(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに支持された外輪の内周側に複数の転動体を介して内輪を回転自在に支持した転がり軸受の上記内・外輪、転動体等に生じた傷を検出する転がり軸受の診断方法であって、
上記ケーシングの開口部に上記外輪の端面を押圧する蓋体が設けられており、上記蓋体の内側に上記外輪の端面によって密閉される凹部が形成されており、上記凹部の内部における上記外輪の軸線方向に位置する端面に、上記転動体が上記外輪の内周軌道面を転動することにより生じる上記外輪の負荷変動を検出して周期的かつ規則的な出力信号を出力する歪ゲージを固着し、この歪みゲージに接続した周波数解析手段によって上記傷を検出するようにしたことを特徴とする転がり軸受の診断方法。
【請求項２】
ケーシングに支持された外輪の内周側に複数の転動体を介して内輪を回転自在に支持した転がり軸受装置において、
上記ケーシングの開口部に上記外輪の端面を押圧する蓋体が設けられており、上記蓋体の内側に上記外輪の端面によって密閉される凹部が形成されており、上記凹部の内部における上記外輪の軸線方向に位置する端面に、上記転動体が上記外輪の内周軌道面を転動することにより生じる上記外輪の負荷変動を検出して周期的かつ規則的な出力信号を出力する歪ゲージを固着し、この歪みゲージに周波数解析手段を接続して上記内・外輪、転動体等に生じた傷を検出するようにしたことを特徴とする転がり軸受装置。
【請求項３】
前記周波数解析手段は、前記歪ゲージに接続されたハイパスフィルターと、このハイパスフィルターで顕著化された前記出力信号の高周波成分を表示または報知する評価手段とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の転がり軸受装置。
【請求項４】
前記外輪をケーシングに支持させ、前記歪ゲージを上記ケーシングの外側を向く外輪の端面に固着したことを特徴とする請求項２または３に記載の転がり軸受装置。
【請求項５】
ケーシングに外輪を支持させるとともに、この外輪の内周側に複数の転動体を介して内輪を回転自在に支持し、上記ケーシングの開口部に上記外輪の端面を押圧する蓋体を設けた転がり軸受装置において、
上記蓋体の内側の端面に上記外輪の端面によって密閉される凹部を設け、この凹部に歪ゲージを収容して歪ゲージを上記外輪の端面に固着し、歪ゲージの出力信号に基づいて上記内・外輪、転動体等に生じた傷を検出することを特徴とする転がり軸受装置。
【請求項６】
前記歪ゲージを、前記凹部の周壁部により前記転動体側の空間から遮蔽し、前記歪ゲージと前記凹部との間に、歪ゲージを押圧する弾性部材を介装したことを特徴とする請求項５に記載の転がり軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえば圧延装置等のロールを支持する転がり軸受装置およびその診断方法に係り、特に、内部に発生した損傷を検出することができる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、圧延装置などに用いられる低速回転の転がり軸受装置では潤滑油が回り難く、しかも、高負荷で用いられるためコロなどの転動体の表面の油膜保持力が弱く損傷を受けやすい。このため、従来では、定期的に転がり軸受装置を圧延ラインから取り出して点検を行うようにしており、点検のために多大な労力を払っていた。
【０００３】
一方、歪ゲージを設けた転がり軸受装置が従来より提案されている。たとえば、特開昭５６−１６２０３３号では、軸受を支持する座金にひずみ測定素子を設け、軸受荷重の異常を検出するようにした技術が開示されている。しかしながら、この技術では、座金にひずみ測定素子を設けているため、軸受の損傷を検出するには感度が充分でなく、信頼性に欠けるという欠点がある。
【０００４】
また、実公平６−２４５７０号や特開平２−２５３００９号などでは、軸受の外輪の外周面に凹部を設け、凹部に歪ゲージを固着して軸受荷重や軸受予圧量を検出する技術が開示されている。また、外輪の外周面に歪ゲージを貼着し、歪ゲージを避けるために軸受のケーシング（軸受箱）の内周面に凹部を設けた技術も提供されている。このような技術では、軸受に直接歪ゲージを設けているため、感度の点では問題はない。しかしながら、軸受の外輪に凹部を形成する技術では軸受の剛性が低下し、高負荷で用いることが不可能になる。また、既存の設備を改造して歪ゲージを設ける場合には、熱処理されている外輪に機械加工を施すのは困難であるとともに、ケーシングの機械加工もかなり煩雑である。さらに、低速回転で用いる場合には潤滑油の回りが悪いため、軸受に潤滑油をかけながら使用することがあるが、歪ゲージの貼着部に潤滑油がかかると接着剤がはがれてしまう等のトラブルが生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来より提案されている技術は、いずれも低速回転、高負荷で用いる装置の損傷を検出するには不向きであり、新たな改善が要望されていた。なお、損傷検出のために振動センサを用いることが従来より行われているが、振動センサは加速度を検出するものであるため、低速回転の場合には殆ど作動せず実用化は不可能である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、内部に発生した損傷を確実に検出することができるとともに、低速回転、高負荷という条件で潤滑油を多用することによるセンサへの悪影響を軽減し、よって、円滑な運転を可能にする転がり軸受の診断方法および転がり軸受装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の転がり軸受の診断方法は、ケーシングに支持された外輪の内周側に複数の転動体を介して内輪を回転自在に支持した転がり軸受の上記内・外輪、転動体等に生じた傷を検出する転がり軸受の診断方法であって、上記ケーシングの開口部に上記外輪の端面を押圧する蓋体が設けられており、上記蓋体の内側に上記外輪の端面によって密閉される凹部が形成されており、上記凹部の内部における上記外輪の軸線方向に位置する端面（以下、外輪端面と称する）に、転動体が外輪の内周軌道面を転動することにより生じる外輪の負荷変動を検出して周期的かつ規則的な出力信号を出力する歪ゲージを固着し、この歪みゲージに接続した周波数解析手段によって傷を検出するようにしたことを特徴としている。
【０００７】
上記転がり軸受の診断方法にあっては、転動体が転動して歪ゲージの付近を通過する毎に外輪に負荷変動が生じ、歪ゲージの出力信号は周期的かつ規則的に変動する。ここで、たとえば転動体の外周面に傷が生じていると、傷が内・外輪に接触する毎に傷による負荷変動が歪ゲージの出力信号に重畳される。なお、内輪の外周軌道面や外輪の内周軌道面（以下、これらの面を転動面と称する）に傷が生じていても同様の出力信号が得られる。そして、この出力信号が周波数解析手段に入力されて出力信号の高周波成分が傷として検出される。
【０００８】
次に、本発明の第１の軸受装置は、ケーシングに支持された外輪の内周側に複数の転動体を介して内輪を回転自在に支持した転がり軸受装置において、上記ケーシングの開口部に上記外輪の端面を押圧する蓋体が設けられており、上記蓋体の内側に上記外輪の端面によって密閉される凹部が形成されており、上記凹部の内部における上記外輪端面に、転動体が外輪の内周軌道面を転動することにより生じる外輪の負荷変動を検出して周期的かつ規則的な出力信号を出力する歪ゲージを固着し、この歪みゲージに周波数解析手段を接続して内・外輪、転動体等に生じた傷を検出するようにしたことを特徴としている。
この軸受装置においては、本発明の転がり軸受の診断方法と同等の作用により内・外輪、転動体等に生じた傷を検出することができ、いわば自己診断機能を有する転がり軸受装置である点に特徴がある。
【０００９】
このように、本発明においては、歪ゲージが発生する周期的かつ規則的な出力信号を加工して評価するから、低速回転であっても傷の発生を確実に検出することができる。また、外輪端面に歪ゲージを固着しているので、外輪を機械加工する必要がなく、よって、装置の剛性を低下させずに高負荷での運転に適用可能であるとともに、保守点検や既存の設備への適用が容易であるという利点もある。
【００１０】
ここで、本発明の転がり軸受の診断方法または転がり軸受装置の周波数解析手段としては、たとえば、歪ゲージに接続されたハイパスフィルターと、このハイパスフィルターで顕著化された歪ゲージの出力信号の高周波成分を表示または報知する評価手段とを備えた構成とすることができる。この構成では、歪ゲージの出力信号がハイパスフィルターを通過することにより、出力波形の中の傷により生じた高周波成分が顕著化され、評価手段によって確認できるようになる。なお、評価手段としては、オッシロスコープが代表的であるが、顕著化された高周波成分の値が所定の閾値に達したときにブザーやランプが作動して報知するように構成することもできる。あるいは、傷が発見されたらシャフトの回転を自動停止するように構成することもできる。また、高周波成分の周期から公知の計算方法を用いて傷の部位を算出することもできる。さらに、周波数解析手段として高速フーリエ変換（ＦＦＴ）装置を用いることも可能である。この場合において、ＦＦＴ装置に記憶させた周波数領域関数は勿論のこと、時間領域関数を用いることもできる。すなわち、周波数解析手段は、周期解析手段も含んでいる。
【００１１】
上記転がり軸受装置は、外輪をケーシングに支持させて固定し、内輪がシャフト等を回転自在に支持するようにして構成することができる。この場合、歪ゲージをケーシングの外側を向く外輪端面に固着すれば、保守点検や既存の設備への適用がより一層容易になる。たとえば、ケーシングの両端部に外輪をそれぞれ設けるような場合である。
【００１２】
次に、本発明の第２の転がり軸受装置は、外輪をケーシングに支持させるとともに、この外輪の内周側に複数の転動体を介して内輪を回転自在に支持し、ケーシングの開口部に外輪端面を押圧する蓋体を設けた転がり軸受装置において、蓋体の内側の端面に外輪の端面によって密閉される凹部を設け、この凹部に歪ゲージを収容して歪ゲージを外輪端面に固着し、歪ゲージの出力信号に基づいて内・外輪、転動体等に生じた傷を検出することを特徴としている。
【００１３】
上記構成の転がり軸受装置においても、転動体が歪ゲージの付近を通過する毎に外輪に負荷変動が生じ、歪ゲージの出力信号は周期的かつ規則的に変動する。そして、転動体の外周面や内・外輪の転動面に傷が生じていると、傷が相手部材に接触する毎に傷による負荷変動が歪ゲージの出力信号に重畳され、歪ゲージの出力信号の不規則部分から傷を検出することができる。特に、本発明の第２の転がり軸受装置では、蓋体の内側の端面に凹部を設け、この凹部に歪ゲージを収容して歪ゲージを外輪端面に固着しているから潤滑油が歪ゲージにかかり難く、潤滑油をかけながら運転しても歪ゲージへの支障は生じ難いという利点を有する。
【００１４】
ここで、潤滑油は転動体に注ぐのが通常であるから、凹部の周壁部によって歪ゲージを転動体側の空間から遮蔽するのが望ましい。より望ましくは、凹部をほぼ密閉された空間にするのが良い。また、歪ゲージと凹部との間に歪ゲージを押圧する弾性部材を介装すれば、歪ゲージの接着剤が硬化するまで外輪に圧接しておくことができ、非常に便利である。
【００１５】
ところで、外輪端面と外輪の外周面とにおける負荷変動を比較すると、外輪端面の負荷変動の方が小さい。よって、外輪端面に歪ゲージを固着した本発明では、検出精度に限界があり、転がり軸受装置が小型の場合には傷の検出が困難になることは否めない。本発明者等は、各種サイズの転がり軸受装置で傷の検出試験を行った結果、外輪端面の半径方向の幅が３ｍｍを下回ると、傷の検出の信頼性が低くなることが判った。よって、外輪の幅は３ｍｍ以上であることが望ましく、より望ましくは５ｍｍ以上、８ｍｍ以上であればさらに望ましい。ただし、外輪の幅が３ｍｍを下回っても傷の検出は可能であるから、かかる範囲に本発明が限定されるものではない。また、本発明は、シャフトが高速回転する場合でも適用可能であるが、シャフトの回転数が１５０ｒｐｍ以下の場合に用いて好適であり、１００ｒｐｍ以下であればより好適である。さらに、７０ｒｐｍであればなお好適であり、５０ｒｐｍ以下であれば最良である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図４を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は実施の形態の転がり軸受装置を示す側断面図である。図において符号１はケーシングである。ケーシング１は円筒状をなし、その両端部（図では一端部のみ示す）にはベアリング２が取り付けられている。ベアリング２は、ケーシング１の内周面に嵌合する外輪２０と、複数のボール（転動体）２１と、これらボール２１によって外輪の内周側で回転自在に支持された内輪２２とからなっている。
【００１７】
また、ケーシング１の開口部にはプラグ（蓋体）３が取り付けられている。プラグ３の内側を向く端面には、ほぼ全周にわたって延在する凸条３０が形成されている。凸条３０は、外輪２０を押圧しており、ベアリング２の抜け止めとして機能している。凸条３０の一部は半径方向に向けて切り欠かれ、そこに凹部３１が形成されている。そして、凹部３１には歪ゲージ４が収容され、歪ゲージ４は外輪２０の端面に接着されている。歪ゲージ４の歪み方向は円周方向へ向けられているが、半径方向や斜め方向など他の方向へ向けることもできる。歪ゲージ４の導線４０は、プラグ３に形成した孔３２を通して外部に導かれ、ハイパスフィルターを介してオッシロスコープ（それぞれ図示略）に接続されている。なお、図中符号５はオイルシール、６はシャフトである。
【００１８】
次に、上記構成の転がり軸受装置の作用について説明する。圧延ロールなどの負荷が設けられたシャフト６が回転すると、ベアリング２の内輪２２が回転し、ボール２１が外輪２０の転動面に沿って転動する。そして、ボール２１が歪ゲージ４を通過する毎に外輪２０に負荷変動が生じ、歪ゲージ４の出力信号は、ほぼ正弦曲線のように変化する。図３は歪ゲージ４の出力波形を示す線図であり、縦軸は出力電圧である。ここで、内輪２２の転動面に傷が生じていると、傷にボール２１が接触する毎に傷による負荷変動が歪ゲージ４の出力信号に重畳され、図３に示すように、先鋭なピークとなって出力信号に現れる。この出力信号はハイパスフィルターによって処理され、図４に示すように、オッシロスコープに高周波数成分であるピークで大きな振幅を有する波形が表示される。よって、作業者は、オッシロスコープに表示された波形で傷の発生を知ることができる。あるいは、出力信号の振幅が所定の閾値を超えたときにブザー等の警報を発するようにしたり、シャフト６の回転を自動的に停止するように構成することもできる。また、ピークの周期ΔＸから公知の計算方法を用いて傷の発生箇所を知ることもできる。なお、傷の発生箇所の計算方法については実機テストを参照して後に詳述する。また、波形のピークは、実際には周期的に連続して発生するが、図３では２つだけ示した。
【００１９】
上記構成の転がり軸受装置においては、外輪２０を機械加工する必要がないため装置の剛性が低下することがなく、高負荷での運転に適用可能であり、しかも、取外しが容易なプラグ３に凹部３１を形成しているので、既存の設備への適用が極めて容易である。さらに、外輪２０の端面に歪ゲージ４を固着しているので、保守点検が容易であるとともに、歪ゲージ４を凹部３１に収容しているので潤滑油がかかり難い。さらに、ボール２１に潤滑油をかけながら運転しても歪ゲージ４への支障は生じ難い等の効果が得られる。
【００２０】
次に、図５および図６は上記実施の形態の変更例を示すものであり、この変更例は、凹部３５の形状のみが異なっている。図に示すように、凹部３５は、プラグ３の凸条を平面視略矩形状に彫り込んで形成されている。凹部３５の外周側はケーシング１側に開放されているが、外周側はケーシング１の内周面によって閉塞されている。よって、凹部３５は、周囲が閉塞されたほぼ密閉された空間となっている。なお、図中符号３６は歪ゲージ４の導線４０を外部へ導くための孔である。
【００２１】
上記構成の転がり軸受装置では、凹部３５に潤滑油が浸入しないため、歪ゲージ４の固着力を確実に保持することができ、傷の検査装置としての信頼性を向上させることができる。なお、凹部は、たとえば図６の二点鎖線で示すように、凸条を直線状に切り欠いて形成することもできる。このような形状であれば加工が容易であり、しかも同等の密閉性を得ることができる。また、凹部をプラグの表裏面に貫通する孔によって構成することもできる。さらに、歪ゲージ４と凹部との間にゴムや板バネなどの弾性部材を介装し、歪ゲージ４を外輪２０に接着する接着剤が硬化するまで外輪２０に圧接するように構成しても良い。
【００２２】
［実機テスト］
次に、本発明の転がり軸受装置の実機テストを行ったので説明する。この実機テストでは、内輪の転動面に人工的に傷を付けてシャフトを回転させた。実機テストの条件を以下に示す。
１．実機仕様
（１）モータ：無段変速機付３相篭形モータ
２．２ＫＷ×４Ｐ×５．５〜３３．３ｒｐｍ
（２）中間減速機：ウオームギア式１段減速機（減速比１：１２）
（３）転がり軸受装置
▲１▼回転数：０．４６〜２．７８ｒｐｍ
▲２▼シャフト外径：８０ｍｍ
▲３▼軸受箱（ケーシング）内径：１７０ｍｍ
（４）軸受仕様
▲１▼型式：コロ軸受  ＮＵ３１６，内径８０ｍｍ，外径１７０ｍｍ，幅３９ｍｍ
▲２▼コロの個数：１４
▲３▼コロのピッチ円直径（Ｄ）：１２５．０ｍｍ
▲４▼コロの直径（ｄ）：２２．０ｍｍ
▲５▼コロの接触角（α）：０゜
（５）ラジアル負荷
▲１▼負荷方式：軸受箱外部押しボルト式
▲２▼負荷検出方法：最大５０００ｋｇロードセル
【００２３】
２．テスト条件
（１）傷寸法：幅６ｍｍ，長さ２０ｍｍ（転動方向と直交する人工加工傷）
（２）軸受回転数（ｆ０）：２．６ｒｐｍ（０．０４３Ｈｚ）
（３）ラジアル負荷：３４．３ＭＮ（３．５ｔｏｎ）
【００２４】
次に、コロや内・外輪の転動面に傷が生じていると、固有振動数で衝撃振動を発生する。この衝撃振動は傷が相手部品に接触するごとに周期的に発生し、その振動数は以下の計算式で求めることができる。
▲１▼内輪に傷がある場合
ｆｉ＝Ｚ・１／２・ｆ０（１＋ｄ／Ｄ・ｃｏｓα）（Ｈｚ）
▲２▼外輪に傷がある場合
ｆｃ＝Ｚ・１／２・ｆ０（１−ｄ／Ｄ・ｃｏｓα）（Ｈｚ）
▲３▼コロに傷がある場合
ｆｂ＝Ｚ・１／２・ｆ０・Ｄ／ｄ・（１−（ｄ／Ｄ）２・ｃｏｓ２α）（Ｈｚ）
【００２５】
上記計算式に実機テストの各種数値を当てはめると以下のとおりである。
▲１▼内輪衝撃振動周波数：０．３６４Ｈｚ（周期２．７５ｓｅｃ）
▲２▼外輪衝撃振動周波数：０．２５５Ｈｚ（周期３．９２ｓｅｃ）
▲３▼コロ衝撃振動周波数：０．１２２Ｈｚ（周期８．２０ｓｅｃ）
図４はこの実機テストでのオッシロスコープに表示された波形である。この波形から、衝撃振動周期はほぼ２．７ｓｅｃであり、内輪の傷の場合の理論計算値とほぼ合致した。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、外輪を機械加工する必要がないため装置の剛性が低下することがなく、高負荷での運転に適用可能であり、しかも、取外しが容易な蓋体に凹部を設けているので、既存の設備への適用が極めて容易である等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の転がり軸受装置を示す側断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】歪ゲージの出力波形を示す線図である。
【図４】歪ゲージの出力信号をハイパスフィルターに通した出力波形を示す線図である。
【図５】実施の形態の変更例を示す側断面図である。
【図６】図５のＶＩ方向矢視である。
【符号の説明】
１…ケーシング、２…ベアリング、３…プラグ（蓋体）、４…歪ゲージ、
２０…外輪、２１…ボール（転動体）、２２…内輪。
【図１】
0003566002.tif 000002
【図２】
0003566002.tif 000003
【図３】
0003566002.tif 000004
【図４】
0003566002.tif 000005
【図５】
0003566002.tif 000006
【図６】
0003566002.tif 000007