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JP6650030B2 - 転がり軸受疲労状態予測装置及び転がり軸受疲労状態予測方法 - Google Patents

転がり軸受疲労状態予測装置及び転がり軸受疲労状態予測方法 Download PDF

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Description

本発明は、回転体を支承する転がり軸受の状態を計測する装置に係り、特に、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装置及び転がり軸受疲労状態予測方法に関する。
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、軸受交換時期を最適化することにおいて重要である。しかしその寿命は、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て、同じ条件で使用したとしても、その寿命は大きくばらつく。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、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として、以下の式（１）に示す基本定格寿命Ｌ１０である。
Figure 0006650030
ここで、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。また、Ｐは軸受に付加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。
基本定格寿命Ｌ１０は長い間使用されてきたが、その後、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（潤滑剤に混入する鉄粉または砂塵等）、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基に、それらを考慮した修正係数ａｉｓｏが提案され、この係数及び任意の損傷確率ｎ％を計算するための係数ａ１をＬ１０に乗じた、以下の式（２）に示す修正定格寿命Ｌｎｍが提案されている。
Figure 0006650030
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係る物理量を計測し、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、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、例えば、特許文献１または特許文献２に記載されている。
特許文献１には、円錐ころ軸受において、円錐ころの外周面であって外輪の内周面に固定される側の周面に、軸方向に相互に離間し配される歪ゲージ、及び、円錐ころの中心に軸方向に沿って配される基板と、この基板上に実装される処理部を備え、円錐ころ軸受に付加される荷重を計測する構成が記載されている。
また、特許文献２には、予め被診断転がり軸受の状態を計測した基礎データを記憶し、加速度センサにより計測される軸受に付加される荷重を計測し、計測値と基礎データに基づき、被診断転がり軸受の寿命への影響が大きい潤滑剤の劣化状態を検出し、検出された結果を基に転がり軸受の余寿命をオンラインで評価する手法が記載されている。
特開２０１４−１１４９３４号公報 特許第４５０４０６５号公報
ところで実稼働時においては、転がり軸受に付加される荷重は、その大きさは勿論のこと、必ずしもその方向は一定ではない。例えば、風力発電装置の主軸を支持する主軸軸受では、複数のブレードに作用する風荷重の分担により、主軸軸受に作用する荷重の方向は変化する。転がり軸受に付加される荷重の方向が変化すると、転がり軸受の内輪または外輪において、荷重が付加される領域が変化することになる。
しかしながら、特許文献１及び特許文献２のいずれにおいても、軸受に付加される荷重の方向が変化する点については何ら考慮されていない。そのため軸受荷重の方向が一定でない条件で使用される転がり軸受の寿命を予測する場合、予測精度が低下する可能性がある。
そこで、本発明は、転がり軸受にかかる荷重の方向が変化する場合であっても、転がり軸受の疲労状態を高精度に予測し得る転がり軸受疲労状態予測装置及び転がり軸受疲労状態予測方法を提供する。
上記課題を解決するため、本発明の転がり軸受疲労状態予測装置は、回転体を支持する転がり軸受に付加される軸受荷重の大きさ及び方向を求める荷重計測部と、前記転がり軸受の周方向領域のうち荷重が付加される領域を特定する荷重付加領域特定部と、前記求めた荷重の大きさ及び特定された荷重付加領域に基づき、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、を備えることを特徴とする。
また、本発明の転がり軸受疲労状態予測方法は、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方法であって、前記転がり軸受に付加される軸受荷重の大きさ及び方向を求め、求めた軸受荷重の大きさ及び方向に基づき、前記転がり軸受の周方向領域のうち荷重が付加される領域を特定し、前記求めた荷重の大きさ及び特定された荷重付加領域に基づき、前記転がり軸受の疲労状態を予測することを特徴とする。
本発明によれば、転がり軸受にかかる荷重の方向が変化する場合であっても、転がり軸受の疲労状態を高精度に予測し得る転がり軸受疲労状態装置及び転がり軸受疲労状態予測方法を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施例に係る実施例１の転がり軸受疲労状態予測装置の全体概略構成図である。 図１に示す転がり軸受疲労状態予測装置の機能ブロック図である。 転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図及びＡ−Ａ断面矢視図である。 転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図及びＡ−Ａ断面矢視図である。 転がり軸受の横断面図であって、図２に示す荷重付加領域特定部による荷重が付加される領域を特定する説明図である。 転がり軸受疲労状態予測装置の全体処理フロー図である。 転がり軸受疲労状態予測装置による荷重頻度分析から累積損傷度を求める概略説明図である。 図２示す表示部の画面表示の一例を示す図である。 図２示す表示部の画面表示の一例を示す図である。 図２示す表示部の画面表示の一例を示す図である。 図２示す表示部の画面表示の一例を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２の転がり軸受疲労状態予測装置における、転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図である。 図１２の部分拡大図であって、軸受荷重が付加されている領域の状態を示す図である。 実施例２の転がり軸受疲労状態予測装置の機能ブロック図である。 図１４に示す応力−荷重データベースのデータ構造の説明図である。 図１４に示す応力−荷重データベースのデータ構造の説明図である。 本発明の他の実施例に係る実施例３の転がり軸受疲労状態予測装置における、転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図である。 本発明の他の実施例に係る実施例４の風力発電装置の概略構成図であって、実施例１乃至実施例３のうち、いずれか一つの転がり軸受疲労状態予測装置を適用した場合の説明図である。
本明細書において、「転がり軸受」とは、回転軸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、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、及び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。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。
また、本明細書において、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。
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の転がり軸受疲労状態予測装置の全体概略構成図であり、図２は、図１に示す転がり軸受疲労状態予測装置の機能ブロック図である。
図１に示すように、転がり軸受疲労状態予測装置１は、少なくとも、入力部２１及び表示部２２を備え、詳細後述する荷重センサからの計測データ（計測信号）に基づき転がり軸受２の疲労状態を予測する演算部を有する。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、回転軸３に嵌合する円筒状の内輪４、円筒状の内輪４の外周面を覆い且つ内輪４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５、及び内輪４の外周面と外輪５の内周面と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６を備える。なお、図１では、外輪５の外周面を覆う軸受ハウジングを省略している。
また、図１に示すように、内輪４は、一例として８個の分割領域、すなわち、内輪４の周方向に沿って領域ａ〜領域ｈが予めラベリングされている。また同様に、外輪５は、外輪５の周方向に沿って領域Ａ〜領域Ｈからなる８個の分割領域に予めラベリングされている。
図２に示すように、本実施例の転がり軸受疲労状態予測装置１は、荷重センサ８ａ〜８ｈ、演算部１０、キーボード及びマウス等の入力部２１、及びＬＣＤ又は有機ＥＬ等の表示部２２を有する。
演算部１０は、荷重センサ８ａ〜８ｈにより計測される計測値を入力すると共に入力部２１を介してオペレータからの設定情報（潤滑条件、フィルタ条件等）を入力する入力Ｉ／Ｆ１１、入力Ｉ／Ｆ１１を介して計測値を取得する計測値取得部１２、転がり軸受２の内輪４の分割領域である領域ａ〜領域ｈまたは外輪５の分割領域である領域Ａ〜領域Ｈのうちいずれの領域に荷重が付加されたかを特定する荷重付加領域特定部１３、計測値取得部１２からの計測値及び荷重付加領域特定部１３により特定された荷重付加領域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１４、記憶部１５、表示制御部１６、及び出力Ｉ／Ｆ１７を備え、これらは内部バス１８を介して相互に接続されている。なお、荷重付加領域特定部１３、疲労状態予測部１４、及び表示制御部１６は、例えば、各種プログラムを格納するＲＯＭ、及び演算過程またはプログラムの実行過程において一時的にデータを格納するＲＡＭ等の記憶装置、ＲＯＭに格納される各種プログラムを実行するＣＰＵ等のプロセッサにより実現される。
計測値取得部１２は、荷重センサ８ａ〜８ｈより計測される計測値である軸受荷重計測データをＡ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理を施し、内部バス１８を介して荷重付加領域特定部１３へ転送すると共に記憶部１５の所定の記憶領域に格納する。また、計測値取得部１２は、例えばエンコーダ等（図示せず）からの計測回転数を回転速度データに変換し、変換後の回転速度データを、内部バス１８を介して荷重付加領域特定部１３へ転送すると共に記憶部１５の所定の記憶領域に格納する。
また、記憶部１５は、ラベリングされた内輪４の分割領域である領域ａ〜領域ｈ、及び、外輪５の分割領域である領域Ａ〜領域Ｈの座標値を、例えば、円筒座標系における、周方向の両端部にて隣接する他の分割領域との境界の座標値として格納する。記憶部１５は、上述のＡ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理後の軸受荷重計測データを、所定の記憶領域に格納する。更に、記憶部１５は、入力部２１を介してオペレータにより予め入力される設定情報である、潤滑条件、フィルタ条件等を所定の記憶領域に格納している。
荷重付加領域特定部１３は、内部バス１８を介して入力される計測値取得部１２からのＡ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理後の軸受荷重計測データに基づき、転がり軸受２の内輪４の分割領域である領域ａ〜領域ｈまたは外輪５の分割領域である領域Ａ〜領域Ｈのうちいずれの領域に荷重が付加されたかを特定する。荷重付加領域特定部１３は、特定した荷重付加領域を、内部バス１８を介して疲労状態予測部１４へ転送すると共に記憶部１５の所定の記憶領域に格納する。
疲労状態予測部１４は、内部バス１８を介して入力される荷重付加領域特定部１３により特定された荷重付加領域、及び計測値取得部１２から入力されるＡ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理後の軸受荷重計測データまたは記憶部１５に格納されるＡ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理後の軸受荷重計測データに基づき、転がり軸受２の疲労状態を予測する。ここで、疲労状態として、例えば、転がり軸受２の余寿命、累積損傷度、損傷確率、及び損傷確率と損傷が生じた場合の装置への影響度を掛け合わされた指標で表されるリスクのうちの何れか一つ、または、これらの任意の組み合わせが含まれる。なお、「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。疲労状態予測部１４により求められた転がり軸受２の疲労状態予測結果は、表示制御部１６及び出力Ｉ／Ｆ１７を介して表示部２２の画面上に表示される。
次に、転がり軸受２に設置される荷重センサ８ａ〜８ｈについて説明する。
図３は、転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図及びＡ−Ａ断面矢視図であり、内輪４が回転軸３と共に回転する転がり軸受の場合を示している。なお、以下では、転動体６として円柱状のころを用いる場合を一例として説明する。図３の左図に示すように、転がり軸受２は、回転軸３の外周面に嵌合された内輪４、外輪５、内輪４と外輪５との間に配される複数の転動体６、及び外輪５の径方向外側に配される軸受ハウジング７から構成されている。軸受ハウジング７の内周面は、外輪５の外周面と嵌合している。
Ａ−Ａ断面矢視図である図３の右図に示すように、固定側である軸受ハウジング７の内周面には、同じく固定側である外輪５の各分割領域、すなわち、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆ、領域Ｇ、及び領域Ｈの中央部と対向する位置に、それぞれ、径方向外側へと窪む凹み部９が設けられている。これら凹み部９内に、領域Ａに対向するよう荷重センサ８ａが設置され、領域Ｂに対向するよう荷重センサ８ｂが設置され、領域Ｃに対向するよう荷重センサ８ｃが設置され、領域Ｄに対向するよう荷重センサ８ｄが設置されている。また、領域Ｅに対向するよう荷重センサ８ｅが設置され、領域Ｆに対向するよう荷重センサ８ｆが設置され、領域Ｇに対向するよう荷重センサ８ｇが設置され、領域Ｈに対向するよう荷重センサ８ｈが設置されている。
軸受ハウジング７の内周面に設けられたそれぞれの凹み部９には、荷重センサ８ａ〜８ｈが周方向に４５°間隔にて配されている。すなわち、８箇所に荷重センサを配する例を示している。なお、周方向に配する荷重センサの個数はこれに限られるものではない。例えば、回転軸３の軸心に対し相互に直交する２箇所に配しても良く、この場合、相互に直交配置される２つの荷重センサにより計測される軸受荷重計測データに基づき合成ベクトルを求めることで、外輪５の各分割領域Ａ〜Ｈのうち、いずれの領域に荷重が付加されているか求めることができる。また、更には、荷重センサを周方向に８個以上配する構成としても良く、この場合、荷重センサの個数に対応して内輪４及び外輪５に分割領域が設定される。このように、周方向に配する荷重センサの個数は適宜設定すれば良い。
荷重センサとしては、例えば、ロードセル、歪センサ、または歪ゲージ等が用いられる。荷重センサ８ａ〜８ｈにより計測される軸受荷重計測データは、有線または無線にて、演算部１０を構成する入力Ｉ／Ｆ１１（図２）へ入力される。なお、外輪５の周方向に対して複数の荷重センサ８ａ〜８ｈを設置しているため、時刻ｔにおける転がり軸受２に付加される荷重の大きさＦＰ（ｔ）及び荷重の方向θ（ｔ）が求まる。
図４は、転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図及びＡ−Ａ断面矢視図であり、外輪５が軸受ハウジング７と共に回転する転がり軸受の場合を示している。図４の左図及びＡ−Ａ断面矢視図である右図に示すように、固定側である回転軸３の外周面には、同じく固定側である内輪４の各分割領域、すなわち、領域ａ、領域ｂ、領域ｃ、領域ｄ、領域ｅ、領域ｆ、領域ｇ、及び領域ｈの中央部と対向する位置に、それぞれ、径方向内側へと窪む凹み部９が設けられている。これら凹み部９内に、領域ａに対向するよう荷重センサ８ａが設置され、領域ｂに対向するよう荷重センサ８ｂが設置され、領域ｃに対向するよう荷重センサ８ｃが設置され、領域ｄに対向するよう荷重センサ８ｄが設置されている。また、領域ｅに対向するよう荷重センサ８ｅが設置され、領域ｆに対向するよう荷重センサ８ｆが設置され、領域ｇに対向するよう荷重センサ８ｇが設置され、領域ｈに対向するよう荷重センサ８ｈが設置されている。
回転軸３の外周面に設けられたそれぞれの凹み部９には、荷重センサ８ａ〜８ｈが周方向に４５°間隔にて配されている。すなわち、８箇所に荷重センサを配する例を示している。なお、周方向に配する荷重センサの個数はこれに限られるものではない。例えば、回転軸３の軸心に対し相互に直交する２箇所に配しても良く、この場合、相互に直交配置される２つの荷重センサにより計測される軸受荷重計測データに基づき合成ベクトルを求めることで、内輪４の各分割領域ａ〜ｈのうち、いずれの領域に荷重が付加されているか求めることができる。また、更には、荷重センサを周方向に８個以上配する構成としても良く、この場合、荷重センサの個数に対応して内輪４及び外輪５に分割領域が設定される。このように、周方向に配する荷重センサの個数は適宜設定すれば良い。
荷重センサ８ａ〜８ｈにより計測される軸受荷重計測データは、有線または無線にて、演算部１０を構成する入力Ｉ／Ｆ１１（図２）へ入力される。なお、内輪４の周方向に対して複数の荷重センサ８ａ〜８ｈを設置しているため、時刻ｔにおける転がり軸受２に付加される荷重の大きさＦＰ（t）及び荷重の方向θ（ｔ）が求まる。
次に演算部１０を構成する荷重付加領域特定部１３による荷重が付加された領域の特定について説明する。図５は、転がり軸受２の横断面図であって、図２に示す荷重付加領域特定部１３による荷重が付加される領域を特定する説明図である。図５において、太線実線矢印は、内輪側回転の場合の回転方向を示し、太線点線矢印は、外輪側回転の場合の回転方向を示している。
図５に示すように、内輪４は、予め周方向に沿って８個の分割領域、すなわち、領域ａ〜領域ｈがラベリングされ、同様に外輪５が、予め周方向に沿って８個の分割領域、すなわち、領域Ａ〜領域Ｈにラベリングされている。内輪側回転の場合には、それぞれ図３に示す荷重センサ８ａ〜８ｈにより、固定側である外輪５の周方向に沿って離散的な位置（領域Ａ〜領域Ｈ）における、転がり軸受２に付加される荷重の時間変化ＦＰ（ｔ）が計測される。図５に示す例では、時刻ｔ１において、転がり軸受２に付加される荷重の大きさはＦＰ（ｔ１）であり、荷重の方向はθ（ｔ１）であることから、荷重付加領域特定部１３は、外輪５にラベリングされた分割領域、すなわち領域Ａ〜領域Ｈのうち、領域Ｆに荷重が付加されたことを特定する。換言すれは、荷重付加領域特定部１３は、時刻ｔ１における荷重付加領域として領域Ｆを特定する。また、時刻ｔ２において、転がり軸受２に付加される荷重の大きさはＦＰ（ｔ２）であり、荷重の方向はθ（ｔ２）であることから、荷重付加領域特定部１３は、外輪５にラベリングされた分割領域、すなわち領域Ａ〜領域Ｈのうち、領域Ｃに荷重が付加されたことを特定する。換言すれは、荷重付加領域特定部１３は、時刻ｔ２における荷重付加領域として領域Ｃを特定する。
また、外輪側回転の場合には、それぞれ図４に示す荷重センサ８ａ〜８ｈにより、内輪４の周方向に離散的な位置（領域ａ〜領域ｈ）における荷重の時間変化ＦＰ（ｔ）が計測される。図５に示す例では、時刻ｔ１において、転がり軸受２に付加される荷重の大きさはＦＰ（ｔ１）であり、荷重の方向はθ（ｔ１）であることから、荷重付加領域特定部１３は、内輪４にラベリングされた分割領域、すなわち領域ａ〜領域ｈのうち、領域ｆに荷重が付加されたことを特定する。換言すれは、荷重付加領域特定部１３は、時刻ｔ１における荷重付加領域として領域ｆを特定する。また、時刻ｔ２において、転がり軸受２に付加される荷重の大きさはＦＰ（ｔ２）であり、荷重の方向はθ（ｔ２）であることから、荷重付加領域特定部１３は、内輪４にラベリングされた分割領域、すなわち領域ａ〜領域ｈのうち、領域ｃに荷重が付加されたことを特定する。換言すれは、荷重付加領域特定部１３は、時刻ｔ２における荷重付加領域として領域ｃを特定する。
ここで、荷重付加領域特定部１３が、転がり軸受２に付加される荷重の領域の特定を、固定側としているのは、一般的に回転速度は、荷重の方向が変化する速度よりも十分に速いため、回転側の全分割領域は、荷重の方向θ（ｔ）を、回転側が１回転するうちに通るためである。そのため、回転側に関しては、荷重の大きさの変動のみ分かれば良い。これにより、分割領域毎における軸受荷重の大きさＦｐ（ｔ）が求まる。
次に、転がり軸受疲労状態予測装置１の処理フローについて説明する。図６は、転がり軸受疲労状態予測装置１の全体処理フロー図であり、図７は、転がり軸受疲労状態予測装置１による荷重頻度分析から累積損傷度を求める概略説明図である。以下では、図３に示す内輪４が回転軸３と共に回転する場合（図５の内輪側回転の場合）を一例として説明する。よって、各荷重センサ８ａ〜８ｈより計測される軸受荷重計測データは、固定側の外輪５の各分割領域、すなわち領域Ａ〜領域Ｈに対応する。
図６に示すように、ステップＳ１１では、荷重付加領域特定部１３は、内部バス１８を介して、計測値取得部１２より分割領域毎（領域Ａ〜領域Ｈ）に、軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））及び回転速度データ（Ｎ（ｔ））を取得する。なお、このとき、荷重付加領域特定部１３は、取得した軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））に基づき、上述の図５に示したように、転がり軸受２の周方向に分割された分割領域のうち荷重が付加される領域を特定する。ここで図７を参照する。図７では、説明の便宜上（図面の見やすさの関係から）、固定側の外輪５の各分割領域、すなわち領域Ａ〜領域Ｈのうち、領域Ａ〜領域Ｃについてのみ一例として示している。
図７の最上図に示すように、計測値取得部１２より取得される分割領域毎（領域Ａ〜領域Ｃ）の軸受荷重計測データは、横軸に時刻ｔ、縦軸に軸受荷重計測データＦＰを取り、領域ＡについてはＦＰＡ（ｔ）、領域ＢについてはＦＰＢ（ｔ）、及び領域ＣについてはＦＰＣ（ｔ）の時間関数として得られる。また、その下方に示すように、計測値取得部１２より取得される回転速度データ（Ｎ（ｔ））は、横軸に時刻ｔ、縦軸に回転速度データＮ（ｔ）を取り、回転速度の時間関数として得られる。
図６に戻り、ステップＳ１２では、疲労状態予測部１４は、内部バス１８を介して、計測値取得部１２より分割領域毎（領域Ａ〜領域Ｈ）に、軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））及び回転速度データ（Ｎ（ｔ））を取得すると共に、荷重付加領域特定部１３より内部バス１８を介して特定された荷重付加領域を取得する。疲労状態予測部１４は、取得した分割領域毎（領域Ａ〜領域Ｈ）の軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））及び回転速度データ（Ｎ（ｔ））に基づき、分割領域毎（領域Ａ〜領域Ｈ）に荷重頻度分布を算出する。
具体的には、疲労状態予測部１４は、時刻ｔにおける各分割領域（領域Ａ〜領域Ｈ）にかかる軸受荷重計測データＦｐ（ｔ）、及び回転速度データＮ（ｔ）に基づき以下の式（３）により荷重頻度分布を求める。
Figure 0006650030
ここで、ｖｉは、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。
ここで図７を参照する。図７の下部に、横軸に総回転数（累積回転数）Ｎを取り、縦軸に荷重Ｐを取り、分割領域（領域Ａ〜領域Ｃ）毎の荷重頻度分布を示している。例えば、図７に示すように、外輪５の分割領域である領域Ａでは、領域Ａに付加される荷重ΔＰ毎に総回転数（累積回転数）が得られる。具体的には、領域Ａに荷重Ｐｉ−１が付加された時の総回転数（累積回転数）はｖｉ−１であり、領域Ａに荷重Ｐｉが付加された時の総回転数（累積回転数）はｖｉ、領域Ａに荷重Ｐｉ＋１が付加された時の総回転数（累積回転数）はｖｉ＋１である。同様に、領域Ｂに荷重Ｐｉ−１が付加された時の総回転数（累積回転数）はｖｉ−１であり、領域Ｂに荷重Ｐｉが付加された時の総回転数（累積回転数）はｖｉ、領域Ｂに荷重Ｐｉ＋１が付加された時の総回転数（累積回転数）はｖｉ＋１である。領域Ｃについても同様である。図７に示す上述のステップＳ１２にて疲労状態予測部１４により求められた分割領域毎の荷重頻度分布では、領域Ａについては、荷重Ｐｉが最も長く付加されたことを示しており、領域Ｂについては荷重Ｐｉ−２が、また、領域Ｃについては荷重Ｐｉ−２が最も長く付加されたことを示している。
図６に戻り、ステップＳ１３では、疲労状態予測部１４は、内部バス１８を介して記憶部１５より、予めオペレータにより設定された潤滑条件及びフィルタ条件を読み出し取得する。
続いてステッＳ１４では、疲労状態予測部１４は、取得した潤滑条件及びフィルタ条件に基づき、上述の修正定格寿命Ｌｎｍを求める式（２）における修正係数ａｉｓｏを算出する。
ステップＳ１５では、疲労状態予測部１４は、ステップＳ１２にて求めた荷重頻度分布及びステップＳ１４にて算出した修正係数ａｉｓｏに基づき、分割領域（領域Ａ〜領域Ｈ）毎に、累積損傷度Ｄｊを算出する。ここでｊは分割領域数である。本実施例では、外輪５を領域Ａ〜領域Ｈの８つの分割領域に分割する場合を一例として示していることから、ここでは、ｊ＝１〜８である。
具体的には、疲労状態予測部１４は、先ず、ステップＳ１４にて算出した修正係数ａｉ ｓｏを用いて上述の式（２）を演算し、任意の損傷確率ｎ％となる修正定格寿命であるＬ ｎｍカーブ２８を求める。これにより、図７の下部に示す分割領域毎の荷重頻度分布のグラフに、求めたＬｎｍカーブ２８が加えられる。例えば、領域Ａにおいて、仮に、荷重Ｐ ｉ＋２が付加された時の総回転数（累積回転数）ｖｉ＋２がＬｎｍカーブ２８に達すると、分割領域Ａを有する外輪５を備える転がり軸受２がｎ％の確率にて損傷すると予測されることを意味する。
次に、疲労状態予測部１４は、求めた修正定格寿命であるＬｎｍカーブ２８と、ステップＳ１２にて求めた荷重頻度分布を用いて、以下の式（４）により分割領域毎の累積損傷度Ｄｊを求める。
Figure 0006650030
ここで、図７を参照する。図７において、分割領域毎の荷重頻度分布の下方に示されるように、ステップＳ１５により、外輪５の分割領域である領域Ａについては累積損傷度Ｄ Ａ、領域Ｂについては累積損傷度ＤＢ、及び領域Ｃについては累積損傷度ＤＣが得られる。
続いて、図６のステップＳ１６では、疲労状態予測部１４は、ステップＳ１５にて求めた分割領域毎の累積損傷度Ｄｊに基づき、分割領域毎に損傷確率を算出する。ここで、分割領域毎の損傷確率の算出は、ステップＳ１５にて上記式（４）を演算することにより得られた分割領域毎の累積損傷度Ｄｊのうち、累積損傷度Ｄｊが最大となる分割領域の累積損傷度がＤｊ＝１となるとき、転がり軸受２の損傷確率がｎ％となる。
ステップＳ１７では、疲労状態予測部１４は、内部バス１８を介して記憶部１５に格納される故障発生時の被害額γを読み出し取得する。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。
ステップＳ１８では、疲労状態予測部１４は、ステップＳ１６にて求めた損傷確率に、ステップＳ１７にて取得した「故障発生時の被害額γ」を乗算しリスクを算出する。
ステップＳ１８の実行により、転がり軸受疲労状態予測装置１の処理が終了する。
記憶部１５は、上述のステップＳ１１〜ステップＳ１８までの処理により得られた、軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））及び回転速度データ（Ｎ（ｔ））、分割領域毎に求められた荷重頻度分布、分割領域毎に求められた累積損傷度Ｄｊ、損傷確率、及びリスクを、例えば、時刻ｔ毎に紐付けて所定の記憶領域に格納する。
なお、本実施例では、図６に示すステップＳ１１を、荷重付加領域特定部１３が実行する構成としたが、これに限られず、ステップＳ１１を含め、ステップＳ１１〜ステップＳ１８までの処理を疲労状態予測部１４が実行する構成としても良い。
また、本実施例では、図６に示すステップＳ１１にて、荷重付加領域特定部１３が、転がり軸受２の周方向に分割された分割領域のうち荷重が付加される領域を特定する構成を一例として示したがこれに限られるものではない。例えば、図６に示すステップＳ１１〜ステップＳ１５までを荷重付加領域特定部１３が実行し、ステップＳ１５にて得られる分割領域毎の累積損傷度Ｄｊのうち、最大累積損傷度Ｄｊに対応する分割領域を、荷重付加領域特定部１３が荷重付加領域として特定する構成としても良く、この場合、疲労状態予測部１４は、以降のステップＳ１６〜ステップＳ１８までを実行することになる。
以下では、表示制御部１６が、上述の図６に示す転がり軸受疲労状態予測装置１の全体処理フローにより得られる、転がり軸受２の疲労状態予測結果を、出力Ｉ／Ｆ１７を介して表示部２２の表示画面上に表示する表示形態について説明する。
図８及び図９は、図２示す表示部２２の画面表示の一例を示す図である。図８に示すように、表示部２２の表示画面３０は、転がり軸受２の疲労状態予測結果を表示する第１表示領域３１、保守に関するメッセージを表示する第２表示領域３２、及び各種コマンドを入力するための、「実行」ボタン３３、「保守」ボタン３４が表示される領域（以下、コマンド入力領域と称する）から構成される。また、表示画面３０上の最も上部に表示される領域には、第１表示領域３１及び第２表示領域３２が表示されるウィンドウ全体を、クローズ、縮小／拡大表示、表示画面３０全体を表示部２２のコントロールバーへの移動等を指定するためのボタンが表示される。
図８示すように、オペレータによりマウス等の入力部２１によりマウスポインタが「実行」ボタン３３上に移動され、クリックされると、「実行」ボタン３３がアクティブとなる。これに対応して、表示制御部１６（図２）は、内部バス１８及び出力Ｉ／Ｆ１７を介して、上述の演算部１０を構成する荷重付加領域特定部１３及び疲労状態予測部１４による図６のステップＳ１１〜ステップＳ１８までの処理により得られた、「時刻」、「荷重の大きさ」、「荷重の方向」、「累積回転数」（総回転数）、「累積損傷度」、「損傷確率」、及び「リスク」を表形式にて視認可能に、第１表示領域３１に表示する。
図８に示すように、第１表示領域３１には、疲労状態予測結果として、「時刻」が“ｔ １”のとき、「荷重の大きさ」が“Ｆ（ｔ１）”、「荷重の方向」が“θ（ｔ１）”、「累積回転数」（総回転数）が“Ｎ（ｔ１）”、「累積損傷度」が“〇〇”、「損傷確率」が“〇％”、及び「リスク」が“￥〇〇”として表示されている。このように、時刻毎に、求められた疲労状態が最も厳しくなると予測される、内輪４または外輪５にラベリングされた分割領域の疲労状態（累積損傷度、損傷確率、リスク）が表示される。
図８に示す表示状態において、オペレータによりマウス等の入力部２１によりマウスポインタが「保守」ボタン３４上に移動され、クリックされると、「保守」ボタン３４がアクティブとなる。これに対応して、図９に示す画面表示例に遷移する。図９に示すように、第１表示領域３１の表示内容は図８に示した状態と同一である。表示制御部１６（図２）は、「保守」ボタン３４がアクティブとなったことを検出すると、第２表示領域３２内に、例えば、「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。」、或いは「運転プランを変更するか、交換する必要があります。」との交換タイミング或いは運転プランの変更をオペレータに対し促すメッセージを表示するよう、出力Ｉ／Ｆ１７を介して表示部２２を制御する。ここで、第２表示領域３２に表示される保守に関するメッセージとしては、例えば、「運転履歴より、〇カ月後（期間は設定可能）、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。」、或いは「運転プランを変更した場合、〇カ月後（年後、日後でも良い）、リスクは￥〇〇になります。」等が表示される。なお、これらメッセージは、予め記憶部１５に格納されている。また、これらメッセージの選択のため、演算部１０を構成する荷重付加領域特定部１３及び疲労状態予測部１４により得られた「累積損傷度」及び／または「損傷確率」の値に対し、予め複数の閾値が設定され、記憶部１５の所定の記憶領域に格納されている。複数の閾値は、それぞれ異なるメッセージに対応している。表示制御部１６は、記憶部１５に格納される複数の閾値と、演算部１０を構成する疲労状態予測部１４により求められた「累積損傷度」及び／または「損傷確率」とを比較し、第２表示領域３２に表示すべきメッセージを選択する。なお、表示制御部１６に代えて、疲労状態予測部１４が、記憶部１５に格納される複数の閾値と、疲労状態予測部１４により求められた「累積損傷度」及び／または「損傷確率」とを比較し、第２表示領域３２に表示すべきメッセージを選択する構成としても良い。
このように、第１表示領域３１に、各時刻における、転がり軸受２の疲労状態が最も厳しくなると予測される、内輪４または外輪５にラベリングされた分割領域の疲労状態（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。また、第２表示領域３２に転がり軸受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、オペレータは即座に保守作業に取り掛かることが可能となる。
図１０及び図１１は、図２示す表示部の画面表示の一例を示す図である。図１０に示すように、オペレータによりマウス等の入力部２１によりマウスポインタが「実行」ボタン３３上に移動され、クリックされると、「実行」ボタン３３がアクティブとなる。これに対応して、表示制御部１６（図２）は、内部バス１８及び出力Ｉ／Ｆ１７を介して、上述の演算部１０を構成する荷重付加領域特定部１３及び疲労状態予測部１４による図６のステップＳ１１〜ステップＳ１６までの処理により得られた、「時刻」、「荷重の大きさ」、「荷重の方向」、「荷重付加領域」、及び「損傷確率（最大）」を表形式にて視認可能に、第１表示領域３１に表示する。
図１０に示すように、第１表示領域３１には、疲労状態予測結果として、「時刻」が“ｔ１”のとき、「荷重の大きさ」が“Ｆ（ｔ１）”、「荷重の方向」が“θ（ｔ１）”、「荷重付加領域」が“領域Ｃ”、及び「損傷確率（最大）」が“〇％”として表示されている。これは、時刻ｔ１において、転がり軸受２を構成する外輪５に予めラベリングされた分割領域Ａ〜Ｈのうち、損傷確率が最大となる分割領域が領域Ｃであることを示している。
図１０に示す表示状態において、オペレータによりマウス等の入力部２１によりマウスポインタが「保守」ボタン３４上に移動され、クリックされると、「保守」ボタン３４がアクティブとなる。これに対応して、図１１に示す画面表示例に遷移する。図１１に示すように、第１表示領域３１の表示内容は図１０に示した状態と同一である。表示制御部１６（図２）は、「保守」ボタン３４がアクティブとなったことを検出すると、第２表示領域３２内に、例えば、「外輪の分割領域Ｃに損傷が発生している可能性があります。」との部品である外輪の交換をオペレータに対し促すメッセージを表示するよう、出力Ｉ／Ｆ１７を介して表示部２２を制御する。ここで、第２表示領域３２に表示される保守に関するメッセージとしては、例えば、上述の「外輪の分割領域Ｃに損傷が発生している可能性があります。」とのメッセージの他に、「内輪の分割領域〇に損傷が発生している可能性があります。」、「運転履歴より、〇カ月後（年後、日後でも良い）、リスクは￥〇〇になります。」、或いは「運転プランを変更するか、交換する必要があります。」等が表示される。なお、これらメッセージは、予め記憶部１５に格納されている。また、これらメッセージの選択のため、演算部１０を構成する荷重付加領域特定部１３及び疲労状態予測部１４により得られた「損傷確率（最大）」の値に対し、予め複数の閾値が設定され、記憶部１５の所定の記憶領域に格納されている。複数の閾値は、それぞれ異なるメッセージに対応している。表示制御部１６は、記憶部１５に格納される複数の閾値と、演算部１０を構成する疲労状態予測部１４により求められた「損傷確率」とを比較し、第２表示領域３２に表示すべきメッセージを選択する。なお、表示制御部１６に代えて、疲労状態予測部１４が、記憶部１５に格納される複数の閾値と、疲労状態予測部１４により求められた「損傷確率」とを比較し、第２表示領域３２に表示すべきメッセージを選択する構成としても良い。
このように、第１表示領域３１に、各時刻における損傷確率が最大となる、転がり軸受２を構成する内輪４または外輪５にラベリングされた分割領域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を構成する内輪４または外輪５の分割領域の疲労状態を容易に確認することができる。これにより、転がり軸受２にかかる荷重の方向が変化する場合であっても、疲労状態が最大となる内輪４または外輪５の分割領域（荷重付加領域）を容易に把握することが可能となる。また、第２表示領域３２に転がり軸受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、オペレータは即座に保守作業に取り掛かることが可能となる。
なお、本実施例では、図８〜図１１に示したように、表示部２２の表示画面３０に、第１表示領域３１及び第２表示領域３２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３０に一つの表示領域を設け、図８に示した第１表示領域３１に表示される疲労状態予測結果と、図９に示した第２表示領域３２に表示される保守に関するメッセージとを切替え表示する構成としても良い。また、同様に、図１０示した第１表示領域３１に表示される疲労状態予測結果と、図１１に示した第２表示領域３２に表示される保守に関するメッセージとを切替え表示する構成としても良い。
更には、図８に示した第１表示領域３１に表示される疲労状態予測結果のみを、表示画面３０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、転がり軸受２の疲労状態が最も厳しくなると予測される、内輪４または外輪５にラベリングされた分割領域の疲労状態（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。
また、図１０示した第１表示領域３１に表示される疲労状態予測結果のみを表示画面３０上に表示する構成としても良い。この場合においても、各時刻における損傷確率が最大となる、転がり軸受２を構成する内輪４または外輪５にラベリングされた分割領域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を構成する内輪４または外輪５の分割領域の疲労状態を容易に確認することができる。
本実施例によれば、転がり軸受にかかる荷重の方向が変化する場合であっても、転がり軸受の疲労状態を高精度に予測し得る転がり軸受疲労状態予測装置及び転がり軸受疲労状態予測方法を提供することが可能となる。
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、稼働率を向上させることができる。
図１２は、本発明の他の実施例に係る実施例２の転がり軸受疲労状態予測装置における、転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図である。本実施例では、荷重センサ８ａ〜８ｈに代えて非接触式変位センサを用いると共に、転がり軸受疲労状態予測装置を構成する演算部に応力−荷重データベースを設けた点が実施例１と異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、以下では、実施例１に示した構成要素と同一の構成要素に同一符号を付し、実施例１と重複する説明を省略する。
図１２に示すように、転がり軸受２を構成する内輪４と外輪５との間に配される転動体６を、軸方向において挟むよう一対の非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂを、軸受ハウジング７に設置している。これら一対の非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂは、軸受ハウジング７の周方向において、相互に所定の間隔にて離間し複数設置されている。なお、非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂとして、超音波探触子等が用いられる。仮に、これら一対の非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂを、転動体６の軸方向両端面にそれぞれ対向する軸受ハウジング７の内壁面に、転動体６の軸方向両端面と接触することなく設置する場合においては、例えば、一対の非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂとして、渦電流式或いはレーザ変位計等が用いられる。
図１３は、図１２の部分拡大図であって、軸受荷重が付加されている領域の状態を示す図である。図１３に示すように、転がり軸受２にかかる荷重の方向に位置する転動体６には、その荷重により、内輪４の外周面と転動体６の外周面との接触面、及び外輪５の内周面と転動体６の外周面との接触面に、応力σ（＝Ｅε）が発生する。ここで、Ｅは転動体６のヤング率であり、εは転動体６の径方向の弾性ひずみである。転動体６が径方向に変形すると、それと同時にポアソン比分だけ軸方向に変形することになる。なお、図１３において転動体６の存在領域に示す径方向に延伸する２つの点線は、内輪４の外周面と転動体６の外周面との接触面、及び外輪５の内周面と転動体６の外周面との接触面に、応力σが生じていない場合の転動体６の軸方向両端面の位置を示している。
図１３に示すように、軸受荷重が付加されることにより、転動体６がポアソン比分だけ軸方向に変形する伸長分は、νεＤとして求まる。ここで、Ｄは転動体６の直径、νはポアソン比、εは径方向の弾性ひずみである。この伸長分νεＤを、軸方向に転動体６を挟むよう、軸受ハウジング７に設置された非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂにより検出する。具体的には、例えば、超音波探触子にて構成される非接触式変位センサ２３ａより超音波を、図１３において転動体６の軸方向右側の端面へ照射し、転動体６の軸方向右側の端面からの反射波を非接触式変位センサ２３ａにて検出することにより、転動体６の軸方向右側の端面の伸長量（点線で示す位置からの変位量）が計測される。同様に、非接触式変位センサ２３ｂより超音波を、図１３において転動体６の軸方向左側の端面へ照射し、転動体６の軸方向左側の端面からの反射波を非接触式変位センサ２３ｂにて検出することにより、転動体６の軸方向左側の端面の伸長量（点線で示す位置からの変位量）が計測される。
なお、仮に、例えば、レーザ変位計にて構成される一対の非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂを、転動体６の軸方向両端面にそれぞれ対向する軸受ハウジング７の内壁面に、転動体６の軸方向両端面と接触することなく設置する場合においては、レーザ変位計により、転動体６の軸方向右側の端面の伸長量（点線で示す位置からの変位量）及び転動体６の軸方向左側の端面の伸長量（点線で示す位置からの変位量）が計測される。
図１４は、本実施例の転がり軸受疲労状態予測装置１ａの機能ブロック図である。上述の図２に示した実施例１の軸受疲労状態予測装置１に対し、図１４に示すように本実施例の転がり軸受疲労状態予測装置１ａは、対をなす非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂの複数組みにより計測される転動体６の伸長量（変位量）が、有線または無線により、演算部１０ａを構成する入力Ｉ／Ｆ１１に入力される。計測値取得部１２は、対をなす非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂの複数組みにより計測される転動体６の伸長量（変位量）をＡ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理を施し、内部バス１８を介して荷重付加領域特定部１３へ転送すると共に記憶部１５の所定の記憶領域に格納する。また、計測値取得部１２は、例えばエンコーダ等（図示せず）からの計測回転数を回転速度データに変換し、変換後の回転速度データを、内部バス１８を介して荷重付加領域特定部１３へ転送すると共に記憶部１５の所定の記憶領域に格納する。
応力−荷重データベース１９は、予め、転がり軸受２に付加される荷重Ｆと、内輪４の外周面と転動体６の外周面との接触面及び外輪５の内周面と転動体６の外周面との接触面に生ずる応力σを対応付けて格納している。図１５は、図１４に示す応力−荷重データベース１９のデータ構造の説明図である。図１５に示すように、応力−荷重データベース１９は、テーブル形式にて、転がり軸受２に付加される荷重Ｆと、内輪４の外周面と転動体６の外周面との接触面及び外輪５の内周面と転動体６の外周面との接触面に生ずる応力σを対応付けて格納している。例えば、応力がσｉでは、対応する転がり軸受２に付加される荷重はＦｉである。また、図１６は、図１４に示す応力−荷重データベース１９のデータ構造の説明図であり、図１６に示すように、横軸に転がり軸受２に付加される荷重Ｆを取り、縦軸に応力σ（＝νεＥ）を取り、関数として格納されている。例えば、応力がσ ｉでは、対応する転がり軸受２に付加される荷重はＦｉである。
図１４に戻り、荷重付加領域特定部１３は、内部バス１８を介して入力される計測値取得部１２からのＡ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理後の転動体６の伸長量（変位量）であるνεＤ、及び転動体６のヤング率Ｅに基づき、内輪４の外周面と転動体６の外周面との接触面及び外輪５の内周面と転動体６の外周面との接触面に生ずる応力σを求める。次に、荷重付加領域特定部１３は、内部バス１８を介して応力−荷重データベース１９へアクセスし、応力−荷重データベース１９より求めた応力σに対応する転がり軸受２に付加される荷重Ｆを読み出す。ここで、読み出された転がり軸受２に付加される荷重Ｆは、上述の実施例１にて説明した図６に示すステップＳ１１にて取得される軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ））に相当する。また、対をなす非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂは、周方向に所定の間隔にて離間し配されることから、荷重付加領域特定部１３は、入力Ｉ／Ｆ１１を介して、対をなす複数の非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂから、転がり軸受２に付加される荷重の方向θ（ｔ）が得られる。これにより、荷重付加領域特定部１３は、上述の図６に示すステップＳ１１、すなわち、軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））及び回転速度データ（Ｎ（ｔ））を取得する。以降、図６に示すステップＳ１２〜ステップＳ１８までの処理は、実施例１と同様であるため説明を省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加え、非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂとして超音波探触子を用いる場合では、転がり軸受２を構成する軸受ハウジング７の外壁面に非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂを設置することのみにより、軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））を得ることが可能となる。よって、実施例１に示したように、荷重センサ８ａ〜８ｈを配するために、軸受ハウジング７の内周面または回転軸３の外周面に凹み部９を形成することが不要となり、経済的かつ非接触式変位センサを容易に設置することが可能となる。
また、仮に、対をなす複数の非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂとして、例えば、レーザ変位計を用いる場合であっても、転動体６に接触することなく軸受ハウジング７の内壁に取り付ければ良いことから、実施例１の構成と比較して、経済的かつ非接触式変位センサを容易に設置することが可能となる。
図１７は、本発明の他の実施例に係る実施例３の転がり軸受疲労状態予測装置における、転がり軸受の回転軸の長手方向に平行な面での縦断面図である。本実施例では、転がり軸受が回転可能に支持する回転軸の軸方向（長手方向）の一端側に、回転軸の周方向に沿って相互に所定の間隔にて離間して配される複数の歪センサと、回転軸の軸方向の他端側（歪センサが配される側とは反対側の端部）にばね定数が既知の支持部及びこの支持部に取り付けられる変位センサを有する点が、実施例１と異なる。その他の構成は実施例１と同様であり、以下では、実施例１に示した構成要素と同一の構成要素に同一符号を付し、実施例１と重複する説明を省略する。
図１７に示すように、回転軸３を、転がり軸受２、及び、ばね定数が既知の支持部２６により、回転可能に支持している。支持部２６には、周方向に沿って、複数個の変位センサ２５が設置されている。また、回転軸３の軸方向の他端側、すなわち、支持部２６に対して反対側の軸端領域２７には、回転軸３の周方向に沿って所定の間隔にて離間し配される複数の歪センサ２４を備える。これら複数の歪センサ２４は、回転軸３に対して表裏に対になるよう配されている。換言すれば、回転軸３の横断面において、軸心に対し対称となる位置であって、回転軸３の周方向に沿って複数の歪センサ２４が配されている。
次に荷重計測方法に関して説明する。
図１３に示すように、軸端領域２７に、モーメントＭ０と外部荷重Ｆ０が作用した場合を想定する。荷重の釣り合いより、Ｆ０＝Ｆ１＋Ｆ２と、モーメントの釣り合いより、Ｍ ０＋Ｆ０（Ｌ１＋Ｌ２）＝Ｆ１Ｌ２が成り立つ。ここで、モーメントＭ０及び外部荷重Ｆ ０、Ｆ１、Ｆ２は未知の値である。
モーメントＭ０の計測方法に関して説明する。
回転軸３の横断面において、軸心に対し対称となる位置であって、回転軸３の周方向に沿って配される複数の歪センサ２４を用いて、２ゲージ法により、曲げ応力σを、σ＝Ｅ・ε／２より求める。また、回転軸３の曲げ応力σは、回転軸３の断面２次モーメントＺよりσ＝Ｍ０／Ｚで表すことができる。これより、モーメントＭ０は、Ｍ０＝（Ｅ・ε・Ｚ）／２として求めることができる。
次に、支持部２６の荷重Ｆ２の求め方に関して説明する。
ばね定数Ｋ２、及び支持部２６に設けた変位センサ２５により計測された変位Δｄより、支持部２６における反力Ｆ２は、Ｆ２＝Ｋ２・Δｄで求まる。以上より、転がり軸受２にかかる荷重Ｆ１は、以下の式（５）により算出する。
Ｆ１＝｛（Ｌ２―Ｌ１）Ｋ２・Δｄ―（Ｅ・ε・Ｚ）／２｝／Ｌ１ ・・・（５）
図１７では図示しないが、本実施例における転がり軸受疲労状態予測装置１を構成する演算部１０の構成は、上述の実施例１にて説明した図２に示す演算部１０の機能ブロック図と同様である。本実施例では、図２において、荷重センサ８ａ〜８ｈに代えて、回転軸３の横断面において、軸心に対し対称となる位置であって回転軸３の周方向に沿って配される複数の歪センサ２４、及び複数の変位センサ２５を用いる点が実施例１と異なる。
よって、計測値取得部１２は、複数の歪センサ２４より計測される計測値及び複数の変位センサ２５により計測される変位Δｄを、Ａ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理を施し、内部バス１８を介して荷重付加領域特定部１３へ転送すると共に記憶部１５の所定の記憶領域に格納する。また、計測値取得部１２は、図示しない例えばエンコーダ等（図示せず）からの計測回転数を回転速度データに変換し、変換後の回転速度データを、内部バス１８を介して荷重付加領域特定部１３へ転送すると共に記憶部１５の所定の記憶領域に格納する。
荷重付加領域特定部１３は、Ａ／Ｄ変換及びノイズ除去等の平滑化処理後の複数の歪センサ２４より計測される計測値及び複数の変位センサ２５により計測される変位Δｄに基づき、上述の式（５）を演算し、転がり軸受２に付加される荷重Ｆ１を求める。ここで求められる転がり軸受２に付加される荷重Ｆ１は、上述の実施例１にて説明した図６に示すステップＳ１１にて取得される軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ））に相当する。また、複数の歪センサ２４は、回転軸３の横断面において、軸心に対し対称となる位置であって回転軸３の周方向に沿って配されることから、転がり軸受２に付加される荷重の方向θ（ｔ）が得られる。これにより、荷重付加領域特定部１３は、上述の図６に示すステップＳ１１、すなわち、軸受荷重計測データ（荷重の大きさＦｐ（ｔ）、荷重の方向θ（ｔ））及び回転速度データ（Ｎ（ｔ））を取得する。以降、図６に示すステップＳ１２〜ステップＳ１８までの処理は、実施例１と同様であるため説明を省略する。
本実施例によれば、実施例１の効果に加え、転がり軸受２の近傍にセンサを配さずとも、転がり軸受２に付加される荷重を計測できる。
図１８は、本発明の他の実施例に係る実施例４の風力発電装置の概略構成図であって、実施例１乃至実施例３のうち、いずれか一つの転がり軸受疲労状態予測装置を適用した場合の説明図である。
図１８に示すように、風力発電装置４０は、風を受けて回転する複数のブレード４１、複数のブレード４１を支持するハブ４２、ナセル４９、及びナセル４９を回動可能に支持するタワー５０を備える。ナセル４９内に、ハブ４２に連結されハブ４２と共に回転する主軸４３、主軸４３の回転速度を増速する増速機４４、及び、増速機４４により高速化された発電機軸４５に連結される発電機４６を備えている。また、ナセル４９内に、主軸４３を回転可能に支持する主軸軸受４７、及び増速機４４を支持するマウント４８を有する。複数のブレード４１に風荷重が付加されることで、複数のブレード４１が回転し、その回転エネルギーを発電エネルギーに変換する。主軸軸受４７として、通常、自動調心ころ軸受が用いられる。
複数のブレード４１に風荷重が付加されると、主軸軸受４７には、各部品の自重に加え、複数のブレード４１にかかる風荷重の合力（スラスト荷重）が付加される。ここで、主軸軸受４７を構成する軸受ハウジングの内周面に、上述の実施例１にて説明した図３に示すように、周方向に沿って複数の荷重センサ８ａ〜８ｈを配することで、主軸軸受４７に付加される荷重の大きさ及び荷重の方向を直接計測できるため、主軸軸受４７の疲労状態を予測できる。また、主軸軸受４７を構成する軸受ハウジングに、上述の実施例２にて説明した図１２に示すように、対をなす非接触式変位センサ２３ａ，２３ｂを周方向に沿って複数配することで、主軸軸受４７に付加される荷重の大きさ及び荷重の方向を直接計測できるため、実施例２にて上述したように、主軸軸受４７の疲労状態を予測できる。
また、主軸４３のハブ４２側に、上述の実施例３にて説明した図１７に示すように、主軸４３の横断面において、軸心に対し対称となる位置であって、主軸４３の周方向に沿って複数の歪センサ２４を配すると共に、増速機４４を支持するマウント４８にばね定数が既知の複数の支持部２６及び支持部２６に周方向に沿って複数個の変位センサ２５を配することで、ハブ４２にかかる曲げモーメント及びマウント４８の周方向の変位を計測する。この場合、初めにブレード４１の曲げひずみを計測することで風荷重を計測する。次に、各ブレード４１にかかる風荷重の違いから、ハブ４２にかかる曲げモーメントを複数の歪センサ２４により計測する。次に、増速機４４を支持するマウント４８の周方向変位の分布を、複数の変位センサ２５により計測する。これにより、主軸軸受４７に付加される荷重を計測できる。
なお、図２に示した転がり軸受疲労状態予測装置１を構成する、演算部１０、入力部２１、及び表示部２２は、例えば、風力発電装置４０から遠隔に位置する中央給電指令所等に設置される。主軸軸受４７にかかる荷重の方向が変化する場合であっても、上述の実施例１または実施例３にて説明したように、オペレータは、表示部２２の表示画面３０にて主軸軸受４７の疲労状態予測結果を容易に確認することができるため、主軸軸受４７の交換時期をいつにすべきかを決定でき、結果として風力発電装置４０の稼働率を向上させることができる。
また、図１４に示した転がり軸受疲労状態予測装置１ａを構成する、演算部１０ａ、入力部２１、及び表示部２２は、例えば、風力発電装置４０から遠隔に位置する中央給電指令所等に設置される。主軸軸受４７にかかる荷重の方向が変化する場合であっても、上述の実施例２にて説明したように、オペレータは、表示部２２の表示画面３０にて主軸軸受４７の疲労状態予測結果を容易に確認することができるため、主軸軸受４７の交換時期をいつにすべきかを決定でき、結果として風力発電装置４０の稼働率を向上させることができる。
本実施例では、上述の「影響度」に、主軸軸受４７の部品交換のために風力発電装置４０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。
なお、本実施例では、転がり軸受にかかる荷重の方向が変化するような回転機械として、風力発電装置４０を一例として示したが、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。
以上の通り、本実施例によれば、転がり軸受にかかる荷重の方向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。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
１，１ａ・・・転がり軸受疲労状態予測装置，２・・・転がり軸受，３・・・回転軸，４・・・内輪，５・・・外輪，６・・・転動体，７・・・軸受ハウジング，８ａ〜８ｈ・・・荷重センサ，９・・・凹み部，１０，１０ａ・・・演算部，１１・・・入力Ｉ／Ｆ，１２・・・計測値取得部，１３・・・荷重付加領域特定部，１４・・・疲労状態予測部，１５・・・記憶部，１６・・・表示制御部，１７・・・出力Ｉ／Ｆ，１８・・・内部バス，１９・・・応力−荷重データベース，２１・・・入力部，２２・・・表示部、２３ａ，２３ｂ・・・非接触式変位センサ，２４・・・歪センサ，２５・・・変位センサ，２６・・・支持部，２７・・・軸端領域，２８・・・Ｌｎｍカーブ，３０・・・表示画面，３１・・・第１表示領域，３２・・・第２表示領域，３３・・・実行ボタン，３４・・・保守ボタン，４０・・・風力発電装置，４１・・・ブレード，４２・・・ハブ，４３・・・主軸，４４・・・増速機，４５・・・発電機軸，４６・・・発電機，４７・・・主軸軸受，４８・・・マウント，４９・・・ナセル，５０・・・タワー

Claims (11)

  1. 回転体を支持する転がり軸受に付加される軸受荷重の大きさ及び方向を求める荷重計測部と、
    前記転がり軸受の周方向領域のうち荷重が付加される領域を特定する荷重付加領域特定部と、
    前記求めた荷重の大きさ及び特定された荷重付加領域に基づき、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、を備え、
    前記荷重計測部は、
    前記転がり軸受の周方向に沿って所定の間隔にて離間し配される複数のセンサと、
    前記センサによる計測信号をデジタル信号に変換すると共にノイズ除去を含む平滑化処理を行い計測値とする計測値取得部と、を有し、
    前記転がり軸受を構成する内輪及び外輪に対し、予め周方向に沿って複数の分割領域を設定し、
    前記荷重付加領域特定部は、前記計測値取得部からの計測値に基づき、固定側の内輪または外輪に設定された複数の分割領域のうち、いずれの分割領域に荷重が付加されたかを特定し、特定された分割領域を荷重付加領域とし、
    前記疲労状態予測部は、前記計測値取得部からの計測値に基づき前記固定側の内輪または外輪に設定された分割領域毎の荷重頻度分布を求め、当該求めた荷重頻度分布に基づき前記固定側の内輪または外輪に設定された分割領域毎の累積損傷度を求め、当該求めた累積損傷度が最大となる分割領域の累積損傷度に基づき前記転がり軸受の損傷確率を求めることを特徴とする転がり軸受疲労状態予測装置。
  2. 請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測装置において、
    表示部と、
    前記荷重計測部により求められた軸受荷重の大きさと方向、及び前記荷重付加領域特定部により特定された荷重付加領域、並びに前記疲労状態予測部により求められた前記転がり軸受の損傷確率、または、
    前記荷重計測部により求められた軸受荷重の大きさと方向、及び前記疲労状態予測部により求められた前記累積損傷度と前記転がり軸受の損傷確率を、
    前記表示部へ出力する表示制御部と、を備えることを特徴とする転がり軸受疲労状態予測装置。
  3. 請求項２に記載の転がり軸受疲労状態予測装置において、
    前記表示部の表示画面は、
    前記荷重計測部により求められた軸受荷重の大きさと方向、及び前記荷重付加領域特定部により特定された荷重付加領域、並びに前記疲労状態予測部により求められた前記転がり軸受の損傷確率、または、
    前記荷重計測部により求められた軸受荷重の大きさと方向、及び前記疲労状態予測部により求められた前記累積損傷度と前記転がり軸受の損傷確率を、表示する第１表示領域と、
    保守に関するメッセージを表示する第２表示領域と、を有することを特徴とする転がり軸受疲労状態予測装置。
  4. 請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測装置において、
    前記センサは、荷重センサであって、
    前記固定側の外輪の径方向外側に配される軸受ハウジングの内周面側に、周方向に沿って且つ前記外輪に設定された複数の分割領域の中央部と対向する位置、または、
    前記固定側の内輪の径方向内側に配される前記回転体の外周面側に、周方向に沿って且つ前記内輪に設定された複数の分割領域の中央部と対向する位置に配されることを特徴とする転がり軸受疲労状態予測装置。
  5. 請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測装置において、
    前記センサは、非接触式変位センサであって、
    前記転がり軸受を構成する内輪と外輪との間に配される転動体を、前記回転体の軸方向において挟むよう前記転動体に接触することなく、前記外輪の径方向外側に配される軸受ハウジングに設置され、且つ、前記軸受ハウジングの周方向に沿って所定の間隔にて離間し配されることを特徴とする転がり軸受疲労状態予測装置。
  6. 請求項１に記載の転がり軸受疲労状態予測装置において、
    前記センサは、
    前記回転体の軸方向の一端側であって、前記回転体の周方向に沿って所定の間隔にて離間して配される複数の歪センサと、
    前記回転体の軸方向の他端側に設けられたばね定数が既知の支持部に取り付けられる複数の変位センサと、を有し、
    前記荷重付加領域特定部は、前記複数の歪センサにより計測される前記回転体のモーメント及び前記複数の変位センサにより計測される前記回転体の変位に基づき、前記転がり軸受に付加される軸受荷重の大きさ及び方向を求めることを特徴とする転がり軸受疲労状態予測装置。
  7. 回転体を支持する転がり軸受に付加される軸受荷重の大きさ及び方向を求める荷重計測部と、
    前記転がり軸受の周方向領域のうち荷重が付加される領域を特定する荷重付加領域特定部と、
    前記求めた荷重の大きさ及び特定された荷重付加領域に基づき、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、を備え、
    前記荷重計測部は、
    前記転がり軸受の周方向に沿って所定の間隔にて離間し配される複数のセンサと、
    前記センサによる計測信号をデジタル信号に変換すると共にノイズ除去を含む平滑化処理を行い計測値とする計測値取得部と、を有し、
    前記転がり軸受を構成する内輪及び外輪に対し、予め周方向に沿って複数の分割領域を設定し、
    前記荷重付加領域特定部は、前記計測値取得部からの計測値に基づき、固定側の内輪または外輪に設定された複数の分割領域のうち、いずれの分割領域に荷重が付加されたかを特定し、特定された分割領域を荷重付加領域とし、
    前記センサは、
    前記回転体の軸方向の一端側であって、前記回転体の周方向に沿って所定の間隔にて離間して配される複数の歪センサと、
    前記回転体の軸方向の他端側に設けられたばね定数が既知の支持部に取り付けられる複数の変位センサと、を有し、
    前記荷重付加領域特定部は、前記複数の歪センサにより計測される前記回転体のモーメント及び前記複数の変位センサにより計測される前記回転体の変位に基づき、前記転がり軸受に付加される軸受荷重の大きさ及び方向を求めることを特徴とする転がり軸受疲労状態予測装置。
  8. 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方法であって、
    前記転がり軸受に付加される軸受荷重の大きさ及び方向を求め、
    求めた軸受荷重の大きさ及び方向に基づき、前記転がり軸受の周方向領域のうち荷重が付加される領域を特定し、
    前記求めた荷重の大きさ及び特定された荷重付加領域に基づき、前記転がり軸受の疲労状態を予測し、
    前記転がり軸受を構成する内輪及び外輪に対し、予め周方向に沿って複数の分割領域を設定し、
    前記求めた軸受荷重の大きさ及び方向に基づき、固定側の内輪または外輪に設定された複数の分割領域のうち、いずれの分割領域に荷重が付加されたかを特定し、特定された分割領域を荷重付加領域とし、
    前記求めた軸受荷重の大きさ及び方向に基づき、前記固定側の内輪または外輪に設定された分割領域毎の荷重頻度分布を求め、
    前記求めた荷重頻度分布に基づき前記固定側の内輪または外輪に設定された分割領域毎の累積損傷度を求め、
    前記求めた累積損傷度が最大となる分割領域の累積損傷度に基づき前記転がり軸受の損傷確率を求めることを特徴とする転がり軸受疲労状態予測方法。
  9. 請求項８に記載の転がり軸受疲労状態予測方法において、
    前記求められた軸受荷重の大きさと方向及び前記荷重付加領域並びに前記求められた前記転がり軸受の損傷確率を、表示部へ出力することを特徴とする転がり軸受疲労状態予測方法。
  10. 請求項８に記載の転がり軸受疲労状態予測方法において、
    前記求められた軸受荷重の大きさと方向及び前記求められた前記累積損傷度並びに前記転がり軸受の損傷確率を、表示部へ出力することを特徴とする転がり軸受疲労状態予測方法。
  11. 請求項９または請求項１０に記載の転がり軸受疲労状態予測方法において、
    前記表示部の表示画面を構成する第１表示領域に、前記求められた軸受荷重の大きさと方向及び前記荷重付加領域並びに前記求められた前記転がり軸受の損傷確率、または、前記求められた軸受荷重の大きさと方向及び前記求められた前記累積損傷度並びに前記転がり軸受の損傷確率を表示し、
    前記表示部の表示画面を構成する第２表示領域に、保守に関するメッセージを表示することを特徴とする転がり軸受疲労状態予測方法。
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