１４）。基本定格寿命Ｌ２は「第２の基本定格寿命」に対応する。
【００８６】
Ｌ２＝（Ｃ／Ｆｒ２）10/3  …（５）
以上の処理により、予測部１０８は、転がり軸受１０の余寿命を算出し、転がり軸受１０の交換時期を予測する。
【００８７】
なお、この実施の形態１においては、軸受寿命計算において行なわれる最大接触面圧及びラジアル荷重はヘルツ理論によって算出したが、それ以外の方法によって算出しても構わない。例えば、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて全ての部分を弾性体や弾塑性体とする方法によって算出してもよい。動力学解析によって動的な影響を考慮した方法によってもよい。動力学解析とは、転がり軸受１０の構成要素（内輪１２、外輪１６及び転動体１８）毎に運動方程式を立て、連立常微分方程式を時間軸に沿って積分していく手法である。理論モード解析を用いて状態監視装置全体のモード情報を求めて、当該モード情報を動力学解析に導入して振動特性を考慮する方法によって算出してもよい。理論モード解析とは、構造体（弾性体）がどのような振動モード（固有値情報）を有しているかを数理的に求めるものである。
【００８８】
図１７は、余寿命の予測値と実測値との関係を表す図である。図１７を参照して、余寿命の予測値と実測値とは明確な関係があり、予測部１０８が行なう交換時期の予測が有効な指針となることがわかる。なお、余寿命の実測値は予測値に比べ一桁程度短寿命となるのは、損傷部分から生じる剥離片が転動体に噛み込むことにより圧痕が形成され、その圧痕付近に接触面圧が集中するためと考えられる。余寿命の予測値は、上記剥離片の影響などの外的要因により、実際の余寿命とかい離する場合もある。かい離が大きい場合には、実情に合わせた実験や解析を行ない、その結果に基づいて余寿命の予測値を補正するのが望ましい。
【００８９】
上述した転がり軸受の状態監視装置１００は、様々な機械装置に適用可能であるが、特に、風力発電装置の主軸軸受の状態監視に好適である。すなわち、風力発電装置の主軸軸受は、交換が容易ではなく、かつ、比較的低速条件で使用され、さらに、軸受に損傷が発生しても継続使用されることが多い。このような風力発電装置の主軸軸受については、損傷による軸受交換時期の予測が課題である。そこで以下では、この実施の形態１に従う状態監視装置１００を適用した風力発電装置について説明する。
【００９０】
（風力発電装置の構成）
図１８は、この実施の形態１に従う転がり軸受の状態監視装置が適用される風力発電装置の構成を概略的に示した図である。図１８を参照して、風力発電装置２１０は、主軸２２０と、ブレード２３０と、増速機２４０と、発電機２５０と、主軸軸受（以下、単に「軸受」と称する。）２６０と、変位センサ２７０と、データ処理装置２８０とを備える。増速機２４０、発電機２５０、軸受２６０、変位センサ２７０及びデータ処理装置２８０は、ナセル２９０に格納され、ナセル２９０は、タワー３００によって支持される。
【００９１】
主軸２２０は、ナセル２９０内に進入して増速機２４０の入力軸に接続され、軸受２６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２２０は、風力を受けたブレード２３０により発生する回転トルクを増速機２４０の入力軸へ伝達する。ブレード２３０は、主軸２２０の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２０に伝達する。
【００９２】
増速機２４０は、主軸２２０と発電機２５０との間に設けられ、主軸２２０の回転速度を増速して発電機２５０へ出力する。一例として、増速機２４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機２４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機２５０は、増速機２４０の出力軸に接続され、増速機２４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機２５０は、たとえば誘導発電機によって構成されるが、発電機２５０の種類はこれに限定されるものではない。なお、この発電機２５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。
【００９３】
軸受２６０は、ナセル２９０内において固設され、主軸２２０を回転自在に支持する。軸受２６０は、転がり軸受であり、この実施の形態に従う状態監視装置の監視対象となる軸受である。なお、この軸受２６０は、内輪が回転輪であり、外輪が静止輪である点で、図１以下に説明した転がり軸受１０と異なるが、上記の実施の形態１に従う状態監視装置１００は、このような軸受２６０にも適用可能である。なお、外輪が静止輪の場合、負荷域は、外輪においてその中心軸よりも鉛直方向下側であり、初期損傷及びころピッチ損傷は、外輪内周面の軌道面に形成される。
【００９４】
変位センサ２７０は、軸受２６０の内外輪間の相対変位を検出するためのセンサである。変位センサ２７０は、軸受２６０のハウジングに固設され、外輪（静止輪）に対する内輪（回転輪）の鉛直方向の変位δｘを検出してデータ処理装置２８０へ出力する。
【００９５】
データ処理装置２８０は、ナセル２９０内に設けられ、変位センサ２７０から検出値を受ける。そして、データ処理装置２８０は、予め設定されたプログラムに従って、軸受２６０の余寿命を算出することにより軸受２６０の交換時期を予測する。このデータ処理装置２８０は、上述した損傷検出部１０６及び予測部１０８の機能を実現するものである。
【００９６】
以上のように、この実施の形態１においては、余寿命を算出することにより、転がり軸受の交換時期を予測することができる。
【００９７】
［実施の形態２］
上述した実施の形態１では、初期損傷が検出された時点で、初期損傷が発生した時点からころピッチ損傷が発生する時点までの総負荷回数（余寿命）を算出することにより、転がり軸受の交換時期を予測する構成について説明した。
【００９８】
実施の形態２では、予測された交換時期を所望の交換時期まで遅らせるための構成について説明する。この構成は、算出された余寿命が、所望の交換時期に基づいた所望の余寿命に満たない場合に適用される。なお、所望の交換時期（所望の余寿命）は、この実施の形態に従う転がり軸受の状態監視装置が適用される風力発電装置（図１８参照）が目標とする総発電量および、転がり軸受を交換するための人員および機械設備の確保などを参考にして設定することができる。
【００９９】
図１９は、風力発電装置の発電電力とラジアル荷重との関係を示した図である。図１９を参照して、横軸はラジアル荷重を示し、縦軸は風力発電装置の発電電力を示す。
【０１００】
図示されるように、風力発電装置の発電電力が増加するに従って、ラジアル荷重は増大する。図１１で説明したように、ラジアル荷重が大きくなると、余寿命が小さくなる。すなわち、風力発電装置において、発電電力が余寿命に与える影響が大きい。
【０１０１】
そこで、この実施の形態２に従う状態監視装置においては、初期損傷が検出された時点で算出される余寿命が所望の余寿命に満たない場合には、風力発電装置の発電電力を抑制することとした。風力発電装置の発電電力を抑制することで転がり軸受に負荷されるラジアル荷重も抑制されるため、転がり軸受の余寿命を延ばすことができる。
【０１０２】
図２０は、この発明の実施の形態２による状態監視装置の構成を示すブロック図である。この実施の形態２による状態監視装置１００は、図１に示した実施の形態１による状態監視装置１００と同様に、転がり軸受１０の状態を監視する。実施の形態２による状態監視装置１００は、実施の形態１による状態監視装置１００に対して、発電制御部１１０を付加したものである。
【０１０３】
上述したように、予測部１０８は、損傷検出部１０６からの通知を受けたことに応じて、図１４のフローチャートに示す処理を実行することにより、転がり軸受１０の余寿命Ｎ２（初期損傷が発生してからころピッチ損傷が最初に発生するまでの総負荷回数）を算出する。
【０１０４】
発電制御部１１０には、図示しない上位制御装置から転がり軸受１０の所望の余寿命Ｎ３が予め通知されている。所望の余寿命Ｎ３は「第３の総負荷回数」に対応する。発電制御部１１０は、所望の余寿命Ｎ３に基づいて、風力発電装置の発電電力の抑制率を算出する。発電電力の抑制率とは、初期損傷が検出された時点での発電電力に対する発電電力の減少量の割合［％］をいう。発電制御部１１０は「制御部」の一実施例に対応する。
【０１０５】
図２１は、発電制御部１１０により実行される発電電力の抑制率を算出する処理を説明するためのフローチャートである。図２０に示すフローチャートは、図１４に示したフローチャートのＳ１２の処理の後に、ステップＳ１３〜Ｓ１７の処理を追加したものである。
【０１０６】
図１４と同じステップＳ１２において、予測部１０８により転がり軸受１０の余寿命Ｎ２が算出されると、発電制御部１１０は、ステップＳ１３において、予め最大接触面圧Ｐｍａｘ１から導出した基本定格寿命Ｌ１と、総負荷回数Ｎ１と、所望の余寿命Ｎ３と、基本定格寿命Ｌ３との、修正マイナー則における関係式（６）から基本定格寿命Ｌ３を算出する（式（６）を変形した式（７）参照）。
【０１０７】
Ｎ１／Ｌ１＋Ｎ３／Ｌ３＝１  …（６）
Ｌ３＝Ｎ３／（１−Ｎ１／Ｌ１）  …（７）
算出された基本定格寿命Ｌ３は、所望の余寿命Ｎ３を得ることができる転がり軸受１０の基本定格寿命に相当する。基本定格寿命Ｌ３は「第３の基本定格寿命」に対応する。発電制御部１１０は、ステップＳ１４において、図１９に示した軸受寿命計算の逆算を行なうことにより、基本定格寿命Ｌ３を与えるために転がり軸受１０に負荷されるラジアル荷重Ｆｒ３を算出する。ラジアル荷重Ｆｒ３は「第４のラジアル荷重」に対応する。具体的には、発電制御部１１０は、以下の式（８）より転がり軸受１０の基本定格寿命Ｌ３および基本動定格荷重Ｃからラジアル荷重Ｆｒ３を算出する。
【０１０８】
Ｆｒ３＝Ｃ／Ｌ３3/10  …（８）
発電制御部１１０は、ステップＳ１５において、実際のラジアル荷重Ｆｒ３が転がり軸受１０に負荷された場合の負荷域中央の最大接触面圧Ｐｍａｘ０が最大接触面圧Ｐｍａｘ２となるラジアル荷重Ｆｒ４を算出する。最大接触面圧Ｐｍａｘ２は、上述したように、初期損傷が発生した後において、負荷域中央から周方向にころピッチだけ離れた位置における転動体１８と内輪１２の軌道面との間に生じる最大接触面圧である。
【０１０９】
図２２は、ヘルツ理論に基づくラジアル荷重（横軸）と最大接触面圧（縦軸）との関係を示す図である。この図を用いて、図２１のステップＳ１５において行なわれた処理を視覚的に説明する。
【０１１０】
図２２における曲線Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２は図１６における曲線Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２と同じものである。曲線Ｓ０上の点Ｐ３は、ラジアル荷重がＦｒ３である曲線Ｓ０上の点であり、点Ｐ３の最大接触面圧が最大接触面圧Ｐｍａｘ０である。
【０１１１】
曲線Ｓ２上の点Ｐ３０は、最大接触面圧が最大接触面圧Ｐｍａｘ０である曲線Ｓ２上の点であり、点Ｐ３０のラジアル荷重がＦｒ４となる。これは、図２１のステップＳ１５によりＦｒ４を求めていることに相当する。言い換えると、ラジアル荷重Ｆｒ４は、実際のラジアル荷重Ｆｒ３が負荷された場合において、負荷域中央の最大接触面圧Ｐｍａｘ０が最大接触面圧Ｐｍａｘ２となるラジアル荷重に相当する。ラジアル荷重Ｆｒ４は「第５のラジアル荷重」に対応する。
【０１１２】
再び図２１を参照して、発電制御部１１０は、ステップＳ１６において、負荷域中央の最大接触面圧Ｐｍａｘ０が最大接触面圧Ｐｍａｘ２となるラジアル荷重Ｆｒ４を転がり軸受１０に負荷するための発電電力の抑制率を算出する。具体的には、発電制御部１１０は、図１９に示す風力発電装置の発電電力とラジアル荷重との関係に基づいて、ラジアル荷重Ｆｒ４を転がり軸受１０に負荷する場合の発電電力を算出する。図１９に示す発電電力とラジアル荷重との関係を表す関係式またはテーブル等を予め用意しておくことにより、発電制御部１１０は、ラジアル荷重Ｆｒ４が負荷される場合の発電電力を算出することができる。
【０１１３】
発電制御部１１０は、算出した発電電力と、初期損傷が検出された時点での発電電力に対する発電電力とに基づいて、発電電力の抑制率を算出する。発電電力の抑制率は、（初期損傷が検出された時点での発電電力−算出した発電電力）／（初期損傷が検出された時点での発電電力）で表わすことができる。
【０１１４】
発電制御部１１０は、ステップＳ１７において、算出した発電電力の抑制率に従って、風力発電装置の発電電力を抑制する。
【０１１５】
図２３は、風力発電装置の発電電力の抑制率と所望の余寿命比との関係を示した図である。図２３において、所望の余寿命比とは、発電電力の抑制率が０％のときの余寿命Ｎ２に対する所望の余寿命Ｎ３の割合である。図２３を参照して、発電電力の抑制率が大きくなると、所望の余寿命比が大きくなることがわかる。すなわち、発電電力の抑制率を調整することで、余寿命を調整することができ、結果的に転がり軸受１０の交換時期を所望の時期まで遅らせることが可能となる。
【０１１６】
以上のように、この実施の形態２においては、所望の交換時期に基づいた所望の余寿命を用いて発電電力の抑制率を算出し、この抑制率に従って発電電力を抑制することにより、転がり軸受１０の交換時期を所望の交換時期まで遅延させることができる。
【０１１７】
なお、上述した実施の形態１および２では、転がり軸受１０はころ軸受であるものとしたが、この発明は玉軸受についても同様に適用可能である。
【０１１８】
図２４は、玉軸受について、内輪が複数の転動体から受ける総負荷回数と、内外輪間の相対変位δｘとの関係を示した図である。図２４は、ころ軸受についての図９に対応するものである。図２４では、軸受の負荷域中央に初期損傷が発生してからの総負荷回数と相対変位δｘ戸の関係が示されている。
【０１１９】
図２４を参照して、ころ軸受と同様に、玉軸受の場合も、総負荷回数がＮ１１に到達した時点からステージ３が開始するまでの余寿命Ｎ１２を算出することにより、玉軸受の交換時期を予測することができる。
【０１２０】
玉軸受の場合、軸受寿命計算において行なわれるラジアル荷重Ｆｒが負荷される場合の基本定格寿命Ｌの算出は以下の式（９）による。
【０１２１】
Ｌ＝（Ｃ／Ｆｒ）3  …（９）
また、玉軸受の場合も、ころ軸受と同様に、総負荷回数がＮ１１に到達した時点から、所望の余寿命Ｎ３から算出されるラジアル荷重Ｆｒ４が負荷されるように、発電電力を抑制することにより、玉軸受の交換時期を所望の交換時期まで遅らせることができる。
【０１２２】
また、上記においては、内外輪間の相対変位δｘは、変位センサ１０２（２７０）によって測定するものとしたが、転がり軸受１０の回転加速度、回転速度、転がり軸受１０から生じる音、及び転がり軸受１０に生じる応力のうちの少なくとも１つの測定値と相対変位δｘとの予め準備された関係を用いて、先の測定値に基づいて相対変位δｘを間接的に検出してもよい。
【０１２３】
さらに、上記においては、内外輪間の相対変位δｘの変化に従って軸受の交換時期を予測したが、それ以外の検出値に従っても構わない。例えば、加速度センサの検出値から軸受が正常に振動していた状態から異常な振動を行なうようになった時点を検出し、当該時点で負荷域中央に損傷が発生したものとしてもよい。
【０１２４】
今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２５】
１０，２６０  軸受、１２  内輪、１４  軸体、１６  外輪、１８  転動体、１００  状態監視装置、１０２，２７０  変位センサ、１０４  回転センサ、１０６  損傷検出部、１０８  予測部、１１０  発電制御部、２１０  風力発電装置、２２０  主軸、２３０  ブレード、２４０  増速機、２５０  発電機、２８０  データ処理装置、２９０  ナセル、３００  タワー。
【図１】
2020143947.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2020143947.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2020143947.tif 000024
【図２３】
2020143947.tif 000025
【図２４】
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