(57)【要約】  【課題】  圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手においても、その十字軸の各軸に設けられた転動面での剥離などの損傷を軸単位に精度よく、かつ早期に検知することができる新たな技術的手段を提供する。  【解決手段】  十字軸の４つの各軸１２ａの外周面を転動面１２ａ１として用いた十字軸継手を監視する軸継手監視装置において、各軸１２ａの軸端部とベアリングカップ１３のカップ部１３１の底面１３１ｃとの間に配置されたスラストワッシャ１５に、十字軸継手１の回転方向Ｒに合わせて２個の荷重センサ１６ａ、１６ｂを設ける。そして、このスラストワッシャ１５に働く軸１２ａとベアリングカップ１３との間の荷重を検出することにより、転動面１２ａ１の損傷検知を行う。【選択図】      図３
2005325980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
十字軸の４つの各軸の外周面を転動体が転動する転動面として用いた十字軸継手を監視する軸継手監視装置であって、
前記４つの各軸には、ベアリングカップが揺動可能に装着され、
前記軸と、その前記ベアリングカップとの間の荷重を検出する荷重センサを、前記ベアリングカップ側に設けたことを特徴とする軸継手監視装置。
【請求項２】
前記荷重センサは、前記十字軸継手の回転方向と平行な方向で前記軸の中心を通る線上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の軸継手監視装置。
【請求項３】
２個の前記荷重センサが、前記ベアリングカップ毎に、前記十字軸継手の回転方向に並べられた状態で設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸継手監視装置。
【請求項４】
前記荷重センサが、セラミック材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項１〜３に記載の軸継手監視装置。
【請求項５】
前記荷重センサが、前記ベアリングカップに組み付けられるとともに、前記軸の端部を支承するスラストワッシャに設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の軸継手監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手を監視する軸継手監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば鉄鋼用圧延設備では、圧延ローラと駆動モータとの間に接続された駆動軸の途中部分に十字軸継手を設けることにより、上記ローラが圧延中の鋼材に対し上下に動くのを許容した状態で、圧延処理を行っている。
上記のような十字軸継手では、例えば下記特許文献１に記載されているように、その十字軸の４つの各軸にベアリングカップを設けるとともに、このカップと軸との間にころを転動自在に配置して当該軸の外周面を転動面に利用するものが提供されている。そして、この十字軸継手では、駆動軸の駆動モータ側及び圧延ローラ側にそれぞれ配置される駆動軸部及び従動軸部の各端部を、相異なる直線上の２つの上記ベアリングカップに接続することで当該継手は駆動軸内に組込まれて駆動モータの回転力を圧延ローラ側に伝達する。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５１０７３号公報（第３頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような十字軸継手では、鉄鋼圧延時に上記圧延ローラ側から軸及び各ベアリングカップに作用する負荷荷重は極めて大きいものであり、使用時間などに応じて軸表面に剥離が生じ易かった。しかも、上記圧延ローラが上下に動いたときに、上記ベアリングカップが取り付けられた対応する軸に対して揺動することから、剥離や亀裂などの損傷が各軸に設けられた転動面の周方向で部分的に発生し易かった。さらには、４つの軸で表面剥離の程度が異なる場合があった。
ところが、圧延設備などでは、十字軸継手の十字軸は４つの上記ベアリングカップによって軸方向周りの部分が覆われるとともに、上記駆動軸部及び従動軸部の各端部が十字軸の中央部にほぼ密着するように繋がれて当該十字軸は外部にほとんど露出されることなく駆動軸内に組込まれている。このため、各軸に設けられた転動面での剥離などの損傷を検出するためのセンサを十字軸継手に取り付けることは困難であり、センサ検出結果による損傷検知を行うことも難しかった。それ故、圧延設備では、定期的に、駆動軸から十字軸継手を取外し、さらには軸とベアリングカップとを分離して十字軸継手を完全に分解することで、各軸での表面剥離の程度を目視確認することが要求されて、この定期点検作業に大変な労力と時間を要した。また、上記転動面に供給された使用済みのグリース内の鉄粉の含有量を測定することで、軸表面での損傷発生を類推することも行われているが、この方法では損傷検知を常時行うことができず、しかも、その類推結果による損傷発生の検知精度は低く、さらには軸単位の損傷検知を行うことは困難であった。
【０００５】
従って、本発明は、圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手においても、その十字軸の各軸に設けられた転動面での剥離などの損傷を軸単位に精度よく、かつ早期に検知することができる新たな技術的手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、十字軸の４つの各軸の外周面を転動体が転動する転動面として用いた十字軸継手を監視する軸継手監視装置であって、
前記４つの各軸には、ベアリングカップが揺動可能に装着され、前記軸と、その前記ベアリングカップとの間の荷重を検出する荷重センサを、前記ベアリングカップ側に設けたことを特徴とするものである。
【０００７】
上記のように構成された軸継手監視装置では、十字軸の軸において、上記ベアリングカップとの間に働く上記荷重を荷重センサにて検出することにより、本発明の発明者等は、剥離などの損傷が転動面に生じているか否かについて判別できることを見出した。すなわち、損傷が転動面に生じていない場合には、上記荷重センサの出力は十字軸継手の回転動作だけに応じて変化した。これに対して、損傷が転動面に生じている場合には、軸が前記損傷によって撓むことがあり、この撓みに起因する変動が荷重センサの出力に現れた。本発明は、上述のような知見に基づいて完成されたものであり、荷重センサの出力変動を検出することにてその転動面での損傷発生を即座に検知することができる。また、上記の出力変動は転動面における損傷の発生位置や程度に応じて変わることから、当該発生位置や程度を判別することもできる。また、荷重センサがベアリングカップ側に設けられているので、圧延設備などのように十字軸継手の十字軸が外部にほとんど露出されることなく駆動軸内に組込まれる場合でも、当該センサをベアリングカップとともに対応する軸に対して揺動させつつ、転動面に対する高精度な損傷検知を軸単位に行うことができる。尚、上記荷重センサは、十字軸の４つの各軸に設けてもよいし、損傷が発生し易い軸のみに設置してもよい。
【０００８】
また、上記軸継手監視装置において、前記荷重センサは、前記十字軸継手の回転方向と平行な方向で前記軸の中心を通る線上に配置されることが好ましい。
この場合、荷重センサが転動面の損傷による軸の撓み方向またはその撓み方向の軸中心に関して１８０deg反対の方向に配置されることとなり、撓みによる荷重変動を最高感度で検出することができ、損傷検知をより高精度に行うことができる。
【０００９】
また、上記軸継手監視装置において、２個の前記荷重センサが、前記ベアリングカップ毎に、前記十字軸継手の回転方向に並べられた状態で設けられていることが好ましい。
この場合、上記２個の荷重センサのセンサ出力の差動を求めることにより、周囲温度による各センサ出力の温度ドリフトを補償することができ、周囲温度の影響により損傷検知の精度低下を防ぐことができる。また、センサ出力の差動により、上記回転方向での偏荷重を検出することができることから、損傷検知の精度を高めることができる。
【００１０】
また、上記軸継手監視装置において、前記荷重センサが、セラミック材料を用いて構成されてもよい。
この場合、高い強度を有する荷重センサが使用されることとなり、上記転動面に生じた損傷によって軸が撓んだときに荷重センサがベアリングカップなどの近接配置された構成部材との接触回避するためのスペースを設ける必要がない。
【００１１】
また、上記軸継手監視装置において、前記荷重センサが、前記ベアリングカップに組み付けられるとともに、前記軸の端部を支承するスラストワッシャに設けられていることが好ましい。
この場合、上記荷重センサをベアリングカップに直接的に設置する場合に比べて、簡単な加工で当該センサの設置箇所を確保することができ、そのセンサ取付を容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、十字軸継手のベアリングカップ側に設けた上記荷重センサにより、対応する軸転動面での損傷発生を即座に検知できるとともに、そのセンサ出力を基に損傷の発生位置やその程度を判別するできるので、圧延設備などの駆動軸に組込まれる十字軸継手においても、上記転動面に対する損傷検知を十字軸の軸単位に精度よく、かつ早期に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の軸継手監視装置の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、圧延設備の駆動軸に組込まれる十字軸継手に適用した場合を例示して説明する。
【実施形態１】
【００１４】
図１は鉄鋼メーカの圧延設備に使用される駆動軸を示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態に係る軸継手監視装置の主要部を駆動軸の軸方向から見た図である（一部断面を含む。）。図において、駆動軸１０の両端部近傍には十字軸継手１１が使用されており、この継手１１を介在させて、当該駆動軸１０の一端側及び他端側には図示を省略した駆動モータ及び鉄鋼用圧延ローラがそれぞれ連結されている。つまり、駆動軸１０には、２つの十字軸継手１１の間に配置される中間軸部（第１軸部）１０ａに加えて、上記モータ及びローラ側にそれぞれ接続される駆動軸部（第２軸部）１０ｂ及び従動軸部（第３軸部）１０ｃが設けられており、一方の十字軸継手１１にて中間軸部１０ａと駆動軸部１０ｂとが連結され、他方の十字軸継手１１にて中間軸部１０ａと従動軸部１０ｃとが連結されている（図１参照）。また、圧延設備では、２本の駆動軸１０が互いに平行に配置されており、各駆動軸１０に連結された２つの上記ローラ間にスラブ等を通すことで圧延処理が施された鋼材を製造するように構成されている。また、この圧延処理の際に、各十字軸継手１１は、接続された駆動軸１０がその軸方向から傾くのを許容した状態で上記駆動モータの回転力を圧延ローラに伝達する。さらに、各十字軸継手１１を設けることにより、各圧延ローラが摩耗したときや鋼材の圧延幅を変更するときに上下のローラ芯間を容易に調整できるようになっている。
【００１５】
上記十字軸継手１１は、十字軸１２と、４個のベアリングカップ１３とを備えており、ベアリングカップ１３が十字軸１２の軸方向周りの部分を覆うように当該十字軸１２の４つの各軸１２ａに揺動可能に取り付けられている。各ベアリングカップ１３は、有底状のカップ部１３１と、その内部に保持され、上記軸１２ａに転がり接触する複数のころ１３２とを具備しており、カップ部１３１の内周面及び軸１２ａの外周面をそれぞれ外輪軌道及び内輪軌道としている。また、図２における上下一対のベアリングカップ１３は当該十字軸継手１１から見て軸方向一方側の駆動軸１０の軸部（例えば、上記駆動軸部１０ｂ）に、左右一対のベアリングカップ１３は軸方向他方側の駆動軸１０の軸部（例えば、上記中間軸部１０ａ）に、それぞれ接続されている。詳細には、カップ部１３１の左右両端部側に設けられたボルト穴１３１ａに螺着されるボルトを介して駆動軸１０の対応する軸部の端部に形成されたフランジ部が当該カップ部１３１に連結されており、十字軸１２の左右両側の中央部が軸部端部にほぼ密接して、当該十字軸１２が外部にほとんど露出されることなく駆動軸１０内に組込まれた状態で各軸部が接続されている。
【００１６】
上記カップ部１３１の周方向中央にはグリース注入用の孔１３１ｂが形成されている。また、上記十字軸１２の各軸１２ａには、上記孔１３１ｂと同軸的に、当該軸１２ａの中心軸周りに孔１２ｂが形成されており、十字軸継手１１の内部で互いに連結されている。この孔１２ｂは、上記ころ１３２の軸外周面及びカップ部内周面との転がり接触部を潤滑するグリースが流されるグリース用通路を構成している。
また、上記孔１３１ｂには、蓋１４が着脱可能に取り付けられており、上記転がり接触部から当該孔１３１ｂを介して外部にグリースが漏れ出るのを防ぐようになっている。詳細にいえば、この蓋１４には、例えば段差状に形成された孔１３１ｂの内周面と密接して当該孔１３１ｂを実質的に密閉する平底碗状の取付部１４ａと、その底部から軸１２ａの軸方向に延設されてその軸側の上記孔１２ｂに挿入された丸棒状の支持部１４ｂとを有している。
【００１７】
また、上記十字軸１２の各軸１２ａでは、ベアリングカップ１３との間にリング状のスラストワッシャ１５が設けられている。このスラストワッシャ１５は、合成樹脂によって構成されたものであり、上記カップ部１３１の底面１３１ｃに組み付けられている。そして、このスラストワッシャ１５は、底面１３１ｃと軸１２ａの端部との間に配置されて、これらの底面１３１ｃと軸端部とが金属接触するのを防いだ状態で当該軸端部を支承している。
また、各スラストワッシャ１５には、本発明の軸継手監視装置に含まれた荷重センサが設置されており、対応する軸１２ａの外周面を用いた上記ころ１３２の転動面での剥離や亀裂などの損傷の検知を行うように構成されている。
【００１８】
具体的には、図３に示すように、スラストワッシャ１５には、上記荷重センサ１６ａ、１６ｂをそれぞれ設置するためのセンサ設置箇所としての段差部１５ａ、１５ｂが形成されている。これらの段差部１５ａ、１５ｂは、スラストワッシャ１５の成型時に金型によって一体的に設けられたものであり、当該ワッシャ１５の上記底面１３１ｃ側の軸方向端面を半円状に開口することにより形成されている。また、段差部１５ａ、１５ｂの軸方向寸法は、後に詳述するように、軸１２ａが撓んだときでも設置されている荷重センサ１６ａ、１６ｂが上記底面１３１ｃと接触するのを回避できる十分な寸法を有するように設定されている。また、これらの段差部１５ａ、１５ｂは、軸１２ａが撓んだときにスラストワッシャ１５中心側が拘束された片持ち梁の非拘束（自由端）側に設けられており、軸１２ａの撓みにより変形が生じ易い箇所に設けられることで荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出精度が向上するようになっている。
上記荷重センサ１６ａ、１６ｂは、歪みゲージを用いて構成されたものであり、軸１２ａとベアリングカップ１３との間のスラスト荷重、つまり軸１２ａの軸端部とカップ部１３１の底面１３１ｃとの間の荷重を検出している。また、これらの各荷重センサ１６ａ、１６ｂは、電源供給用ケーブル１７ａ及び信号出力用ケーブル１７ｂを含んだケーブル１７によって上記蓋１４の取付部１４ａに取り付けられた子機１に接続されており、子機１から電力が供給されるとともに、当該子機１に検出信号（電圧信号）を出力している。
【００１９】
また、上記荷重センサ１６ａ、１６ｂは、軸１２ａの軸中心に関して互いに対称となるように図３（ａ）に矢印Ｒにて示す十字軸継手１１の回転方向に並べられており、十字軸継手１１の回転動作時にベアリングカップ１３の軸１２ａに対する揺動に応じてその軸１２ａの転動面１２ａ１上で移動する負荷の最小負荷範囲側及び最大負荷範囲側にそれぞれ配置されている。そして、これらの荷重センサ１６ａ、１６ｂは、転動面１２ａ１に発生した損傷に応じてその軸１２ａに撓みが生じると、その撓みに起因して変化する上記荷重を検出し、その検出した荷重を示す上記検出信号を子機１に出力する。その後、この子機１に設けられた後述のセンサ回路にてそれら検出信号に対する差動処理が実施されるようになっている。
また、他の３箇所の軸１２ａについても同様に、各々２個の荷重センサ１６ａ、１６ｂがスラストワッシャ１５に設置されており、対応する軸１２ａの撓みに起因する荷重変化を検出し、子機１と同様に軸１２ａ毎に設けられた子機２、３、４（図２）に検出信号を出力して、これら子機２〜４の各センサ回路で差動処理が実施されるようになっている。
【００２０】
詳細には、上記駆動軸１０では、圧延ローラ側の従動軸部１０ｃが上下方向に動くのを許容するため、従動軸部１０ｃ及び中間軸部１０ａはそれぞれ中間軸部１０ａ及び駆動軸部１０ｂに対して、所定の作動角（例えば、最大５deg）の範囲内で上下方向に揺動可能に対応する十字軸継手１１を介して連結されている。それ故、例えば図４（ａ）に示すように、中間軸部１０ａが駆動軸部１０ｂに対して最大作動角で上方向に傾いている場合には、例えば中間軸部１０ａに連結された各ベアリングカップ１３は、同図（ｂ）の二点鎖線にて示すように、その装着された軸１２ａに対し図の右端部が上方向に傾いた状態となっている。また、中間軸部１０ａが上記図４（ａ）に示す状態から最大作動角を維持した状態で９０deg及び１８０deg回転すると、このカップ１３も中間軸部１０ａの回転動作に応じて、同図（ｂ）の実線及び点線にて示すように、軸１２ａに対して揺動する。すなわち、十字軸継手１１では、当該継手１１が駆動軸１０とともに回転したときに、各ベアリングカップ１３はその駆動軸１０に設定された最大作動角の２倍の角度範囲（例えば、＋５〜−５deg）で軸１２ａの中心Ｏに対して揺動（往復回動）するようになっている。
【００２１】
また、十字軸継手１１では、その回転動作時に４つの各軸１２を有する十字軸１２は、駆動軸１０の回転に応じて同一平面内で回転しているが、各軸１２に装着されたベアリングカップ１３は上記のように揺動する。このため、図４（ｂ）に示した軸１２ａの端部が同図の紙面に垂直な平面内でその図の下側に向けて回転するときには、その軸１２ａの転動面１２ａ１（図３）においてベアリングカップ１３側からの最大負荷が作用する箇所は、当該カップ１３の軸１２ａに対する揺動に応じて移動することとなり、上記最大負荷範囲は同図（ｂ）に両矢印Ｐにて示す範囲となる。一方、当該転動面１２ａ１において最小負荷が作用する箇所もベアリングカップ１３の上記揺動に応じて移動しており、上記最小負荷範囲は最大負荷範囲Ｐの軸１２ａの軸中心Ｏに関して点対称な範囲に等しい同図（ｂ）に両矢印Ｑにて示す範囲となる。
また、上記荷重センサ１６ａ、１６ｂは、カップ部底面１３１ｃに組み付けられたスラストワッシャ１５の段差部１５ａ、１５ｂにそれぞれ設置されることにより、十字軸継手１１の回転方向Ｒと平行な方向で軸１２ａの中心Ｏを通る線（揺動角度が０degの線）上で上記最小負荷範囲Ｑ側及び最大負荷範囲Ｐ側に配置されてベアリングカップ１３の揺動に伴って当該カップ１３とともに軸１２ａに対し揺動（往復回動）する。
【００２２】
ここで、荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出信号を用いた損傷検知の動作について、図５〜図８も参照して、具体的に説明する。なお、以下の説明では、説明の簡略化のために、上記中間軸部１０ａがその最大作動角の状態の回転を継続し、ベアリングカップ１３ではその軸１２ａに対する揺動角度が−５deg〜＋５degの範囲で変化するものとする。
まず、図６を参照して、転動面１２ａ１に損傷が生じていない場合での各荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出信号について説明する。
損傷が生じていない場合では、２個の荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出信号は、図６（ａ）及び（ｂ）の波形５０ａ、５０ｂに示すように、十字軸継手１１の回転動作に応じて正弦波状に変化する。詳細にいえば、ベアリングカップ１３が十字軸継手１１の最下方位置にあるときは、このカップ１３の軸１２ａに対する揺動角度は０deg（図４（ｂ）に実線にて図示）となっているが、最下方位置にあるため、そのスラストワッシャ１５には当該継手１１や駆動軸１０の重量が最大限に作用する。このため、各荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出信号も最大値となる。その後、このベアリングカップ１３が十字軸継手１１の回転動作に伴い駆動軸１０周りに回転して、カップ１３が十字軸継手１１の最上方位置に達すると、当該カップ１３の揺動角度も０degから−５deg（図４（ｂ）に点線に図示）に変化し、さらに−５degから０degに変化する。また、このようにベアリングカップ１３が最上方位置に向かって移動（回転）するにつれて、スラストワッシャ１５に働く荷重も小さくなって荷重センサ１６ａ、１６ｂの各検出信号もまた小さくなる。そして、ベアリングカップ１３が最上方位置に達した時点で荷重センサ１６ａ、１６ｂの各検出信号は最小値となる。
【００２３】
続いて、ベアリングカップ１３が十字軸継手１１の回転動作に伴い上記最上方位置から最下方位置に向かって回転すると、当該カップ１３の揺動角度も０degから＋５deg（図４（ｂ）に二点鎖線に図示）に変化し、さらに＋５degから０degに変化する。また、ベアリングカップ１３の最下方位置への回転に伴って、スラストワッシャ１５に働く荷重も大きくなり荷重センサ１６ａ、１６ｂの各検出信号もまた大きくなる。そして、ベアリングカップ１３が最下方位置に達した時点で荷重センサ１６ａ、１６ｂの各検出信号は最大値となる。
以上のように、転動面１２ａ１に損傷が生じていない場合では、荷重センサ１６ａ、１６ｂの各検出信号は、波形５０ａ、５０ｂに示すように、十字軸継手１１の一回転期間を一周期とする同一の正弦波波形となる。それ故、荷重センサ１６ａの検出信号から荷重センサ１６ｂの検出信号の差を求める差動処理が上記センサ回路にて実施されると、図６（ｃ）に示すように、その差動処理後のセンサ検出信号は反応がない状態となり、後述のパネルコンピュータ等にて転動面１２ａ１に損傷が生じていないことが判別可能となる。
【００２４】
次に、損傷として例えば図５に示す剥離Ｈが転動面１２ａ１に生じている場合での各荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出信号について説明する。
ベアリングカップ１３が十字軸継手１１の回転動作に伴い上記最下方位置から回転すると、ベアリングカップ１３は、軸１２ａの中心Ｏに対して順次揺動し、その揺動角度は０deg、−５deg、０deg、＋５degと変化する。荷重センサ１６ａ、１６ｂはベアリングカップ１３側に固定されているので、これらのセンサ１６ａ、１６ｂに対する軸１２ａの相対的な動作は図８（ａ）〜（ｄ）になる。また、同図８に矢印Max及び矢印Minでそれぞれ示すベアリングカップ１３から軸１２ａ側に作用する負荷の最大箇所及び最小箇所に対して、当該軸１２ａの転動面１２ａ１は相対的に移動するので、当該カップ１３が図８（ａ）に示す状態から図８（ｂ）に示す状態、及び同（ｂ）に示す状態から図８（ｃ）に示す状態に揺動する間に、最大負荷箇所は転動面１２ａ１に生じた上記剥離Ｈ上を通過する。
【００２５】
また、上記のように、最大負荷箇所がベアリングカップ１３の揺動に応じて剥離Ｈ上を通過するので、その最大負荷箇所と剥離Ｈとの位置関係によっては軸１２ａに撓みが発生する。
具体的には、最大負荷箇所と剥離Ｈとが比較的離れているときには、図５（ａ）に示すように、軸１２ａには撓みが発生しておらず、各荷重センサ１６ａ、１６ｂには、同図に矢印ｋ１、ｋ２にて示す同じ値の荷重が作用して、各センサ１６ａ、１６ｂの検出信号も同じ値となる。但し、この荷重ｋ１、ｋ２は、スラストワッシャ１５に作用する十字軸継手１１などの重量に応じたものであり、図６（ａ）及び（ｂ）に示したように、十字軸継手１１の回転動作に伴い変化する。
【００２６】
一方、最大負荷箇所が剥離Ｈ上を通過するとき及びその通過前後で比較的近付いているときには、図５（ｂ）に示すように、当該最大負荷箇所側への撓みが軸１２ａに発生し、その軸端部が図の右方向下側に傾いた状態となる。また、この軸１２ａの撓みは、剥離Ｈの深さや範囲などの程度に応じて変化するものであり、このような撓みが生じると、各荷重センサ１６ａ、１６ｂで検出される荷重検出値も変動する。
詳細には、軸１２ａの撓みにより、上記スラストワッシャ１５の段差部１５ａ側は底面１３１ｃに接近するよう同図の下方側から上方側に押し上げられるよう弾性変形しており、この段差部１５ａに配置された荷重センサ１６ａが検出する荷重は、同図に白抜きの矢印ｋ１で示すように、撓みが生じていない場合に比べて増加する。この結果、最小負荷範囲Ｑ側の荷重センサ１６ａの検出信号もまた増加して、図７（ａ）の波形６０ａに示すように、撓みが生じるとともに大きくなり、最大負荷箇所が剥離Ｈ上を通過し軸１２ａが最大に撓んだときにピーク値となる増加変動が現れる。また、このとき、段差部１５ａでは、荷重センサ１６ａの上方側（底面１３１ｃ側）に設けられたスペースによってセンサ１６ａが底面１３１ｃに接触するのを免れている。さらに、この段差部１５ａでは上記片持ち梁の自由端側に設けられているので、段差部１５ａは軸１２ａの撓みに応じて大きく撓んで荷重センサ１６ａは高精度に荷重を検出している。
【００２７】
一方、図５（ｂ）に示すように、軸１２ａの撓みによってその軸端部右側が同図の下方側に押し下げられるので、段差部１５ｂに配置された荷重センサ１６ｂが検出する荷重は、同図に矢印ｋ２で示すように、撓みが生じていない場合に比べて減少する。この結果、最大負荷範囲Ｐ側の荷重センサ１６ｂの検出信号もまた増加して、図７（ｂ）の波形６０ｂに示すように、撓みが生じるとともに大きくなり、最大負荷箇所が剥離Ｈ上を通過し軸１２ａが最大に撓んだときにピーク値となる減少変動が現れる。
また、これら荷重センサ１６ａ、１６ｂでの増加及び減少の出力変動は、同じタイミングで、かつ同じ大きさで生じることから、上記差動処理がセンサ回路にて実施されると、図７（ｃ）の波形６０ｃに示すように、その差動処理後のセンサ検出信号は軸１２ａに撓みが生じたときのみ反応するものとなり、またその振幅も各センサ１６ａ、１６ｂでの２倍の値となる。さらに、上記パネルコンピュータ等が差動処理後のセンサ検出信号を用いることにより、転動面１２ａ１での剥離Ｈ（損傷）発生の有無、及び発生した損傷の位置並びにその深さや範囲などの程度を検知するようになっている（詳細は後述）。
【００２８】
また、上記子機１は、図９に示すように、荷重センサ１６ａ、１６ｂからの検出信号を入力するとともに、図示しないボルト等の固定手段によって取付部１４ａの底部に固定されるセンサ基板３１と、このセンサ基板３１の上方に配置されたワイヤレス基板３２と、このワイヤレス基板３２の上方に配置されたバッテリー電源３３とを備えている。また、子機１では、互いに接離自在なコネクタにて各基板３１、３２と電源３３とが順次接続されるようになっており、当該ユニット１はビス穴１４ｃ内に挿入されるビス（図示せず）によって上記孔１３１ｂに装着される蓋１４の内部に収納されている。すなわち、センサ基板３１及びワイヤレス基板３２は、それぞれ設けられた勘合コネクタ３１ｃ及び３２ｃとが互いに連結されることでこれらの基板３１及び３２が電気的に接続され、またワイヤレス基板３２及びバッテリー電源３３は、それぞれ設けられた勘合コネクタ３２ｄ及び３３ａとが互いに連結されることでこれらの基板３２及び電源３３が電気的に接続されている。なお、図９では、図面の簡略化のために、上記支持部１４ｂの図示は省略している。また、各基板３１及び３２はモールド樹脂によりコーティングされたものであり、これら基板３１及び３２の回路等の電子部品にグリースや湿気などによる悪影響が極力生じないよう構成されている。
【００２９】
上記センサ基板３１は、荷重センサ１６ａ、１６ｂからの各検出信号を用いた上記差動処理を含む所定の信号処理機能と、差動処理後のセンサ検出信号をＡ／Ｄ変換してセンサ検出信号データを生成するＡ／Ｄ変換機能とが付与されたＤＳＰ等の演算部を有するセンサ回路３１ａと、上記バッテリー電源３３に含まれた例えば二本の単三形電池３３ａからの直流をユニット各部に適宜分配供給するための電源回路３１ｂとを備えている。そして、センサ回路３１ａが、上記差動処理を行うことにより、軸１２ａに発生した撓みに起因して生じる上記最大負荷範囲Ｐ側及び最小負荷範囲Ｑ側の偏荷重を検出し、その偏荷重を示す上記センサ検出信号をそのデータに変換しワイヤレス基板３２に出力する。
上記ワイヤレス基板３２には、例えばＤＳＰを用いて構成された送受信回路３２ａと、この送受信回路３２ａや上記センサ回路３１ａなどで使用されるプログラム等のデータを保持するメモリ３２ｂとを備えており、当該ワイヤレス基板３２がセンサ回路３１ａからの上記センサ検出信号データを無線送信するデータ送信部を構成している。上記送受信回路３２ａには、所定周波数の発信波（搬送波）を発振する発振機能、この搬送波に検出信号データを乗せるための変調機能が付与されている。また、送受信回路３２ａは、後述の親機５（図１０）からの発信波を受信して、その受信した発信波を復調してその発信波に含まれた同親機５からの指示信号を抽出する復調機能を有しており、前記指示信号によって子機１の各部はその駆動制御が行われるようになっている。また、送受信回路３２ａには、バッテリー電源３３の上方で蓋１４の開口端付近に配置されるアンテナ３４が接続されており、このアンテナ３４が上記センサ検出信号データのシリアルデータ列を含んだ送信波を外部に発信する。尚、この説明以外に、アンテナ３４をベアリングカップ１３の外表面に沿わせて配置する構成でもよい。
【００３０】
また、他の子機２〜４も子機１と同様に上下三段に分割配置された基板及び電源を有しており、対応する荷重センサ１６ａ、１６ｂからの検出信号データを発信するようになっている。
また、上記子機１〜４及び荷重センサ１６ａ、１６ｂは、上記軸継手監視装置Ｔに含まれたものであり、各子機１〜４にはそれぞれ識別子としての連続した整数のＩＤ番号０，１，２，３が割り当てられており、各子機１〜４の上記送受信回路３２ａでは、センサ検出結果の送信を行うときに例えばヘッダー部に割り当てられたＩＤ番号を含めて、送信波を発信するように構成されている。そして、軸継手監視装置Ｔ内で各子機１〜４と、これら子機１〜４各々に接続された荷重センサ１６ａ、１６ｂとを特定可能になっている。
【００３１】
図１０に示すように、上記軸継手監視装置Ｔは、荷重センサ１６ａ、１６ｂ（図３）が各々接続された子機１〜４と、これらの各子機１〜４からの送信波を受信する親機５を備えている。この親機５には、例えばＲＳ２３２Ｃに準拠した通信線６ａを介して圧延設備内に配置されたパネルコンピュータ７が接続されている。また、このパネルコンピュータ７には、例えば１０Ｂａｓｅ−Ｔ線を用いたＬＡＮ ６ｂを介して、圧延設備から離れた監視室内などに設置されたパソコン（以下、“ＰＣ”と略称する。）８が接続されており、このＰＣ ８は、インターネット等の通信ネットワーク２０を介在させて例えば十字軸継手１１の製造メーカやそのメンテナンス会社などの情報処理端末２１に接続可能に構成されている。尚、軸継手監視装置Ｔでは、上記２本の駆動軸１０に組付けられた４つの各十字軸継手１１に子機１〜４が装着されており、パネルコンピュータ７及びＰＣ ８は当該監視装置Ｔ内に含まれた全ての各子機からの送信データを上記ＩＤ番号を基に判別し、各十字軸継手１１の監視を上記軸１２ａ単位に行えるようになっている。
【００３２】
上記パネルコンピュータ７には、そのコンピュータ機能として、各子機１〜４を介して送られてきた荷重センサ１６ａ、１６ｂの上記センサ検出信号データに基づいて対応する軸１２ａでの損傷の有無、及び発生した損傷の位置並びにその深さや範囲などの程度についての判別・診断機能が付与されている。
具体的には、センサ検出信号データが０（Ｖ）を示している場合、つまりそのアナログ信号が図６（ｃ）に示したように反応がない場合には、パネルコンピュータ７は対応する軸１２ａの転動面１２ａ１に損傷が生じていないと判別する。
【００３３】
一方、図７（ｃ）の波形６０ｃに示したように、センサ検出信号に増加変動が現れている場合、つまり入力した信号データに０（Ｖ）以外の値が含まれている場合には、パネルコンピュータ７は上記転動面１２ａ１に剥離Ｈ（損傷）が生じていると判別する。また、コンピュータ７は、図示しない位置センサから十字軸継手１１（または駆動軸１０）の回転絶対角情報を取得し、転動面１２ａ１での損傷発生位置を特定するよう構成されている。つまり、ベアリングカップ１３の揺動動作と十字軸継手１１の回転動作とは、互いに相関関係を有しており、パネルコンピュータ７はその相関関係に基づき予め入力設定されたテーブルなどを参照することで、取得した十字軸継手１１の回転絶対角情報からベアリングカップ１３の揺動状態（揺動角度・位置）を判別することができる。そして、パネルコンピュータ７は、上記揺動状態の情報と荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出結果とを用いて、転動面１２ａ１上での剥離位置を特定できる。
また、軸１２ａの撓みは損傷の深さや範囲などの程度に応じて変化するので、パネルコンピュータ７は、上記信号データにおいて、データ値が増加変動している間の時間間隔を検出することで損傷の発生範囲を検知するとともに、そのデータ値の大きさに基づき損傷の程度を検知する。
【００３４】
また、上記パネルコンピュータ７には、各子機１〜４のバッテリー電源３３での電池容量の残量管理などの監視装置Ｔの構成要素のメンテナンス作業に必要な情報管理機能、及び各センサ検出データの波形や上記センサ検出信号データの変化等の所定の履歴情報をディスプレイに表示するモニタリング機能がソフトウェアにて与えられている。
また、ＰＣ ８には、パネルコンピュータ７が有する上記のコンピュータ機能に加えて、入力した検出データやそれに基づく損傷の診断結果などのデータを保存したり、他の情報処理端末２１に上記の保存データを提供するＷｅｂサーバとして働いたりするようなサーバ機能が付与されている。
【００３５】
以上のように構成された本実施形態では、荷重センサ１６ａ、１６ｂを軸１２ａ毎に設けられた上記スラストワッシャ１５に設置し、これらのセンサ１６ａ、１６ｂによりスラストワッシャ１５に働く対応する軸１２ａとベアリングカップ１３との間の荷重を検出している。そして、パネルコンピュータ７またはＰＣ ８が、転動面１２ａ１に生じた損傷に応じて軸１２ａが撓んだときに、この撓みに起因して変動する荷重センサ１６ａ、１６ｂの検出結果に基づいて、当該転動面１２ａ１での損傷発生の有無、その範囲や深さなどの程度（進行度合い）を判別している。これにより、転動面１２ａ１に対する損傷検知を含む十字軸継手１１の監視・診断を軸１２ａ単位に精度よく、かつ早期に行うことができる。この結果、従前の定期点検作業及びこれに伴う十字軸継手１１の分解作業を実施することなく、高精度な診断結果に基づくメンテナンス作業を的確なタイミングで適切に行わせることができる。
【００３６】
また、本実施形態では、荷重センサ１６ａ、１６ｂが十字軸継手１１の回転方向Ｒと平行な方向で軸１２ａの中心Ｏを通る線上で上記最小負荷範囲Ｑ側及び最大負荷範囲Ｐ側に配置されているので、これら荷重センサ１６ｂ、１６ａは転動面１２ａ１の損傷が生じたときに発生する軸１２ａの撓み方向及びこの撓み方向の軸１２ａの中心Ｏに関して１８０deg反対の方向に配置される。従って、各センサ１６ａ、１６ｂは、当該撓みによる荷重変動を最高感度で検出することができ、損傷検知をより高精度に行うことができる。
また、本実施形態では、センサ回路３１ａが荷重センサ１６ａ、１６ｂからの検出信号の差動処理を実施しているので、各センサ検出信号の周囲温度による影響を相殺することができ、パネルコンピュータ７側での差動処理後のセンサ検出信号を用いた損傷検知精度が周囲温度の影響によって低下するのを防ぐことができる。また、荷重センサ１６ａ、１６ｂは十字軸継手１１の回転方向Ｒに並べて上記最小負荷範囲Ｑ側及び最大負荷範囲Ｐ側に配置されているので、最大負荷箇所側への軸の撓みに起因して変化する荷重を高精度に検出することができ、損傷検知も高精度に行うことができる、
【実施形態２】
【００３７】
図１１（ａ）は別の実施形態に係る軸継手監視装置の荷重センサを示す拡大断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は同荷重センサをベアリングカップ側及び軸端部側からそれぞれ見たときの斜視図である。図において、本実施形態と上記実施形態との主な相違点は、上記歪みゲージを用いた荷重センサに代えて、セラミック材料を用いた荷重センサを設けた点である。
図１１（ａ）に示すように、２個の荷重センサ２６ａ、２６ｂが、軸１２ａの軸中心に関して互いに対称となるように同図に矢印Ｒにて示す十字軸継手１１の回転方向に並べられており、当該回転方向Ｒと平行な方向で軸１２ａの中心Ｏを通る線上で上記最小負荷範囲Ｑ側及び最大負荷範囲Ｐ側に配置されている。また、これらの荷重センサ２６ａ、２６ｂは、荷重検出が可能なピエゾ抵抗効果を有するセラミック材料（より具体的には、ピエゾ抵抗効果を有する酸化物材料を分散複合化したセラミック材料）によって構成されたものであり、実施形態１のものに比べて高い強度をもっている。
【００３８】
また、荷重センサ２６ａ、２６ｂは、図１１（ｂ）及び（ｃ）も参照して、スラストワッシャ１５に形成されたセンサ設置箇所としての凹部１５ｃ内に設置されている。この凹部１５ｃは、スラストワッシャ１５の軸１２ａ側の軸方向端面を略矩形状に開口することにより形成されたものであり、各荷重センサ２６ａ、２６ｂのベアリングカップ１３側の表面に接触している。また、各荷重センサ２６ａ、２６ｂは、その軸１２ａ側の表面がスラストワッシャ１５の上記軸方向端面より数十μｍ程度軸１２ａ側に突出した状態で、凹部１５ｃに取り付けられており、その軸１２ａの軸端部表面に直接的に接触するようになっている。また、このスラストワッシャ１５には、そのベアリングカップ１３側の軸方向端面に開口部を有する溝１５ｄ、１５ｅが形成されており、これらの溝１５ｄ、１５ｅ内に上記電源供給用ケーブル１７ａ及び信号出力用ケーブル１７ｂがそれぞれ引き回されて各センサ２６ａ、２６ｂと上記センサ回路３１ａとがケーブル１７により接続されている。そして、各荷重センサ２６ａ、２６ｂは、上記実施形態１のものと同様に、スラストワッシャ１５に働く軸１２ａとベアリングカップ１３との間のスラスト荷重を検出し、その検出信号をセンサ回路３１ａに出力する。
【００３９】
以上のように構成された本実施形態では、転動面１２ａ１に剥離Ｈ（損傷）が発生している場合でも、図１２（ａ）に示すように、その軸１２ａに撓みが生じていないときでは、荷重センサ２６ａ、２６ｂが検出する荷重ｋ１、ｋ２は同じ値となる。一方、転動面１２ａ１での上記最大負荷箇所が剥離Ｈ上を通過するとき及びその通過前後で比較的近付いているときには、図１２（ｂ）に示すように、撓みが軸１２ａに発生して荷重センサ２６ａでの検出荷重ｋ１及び荷重センサ２６ｂでの検出荷重ｋ２がそれぞれ増加及び減少し、各センサ出力に図７（ａ）の波形６０ａ及び同図（ｂ）の波形６０ｂに示したような変動が生じる。この結果、本実施形態では、図７（ｃ）に示した波形６０ｃを得ることができ、上記実施形態１と同様に、転動面１２ａ１での損傷発生の有無、及び発生した損傷の位置並びにその深さや範囲などの程度を判別する損傷検知を軸１２ａ毎に行うことができる。また、実施形態１の荷重センサ１６ａ、１６ｂに比べて高強度な荷重センサ２６ａ、２６ｂを使用しているので、実施形態１と異なり、軸１２ａが撓んだときに荷重センサ２６ａ、２６ｂと他の構成部材とが接触回避するためのスペースを設けることなく、当該センサ２６ａ、２６ｂを簡単に設置することができる。
【００４０】
尚、上記の説明では、圧延設備の駆動軸に組込まれる十字軸継手に適用した場合について説明したが、本発明は十字軸の軸とベアリングカップとの間の荷重を検出する荷重センサを上記ベアリングカップ側に設けたものであればよく、例えば鉄道車両に組付けられる駆動軸の十字軸継手の監視に本発明を用いることもできる。
また、上記の説明では、スラストワッシャに荷重センサを設けた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばカップ部の底面のようにベアリングカップに直接的に荷重センサを設置する構成でもよい。但し、スラストワッシャに荷重センサを設置する場合の方が、ベアリングカップに直接的に設置する場合に比べてセンサ設置箇所の加工形成が簡単でセンサの取付・取外し作業も容易に行うことができる点で好ましい。
【００４１】
また、上記の説明では、歪みゲージまたはピエゾ抵抗効果効果を有するセラミック材料を用いた２個の荷重センサをベアリングカップ毎に設置した構成について説明したが、本発明は、上記荷重を検出することができるセンサであれば、センサの種類や設置数等は上記のものに何等限定されない。例えば１個の荷重センサを十字軸継手の回転方向と平行な方向で軸中心を通る線上またはその近傍に設けて、上記荷重を検出して損傷発生の有無、及び損傷の発生位置並びにその程度を判別する構成でもよい。また、例えば検知面が円形状に形成された荷重センサを、スラストワッシャとカップ部底面との間に配置してもよい。但し、上記各実施形態のように、２個の荷重センサを設けてそのセンサ出力の差動を用いて損傷検知を行う場合の方が、温度補償がなされたセンサ出力による偏荷重検出値を基に損傷検知をより精度よく行える点で好ましい。
また、上記の説明では、センサ回路が２個の荷重センサの検出信号に対する差動処理を行い、パネルコンピュータまたはＰＣが差動処理後のセンサ検出信号を基に損傷検知処理を行う構成について説明したが、パネルコンピュータ側で差動処理及び損傷検知処理を行わせて、センサ回路から当該差動処理機能を省略した構成でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】鉄鋼メーカの圧延設備に使用される駆動軸を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る軸継手監視装置の主要部を駆動軸の軸方向から見た図である（一部断面を含む。）。
【図３】（ａ）は上記軸継手監視装置の荷重センサを示す拡大断面図であり、（ｂ）は同荷重センサをベアリングカップ側から見たときの斜視図である。
【図４】図２に示した十字軸継手における揺動動作を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ上記駆動軸の作動角及びこの作動角によって軸に対して揺動するベアリングカップを示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ軸が撓んでいない場合及び撓んでいる場合での上記荷重センサの動作を示す図である。
【図６】転動面に損傷が生じていない場合での荷重センサの具体的な動作波形を示す波形図であり、（ａ）及び（ｂ）は、一方及び他方の荷重センサの出力波形をそれぞれ示す波形図であり、（ｃ）は上記一方及び他方の荷重センサの差動後の出力波形を示す波形図である。
【図７】転動面に損傷が生じている場合での荷重センサの具体的な動作波形を示す波形図であり、（ａ）及び（ｂ）は、一方及び他方の荷重センサの出力波形をそれぞれ示す波形図であり、（ｃ）は上記一方及び他方の荷重センサの差動後の出力波形を示す波形図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、上記軸の転動面での損傷発生箇所と、上記ベアリングカップの揺動に伴って変化する当該転動面上での最大負荷作用箇所及び上記荷重センサの取付位置との関係を示す図である。
【図９】上記軸継手監視装置に含まれた子機の要部構成例を示す図である。
【図１０】上記軸継手監視装置の具体的な全体構成例を示すブロック図である。
【図１１】（ａ）は別の実施形態に係る軸継手監視装置の荷重センサを示す拡大断面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は同荷重センサをベアリングカップ側及び軸端部側からそれぞれ見たときの斜視図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ軸が撓んでいない場合及び撓んでいる場合での図１１に示した荷重センサの動作を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１    十字軸継手
１２    十字軸
１２ａ    軸
１２ａ１    転動面
１３    ベアリングカップ
１５    スラストワッシャ
１６ａ、１６ｂ、２６ａ、２６ｂ    荷重センサ
Ｔ    軸継手監視装置
【図１】
2005325980.tif 000003
【図２】
2005325980.tif 000004
【図３】
2005325980.tif 000005
【図４】
2005325980.tif 000006
【図５】
2005325980.tif 000007
【図６】
2005325980.tif 000008
【図７】
2005325980.tif 000009
【図８】
2005325980.tif 000010
【図９】
2005325980.tif 000011
【図１０】
2005325980.tif 000012
【図１１】
2005325980.tif 000013
【図１２】
2005325980.tif 000014