(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、転がり軸受部に偏角が生じた場合においても、転がり軸受の寿命を含む疲労状態を精度良く予測するためのシステムを提供することである。【解決手段】  回転体を支持する転がり軸受の疲労状態を予測する転がり軸受疲労状態予測システムであって、前記転がり軸受の軸受分担荷重の大きさと偏角を計算する荷重・偏角計算部と、前記軸受分担荷重と前記偏角に基づいて前記転がり軸受の荷重分布を計算する荷重分布計算部と、前記荷重分布に基づいて前記転がり軸受の疲労状態を予測する疲労状態予測部と、を有することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。【選択図】  図１
2019190943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体を支持する転がり軸受の疲労状態を予測する転がり軸受疲労状態予測システムであって、
前記転がり軸受の軸受分担荷重の大きさと偏角を計算する荷重・偏角計算部と、
前記軸受分担荷重と前記偏角に基づいて前記転がり軸受の荷重分布を計算する荷重分布計算部と、
前記荷重分布に基づいて前記転がり軸受の疲労状態を予測する疲労状態予測部と、
を有することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項２】
請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記荷重・偏角計算部は、前記回転体を備えた回転機械の発電量またはモータ電力に基づいて、前記軸受分担荷重の大きさを算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項３】
請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記荷重・偏角計算部は、前記軸受分担荷重による前記回転体の変形を計算することにより前記偏角を算出することを特徴した、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項４】
請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記荷重・偏角計算部は、前記転がり軸受の近傍に設置した変位センサの出力に基づいて前記偏角を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項５】
請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記荷重分布計算部は、前記転がり軸受の幾何形状と接触理論より前記荷重分布を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項６】
請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記荷重分布計算部は、前記偏角の大きさと前記荷重分布の最大局所荷重の関係を示した表に基づいて前記荷重分布を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項７】
請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記疲労状態予測部は、前記荷重分布の最大局所荷重の大きさ毎に、前記回転体の累積回転数を分析し、この分析結果と軸受定格寿命と線形累積損傷則に基づいて前記疲労状態を算出することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項８】
請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記疲労状態予測部が予測した前記疲労状態を表示装置に表示することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項９】
請求項８に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記表示装置に表示される前記疲労状態は、前記転がり軸受の余寿命、累積損傷度、損傷確率、または、前記損傷確率に損傷時に生じる損金を乗算した指標であるリスク、の何れか、または、これらの任意の組合せであることを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の転がり軸受疲労状態予測システムにおいて、
前記表示装置に、前記疲労状態予測部が予測した前記疲労状態に対応する保守内容を表示することを特徴とした、転がり軸受疲労状態予測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体を支承する転がり軸受の疲労状態予測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受の寿命を予測することは、軸受の型式の選定や、軸受の交換時期を最適化するうえで重要である。しかし、転がり接触特性の複雑さや、疲労に関係する部品点数が多いため、同じ型式の軸受を用い、同じ条件で使用したとしても、その寿命は軸受毎に大きくばらついてしまう。
【０００３】
そこで、軸受寿命の分布状態に対して、ワイブル分布をあてはめて、その分布を代表する値を使用する方法が提案されており、この方法は現在でも使用されている。また、軸受の寿命の大きさに対して、最もよく使用されるのが、全個数の内１０％の軸受が損傷する寿命（基本定格寿命Ｌ１０）である（（式１）参照）。
【０００４】
【数１】
2019190943.tif 000003
【０００５】
（式１）中のＣは基本動定格荷重と呼ばれ、軸受の動的負荷容量を示すパラメータである。Ｐは軸受に負荷される等価荷重である。指数ｐは、玉軸受では３、ころ軸受では１０／３としている。
【０００６】
（式１）で求められる基本定格寿命Ｌ１０は長い間使用されてきたが、近年、軸受の寿命には、軸受の疲労限荷重、潤滑状態、運転環境、運転時の汚染粒子、取付け時の清浄度が影響することが明らかになってきた。そして、数多くの試験結果をもとに、それらを考慮した修正係数ａISOが新たに提案されており、この修正係数ａISO及び任意の損傷確率ｎ％を計算するための係数ａ１を基本定格寿命Ｌ１０に乗じた修正定格寿命Ｌｎｍが提案された（（式２）参照）。
【０００７】
【数２】
2019190943.tif 000004
【０００８】
近年、転がり軸受の交換時期を最適化して、製品の稼働率を最大化させる需要が高まっている。その手法として、実稼働時の転がり軸受に関わる物理量を計測し、その計測データを用いて、時々刻々変化する転がり軸受の疲労状態を評価する手法が提案されており、また、その上で必要となる、実稼働時の荷重を計測する手法が特許文献１に提案されている。
【０００９】
例えば、特許文献１の請求項１には、「軸受が支持される軸受ハウジングに取り付けられる超音波探触子から入射波を前記軸受の軸受外輪に向けて発生させ、前記軸受ハウジングと前記軸受外輪との境界位置からの反射波を測定することにより、軸受荷重を測定する軸受荷重計測のための軸受支持構造であって、前記軸受ハウジングに前記軸受外輪が嵌合する嵌合孔が形成されており、前記嵌合孔と前記軸受外輪の間に充填材を介在させていることを特徴とする軸受荷重計測のための軸受支持構造。」と記載されており、この超音波探触子を用いて、転動体と転がり軸受の内輪または外輪との密着度を求めて、その結果から軸受荷重を推定する手法が記載されている（特許文献１の段落００２３〜段落００２７等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３８４２０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、実際の回転軸は、その自重や歯車荷重により軸が変形し、転がり軸受部において偏角が生じる場合がある。偏角がある場合は、転がり軸受内の荷重分布が不均一となり、局所的に接触荷重が大きくなる領域が生じる。軸受の寿命は、転動体と軸受内輪、外輪との最大接触荷重に影響をうけるため、軸受の寿命を精度よく予測するためには、軸受部の偏角を評価し、最大接触荷重を推定する必要がある。
【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載された手法は、回転軸の荷重変形により生じる、転がり軸受部の偏角が考慮されていないため、原理的に軸受寿命の予測精度が低いものであった。
【００１３】
本発明の目的は、転がり軸受部に偏角が生じた場合においても、転がり軸受の寿命を含む疲労状態を精度良く予測するための転がり軸受疲労状態予測システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の転がり軸受疲労状態予測システムは、回転体を支持する転がり軸受の疲労状態を予測するものであって、前記転がり軸受の軸受分担荷重の大きさと偏角を計算する荷重・偏角計算部と、前記軸受分担荷重と前記偏角に基づいて前記転がり軸受の荷重分布を計算する荷重分布計算部と、前記荷重分布に基づいて前記転がり軸受の疲労状態を予測する疲労状態予測部と、を有するものとした。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、転がり軸受に偏角が生じた場合においても、偏角時の最大接触荷重を求めることができるため、転がり軸受の疲労状態を精度良く予測できる。またオペレータは疲労状態を確認することができるため、転がり軸受の交換時期を最適化でき、その結果、稼働率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１の転がり軸受疲労状態予測システムの全体概略構成図。
【図２】実施例１の転がり軸受疲労状態予測システムの機能ブロック図。
【図３】実施例１の転がり軸受疲労状態予測システムの全体処理フロー図。
【図４】回転動力伝達機構の例を示した概略図。
【図５】図４において、モータと連結した回転軸が変形したときの模式図。
【図６】転がり軸受に偏角が生じたときの接触荷重分布状態を示した図。
【図７】実施例１における、疲労状態の計算方法の概略図。
【図８】図２に示す表示装置の画面表示の一例を示す図。
【図９】図２に示す表示装置の画面表示の一例を示す図。
【図１０】実施例２の転がり軸受疲労状態予測システムの、偏角計測方法を示す概略図。
【図１１】実施例３の転がり軸受疲労状態予測システムの、偏角と偏角有無時の最大局所荷重比の関係を示した図。
【図１２】転がり軸受疲労状態予測システムを、風車発装置に適用した概略図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する
なお、各実施例において、「転がり軸受」とは、回転軸に代表される回転体の外周面を覆うよう配される円筒状の内輪、円筒状の内輪の外周面を覆い且つ内輪の外周面より径方向外側に所定の間隔にて離間し同心円状に配される円筒状の外輪、及び、外輪の外周面を覆うよう配される軸受ハウジングを備え、かつ、内輪の外周面と外輪の内周面との間に、転動体として球状の玉が周方向に複数配される転がり「玉軸受」、或いは、内輪の外周面と外輪の内周面との間に、転動体として円柱状のころが周方向に複数配される「転がりころ軸受」を含む。
【００１８】
また、「転がり軸受」は、円筒状の内輪の外周面に、周方向に所定の間隔にて円弧状の深溝が複数形成され、円筒状の外輪の内周面に、内輪の外周面に形成された深溝と対向する位置に円弧状の深溝が形成される深溝軸受等を含む。
【００１９】
さらに、各実施例において、回転軸を回転可能に支持する転がり軸受を有し、転がり軸受にかかる荷重の方向が変化する回転機械として、例えば、風力発電装置、又は、掘削現場或は建設現場で使用される建設機械を含む。
【実施例１】
【００２０】
以下、本発明の実施例１の転がり軸受疲労状態予測システム１について、図１から図７を参照して説明する。
【００２１】
図１は、実施例１の転がり軸受疲労状態予測システム１の全体概略構成図である。ここに示すように、転がり軸受疲労状態予測システム１は、少なくとも、演算装置４、入力装置５、表示装置６を備えたシステムである。これらのうち、演算装置４は、転がり軸受２の疲労状態を計測データ（計測信号）に基づき予測するものであり、入力装置５は、オペレータが操作するキーボードやマウス等であり、表示装置６は、演算装置４からの信号を表示するＬＣＤや有機ＥＬ等のディスプレイである。
【００２２】
演算装置４の監視対象である転がり軸受２は、図１に示すように、回転軸３の外周面を覆うよう配されており、回転軸３に嵌合する円筒状の内輪２ａと、内輪２ａの外周面を覆い且つ内輪２ａの外周面より径方向外側に所定の間隔にて離間し同心円状に配される円筒状の外輪２ｂと、内輪２ａの外周面と外輪２ｂの内周面の間に周方向に相互に所定の間隔にて離間し配される複数の転動体２ｃ（球状の玉、円柱状のころ）を備える。なお、図１では、外輪２ｂの外周面を覆う軸受ハウジングを省略している。
【００２３】
図２は、転がり軸受疲労状態予測システム１の機能ブロック図である。なお、演算装置４は、具体的には、パソコンなどのコンピュータであり、図示しないＣＰＵ等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備え、補助記憶装置に記録されたデータベースを参照しながら、主記憶装置に記憶されたプログラムを演算装置が実行することで、後述する各機能を実現するものであるが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら説明する。
【００２４】
図２に示すように、本実施例の演算装置４は、運転データと、入力装置５からのデータが入力され、それらの処理結果等を表示装置６に出力するものであり、所望の処理を実現するために、入力インターフェース（以下では「入力部４ａ」）、計測値取得部４ｂ、荷重・偏角計算部４ｃ、荷重分布計算部４ｄ、疲労状態予測部４ｅ、記憶部４ｆ、表示制御部４ｇ、出力インターフェース（以下では「出力部４ｈ」）、および、それらを相互接続する内部バス４ｉを備えている。以下、各々について順次説明する。
【００２５】
入力部４ａには、転がり軸受２の疲労状態を予測するために計測した計測値（回転機械の運転データ）と、オペレータが入力装置５を介して設定した設定情報（潤滑条件、フィルタ条件等）が入力される。
【００２６】
記憶部４ｆは、入力装置５から入力された設定情報や設計情報を、内部バス４ｉを介して取得し所定の記憶領域に格納すると共に、後述する計測値取得部４ｂ等の出力を所定の記憶領域に格納するものであり、具体的には、半導体メモリ、ハードディスクなどで構成される。
【００２７】
計測値取得部４ｂは、入力部４ａに入力されるデータから計測値に相当するものを抽出して取得する。なお、計測値は、監視対象の回転機械がモータである場合には常時計測されるモータ電力や回転数・回転速度であり、監視対象の回転機械が発電機である場合には常時計測される発電量や回転数・回転速度であるが、他種のデータを計測値としても良い。ここで取得した計測値を、内部バス４ｉを介して、荷重・偏角計算部４ｃへ転送すると共に、記憶部４ｆの所定の記憶領域に格納する。
【００２８】
荷重・偏角計算部４ｃは、内部バス４ｉを介して計測値取得部４ｂから取得した計測値に基づき、各々の転がり軸受２にかかる軸受分担荷重Ｆと、軸受分担荷重Ｆによる回転軸３の変形を計算し、また、その変形計算結果に基づき、各々の転がり軸受２の偏角θを計算する。ここで計算した軸受分担荷重Ｆと偏角θを、内部バス４ｉを介して、荷重分布計算部４ｄへ転送すると共に、記憶部４ｆの所定の記憶領域に格納する。
【００２９】
荷重分布計算部４ｄは、内部バス４ｉを介して荷重・偏角計算部４ｃから取得した、軸受分担荷重Ｆと偏角θに基づき、転がり軸受２内の軸受荷重分布ｆを計算する。さらに、得られた軸受荷重分布ｆの最大値である最大局所荷重ｆmax’を、内部バス４ｉを介して、疲労状態予測部４ｅへ転送すると共に、記憶部４ｆの所定の記憶領域に格納する。
【００３０】
疲労状態予測部４ｅは、内部バス４ｉを介して荷重分布計算部４ｄから取得した最大局所荷重ｆmax’、及び、内部バス４ｉを介して計測値取得部４ｂまたは記憶部４ｆから取得した回転速度データに基づき、転がり軸受２の疲労状態を予測する。疲労状態予測部４ｅにより求められた転がり軸受２の疲労状態の予測結果は、表示制御部４ｇ、出力部４ｈを介して表示装置６の表示画面７に表示される。
【００３１】
ここで、「疲労状態」とは、例えば、転がり軸受２の余寿命、累積損傷度、損傷確率、または、損傷確率に損傷時の影響度を乗算した指標であるリスク、の何れか、または、これらの任意の組み合わせである。なお、リスクを算出する際に用いる「影響度」とは、例えば、部品交換に要する費用、部品交換のために転がり軸受を有する回転機械を停止することによるコストロス（被害額）を意味する。
【００３２】
次に、図３、図４を用いて、本実施例の転がり軸受疲労状態予測システム１の処理フローについて説明する。
【００３３】
図３は、転がり軸受疲労状態予測システム１の全体処理フロー図である。
【００３４】
まず、ステップＳ１では、荷重・偏角計算部４ｃは、各転がり軸受２にかかる軸受分担荷重Ｆを計算する。ここで、荷重・偏角計算部４ｃによる、軸受分担荷重Ｆの計算方法に関して図４を参照しながら説明する。
【００３５】
図４は、モータ９の回転軸３Ａを転がり軸受２Ａ、２Ｂにより支持し、モータ９の回転動力を、歯車１０Ａ、１０Ｂを介して、転がり軸受２Ｃ、２Ｄにより支持された回転軸３Ｂへ伝達する回転動力伝達機構を示した概略図である。この例では、回転軸３Ａ、３Ｂを共に一対の転がり軸受２で支持しているが、必ずしもそうである必要はなく、回転軸３が２つである必要もない。また、図４では、モータ９を動力源としているが、他の動力源から回転動力を供給する構成としてもよい。
【００３６】
このような回転動力伝達機構を監視対象とする場合、荷重・偏角計算部４ｃは、まず、ある時間ｔにおけるモータ電力Ｈ（ｔ）［Ｗ］とモータ回転速度Ｎ（ｔ）［rev/min］を、計測値取得部４ｂより取得する。そして、取得したモータ電力Ｈとモータ回転速度Ｎを用いて、回転軸３ＡにかかるトルクＴ（ｔ）［Ｎｍ］を以下の（式３）より求める。
【００３７】
【数３】
2019190943.tif 000005
【００３８】
次に、このトルクＴ（ｔ）と、記憶部４ｆから取得した設計情報である歯車１０Ａのピッチ半径ＲＡ［ｍ］を用いることで、歯車１０Ａに負荷される接線力Ｆ0［Ｎ］を、以下の（式４）より求める。
【００３９】
【数４】
2019190943.tif 000006
【００４０】
この接線力Ｆ0［Ｎ］は、転がり軸受２Ａと転がり２Ｂに分担される。この接線力Ｆ0［Ｎ］と、記憶部４ｆから取得した設計情報である、歯車１０Ａから転がり軸受２Ａまでの距離ｌＡ、または、転がり軸受２ＢまでのｌＢを用いることで、転がり軸受２Ａ、２Ｂの軸受分担荷重ＦＡ（ｔ）、ＦＢ（ｔ）のそれぞれは、以下の（式５）、（式６）より求まる。
【００４１】
【数５】
2019190943.tif 000007
【００４２】
【数６】
2019190943.tif 000008
【００４３】
歯車１０Ｂに生じる接線力は、作用・反作用の関係から、歯車１０Ａの接線力Ｆ0（ｔ）と等しいため、歯車１０Ｂから転がり軸受２Ｃまでの距離ｌＣ、歯車１０Ｂから転がり軸受２Ｄまでの距離ｌＤを用いると、転がり軸受２Ｃ、２Ｄの軸受分担荷重ＦＣ（ｔ）、ＦＤ（ｔ）のそれぞれは、以下の（式７）、（式８）より求まる。
【００４４】
【数７】
2019190943.tif 000009
【００４５】
【数８】
2019190943.tif 000010
【００４６】
ステップＳ２では、荷重・偏角計算部４ｃは、転がり軸受２の偏角θを算出する。偏角θの計算方法に関して図５を用いて説明する。
【００４７】
図５は、図４の回転軸３Ａが荷重変形したときの模式図である。歯車１０Ａに接線力Ｆ0が作用した場合、転がり軸受２Ａ、２Ｂに生じる偏角θＡ（ｔ）、θＢ（ｔ）はそれぞれ、記憶部４ｆの設計情報から取得した回転軸３ａのヤング率ＥＡ［Ｐａ］と断面二次モーメントＩＡを用いて、以下の（式９）、（式１０）により求まる。
【００４８】
【数９】
2019190943.tif 000011
【００４９】
【数１０】
2019190943.tif 000012
【００５０】
同様に、転がり軸受２Ｃ、２Ｄに生じる偏角θＣ（ｔ）、θＤ（ｔ）も、回転軸３Ｂのヤング率ＥＢ［Ｐａ］と断面二次モーメントＩＢを用いて、以下の（式１１）、（式１２）により求まる。
【００５１】
【数１１】
2019190943.tif 000013
【００５２】
【数１２】
2019190943.tif 000014
【００５３】
ステップＳ３では、荷重分布計算部４ｄは接触計算を実施し、その中の最大局所荷重ｆmax’を算出する。最大局所荷重ｆmax’の求め方ついて、図６を用いて説明する。
【００５４】
図６は、転がり軸受２に偏角θが生じたときの軸受荷重分布ｆを示した図である。荷重分布計算部４ｄでは、荷重・偏角計算部４ｃで求めた、軸受分担荷重ＦＡ（ｔ）〜ＦＤ（ｔ）と、偏角θＡ（ｔ）〜θＤ（ｔ）と、記憶部４ｆに格納された転がり軸受２の幾何寸法を用いて、接触理論計算により、各々の転がり軸受２について、転動体２ｃと内輪２ａまたは外輪２ｂの軸受荷重分布ｆ（ｔ）を算出するとともに、この軸受荷重分布ｆ（ｔ）に基づき偏角θがあるときの最大局所荷重ｆmax’ （ｔ）を算出する。また、偏角θが無いときの最大局所荷重ｆmax（ｔ）も同時に計算する。さらにそれらの比である最大局所荷重比β（ｔ）を以下の（式１３）により求める。
【００５５】
【数１３】
2019190943.tif 000015
【００５６】
ステップＳ４では、疲労状態予測部４ｅは、荷重頻度解析を行う。ここで実行される荷重頻度解析について、図７を用いて説明する。荷重・偏角計算部４ｃから軸受分担荷重ＦＡ〜ＦＤを取得し、計測値取得部４ｂから回転速度データ（Ｎ（ｔ））を取得すると、これらに基づいて荷重頻度分布を算出することができる。具体的には、軸受分担荷重データＦｐ（ｔ）、回転速度データＮ（ｔ）に基づき、以下の（式１４）により荷重頻度分布を求める。
【００５７】
【数１４】
2019190943.tif 000016
【００５８】
ここで、ｖｉは、所定範囲の荷重Ｐｉが付加されたときの総回転数（累積回転数）であり、Δｔは、サンプリング間隔（サンプリング周期）である。
【００５９】
図７を参照しながら、これを具体的に説明する。図７（ａ）は、ある転がり軸受２の軸受分担荷重データＦｐの時間変化を示すグラフである。また、図７（ｂ）は、回転機械の回転速度データＮの時間変化を示すグラフである。さらに、図７（ｃ）は、横軸に総回転数（累積回転数）Ｎを取り、縦軸に荷重Ｐを取った、荷重頻度分布を示しており、転がり軸受２に付加される荷重ΔＰ毎の総回転数（累積回転数）が記録されたものである。例えば、荷重Ｐｉ−１が付加された総回転数はｖｉ−１[回転]、荷重Ｐｉが付加された総回転数はｖｉ[回転]、荷重Ｐｉ＋１が付加された総回転数はｖｉ＋１[回転]であることが示されている。
【００６０】
なお、図７（ｄ）は、ある転がり軸受２の最大局所荷重比βの時間変化を示すグラフであり、この図７（ｄ）と図７（ｃ）に基づいて、損傷度Ｄを算出できるが、その算出方法の詳細は後述することとする。
【００６１】
ステップＳ５では、疲労状態予測部４ｅは、内部バス４ｉを介して記憶部４ｆから潤滑条件とフィルタ条件を取得する。
【００６２】
ステップＳ６では、疲労状態予測部４ｅは、取得した潤滑条件及びフィルタ条件に基づき、修正係数ａISOを算出する。なお、上述したように、修正係数ａISOは（式２）により修正定格寿命Ｌｎｍを求めるときに用いるものである。
【００６３】
ステップＳ７では、疲労状態予測部４ｅは、ステップＳ３で求めた最大局所荷重比βと、ステップＳ４で求めた荷重頻度分布と、ステップＳ６で算出した修正係数ａISOを用いて、損傷度Ｄを（式１５）により算出する。
【００６４】
【数１５】
2019190943.tif 000017
【００６５】
式１５において、添え字ｉは荷重ステップ、添え字Ｉは荷重ステップ数、指数ｐは玉軸受では３、ころ軸受では１０／３である。
【００６６】
ステップＳ８では、疲労状態予測部４ｅは、（式１５）で演算した累積損傷度Ｄが１となるときの転がり軸受２の損傷確率ｎ％を基準として、現在の損傷確率を求める。
【００６７】
ステップＳ９では、疲労状態予測部４ｅは、内部バス４ｉを介して記憶部４ｆに格納された故障発生時の被害額γを取得する。ここで、故障発生時の被害額γとは、例えば、転がり軸受２自体の部品交換に要する費用、部品交換のために転がり軸受を有する回転機械を停止することによるコストロスであり、上述の「影響度」に相当する。
【００６８】
ステップＳ１０では、疲労状態予測部４ｅは、ステップＳ８で求めた現在の損傷確率に、ステップＳ９で取得した「故障発生時の被害額γ」を乗算し、現時点のリスクを算出する。
【００６９】
以上の処理の実行により、転がり軸受疲労状態予測システム１による疲労状態予測の処理が終了する。
【００７０】
以上の処理を実行する間、記憶部４ｆは、各ステップにより得た、軸受分担荷重、偏角、回転速度（Ｎ（ｔ））、荷重頻度分布、累積損傷度Ｄ、損傷確率、リスクの各データを、時刻ｔ毎に紐付けて所定の記憶領域に格納する。
【００７１】
なお、図３では、ステップＳ１、Ｓ２を荷重・偏角計算部４ｃが実行し、ステップＳ３を荷重分布計算部４ｄが実行し、他のステップを疲労状態予測部４ｅが実行する構成としたが、全ステップの処理を疲労状態予測部４ｅが実行する構成としても良い。
【００７２】
次に、図８、図９を用いて、図３の処理により得た転がり軸受２の疲労状態予測結果を表示装置６の表示画面７に表示する形態の一例について説明する。
【００７３】
図８に示すように、表示装置６の表示画面７は、転がり軸受２の疲労状態予測結果を表示する第一表示領域７ａと、保守に関するメッセージを表示する第二表示領域７ｂと、各種コマンドを入力するためのコマンド入力領域７ｃから構成される。この例では、コマンド入力領域７ｃには、「実行」ボタン７ｄと「保守」ボタン７ｅが表示されているが、他のボタンを表示しても良い。なお、表示画面７の最上部領域には、第一表示領域７ａ等を含むウィンドウ全体を、クローズ、縮小／拡大表示、等するためのボタンも表示されている。
【００７４】
オペレータが入力装置５を介して「実行」ボタン７ｄを操作すると、図８のように「実行」ボタン７ｄがアクティブとなるとともに、演算装置４は図３の処理を開始し、それらの処理により得られた、転がり軸受２毎の、「軸受分担荷重」、「偏角」、「累積回転数」、「累積損傷度」、「損傷確率」、「リスク」が、第一表示領域７ａに表形式で表示される。図８の例では、時刻ｔにおける疲労状態予測結果として、軸受分担荷重の大きさが「Ｆ（ｔ）」、偏角が「θ（ｔ）」、累積回転数が「Ｎ（ｔ）」、累積損傷度が「Ｄ（ｔ）」、損傷確率が「〇％」、リスクが「￥〇」として表示されており、転がり軸受２毎の損傷確率や損傷した場合のコストなどを具体的に把握することができる。このように、時刻毎に、各転がり軸受２の疲労状態（累積損傷度、損傷確率、リスク）が予測され、表示される。
【００７５】
また、オペレータが入力装置５を介して「保守」ボタン７ｅを操作すると、図９のように「保守」ボタン７ｅがアクティブとなるとともに、第二表示領域７ｂ内に、例えば、「軸受Ｃが損傷している可能性があります。交換部品の手配、メンテナンスの実施を検討ください。」、「運転履歴より、〇カ月後（年後、日後でも良い）のリスクは￥〇〇になります。」、「運転プランを変更するか、交換する必要があります。」などの、第一表示領域７ａの表示内容を踏まえた、オペレータに対する助言が表示される。なお、これらメッセージは、記憶部４ｆに予め格納されており、予測した疲労状態に応じたものが抽出され、表示制御部４ｇ、出力部４ｈを介して、表示装置６の第二表示領域７ｂに表示される。
【００７６】
また、適切なメッセージを選択して表示できるように、図３の処理を通して得られる「累積損傷度」や「損傷確率」等には複数の閾値が予め設定されており、かつ、各々の閾値に対し、異なるメッセージが容易されている。従って、表示制御部４ｇは、「累積損傷度」や「損傷確率」等と予め設定された複数の閾値を比較することで、「累積損傷度」や「損傷確率」等の程度に応じた適切なメッセージを記憶部４ｆから選択したうえで、第二表示領域７ｂに表示することができる。なお、表示制御部４ｇに代えて、疲労状態予測部４ｅが、上述したメッセージ選択を実行する構成としても良い。
【００７７】
このように、本実施例によれば、第一表示領域７ａには、各時刻における、転がり軸受２毎の疲労状態（累積損傷度、損傷確率、リスク）が表示されることから、オペレータは画面上で転がり軸受２の疲労状態を容易に確認することができ、転がり軸受２の交換時期を最適化することができる。また、第二表示領域７ｂには、転がり軸受２の疲労状態予測結果に対応する保守に関するメッセージが表示されることから、熟練度の低いオペレータであっても適切な対応を認識することができ、必要な場合は即座に保守作業に取り掛かることも可能となる。
【００７８】
なお、本実施例の図８、図９では、表示装置６の表示画面７に、第一表示領域７ａ、第二表示領域７ｂを設ける構成としたが、これに限られるものではない。例えば、表示画面７に一つの表示領域を設け、図８の第一表示領域７ａに表示した疲労状態予測結果と、図９の第二表示領域７ｂに表示した保守に関するメッセージを切替え表示する構成としても良い。
【００７９】
更には、図８に示した第一表示領域７ａに表示される疲労状態予測結果のみを、表示画面７上に表示する構成としても良い。この場合においても、各時刻における、各転がり軸受２の疲労状態（累積損傷度、損傷確率、リスク）が表示されることから、オペレータは表示画面上で転がり軸受の疲労状態を容易に確認することができるため、転がり軸受の交換時期を最適化することができる。
【００８０】
以上で説明した本実施例によれば、転がり軸受２にかかる荷重や偏角が変化する場合であっても、転がり軸受の疲労状態を精度良く予測することができる。また、本実施例によれば、オペレータは表示画面上で転がり軸受２の疲労状態を容易に確認できるため、転がり軸受２の交換時期を最適化でき、その結果、稼働率の向上、保守コストの低減を実現することができる。
【実施例２】
【００８１】
次に、図１０の転がり軸受２の含軸断面図を用いて、本発明の実施例２の転がり軸受疲労状態予測システムにおける、荷重・偏角計算部４ｃの偏角計測方法を説明する。なお、実施例１との共通点は重複説明を省略する。
【００８２】
実施例１では、モータ電力、発電量、回転数、回転速度等の回転電機の運転データを利用して偏角θを算出し、この偏角θに基づいて転がり軸受２の疲労状態を予測したが、本実施例では転がり軸受２の軸受ハウジング２０に非接触式の変位センサ２１を複数設け、この変位センサ２１が出力する変位データを利用して偏角θを算出し、この偏角θに基づいて転がり軸受２の疲労状態を予測することとした。
【００８３】
図１０は、本実施例における変位センサ２１の配置を例示するものであり、図１０の右図に示すように、転がり軸受２の表側の軸受ハウジング２０ａには、回転軸３を囲む四つの非接触式の変位センサ２１ａ１〜２１ａ４が設置されており、また、転がり軸受２の裏側の軸受ハウジング２０ｂには、回転軸３を囲む四つの非接触式の変位センサ２１ｂ１〜２１ｂ４が設置されている。これらの変位センサ２１のうち、（２１ａ１、２１ａ３）と（２１ｂ１、２１ｂ３）の二対は、回転軸３をｘ軸上で挟むように対称に配置されており、（２１ａ２、２１ａ４）と（２１ｂ２、２１ｂ４）の二対は、回転軸３をｙ軸上で挟むように対称に配置されている。この結果、図１０の左図の断面図から分かるように、（２１ａ１、２１ｂ１）、（２１ａ２、２１ｂ２）、（２１ａ３、２１ｂ３）、（２１ａ４、２１ｂ４）の四対は、転がり軸受２をｚ軸方向に挟むように配置されることになる。なお、非接触式の変位センサ２１としては、例えば、渦電流式変位センサ、あるいは、レーザー変位計を用いることができるが、他の種類の非接触式センサを用いても良い。
【００８４】
次に、これらの変位センサ２１を利用した偏角θの計算方法を説明する。軸受ハウジング２０ａに設置された変位センサ２０ａ１〜２０ａ４の計測値をＭａ１〜Ｍａ４とすると、軸受ハウジング２０ａの同一平面上における回転軸３の中心位置座標の変化Ｃａは以下の（式１６）により計算される。
【００８５】
【数１６】
2019190943.tif 000018
【００８６】
同様に、軸受ハウジング２０ｂに設置された変位センサ２０ｂ１〜２０ｂ４の計測値をＭｂ１〜Ｍｂ４とすると、軸受ハウジング２０ｂの同一平面上における回転軸３の中心位置座標の変化Ｃｂは以下の（式１７）により計算される。
【００８７】
【数１７】
2019190943.tif 000019
【００８８】
（式１６）、（式１７）より算出した、回転軸３の中心位置座標の変化Ｃａ、Ｃｂにより、転がり軸受２近傍の、回転軸３の軸方向への傾き角（偏角θ）を得ることができる。そして、ここで得た偏角θを用いて、図３のステップＳ３以降の処理を実行することで、実施例１と同様に、累積損傷度、損傷確率、被害額、リスクなどを推測することができる。
【００８９】
以上で説明した本実施例によれば、直接計測した偏角θを用いて転がり軸受の疲労状態を推測するため、実施例１の構成に比べ、その精度を更に改善することができる。
【実施例３】
【００９０】
次に、図１１のグラフを用いて、本発明の実施例３の転がり軸受疲労状態予測システムにおける、荷重分布計算部４ｄでの計算方法の他の例を説明する。なお、上述の実施例との共通点は重複説明を省略する。
【００９１】
実施例１では、荷重分布計算部４ｄは、図３のステップ３で接触計算を実施することで、図６に示した軸受荷重分布ｆを算出し、これに基づいて、偏角θ発生時の最大局所荷重ｆmax’や最大局所荷重比βを求めていた。しかしながら、接触計算をリアルタイムで実行するには、転がり軸受疲労状態予測システム１のＣＰＵに比較的高速で高価なものを利用する必要があった。そこで、本実施例では、記憶部４ｆに予め記録された表（テーブル）を参照することで、最大局所荷重比βを容易に求めることができるようにした。
【００９２】
図１１は、偏角θと最大局所荷重比βの関係を示した図である。この曲線は、あらかじめ接触計算を実施して求められており、表形式のデータとして記憶部４ｆに格納されている。
【００９３】
本実施例の転がり軸受疲労状態予測システム１でも、実施例１の図３のフローに沿った処理が行われるが、ステップＳ３の処理内容が異なる。すなわち、本実施例では、軸受分担荷重Ｆと偏角θが荷重分布計算部４ｄに入力されると、荷重分布計算部４ｄは記憶部４ｆから図１１に示した偏角θと最大局所荷重比βの関係を示す表（テーブル）を呼び出し、入力されたθに対応する最大荷局所荷重比βを特定し、これを出力する。ステップＳ４以降の処理は実施例１と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００９４】
以上で説明した本実施例によれば、転がり軸受疲労状態予測システム１において、荷重Ｆ０や偏角θが変化する毎に、接触荷重分布計算する必要がないため、計算負荷を低減することができ、かつ疲労状態算出速度を速くすることができる。
【実施例４】
【００９５】
次に、図１２の風力発電装置の概略構成図を用いて、実施例１乃至実施例３のいずれかの転がり軸受疲労状態予測システム１を回転機械の監視に利用した具体例を説明する。なお、上述の実施例との共通点は重複説明を省略する。
【００９６】
図１２に示す風力発電装置３０は、風を受けて回転する複数のブレード３１、複数のブレード３１を支持するハブ３２、ナセル３３、ナセル３３を回動可能に支持するタワー３４を備える。ナセル３３内には、ハブ３２に連結されハブ３２と共に回転する主軸３５、主軸３５の回転速度を増速する増速機３６、及び、増速機３６により高速化された発電機軸３７に連結される発電機３８を備えている。複数のブレード３１に風荷重が付加されることで、複数のブレード３１が回転し、その回転エネルギーが発電エネルギーに変換される。
【００９７】
増速機３６の内部には、図４に示すような複数の回転軸３と歯車１０、転がり軸受２が存在する。従って、実施例１で説明したように、荷重・偏角計算部４ｃは、計測値取得部４ｂから発電量と回転速度データと記憶部４ｆに格納してある増速機３６の設計情報（歯車１０、転がり軸受２、回転軸３の寸法等）に基づき、増速機３６で使用される転がり軸受２の軸受分担荷重Ｆ、偏角θを算出できる。そして、図３の処理を完了することにより、増速機３６内の転がり軸受２の疲労状態を予測することできる。
【００９８】
なお、転がり軸受疲労状態予測システム１を構成する演算装置４等は、風力発電装置３０の近傍に設置する必要はなく、例えば、風力発電装置３０から遠隔に位置する中央給電指令所等に設置することが望ましい。これにより、増速機３６の転がり軸受２にかかる軸受分担荷重Ｆや偏角θが変化した場合であっても、オペレータは、中央給電指令所等にいながら、その転がり軸受２の疲労状態予測結果を容易に確認できるため、増速機３６の交換時期を適切に決定でき、結果として風力発電装置３０の稼働率を向上させ、保守費用の抑制も図ることができる。なお、監視対象である回転機械が風力発電装置３０である本実施例では、疲労状態予測部４ｅが利用する「影響度」には、増速機交換のために風力発電装置３０を停止することによる、停止期間中の電力料金（コスト）も含まれる。
【００９９】
本実施例では、転がり軸受にかかる軸受分担荷重及び偏角が変化するような回転機械として、風力発電装置３０を例示したが、監視対象となる回転機械はこれに限られるものではなく、建設機械等の回転機械にも同様に適用できる。建設機械の場合は、建設機械の停止による工期延長によるペナルティー等が、上述の「影響度」に含まれる。
【０１００】
以上の通り、本実施例によれば、転がり軸受にかかる軸受分担荷重Ｆ及び偏角θが変化するような回転機械において、転がり軸受の疲労状態を高精度に予測でき、オペレータは表示画面上で転がり軸受の疲労状態を容易に確認することができるため、転がり軸受の交換時期を最適化でき、その結果、回転機械の稼働率を向上することが可能となる。
【符号の説明】
【０１０１】
１  転がり軸受疲労状態予測システム、
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ  転がり軸受、
２ａ  内輪、
２ｂ  外輪、
２ｃ  転動体、
３、３Ａ、３Ｂ  回転軸、
４  演算装置、
４ａ  入力部、
４ｂ  計測値取得部、
４ｃ  荷重・偏角計算部、
４ｄ  荷重分布計算部、
４ｅ  疲労状態予測部、
４ｆ  記憶部、
４ｇ  表示制御部、
４ｈ  出力部、
４ｉ  内部バス、
５  入力装置、
６  表示装置、
７  表示画面、
７ａ  第一表示領域、
７ｂ  第二表示領域、
７ｃ  コマンド入力領域、
７ｄ  「実行」ボタン、
７ｅ  「保守」ボタン、
９  モータ、
１０、１０Ａ、１０Ｂ  歯車、
２０、２０ａ、２０ｂ  軸受ハウジング、
２１、２１ａ、２１ｂ  変位センサ、
３０  風力発電装置、
３１  ブレード、
３２  ハブ、
３３  ナセル、
３４  タワー、
３５  主軸、
３６  増速機、
３７  発電機軸、
３８  発電機、
Ｆ０  接線力、
Ｆ  軸受分担荷重、
ｆ  軸受荷重分布、
ｆmax  偏角がないときの最大局所荷重、
ｆmax’  偏角があるときの最大局所荷重、
θ  偏角、
β  最大局所荷重比
【図１】
2019190943.tif 000020
【図２】
2019190943.tif 000021
【図３】
2019190943.tif 000022
【図４】
2019190943.tif 000023
【図５】
2019190943.tif 000024
【図６】
2019190943.tif 000025
【図７】
2019190943.tif 000026
【図８】
2019190943.tif 000027
【図９】
2019190943.tif 000028
【図１０】
2019190943.tif 000029
【図１１】
2019190943.tif 000030
【図１２】
2019190943.tif 000031