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WO2024209606A1 - 転がり軸受および転がり軸受の診断装置 - Google Patents

転がり軸受および転がり軸受の診断装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2024209606A1
WO2024209606A1 PCT/JP2023/014140 JP2023014140W WO2024209606A1 WO 2024209606 A1 WO2024209606 A1 WO 2024209606A1 JP 2023014140 W JP2023014140 W JP 2023014140W WO 2024209606 A1 WO2024209606 A1 WO 2024209606A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rolling bearing
speed
evaluation
diagnostic device
inner ring
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/014140
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
直克 ▲高▼良
秀紀 長濱
優 齋藤
康樹 木村
脩平 新倉
Original Assignee
三菱電機株式会社
三菱電機ビルソリューションズ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱電機株式会社, 三菱電機ビルソリューションズ株式会社 filed Critical 三菱電機株式会社
Priority to PCT/JP2023/014140 priority Critical patent/WO2024209606A1/ja
Priority to PCT/JP2023/041145 priority patent/WO2024209733A1/ja
Publication of WO2024209606A1 publication Critical patent/WO2024209606A1/ja

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G01M13/045—Acoustic or vibration analysis

Definitions

  • This disclosure relates to rolling bearings and diagnostic devices for rolling bearings.
  • Patent Document 1 discloses an example of a diagnostic device for rolling bearings.
  • the diagnostic device includes a vibration sensor and a damage/deterioration diagnostic unit.
  • the vibration sensor is attached in contact with the housing of the rolling bearing.
  • the damage/deterioration diagnostic unit diagnoses damage/deterioration of the rolling bearing based on the amplitude of the output signal from the vibration sensor.
  • the diagnostic device in Patent Document 1 diagnoses the extent of damage by capturing the vibrations that occur when the rolling elements of the rolling bearing pass through the damaged area, based on the amplitude of the output signal from the vibration sensor.
  • the diagnostic device may not be able to accurately diagnose the extent of the damage itself.
  • This disclosure is directed to solving such problems.
  • This disclosure provides a rolling bearing and a rolling bearing diagnostic device that can improve the accuracy of damage diagnosis.
  • the diagnostic device is a diagnostic device for diagnosing a rolling bearing including an inner ring, an outer ring concentrically disposed with the inner ring, and a plurality of rolling elements disposed between the raceway surface of the outer ring and the raceway surface of the inner ring, each of which rolls with the rotation of the inner ring, the rotation of the outer ring, or the rotation of both the inner ring and the outer ring.
  • the diagnostic device is provided with a behavior sensor provided in a housing that holds the inner ring or the outer ring and measures the behavior of the housing, a first calculation unit that calculates an evaluation speed based on information acquired by the behavior sensor, which is the sum of the maximum speed component in the direction in which a load from a rotating shaft that rotates integrally with the inner ring or the outer ring acts and the maximum speed component in the direction opposite to the direction in which the load from the rotating shaft acts, within a time period equal to or greater than the period of the natural vibration determined by the specifications of the rolling bearing, and a diagnostic unit that diagnoses damage to the rolling bearing using an evaluation index based on the evaluation speed.
  • a behavior sensor provided in a housing that holds the inner ring or the outer ring and measures the behavior of the housing
  • a first calculation unit that calculates an evaluation speed based on information acquired by the behavior sensor, which is the sum of the maximum speed component in the direction in which a load from a rotating shaft that rotates integrally with the inner ring or the outer ring acts
  • the rolling bearing according to the present disclosure comprises an inner ring, an outer ring arranged concentrically with the inner ring, a number of rolling elements arranged between the raceway surface of the outer ring and the raceway surface of the inner ring, each of which rolls in association with the rotation of the inner ring, the rotation of the outer ring, or the rotation of both the inner ring and the outer ring, and the above-mentioned diagnostic device.
  • the rolling bearing or rolling bearing diagnostic device disclosed herein can improve the accuracy of damage diagnosis.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a rolling bearing according to a first embodiment
  • 4A to 4C are diagrams illustrating an example of diagnosis of damage to a rolling bearing by the diagnosis device according to the first embodiment
  • 6A to 6C are diagrams illustrating another example of diagnosis of damage to a rolling bearing by the diagnosis device according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a rolling bearing according to a second embodiment.
  • 13A to 13C are diagrams illustrating an example of diagnosis of damage to a rolling bearing by the diagnosis device according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a rolling bearing according to embodiment 7.
  • 13 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of a control unit of a diagnostic device according to any one of the first to eighth embodiments.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a rolling bearing according to a first embodiment.
  • the rolling bearing 1 comprises an inner ring 2, an outer ring 3, a number of rolling elements 4, and a rotating shaft 5.
  • FIG. 1 a cross section of the rolling bearing 1 taken along a plane perpendicular to the axis of the rotating shaft 5 is shown.
  • the inner ring 2 is cylindrical in shape.
  • the outer ring 3 is cylindrical in shape.
  • the outer ring 3 is arranged concentrically with the inner ring 2 on the outside of the inner ring 2.
  • a number of rolling elements 4 are arranged between the inner ring 2 and the outer ring 3.
  • Each rolling element 4 is shaped to be capable of rolling, such as a spherical or cylindrical shape.
  • the rolling elements 4 are arranged between a raceway surface, which is the inner circumferential surface of the outer ring 3, and a raceway surface, which is the outer circumferential surface of the inner ring 2.
  • the rolling elements 4 roll in conjunction with the rotation of the inner ring 2, the rotation of the outer ring 3, or the rotation of both the inner ring 2 and the outer ring 3.
  • one of the multiple rolling bodies 4 may be described as rolling body 4a or rolling body 4b, etc.
  • the rotating shaft 5 rotates integrally with the inner ring 2 or the outer ring 3.
  • the rotating shaft 5 rotates counterclockwise on the page in FIG. 1.
  • the axial direction along the axis of the rotating shaft 5, i.e., the extension direction of the rotating shaft 5, is sometimes simply referred to as the axial direction.
  • the circumferential direction around the axis of the rotating shaft 5, i.e., the rotation direction of the rotating shaft 5, is sometimes simply referred to as the circumferential direction.
  • the direction from the axis of the rotating shaft 5 toward the outside of the rotating shaft 5 is sometimes simply referred to as the radial direction.
  • the inner ring 2 rotates integrally with the rotating shaft 5, and the outer ring 3 is fixed.
  • the outer ring 3 may rotate integrally with the rotating shaft 5, and the inner ring 2 may be fixed.
  • the rolling bearing 1 may also be configured so that the inner ring 2 and the outer ring 3 rotate together.
  • the rolling bearing 1 is held in a housing 6.
  • the housing 6 holds the inner ring 2 or the outer ring 3 of the rolling bearing 1.
  • the diagnostic device 7 is applied to the rolling bearing 1.
  • the diagnostic device 7 is equipped with a function for diagnosing the condition of the rolling bearing 1, such as damage.
  • the diagnostic device 7 may be a device included as part of a rotating device, such as an electric motor, in which the rolling bearing 1 is provided, or it may be an external device applied to the rotating device from the outside.
  • the diagnostic device 7 may be a device that is permanently installed on the rolling bearing 1 or the rotating device in which the rolling bearing 1 is provided, or it may be a device that is temporarily installed as a portable device on the rolling bearing 1 or the rotating device in which the rolling bearing 1 is provided.
  • the diagnostic device 7 includes a behavior sensor 8 and a control unit 9.
  • the behavior sensor 8 is attached to the housing 6.
  • the behavior sensor 8 is a sensor that measures the behavior of the housing 6.
  • the behavior sensor 8 is, for example, an acceleration sensor, a displacement sensor, or a speed sensor.
  • the control unit 9 is equipped with a function for performing information processing in the diagnostic device 7.
  • the control unit 9 may be composed of one or more independent pieces of hardware, or may be part of other hardware such as a control device for a rotating device in which the rolling bearing 1 is provided.
  • the control unit 9 includes a first calculation unit 10 and a diagnosis unit 11.
  • the first calculation unit 10 is a part equipped with a function for calculating the evaluation speed used for diagnosing the rolling bearing 1.
  • the evaluation speed is calculated for a time period equal to or greater than the period Tr of the natural vibration determined by the specifications of the rolling bearing 1.
  • the evaluation speed is the sum of the maximum speed component in the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts and the maximum speed component in the opposite direction to the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts within that time.
  • the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts is, for example, a radially outward direction or a vertically downward direction.
  • the opposite direction to the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts is a radially inward direction or a vertically upward direction.
  • the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts is sometimes referred to as the load direction
  • the opposite direction to the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts is sometimes referred to as the anti-load direction.
  • the first calculation unit 10 calculates the evaluated speed by processing the output signal from the behavior sensor 8. For example, when the behavior sensor 8 is a speed sensor, the first calculation unit 10 calculates the evaluated speed using the time series data of speed, which is the output signal from the behavior sensor 8. When the behavior sensor 8 is an acceleration sensor, the first calculation unit 10 calculates the time series data of speed by time integrating the time series data of acceleration, which is the output signal from the behavior sensor 8. At this time, the first calculation unit 10 calculates the evaluated speed using the calculated time series data of speed. When the behavior sensor 8 is a displacement sensor, the first calculation unit 10 calculates the time series data of speed by time differentiating the time series data of displacement, which is the output signal from the behavior sensor 8. At this time, the first calculation unit 10 calculates the evaluated speed using the calculated time series data of speed.
  • the first calculation unit 10 calculates the maximum speed component in the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts from the speed time series data for a preset time period equal to or greater than the period Tr.
  • the first calculation unit calculates the maximum speed component in the opposite direction to the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts from the speed time series data for that time.
  • the first calculation unit 10 calculates the evaluated speed by adding up the absolute values of these two maximum speed components.
  • the diagnosis unit 11 is a part equipped with a function for diagnosing damage to the rolling bearing 1 using an evaluation index based on the evaluation speed calculated by the first calculation unit 10.
  • the diagnosis unit 11 diagnoses damage to the rolling bearing 1 using the evaluation speed calculated by the first calculation unit 10 itself as the evaluation index.
  • the diagnosis unit 11 diagnoses that damage has occurred to the rolling bearing 1, for example, when the evaluation speed exceeds a preset threshold value.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of diagnosis of damage to a rolling bearing by the diagnosis device according to the first embodiment.
  • a damaged portion 100 is shown as an example of damage that can occur in the rolling bearing 1.
  • the damaged portion 100 occurs in the rolling bearing 1, for example, as follows.
  • the rotating shaft 5 rotates counterclockwise on the paper together with the inner ring 2.
  • each rolling element 4 in contact with the raceway surface of the inner ring 2 rotates around the center point of the rolling element 4 itself in a clockwise direction on the paper as the inner ring 2 rotates, while revolving around the central axis of the rotating shaft 5 between the inner ring 2 and the outer ring 3 in a counterclockwise direction on the paper.
  • a load on the inner ring 2 due to the load of the rotating shaft 5 acts downward on the paper, most of the load from the rotating shaft 5 is transmitted to the raceway surface of the outer ring 3 via the raceway surface of the inner ring 2 and the multiple rolling elements 4 located below the rotating shaft 5.
  • abnormal slippage may occur between the rolling elements 4 and the inner and outer rings 2 and 3 due to insufficient lubrication of the raceway surfaces caused by insufficient supply, deterioration, leakage, or insufficient viscosity of lubricants such as grease, as well as excessive loads.
  • stress may be more likely to concentrate on the surface of the raceway surfaces due to surface roughness and wear, which may accelerate damage to the raceway surfaces.
  • surface-originating peeling damage in which the surface layer of some of the raceway surfaces peels off in a scaly pattern, and wear damage may occur on the raceway surfaces.
  • the damaged portion 100 due to spalling damage is often formed on the raceway surface of the rolling bearing 1.
  • the damaged portion 100 is often composed of a recessed portion 101 and a damaged corner portion 102. It is believed that the size and shape of the recessed portion 101 and the damaged corner portion 102 are constantly changing according to the total number of rotations of the rolling bearing 1. It has also been confirmed that as the total number of rotations of the rolling bearing 1 increases, the recessed portion 101 becomes larger, while the damaged corner portion 102 may have a sharp shape in the early stages of damage occurrence, but may later change to a smooth shape due to wear or the like.
  • the depth of the recessed portion 101 is shallow in the early stages of damage occurrence, so that as the damage progresses, the recessed portion 101 becomes larger in the axial and circumferential directions and also becomes deeper in the radial direction.
  • the sharp shape of the damaged corner 102 may lead to a momentary increase in vibration, the impact on the lifespan of the rolling bearing 1 and the rotating equipment in which the rolling bearing 1 is installed is small.
  • the recessed portion 101 becomes larger as the total number of rotations of the rolling bearing 1 increases, which may lead to a continuous increase in rattle, shaking, or abnormal noise of the rolling bearing 1 and the entire rotating equipment in which the rolling bearing 1 is installed. For this reason, the size of the recessed portion 101 can have a significant impact on the lifespan of the rolling bearing 1 and the entire rotating equipment in which the rolling bearing 1 is installed.
  • a recessed portion 101 is formed on the load side of the outer ring 3 in an inner ring rotating rolling bearing 1 in which the inner ring 2 rotates with the rotating shaft 5. If the recessed portion 101 becomes large, the rolling element 4 will sink into the recessed portion 101 at the timing when it reaches the recessed portion 101 during the rotation of the rolling bearing 1. At this time, the rolling element 4 falls in the depth direction of the recessed portion 101 together with the inner ring 2 and the rotating shaft 5. Furthermore, at the timing when the rolling element 4 leaves the recessed portion 101, the rolling element 4 rises from the bottom of the recessed portion 101 together with the inner ring 2 and the rotating shaft 5.
  • the deeper the recessed portion 101 the greater the rattle, vibration, and abnormal noise of the rolling bearing 1 and the rotating shaft 5. If the recessed portion 101 becomes too deep, the rattle, vibration, and abnormal noise of the rolling bearing 1 and the rotating shaft 5 may become extremely large. In this case, the design limit of the rotating device in which the rolling bearing 1 is installed may be exceeded. This may also lead to failures such as cracking or breaking of the rolling bearing 1, failures of peripheral devices around the rolling bearing 1, and failures of the entire rotating device in which the rolling bearing 1 is installed.
  • the diagnostic device 7 performs a diagnosis on the damaged part 100 as shown in FIG. 2 as follows. Note that FIG. 2 shows an example in which the damaged part 100 occurs on the outer ring 3, but the damaged part 100 may occur on the inner ring 2 or the rolling element 4.
  • the first calculation unit 10 calculates the evaluation speed for a time equal to or longer than the period Tr of the natural vibration determined by the specifications of the rolling bearing 1.
  • the natural vibration here includes not only the vibration generated when the rolling element 4 passes through the damaged portion 100 generated in the outer ring 3 as shown in FIG. 2, but also the vibration generated when the rolling element 4 passes through the damaged portion 100 generated in the inner ring 2, and the vibration generated when the inner ring 2 and the outer ring 3 pass through the damaged portion 100 generated in the rolling element 4.
  • the period of the natural vibration originating from the damage of the inner ring 2 is set to Tr i [sec]
  • the period of the natural vibration originating from the damage of the outer ring 3 is set to Tr o [sec]
  • the period of the natural vibration originating from the damage of the rolling element 4 is set to Tr b [sec].
  • the period T ro is the time from when the rolling element 4a passes over the damaged portion 100 until the rolling element 4b passes over it.
  • the diameter of the rolling elements 4 is d [mm]
  • the revolution diameter of the rolling elements 4 is D [mm]
  • the number of rolling elements 4 is Z
  • the contact angle of the rolling elements 4 is ⁇ [rad]
  • the rotational frequency of the inner ring 2 is f r [sec -1 ]
  • the period T ri of the natural vibration resulting from damage to the inner ring 2 is expressed by the following formula (1)
  • the period T ro of the natural vibration resulting from damage to the outer ring 3 is expressed by the following formula (2)
  • the period T rb of the natural vibration resulting from damage to the rolling elements 4 is expressed by the following formula (3).
  • the first calculation unit 10 uses the time series data of the speed based on the output signal from the behavior sensor 8 to calculate the maximum speed component in the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts and the maximum speed component in the opposite direction within a time period equal to or greater than the period Tr. The first calculation unit 10 adds the absolute values of these two maximum speed components to obtain the evaluation speed.
  • the diagnosis unit 11 diagnoses the damage to the rolling bearing 1 based on the evaluation speed obtained by the first calculation unit 10, and the diagnosis device 7 can diagnose the size or degree of the damaged part 100 with high accuracy, regardless of where the damaged part 100 occurs on the inner ring 2, the outer ring 3, or the rolling element 4.
  • the diagnosis unit 11 can also perform an abnormality diagnosis, such as diagnosing that damage has occurred in the rolling bearing 1 when the evaluation speed exceeds a preset threshold value.
  • the diagnosis unit 11 can also diagnose with high accuracy the size or degree of the damaged portion 100, such as the depth of the recessed portion 101, by diagnosing based on the evaluation speed.
  • the rolling bearing 1 includes an inner ring 2, an outer ring 3, a plurality of rolling elements 4, and a diagnostic device 7.
  • the outer ring 3 is arranged concentrically with the inner ring 2.
  • the plurality of rolling elements 4 are arranged between the raceway surface of the outer ring 3 and the raceway surface of the inner ring 2.
  • Each rolling element 4 rolls with the rotation of the inner ring 2, the rotation of the outer ring 3, or the rotation of both the inner ring 2 and the outer ring 3.
  • the rotating shaft 5 rotates integrally with the inner ring 2 or the outer ring 3.
  • the diagnostic device 7 includes a behavior sensor 8, a first calculation unit 10, and a diagnostic unit 11.
  • the behavior sensor 8 is provided in a housing 6 that holds the inner ring 2 or the outer ring 3.
  • the behavior sensor 8 measures the behavior of the housing 6.
  • the first calculation unit 10 calculates the evaluation speed based on the information acquired by the behavior sensor 8.
  • the evaluation speed is the sum of the maximum speed component in the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts and the maximum speed component in the direction opposite to the direction in which the load from the rotating shaft 5 acts, within a time period equal to or greater than the period Tr of the natural vibration determined by the specifications of the rolling bearing 1.
  • the diagnosis unit 11 uses an evaluation index based on the evaluation speed calculated by the first calculation unit 10 to diagnose damage to the rolling bearing 1.
  • the vibrations may become several times larger even if the rolling bearing itself is not damaged. In this way, a diagnosis based only on the magnitude of the vibration amplitude is affected by changes in the lubrication state of the rolling bearing, and the accuracy of diagnosing damage to the rolling bearing may decrease.
  • the diagnostic device 7 performs diagnosis using an evaluation speed obtained by adding up the maximum speed component in the load direction at the timing when the rolling element 4 sinks into the recessed portion 101 and the maximum speed component in the anti-load direction at the timing when the rolling element 4 leaves the recessed portion 101.
  • the instantaneous behavior that occurs when the rolling element 4 passes through the damaged corner 102 appears as an instantaneous acceleration amplitude.
  • the speed obtained by integrating such instantaneous acceleration amplitude hardly becomes large and is small compared to the speed at the timing when the rolling element 4 sinks into and leaves the recessed portion 101.
  • the diagnostic device 7 can suppress the influence of the instantaneous behavior of the rolling element 4 due to the shape of the damaged corner 102 during diagnosis.
  • the greater the depth of the recessed portion 101 the greater both the maximum speed component in the load direction and the maximum speed component in the anti-load direction become.
  • the diagnostic device 7 using the evaluation speed that is highly correlated with the depth of the recessed portion 101 can accurately diagnose the depth of the recessed portion 101.
  • the evaluation speed is large due to the geometric shape of the recessed portion 101, unlike devices that perform diagnosis using vibrations including high-frequency bands caused by frictional sliding, the diagnostic device 7 can suppress the influence of the lubrication state and more accurately diagnose damage to the rolling bearing 1.
  • rolling bearings are the parts of rotating equipment that are subjected to the greatest loads and are the first to break.
  • damage may progress at an accelerated rate due to increased stress around the damage. As the damage progresses, it may result in destruction of the rolling bearing, damage or destruction of equipment surrounding the rolling bearing, and serious failure of the entire rotating equipment in which the rolling bearing is installed.
  • the diagnostic device 7 can diagnose damage to the rolling bearing 1 with high accuracy, enabling preventive maintenance of the rolling bearing 1. This makes it possible to prevent failures not only in the rolling bearing 1 itself, but also in the peripheral equipment of the rolling bearing 1 and the entire rotating equipment in which the rolling bearing 1 is installed.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining another example of diagnosis of damage to a rolling bearing by the diagnosis device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 shows, as another example of damage that can occur in the rolling bearing 1, a damaged portion 100 in which a recessed portion 101 is asymmetric in the circumferential direction.
  • the diagnostic device 7 can accurately diagnose the damage to the rolling bearing 1 regardless of the rotation direction by diagnosing using the evaluation speed, which is the sum of the maximum speed component in the load direction and the maximum speed component in the counter-load direction.
  • the evaluation speed which is the sum of the maximum speed component in the load direction and the maximum speed component in the counter-load direction.
  • the recessed portion 101 of the damaged portion 100 may be inclined more steeply on the side opposite the direction of rotation than on the side of the direction of rotation.
  • the maximum speed component in the load direction may be large at the timing when the rolling element 4 sinks into the recessed portion 101, but the maximum speed component in the counter-load direction may be small at the timing when the rolling element 4 comes out of the recessed portion 101.
  • the maximum speed component in the load direction is small at the timing when the rolling element 4 sinks into the recessed portion 101, but the maximum speed component in the anti-load direction may be large at the timing when the rolling element 4 leaves the recessed portion 101.
  • the maximum speed component in the load direction and the maximum speed component in the anti-load direction may have different magnitudes depending on the rotation direction of the rotating shaft 5.
  • the magnitude of the evaluation speed obtained by adding up the maximum speed component in the load direction and the maximum speed component in the anti-load direction does not change much depending on the rotation direction. Since the diagnostic device 7 performs diagnosis using the evaluation speed, it is possible to suppress the influence of the rotation direction of the rotating shaft 5 and more accurately diagnose damage to the rolling bearing 1.
  • the diagnostic device 7 in the rolling bearing 1 applied to rotating equipment whose rotation direction can change, such as elevators, railway vehicles, and bidirectional rotating generators, the diagnostic device 7 more effectively exhibits the function of being able to diagnose without being influenced by the rotation direction.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a rolling bearing according to the second embodiment.
  • the control unit 9 of the diagnostic device 7 for the rolling bearing 1 includes a first calculation unit 10, a second calculation unit 12, and a diagnostic unit 11.
  • the second calculation unit 12 is a part that has a function of calculating the acceleration frequency spectrum, or the acceleration overall value, or both, based on the information acquired by the behavior sensor 8.
  • the second calculation unit 12 calculates the acceleration frequency spectrum, the acceleration overall value, or both by processing the output signal from the behavior sensor 8. For example, when the behavior sensor 8 is an acceleration sensor, the second calculation unit 12 calculates the acceleration frequency spectrum, the acceleration overall value, or both by using the time series data of acceleration that is the output signal from the behavior sensor 8. When the behavior sensor 8 is a speed sensor, the second calculation unit 12 may calculate the acceleration time series data by time differentiating the speed time series data that is the output signal from the behavior sensor 8. At this time, the second calculation unit 12 calculates the acceleration frequency spectrum, the acceleration overall value, or both by using the calculated acceleration time series data.
  • the second calculation unit 12 may calculate the acceleration time series data by time differentiating twice the displacement time series data that is the output signal from the behavior sensor 8. At this time, the second calculation unit 12 calculates the acceleration frequency spectrum, or the acceleration overall value, or both, using the calculated acceleration time series data. The second calculation unit 12 may calculate the acceleration frequency spectrum, or the acceleration overall value, or both, for a time period equal to or longer than the period Tr that the first calculation unit 10 targeted when calculating the evaluation speed, or may calculate the acceleration frequency spectrum, or the acceleration overall value, or both, for a longer or shorter time.
  • the acceleration frequency spectrum is the magnitude of the acceleration amplitude spectrum obtained for each frequency band by performing calculations such as Fourier transform on the acceleration time series data acquired using the behavior sensor 8.
  • the evaluation vibration is an evaluation index calculated based on both the evaluation speed and the acceleration frequency spectrum, it may be possible to diagnose the size of the damaged part 100 with high accuracy, as well as to determine the location where the damaged part 100 occurs.
  • the acceleration amplitude spectrum in the frequency band of the natural vibration which is the inverse of the period of the natural vibration of the rolling bearing, it becomes possible to capture the natural vibration caused by the damage in detail according to the location where the damaged part 100 occurs, such as the inner ring, outer ring, or rolling element, and the diagnosis unit 11 can determine whether the damaged part 100 occurs in the inner ring 2, outer ring 3, or rolling element 4 of the rolling bearing 1.
  • the diagnosis unit 11 can diagnose the size of the damaged part 100 with high accuracy using information related to the magnitude of the acceleration amplitude spectrum in the frequency band of the natural vibration.
  • the acceleration overall value is the sum of the magnitude of the entire acceleration frequency spectrum, regardless of the frequency band, for information such as time series data acquired by the behavior sensor 8.
  • the rolling element 4 will hardly sink into or come out of the recessed portion 101. At this time, the increase in the evaluated speed will be small.
  • the acceleration overall value is a value obtained by integrating the magnitude of the entire acceleration frequency spectrum regardless of the frequency band, it will increase significantly even due to minor wear and surface roughness. Since the evaluated vibration is an evaluation index calculated based on both the evaluated speed and the acceleration overall value, the diagnostic device 7 can diagnose minor damage such as wear and surface roughness with a high degree of accuracy.
  • the diagnosis unit 11 calculates the evaluation vibration as an evaluation index using the evaluation speed calculated by the first calculation unit 10 and the acceleration frequency spectrum or the acceleration overall value, or both, calculated by the second calculation unit 12.
  • the diagnosis unit 11 also calculates the evaluation vibration by, for example, multiplying the evaluation speed and the acceleration frequency spectrum or the acceleration overall value, or both, by a weighting coefficient and adding them up.
  • the diagnosis unit 11 may also calculate the evaluation vibration by, for example, the arithmetic mean, geometric mean, or other function of the evaluation speed and the acceleration frequency spectrum or the acceleration overall value, or both.
  • the diagnosis unit 11 diagnoses that damage has occurred in the rolling bearing 1, for example, when the evaluation vibration exceeds a preset threshold value.
  • the weighting coefficient and the function are, for example, determined in advance by a data analysis method such as regression analysis or a machine learning method using data calculated from the evaluation speed and the acceleration frequency spectrum or the acceleration overall value, or both, for multiple rolling bearings 1 whose damage magnitude is known.
  • a data analysis method such as regression analysis or a machine learning method using data calculated from the evaluation speed and the acceleration frequency spectrum or the acceleration overall value, or both.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an example of diagnosis of damage to a rolling bearing by the diagnosis device according to the third embodiment.
  • the horizontal axis represents the passage of time
  • the vertical axis represents the speed acquired by the behavior sensor 8.
  • the upper side of the vertical axis represents the magnitude of the speed in the load direction, while the lower side of the vertical axis represents the magnitude of the speed in the anti-load direction.
  • the speed may become extremely large in the load direction for a period of time equal to or greater than the cycle Tr, as shown by the dashed line in Figure 5.
  • the speed may become large in the anti-load direction for a period of time equal to or greater than the cycle Tr.
  • the first calculation unit 10 of the diagnostic device 7 performs a slope correction process on the time series data of speed based on the information acquired by the behavior sensor 8.
  • the slope correction process is performed, for example, by dividing the time series data of speed by a period Tr or more, determining the slope component of the time series data of speed by linear regression or other methods, and subtracting the determined slope component from the time series data of speed.
  • the first calculation unit 10 uses the time series data of speed after the slope correction process to calculate the evaluated speed Vp' for a period of time Tr or more.
  • the diagnostic device 7 can diagnose damage to the rolling bearing 1 without being affected by the installation state of the behavior sensor 8 or noise such as external vibrations.
  • the first calculation unit 10 of the diagnosis device 7 performs frequency filtering on the time series data based on the information acquired by the behavior sensor 8.
  • the first calculation unit 10 performs frequency filtering on, for example, the time series data of acceleration, speed, or displacement acquired by the behavior sensor 8.
  • the first calculation unit 10 may perform frequency filtering on the time series data of speed derived from the time series data of acceleration or displacement acquired by the behavior sensor 8.
  • the first calculation unit 10 may also perform frequency filtering on both the time series data acquired by the behavior sensor 8 and the time series data of speed derived from the time series data.
  • the frequency filtering is, for example, a high-pass filter, a low-pass filter, a band-pass filter, or other filtering.
  • the first calculation unit 10 calculates the evaluation speed for a time period equal to or longer than the period Tr using the time series data of speed after the frequency filtering.
  • the diagnostic device 7 can diagnose damage to the rolling bearing 1 without being affected by low-frequency vibrations caused by humming, high-frequency vibrations caused by friction, noise, and external vibrations.
  • Embodiment 5 The diagnostic unit 11 of the diagnostic device 7 diagnoses damage to the rolling bearing 1 using an evaluation index statistical value obtained by statistically processing a data group of evaluation indexes such as evaluation speed or evaluation vibration calculated multiple times.
  • the evaluation index statistical value is, for example, the average value, median value, effective value, or maximum value of the data group of the evaluation index.
  • the diagnostic unit 11 diagnoses that damage has occurred in the rolling bearing 1 when, for example, the evaluation index statistical value exceeds a preset threshold value.
  • the individual values of the evaluation indexes may take extremely large values, for example, when the behavior sensor 8 detects sudden disturbance vibrations that are unrelated to damage to the rolling bearing 1.
  • the diagnosis unit 11 performs diagnosis using evaluation index statistics, such as the mean, median, or effective value, obtained by statistically processing a group of evaluation index data, so that the diagnosis device 7 can perform diagnosis without being affected by sudden events that are unrelated to damage to the rolling bearing 1.
  • the diagnosis unit 11 performs diagnosis using evaluation index statistics such as maximum values obtained by statistically processing a group of evaluation index data, so that the diagnosis device 7 can diagnose the occurrence of damage at an earlier stage, even when the damage is at a small stage.
  • evaluation indices such as the evaluation speed and evaluation vibration may change rapidly.
  • the diagnostic unit performs diagnosis using evaluation index statistics such as standard deviation values or variance values obtained by statistically processing a group of evaluation index data, so that the diagnostic device 7 can perform better diagnosis of the progress of damage.
  • Embodiment 6 The diagnosing unit 11 of the diagnosing device 7 diagnoses damage to the rolling bearing 1 based on periodic changes in an evaluation index such as an evaluation speed or evaluation vibration that is calculated continuously and sequentially over time.
  • the evaluation index increases at the timing when the rolling element 4 passes through the damaged part 100, and roughly coincides with the period Tr of the natural vibration determined by the specifications of the rolling bearing 1.
  • the period in which the rolling element 4 passes through the damaged part 100 is determined by equations (1) to (3) using the position where the damaged part 100 occurs, the dimensions of the rolling bearing 1, and the rotation speed of the rotating shaft 5. Therefore, based on the period or frequency at which the evaluation index increases, and the dimensions and rotation speed of the rolling bearing 1, the diagnosis unit 11 can determine whether the damaged part 100 occurs on the inner ring 2, outer ring 3, or rolling element 4 of the rolling bearing 1.
  • the diagnosis unit 11 may also diagnose the size of the damaged area 100 based on the evaluation index in a cycle in which the evaluation index becomes large. This allows the diagnosis unit 11 to accurately diagnose the size of the damaged area 100 without being affected by noise such as disturbance vibrations.
  • the diagnosis unit 11 may, for example, diagnose the location of the damaged area 100 from a frequency band with a large spectrum for frequency analysis data obtained by frequency analyzing time series data of the evaluation index.
  • the diagnosis unit 11 can accurately diagnose the size of the damaged area 100 without being affected by noise such as disturbance vibrations by diagnosing the size of the damaged area 100 from the magnitude of the spectrum of a specific frequency band, for example.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a rolling bearing according to the seventh embodiment.
  • the control unit 9 of the diagnostic device 7 for the rolling bearing 1 includes a first calculation unit 10, a memory unit 13, and a diagnostic unit 11.
  • the memory unit 13 is a part equipped with a function for storing information.
  • the memory unit 13 accumulates and stores the calculated evaluation index.
  • the memory unit 13 stores the evaluation index, for example, as time series data.
  • the memory unit 13 stores, for example, time series data of the evaluation speed as the evaluation index.
  • the diagnostic device 7 calculates the evaluation vibration as the evaluation index
  • the memory unit 13 may store time series data of one or both of the evaluation speed and evaluation vibration as the evaluation index.
  • the memory unit 13 stores the change in the evaluation index over time by storing the evaluation index as time series data.
  • the memory unit 13 may also store the amount of change, such as the time derivative of the evaluation index calculated by, for example, the diagnostic unit 11.
  • the evaluation indices such as the evaluation speed and evaluation vibration may have different values depending on the usage conditions. For example, the evaluation speed and evaluation vibration for the same degree of damage tend to be larger as the size and rotation speed of the rolling bearing 1 increase.
  • the diagnosis unit 11 diagnoses damage to the rolling bearing 1 based on the information stored in the memory unit 13.
  • the diagnostic unit 11 may also estimate the remaining life until the evaluation index reaches a threshold value that is the life of the rolling bearing 1, based on time-series data of the evaluation index stored in the memory unit 13. This allows the diagnostic device 7 to determine the appropriate time to replace or inspect the rolling bearing 1. In this way, the diagnostic device 7 can contribute to reducing the maintenance effort and ensuring long-term stable operation of the rolling bearing 1, the peripheral equipment of the rolling bearing 1, and the entire rotating equipment in which the rolling bearing 1 is installed.
  • the rolling bearing 1 comprises an inner ring 2, an outer ring 3, a plurality of rolling elements 4, a rotating shaft 5, and a diagnostic device 7.
  • rolling bearings are the parts of rotating equipment that are subjected to the greatest loads and are the first to break.
  • damage occurs to a rolling bearing, the stress around the damage can increase, causing the damage to grow at an accelerated rate. If the damage grows, the behavior of the entire rotating equipment, including the rotating shaft, becomes unstable, which can lead to damage to peripheral equipment around the rolling bearing, the rotating shaft, gears and couplings, stators, housings, and frames.
  • the rolling bearing 1 can diagnose damage to the rolling bearing 1 and the rotating equipment in which the rolling bearing 1 is installed with a high degree of accuracy using the diagnostic device 7 installed in the rolling bearing 1. This makes it possible to prevent failures not only in the rolling bearing 1 itself, but also in the peripheral equipment of the rolling bearing 1 and the entire rotating equipment in which the rolling bearing 1 is installed.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the hardware configuration of a control unit of a diagnostic device according to any one of embodiments 1 to 8.
  • control unit 9 can be realized by a control circuit 200 shown in FIG. 7, that is, a processor 201 and a memory 202.
  • the processor 201 include a CPU (also called a central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, or DSP (Digital Signal Processor)) or a system LSI (Large Scale Integration).
  • the memory 202 include a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory).
  • the functions of the control unit 9 are realized by the processor 201 reading and executing a control program, which is a program that causes the control unit 9 to execute processing, from the memory 202 that stores the control program.
  • This control program can also be said to cause the computer to execute a control method for the diagnosis device 7 in the control unit 9.
  • the control program executed by the control unit 9 has a modular configuration that modularizes, for example, a process for calculating an evaluation speed based on a signal obtained from the behavior sensor 8, a process for calculating an acceleration overall value, a process for determining whether or not damage is present, and a process for diagnosing the damaged state. These modules are loaded onto the main memory device and generated on the main memory device.
  • Memory 202 is used as a temporary memory when processor 201 executes various processes.
  • memory 202 is also used as storage unit 13 that stores evaluation indices such as evaluation speed or evaluation vibration as time-series data.
  • the control program executed by the processor 201 may be provided as a computer program product in the form of an installable or executable file stored on a computer-readable storage medium.
  • the control program executed by the processor 201 may also be provided to the control unit 9 of the diagnostic device 7 via a network such as the Internet.
  • the control unit 9 may also be realized by dedicated hardware. Also, some of the functions of the control unit 9 may be realized by dedicated hardware, and other parts may be realized by software or firmware.
  • the inner ring 2 rotates together with the rotating shaft 5, but the shaft integral with the inner ring 2 may be fixed in rotation.
  • the outer ring 3 is fixed to the housing 6, but the outer ring 3 may be fixed in rotation with the rotating shaft 5 provided on the outside of the outer ring 3.
  • the rolling bearing 1 may be fixed in such a way that the inner ring 2 and the outer ring 3 both rotate integrally with separate rotating shafts 5.
  • the number and arrangement of the rolling elements 4 are not limited to the number and arrangement exemplified in FIG. 1, etc.
  • the rolling bearing 1 or diagnostic device 7 according to any one of the above embodiments 1 to 8 has been described as having one damaged portion 100, but the number of damaged portions 100 may be two or more. Also, the damaged portion 100 has been described as having occurred in the outer ring 3, but the damaged portion 100 may be located in the inner ring 2 or the rolling element 4.
  • the rolling bearing 1 or diagnosis device 7 according to any one of the above embodiments 1 to 8 has been described as an example of a configuration in which the number of behavior sensors 8 is one, the number of behavior sensors 8 may be two or more. Furthermore, the position and shape of the behavior sensor 8 are not limited to the examples described above.
  • the diagnostic device 7 according to any of the above-mentioned embodiments 1 to 8 can be applied to a rolling bearing 1 to which a lubricant such as grease is supplied, a rolling bearing 1 to which a lubricant such as grease is not supplied, a rolling bearing 1 in rotational operation, and a rolling bearing 1 at a standstill.
  • the diagnostic device according to the present disclosure can be applied to rolling bearings.
  • the rolling bearing according to the present disclosure can be applied to rotating equipment.

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Abstract

損傷の診断の精度をより高められる転がり軸受および転がり軸受の診断装置を提供する。診断装置（７）は、挙動センサ（８）と、第１算出部（１０）と、診断部（１１）と、を備える。挙動センサ（８）は、転がり軸受（１）の内輪（２）または外輪（３）を保持するハウジング（６）に設けられる。挙動センサ（８）は、ハウジング（６）の挙動を計測する。第１算出部（１０）は、挙動センサ（８）が取得する情報に基づいて、評価速度を算出する。評価速度は、転がり軸受（１）の仕様で定まる固有振動の周期Ｔｒ以上の時間内における、回転軸（５）からの荷重が作用する向きの最大速度成分、および回転軸（５）からの荷重が作用する向きと反対向きの最大速度成分の合算値である。診断部（１１）は、第１算出部（１０）が算出した評価速度に基づく評価指標を用いて、転がり軸受（１）の損傷を診断する。

Description

転がり軸受および転がり軸受の診断装置
　本開示は、転がり軸受および転がり軸受の診断装置に関する。
　特許文献１は、転がり軸受の診断装置の例を開示する。診断装置は、振動センサと、損傷劣化診断部と、を備える。振動センサは、転がり軸受のハウジングに接触状態で取り付けられる。損傷劣化診断部は、振動センサからの出力信号の振幅に基づいて転がり軸受の損傷劣化を診断する。
日本実公平６－４５２１５号公報
　特許文献１の診断装置は、振動センサからの出力信号の振幅に基づいて、転がり軸受の転動体が損傷部を通過する際に発生する振動を捉えて損傷の程度を診断する。一方、振動振幅は転がり軸受の損傷角部の形状の影響を強く受けるため、当該診断装置は、損傷自体の大きさを精度よく診断できない可能性がある。
　本開示は、このような課題の解決に係るものである。本開示は、損傷の診断の精度をより高められる転がり軸受および転がり軸受の診断装置を提供する。
　本開示に係る診断装置は、内輪と、前記内輪と同心円状に配置される外輪と、前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に配置され、前記内輪の回転、前記外輪の回転、または、前記内輪および前記外輪の両方の回転に伴って各々が転動する複数の転動体と、を含む転がり軸受を診断する、診断装置であり、前記内輪または前記外輪を保持するハウジングに設けられ、前記ハウジングの挙動を計測する挙動センサと、前記転がり軸受の仕様で定まる固有振動の周期以上の時間内における、前記内輪または前記外輪と一体となって回転する回転軸からの荷重が作用する向きの最大速度成分、および前記回転軸からの荷重が作用する向きと反対向きの最大速度成分の合算値である評価速度を、前記挙動センサが取得する情報に基づいて算出する第１算出部と、前記評価速度に基づく評価指標を用いて前記転がり軸受の損傷を診断する診断部と、を備える。
　本開示に係る転がり軸受は、内輪と、前記内輪と同心円状に配置される外輪と、前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に配置され、前記内輪の回転、前記外輪の回転、または、前記内輪および前記外輪の両方の回転に伴って各々が転動する複数の転動体と、上記の診断装置と、を備える。
　本開示に係る転がり軸受または転がり軸受の診断装置によれば、損傷の診断の精度がより高められるようになる。
実施の形態１に係る転がり軸受の構成図である。 実施の形態１に係る診断装置による転がり軸受の損傷の診断の例を説明する図である。 実施の形態１に係る診断装置による転がり軸受の損傷の診断の他の例を説明する図である。 実施の形態２に係る転がり軸受の構成図である。 実施の形態３に係る診断装置による転がり軸受の損傷の診断の例を説明する図である。 実施の形態７に係る転がり軸受の構成図である。 実施の形態１から８のいずれかに係る診断装置の制御部のハードウェア構成の例を示す図である。
　本開示の対象を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。各図において、同一または相当する部分には同一の符号を付して、重複する説明は適宜に簡略化または省略する。
　実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る転がり軸受の構成図である。
　転がり軸受１は、内輪２と、外輪３と、複数の転動体４と、回転軸５と、を備える。図１において、回転軸５の軸心に垂直な平面による転がり軸受１の断面が示される。内輪２の形状は、円筒状である。外輪３の形状は、円筒状である。外輪３は、内輪２の外側に、内輪２と同心円状に配置される。複数の転動体４は、内輪２および外輪３の間に配置される。各々の転動体４の形状は、例えば球状または円柱状などの転動しうる形状である。転動体４は、外輪３の内周面である軌道面と、内輪２の外周面である軌道面との間に配置される。転動体４は、内輪２の回転、外輪３の回転、または内輪２および外輪３の両方の回転に伴って転動する。ここで、個々の転動体４を区別する場合に、複数の転動体４のいずれかを転動体４ａまたは転動体４ｂなどと記載することがある。
　回転軸５は、内輪２または外輪３と一体となって回転する。この例の回転軸５は、図１において紙面上の反時計回りに回転する。ここで、回転軸５の軸心に沿った軸方向、すなわち回転軸５の延伸方向を単に軸方向ということがある。また、回転軸５の軸心を中心とする周方向、すなわち回転軸５の回転方向を単に周方向ということがある。また、回転軸５の軸心から回転軸５の外側に向かう方向を単に径方向ということがある。
　この例の転がり軸受１において、内輪２は回転軸５と一体になって回転し、外輪３は固定されている。なお、転がり軸受１において、外輪３が回転軸５と一体になって回転し、内輪２が固定されていてもよい。また、転がり軸受１は、内輪２および外輪３がともに回転するように構成されていてもよい。
　転がり軸受１は、ハウジング６に保持される。ハウジング６は、転がり軸受１の内輪２または外輪３を保持する。
　転がり軸受１において、診断装置７が適用される。診断装置７は、転がり軸受１の損傷などの状態を診断する機能を搭載する。診断装置７は、転がり軸受１が設けられる電動機などの回転機器の一部として含まれる装置であってもよいし、当該回転機器に外部から適用される外部装置であってもよい。診断装置７は、転がり軸受１または転がり軸受１が設けられた回転機器に常時備え付けられる装置であってもよいし、転がり軸受１または転がり軸受１が設けられた回転機器にポータブル装置として一時的に備え付けられる装置であってもよい。診断装置７は、挙動センサ８と、制御部９と、を備える。
　挙動センサ８は、ハウジング６に取り付けられる。挙動センサ８は、ハウジング６の挙動を計測するセンサである。挙動センサ８は、例えば、加速度センサ、変位センサ、または速度センサなどである。
　制御部９は、診断装置７における情報処理を行う機能を搭載する。制御部９は、独立した１つまたは複数のハードウェアからなるものであってもよいし、転がり軸受１が設けられた回転機器の制御機器などの他のハードウェアの一部であってもよい。制御部９は、第１算出部１０と、診断部１１と、を備える。
　第１算出部１０は、転がり軸受１の診断に用いられる評価速度を算出する機能を搭載する部分である。評価速度は、転がり軸受１の仕様で定まる固有振動の周期Ｔｒ以上の時間に対して算出される。評価速度は、当該時間内における、回転軸５からの荷重が作用する向きの最大速度成分、および回転軸５からの荷重が作用する向きと反対向きの最大速度成分の合算値である。回転軸５からの荷重が作用する向きは、例えば、径方向の外側の向きまたは鉛直下方などである。このとき、回転軸５からの荷重が作用する向きの反対の向きは、径方向の内側の向きまたは鉛直上方などである。ここで、回転軸５からの荷重が作用する向きを荷重方向と、回転軸５からの荷重が作用する向きの反対の向きを反荷重方向と、それぞれ表記することがある。
　第１算出部１０は、挙動センサ８からの出力信号を処理することで、評価速度を算出する。例えば、挙動センサ８が速度センサである場合に、第１算出部１０は、挙動センサ８からの出力信号である速度の時系列データを用いて、評価速度を算出する。また、挙動センサ８が加速度センサである場合に、第１算出部１０は、挙動センサ８からの出力信号である加速度の時系列データを時間積分して速度の時系列データを算出する。このとき、第１算出部１０は、算出した速度の時系列データを用いて、評価速度を算出する。また、挙動センサ８が変位センサである場合に、第１算出部１０は、挙動センサ８からの出力信号である変位の時系列データを時間微分して速度の時系列データを算出する。このとき、第１算出部１０は、算出した速度の時系列データを用いて、評価速度を算出する。
　第１算出部１０は、周期Ｔｒ以上の予め設定された時間についての速度の時系列データから、回転軸５からの荷重が作用する向きの最大速度成分を算出する。第１算出部は、当該時間についての速度の時系列データから、回転軸５からの荷重が作用する向きと反対向きの最大速度成分を算出する。第１算出部１０は、これらの２つの最大速度成分のそれぞれの絶対値を加算することで、評価速度を算出する。
　診断部１１は、第１算出部１０が算出する評価速度に基づく評価指標を用いて、転がり軸受１の損傷を診断する機能を搭載する部分である。この例において、診断部１１は、第１算出部１０が算出する評価速度自体を評価指標として、転がり軸受１の損傷を診断する。診断部１１は、例えば、評価速度が予め設定された閾値を超えるときに、転がり軸受１に損傷が生じたと診断する。
　続いて、図２を用いて、診断装置７による転がり軸受１の損傷の診断の例を説明する。
　図２は、実施の形態１に係る診断装置による転がり軸受の損傷の診断の例を説明する図である。
　図２において、転がり軸受１に発生しうる損傷の例として損傷部１００が示される。損傷部１００は、例えば次のように転がり軸受１に発生する。
　この例の転がり軸受１において、回転軸５は内輪２と一体となって紙面上の反時計回りに回転する。このとき、内輪２の軌道面に接触する各々の転動体４は、内輪２の回転に伴って転動体４自身の中心点を中心として紙面上の時計回りに転がりながら、内輪２と外輪３との間を回転軸５の中心軸を中心として紙面上の反時計回りに公転するように回転移動する。回転軸５の荷重などによる内輪２への負荷が紙面上の下方に作用する場合に、回転軸５からの負荷の大半は、内輪２の軌道面、および回転軸５の下方に位置する複数の転動体４などを介して、外輪３の軌道面へと伝わる。回転軸５が静止しているときには、内輪２、外輪３および転動体４のそれぞれに発生する負荷の位置および大きさは変化しない。一方、回転軸５が回転しているときには、内輪２および転動体４の回転移動に伴って、当該負荷の位置および大きさは周期的に変化する。これにより、内輪２および外輪３の軌道面に、繰り返しの応力負荷が作用する。このような繰り返しの応力負荷によって、例えば材料内部の不純物を起点として、内輪２または外輪３などの内部からき裂が進展して表面まで達することがある。このとき、うろこ状に表面層が剥離する内部起点型の剥離損傷が内輪２または外輪３の軌道面などに発生しうる。
　また、グリースなどの潤滑剤の給脂不足、劣化、漏れ、および粘度不足、ならびに過大荷重などを起因とした軌道面の潤滑不良などによって、転動体４と内輪２および外輪３との間に異常なすべりが発生することがある。このとき、軌道面の面荒れおよび摩耗などによって軌道面の表面に応力が集中しやすくなり、軌道面の損傷がより早まる場合がある。一例として、一部の軌道面の表層がうろこ状に剥離する表面起点型の剥離損傷、および摩耗損傷などが軌道面に発生することがある。
　内部起点型の剥離損傷についてはＬ１０寿命と呼ばれる寿命設計式があり、通常は寿命設計式に基づいて転がり軸受１の仕様が決定されるため、内部起点型の剥離損傷が発生する事例は少ない。一方、表面起点型の剥離損傷は内部起点型の剥離損傷よりも非常に早期に発生しうるため、転がり軸受１および転がり軸受１が設けられた回転機器の信頼性確保および長期運用のために、当該回転機器についての状態診断は重要である。
　軸受試験から得られた知見によれば、剥離損傷による損傷部１００は、転がり軸受１の軌道面に形成されることが多い。また、当該損傷部１００は、くぼみ形状部１０１および損傷角部１０２で構成されることが多い。くぼみ形状部１０１および損傷角部１０２の大きさおよび形状は、転がり軸受１の総回転数に応じて常に変化していると考えられる。また、転がり軸受１の総回転数が増えるにつれて、くぼみ形状部１０１は大きくなる一方で、損傷角部１０２に関しては、損傷発生初期は鋭利な形状になるが、その後摩耗などによって滑らかな形状に変化する場合もあることが確認されている。損傷部１００が表面起点型の剥離損傷によるものである場合、損傷発生の初期段階でくぼみ形状部１０１の深さは浅いため、損傷進展時には、くぼみ形状部１０１は軸方向および周方向に大きくなるとともに、径方向にも深くなる。
　損傷角部１０２が鋭利な形状になることによって、瞬間的な振動増大に繋がることはあっても、転がり軸受１および転がり軸受１が設けられた回転機器の寿命に与える影響は小さい。一方で、くぼみ形状部１０１は転がり軸受１の総回転数が増えるにつれて大きくなり、転がり軸受１および転がり軸受１が設けられた回転機器全体のガタつき、揺れ、または異音の継続的な増大などに繋がりうる。このため、くぼみ形状部１０１の大きさは、転がり軸受１および転がり軸受１が設けられた回転機器全体の寿命に大きな影響を与えうる。
　例えば図１に示されるように、内輪２が回転軸５と回転する内輪回転の転がり軸受１において、外輪３の負荷側にくぼみ形状部１０１が形成されている場合を考える。くぼみ形状部１０１が大きくなると、転がり軸受１の回転時に転動体４がくぼみ形状部１０１に到達するタイミングで、転動体４がくぼみ形状部１０１に沈み込む。このとき、転動体４は、内輪２および回転軸５と共にくぼみ形状部１０１の深さ方向に落下する。さらに、転動体４がくぼみ形状部１０１を抜け出すタイミングで、転動体４は、内輪２および回転軸５と共にくぼみ形状部１０１の底部から上昇する。このため、くぼみ形状部１０１が深いほど、転がり軸受１および回転軸５のガタつき、揺れ、および異音が大きくなる。くぼみ形状部１０１が深くなり過ぎると、転がり軸受１および回転軸５のガタつき、揺れ、および異音が極端に大きくなる可能性がある。このとき、転がり軸受１が設けられた回転機器の設計上限を超えてしまう場合がある。また、転がり軸受１の割れまたは破壊などの故障、転がり軸受１の周辺機器の故障、および転がり軸受１が設けられた回転機器全体の故障などに繋がる場合がある。
　このため、くぼみ形状部１０１の深さなどの転がり軸受１の損傷の大きさまたは程度を状態診断することは重要である。転がり軸受１の状態診断により、転がり軸受１などの異常検知および残寿命推定を行い、転がり軸受１またはグリースの交換などによる保守および延命処置を適切な時期に行うことができる。また、これにより、転がり軸受１、転がり軸受１の周辺機器、および転がり軸受１が設けられた回転機器全体のメンテナンス省力化および長期安定運用が可能になる。
　図２に示されるような損傷部１００に対して、診断装置７は、例えば次のように診断を行う。なお、図２においては、損傷部１００が外輪３に生じた場合を例として示しているが、損傷部１００は内輪２または転動体４に生じるものであってもよい。
　第１算出部１０は、転がり軸受１の仕様で定まる固有振動の周期Ｔｒ以上の時間に対して評価速度を算出する。ここでの固有振動には、図２に示されるような外輪３に発生した損傷部１００を転動体４が通過する際に発生する振動だけではなく、内輪２に発生した損傷部１００を転動体４が通過する際に発生する振動、ならびに転動体４に発生した損傷部１００を内輪２および外輪３が通過する際に発生する振動も含まれる。ここで、周期Ｔｒのうち、内輪２の損傷に由来する固有振動の周期をＴｒｉ［ｓｅｃ］、外輪３の損傷に由来する固有振動の周期をＴｒｏ［ｓｅｃ］、および転動体４の損傷に由来する固有振動の周期をＴｒｂ［ｓｅｃ］とする。内輪２に損傷があるときは周期Ｔｒｉの固有振動が特に大きくなり、外輪３に損傷があるときは周期Ｔｒｏの固有振動が特に大きくなり、転動体４に損傷があるときは周期Ｔｒｂの固有振動が特に大きくなる。例えば図２に示されるように外輪３に損傷部１００があるときは、損傷部１００を転動体４ａが通過してから転動体４ｂが通過するまでの時間が周期Ｔｒｏとなる。例えば、転動体４の直径をｄ［ｍｍ］、転動体４の公転径をＤ［ｍｍ］、転動体４の個数をＺ、転動体４の接触角をα［ｒａｄ］、および内輪２の回転周波数をｆｒ［ｓｅｃ－１］とした場合に、内輪２の損傷に由来する固有振動の周期Ｔｒｉは次の式（１）で、外輪３の損傷に由来する固有振動の周期Ｔｒｏは次の式（２）で、転動体４の損傷に由来する固有振動の周期Ｔｒｂは次の式（３）で、それぞれ表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　損傷部１００が内輪２、外輪３、転動体４のいずれの位置に発生していたとしても、損傷部１００のくぼみ形状部１０１にいずれかの部品が沈み込んで落下し、さらに抜け出して上昇する挙動が周期Ｔｒの時間内に少なくとも１回は発生する。第１算出部１０は、挙動センサ８からの出力信号に基づく速度の時系列データを用いて、周期Ｔｒ以上の時間内における、回転軸５からの荷重が作用する向きの最大速度成分と、その反対向きの最大速度成分とを算出する。第１算出部１０は、これら２つの最大速度成分のそれぞれの絶対値を加算して評価速度を求める。このように第１算出部１０が求めた評価速度に基づいて診断部１１が転がり軸受１の損傷の診断を行うことで、損傷部１００が内輪２、外輪３、転動体４のいずれの位置に発生していたとしても、診断装置７は、損傷部１００の大きさまたは程度を高精度に診断することができる。
　また、診断部１１は、例えば、評価速度が予め設定された閾値を超えるときに、転がり軸受１に損傷が生じたと診断するような異常診断を行うことが可能である。また、診断部１１は、評価速度に基づく診断により、くぼみ形状部１０１の深さなどの損傷部１００の大きさまたは程度も高精度に診断することができる。
　以上に説明したように、実施の形態１に係る転がり軸受１は、内輪２と、外輪３と、複数の転動体４と、診断装置７と、を備える。外輪３は、内輪２と同心円状に配置される。複数の転動体４は、外輪３の軌道面と内輪２の軌道面との間に配置される。各々の転動体４は、内輪２の回転、外輪３の回転、または、内輪２および外輪３の両方の回転に伴って転動する。転がり軸受１において、回転軸５は、内輪２または外輪３と一体となって回転する。診断装置７は、挙動センサ８と、第１算出部１０と、診断部１１と、を備える。挙動センサ８は、内輪２または外輪３を保持するハウジング６に設けられる。挙動センサ８は、ハウジング６の挙動を計測する。第１算出部１０は、挙動センサ８が取得する情報に基づいて、評価速度を算出する。評価速度は、転がり軸受１の仕様で定まる固有振動の周期Ｔｒ以上の時間内における、回転軸５からの荷重が作用する向きの最大速度成分、および回転軸５からの荷重が作用する向きと反対向きの最大速度成分の合算値である。診断部１１は、第１算出部１０が算出した評価速度に基づく評価指標を用いて、転がり軸受１の損傷を診断する。
　比較例として、診断装置７のように評価速度に基づく評価指標によらずに、振動センサからの出力信号の振動の振幅のみに基づいて転がり軸受の損傷を診断する場合を考える。転がり軸受の転動体が損傷部を通過する際には、複数回に分けて細かく小さな振動が発生することが多い。このため、損傷部が大きくなっても振動振幅は大きくならないため、振動の振幅のみによっては損傷を精度よく診断できないことがある。また、摩耗などによって損傷部の損傷角部が滑らかな形状になると転動体が損傷部を滑らかに通過するため、損傷部の影響が振動振幅に現れずに損傷が検知されない。また、損傷部のくぼみ形状部が小さくても損傷角部の形状が鋭利になっている場合などに、転動体が損傷角部を通過するタイミングで瞬間的な挙動変化が大きくなることがある。このとき、荷重方向および反荷重方向の加速度などが瞬間的に交互に大きくなる振動などが発生しうる。これにより、くぼみ形状部の大きさに関わらずに加速度振幅などが大きくなりうるため、損傷部のくぼみ形状部の大きさなどの損傷自体の大きさを精度よく診断することが難しい場合がある。また、転がり軸受の振動には、摩擦摺動などに起因した高周波帯域の振動も含まれうる。このため、転がり軸受の潤滑状態によって、振動の大きさは変化しうる。例えば、転がり軸受を潤滑するグリースの酸化劣化、離油、漏れ、または増稠剤破壊などの劣化が発生して潤滑状態が悪化すると、転がり軸受自体は損傷していなくても、振動が数倍大きくなる場合がある。このように、振動の振幅の大きさのみに基づいて行う診断は転がり軸受の潤滑状態の変化に影響されるため、転がり軸受の損傷の診断の精度が低下する場合がある。
　一方、診断装置７は、転動体４がくぼみ形状部１０１に沈み込んだタイミングでの荷重方向の最大速度成分と、転動体４がくぼみ形状部１０１を抜け出すタイミングでの反荷重方向の最大速度成分を合算した評価速度を用いて診断を行う。転動体４が損傷角部１０２を通過する際に発生する瞬間的な挙動は瞬間的な加速度振幅として現れる。このような瞬間的な加速度振幅を積分した速度はほとんど大きくならず、転動体４のくぼみ形状部１０１への沈み込みおよび抜け出しのタイミングにおける速度と比較して小さい。これらの速度を合算した評価速度を用いて診断を行うので、診断装置７は、診断の際に損傷角部１０２の形状による転動体４の瞬間的な挙動の影響を抑えることができる。また、くぼみ形状部１０１の深さが大きいほど、荷重方向の最大速度成分と反荷重方向の最大速度成分の両方が大きくなる。このようにくぼみ形状部１０１の深さと相関が強い評価速度を用いる診断装置７は、くぼみ形状部１０１の深さを精度よく診断できる。また、評価速度はくぼみ形状部１０１の幾何学的な形状に起因して大きくなるため、摩擦摺動に起因する高周波帯域も含めた振動による診断を行う装置とは異なり、診断装置７は、潤滑状態の影響を抑えてより精度よく転がり軸受１の損傷を診断することができる。
　また、一般に、転がり軸受は、回転機器において最も大きな負荷がかかり、最初に壊れやすい部分である。転がり軸受に損傷が発生すると、当該損傷周辺の応力が大きくなることで加速度的に損傷が大きくなる場合がある。損傷が大きくなると、転がり軸受の破壊、転がり軸受の周辺機器の損傷または破壊、および転がり軸受が設けられた回転機器全体の重度な故障などが生じる可能性がある。
　これに対し、診断装置７は、転がり軸受１の損傷を高精度に診断できるので、転がり軸受１の予防保全が可能になる。これにより、転がり軸受１自体のみならず、転がり軸受１の周辺機器および転がり軸受１が設けられた回転機器全体の故障を未然に防ぐことが可能になる。
　図３は、実施の形態１に係る診断装置による転がり軸受の損傷の診断の他の例を説明する図である。
　図３において、転がり軸受１に発生しうる損傷の他の例として、くぼみ形状部１０１が周方向に非対称な損傷部１００が示される。
　このような損傷部１００において、荷重方向の最大速度成分と反荷重方向の最大速度成分とが回転軸５の回転方向によって異なる場合がある。この場合においても、診断装置７は、荷重方向の最大速度成分および反荷重方向の最大速度成分の合算値である評価速度を用いて診断することで、回転方向に依らずに転がり軸受１の損傷を精度よく診断できる。例えば、図３に示されるように、内輪２が回転軸５とともに紙面上の反時計回りに回転している転がり軸受１において、損傷部１００のくぼみ形状部１０１は、回転方向の進行方向の反対側が回転方向の進行方向側より急に傾斜していることがある。この場合に、周方向に対称な損傷部１００に対して、転動体４がくぼみ形状部１０１に沈み込むタイミングでは荷重方向の最大速度成分が大きくなるが、転動体４がくぼみ形状部１０１から抜け出すタイミングでは反荷重方向の最大速度成分は小さくなることがある。また、回転軸５が逆回転するときに、転動体４がくぼみ形状部１０１に沈み込むタイミングでは荷重方向の最大速度成分が小さくなるが、転動体４がくぼみ形状部１０１から抜け出すタイミングでは反荷重方向の最大速度成分は大きくなることがある。すなわち、同一のくぼみ形状部１０１に対して、回転軸５の回転方向によって、荷重方向の最大速度成分と反荷重方向の最大速度成分とはそれぞれ異なる大きさとなることがある。一方、荷重方向の最大速度成分と反荷重方向の最大速度成分とを合算した評価速度の大きさは、回転方向によって概ね変化しない。診断装置７は、評価速度を用いて診断を行うので、回転軸５の回転方向の影響を抑えて、より精度よく転がり軸受１の損傷を診断できるようになる。特に、例えばエレベーター、鉄道車両、および両回転発電機などの回転方向が変化しうる回転機器に適用される転がり軸受１において、診断装置７は、回転方向の影響を受けずに診断できる機能をより効果的に発揮する。
　以下で説明する実施の形態の各々において、他の実施の形態で開示される例と相違する点について特に詳しく説明する。以下の実施の形態の各々で説明しない特徴については、他の実施の形態で開示される例のいずれの特徴が採用されてもよい。
　実施の形態２．
　図４は、実施の形態２に係る転がり軸受の構成図である。
　転がり軸受１の診断装置７の制御部９は、第１算出部１０と、第２算出部１２と、診断部１１と、を備える。
　第２算出部１２は、挙動センサ８が取得する情報に基づいて加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出する機能を搭載する部分である。
　第２算出部１２は、挙動センサ８からの出力信号を処理することで、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出する。例えば、挙動センサ８が加速度センサである場合に、第２算出部１２は、挙動センサ８からの出力信号である加速度の時系列データを用いて、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出する。また、挙動センサ８が速度センサである場合に、第２算出部１２は、挙動センサ８からの出力信号である速度の時系列データを時間微分して加速度の時系列データを算出してもよい。このとき、第２算出部１２は、算出した加速度の時系列データを用いて、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出する。また、挙動センサ８が変位センサである場合に、第２算出部１２は、挙動センサ８からの出力信号である変位の時系列データを２回時間微分して加速度の時系列データを算出してもよい。このとき、第２算出部１２は、算出した加速度の時系列データを用いて、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出する。第２算出部１２は、例えば、第１算出部１０が評価速度を算出する際に対象とした周期Ｔｒ以上の時間などについて、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出してもよいし、より長い時間またはより短い時間などについて加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出してもよい。
　加速度周波数スペクトルは、挙動センサ８を用いて取得した加速度の時系列データをフーリエ変換などの計算処理を施して周波数帯域ごとに求まる加速度振幅スペクトルの大きさである。
　評価振動は評価速度および加速度周波数スペクトルの両方に基づいて算出された評価指標であるため、損傷部１００の大きさをより高精度に診断することができるだけでなく、損傷部１００の発生位置を判断することができる場合がある。特に、転がり軸受の固有振動の周期の逆数である、固有振動の周波数帯域における加速度振幅スペクトルを用いることで、内輪や外輪、転動体など、損傷部１００の発生位置別に、損傷に由来する固有振動などを詳細に捉えることが可能となり、診断部１１は損傷部１００が転がり軸受１の内輪２、外輪３、または転動体４のいずれの位置に発生しているかを判断することができる。また、診断部１１は固有振動の周波数帯域における加速度振幅スペクトルの大きさに関わる情報を用いて、損傷部１００の大きさを高精度に診断することができる。
　加速度オーバーオール値は、挙動センサ８が取得する時系列データなどの情報について、周波数帯域に依らずに全体の加速度周波数スペクトルの大きさを積算した値である。
　転動体４が転動する軌道面などに摩耗または面荒れなどの軽微な損傷が発生した場合に、くぼみ形状部１０１への転動体４の沈み込みおよび抜け出しがほとんど発生しない。このとき、評価速度の上昇幅は小さくなる。一方、加速度オーバーオール値は周波数帯域に依らずに全体の加速度周波数スペクトルの大きさを積算した値であるため、軽微な摩耗および面荒れなどによっても大きく上昇する。評価振動は評価速度および加速度オーバーオール値の両方に基づいて算出された評価指標であるため、摩耗および面荒れなどの軽微な損傷についても、診断装置７は高精度に診断することができる。
　以上に説明したように、診断部１１は、第１算出部１０が算出した評価速度と、第２算出部１２が算出した加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方とを用いて、評価指標として評価振動を算出する。また、診断部１１は、例えば、評価速度と、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方とにそれぞれ重みづけ係数を乗じて合算することで評価振動を算出する。また、診断部１１は、例えば評価速度と、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方の相加平均、相乗平均、またはその他の関数などによって、評価振動を算出してもよい。診断部１１は、例えば、評価振動が予め設定された閾値を超えるときに、転がり軸受１に損傷が生じたと診断する。ここで、重みづけ係数および関数は、例えば、損傷の大きさが既知の複数の転がり軸受１について評価速度と、加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方とを算出したデータを入力とした、回帰分析などのデータ分析手法または機械学習手法によって予め決定される。損傷の大きさが既知の転がり軸受１の情報を用いて重みづけ係数および関数を決定することにより、評価振動と損傷の大きさおよび発生位置との相関は強くなる。これにより、評価振動を評価指標として用いた転がり軸受１の損傷の診断の精度がより高められるようになる。
　実施の形態３．
　図５は、実施の形態３に係る診断装置による転がり軸受の損傷の診断の例を説明する図である。
　図５において、横軸は時間の経過を表す。縦軸は挙動センサ８によって取得される速度を表す。縦軸の上側は、荷重方向の速度の大きさを表す。一方、縦軸の下側は、反荷重方向の速度の大きさを表す。
　例えば挙動センサ８として加速度センサを用いて加速度の時系列データを時間積分して速度の時系列データを算出した場合に、図５において破線で示されるように、周期Ｔｒ以上の時間にわたって速度が荷重方向に極端に大きくなることがある。これは、加速度センサである挙動センサ８の取付け状態が悪い場合、およびその他の外乱振動などのノイズが大きく反映されてしまっている場合などに、出力信号である加速度の時系列データが全体的に荷重方向にシフトすることなどによって発生する。同様の理由により、周期Ｔｒ以上の時間にわたって速度が反荷重方向に大きくなることがある。
　一方、転がり軸受１およびハウジング６において微小な振動が発生することはあっても、通常、転がり軸受１およびハウジング６の設置位置が大きく変化することはない。このため、図５において破線で示されるように長期にわたって速度が大きくなり続けることは実態と異なり、このような時系列データをそのまま用いると評価速度Ｖｐが過大な値として算出されることになる。このため、診断装置７は、速度の時系列データに対して傾き補正を行う。
　診断装置７の第１算出部１０は、挙動センサ８の取得した情報に基づく速度の時系列データに対して、傾き補正の処理を行う。傾き補正の処理は、例えば周期Ｔｒ以上の時間に割って速度の時系列データの傾き成分を線形回帰またはその他の手法などによって求め、求めた傾き成分を速度の時系列データから差し引くことなどによって行われる。第１算出部１０は、傾き補正の処理を行った後の速度の時系列データを用いて、周期Ｔｒ以上の時間に対して評価速度Ｖｐ´を算出する。
　診断装置７は、このように算出された評価速度Ｖｐ´を用いることで、挙動センサ８の取付け状態および外乱振動などのノイズによる影響を受けずに転がり軸受１の損傷を診断できるようになる。
　実施の形態４．
　診断装置７の第１算出部１０は、挙動センサ８の取得した情報に基づく時系列データに対して、周波数フィルタ処理を行う。第１算出部１０は、例えば、挙動センサ８が取得した加速度、速度、または変位の時系列データに対して周波数フィルタ処理を行う。第１算出部１０は、挙動センサ８が取得した加速度または変位の時系列データから導出される速度の時系列データに対して周波数フィルタ処理を行ってもよい。また、第１算出部１０は、挙動センサ８が取得した時系列データおよび当該時系列データから導出された速度の時系列データの両方に対して周波数フィルタ処理を行ってもよい。周波数フィルタ処理は、例えばハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、またはその他のフィルタ処理などである。第１算出部１０は、周波数フィルタの処理を行った後の速度の時系列データを用いて、周期Ｔｒ以上の時間に対して評価速度を算出する。
　診断装置７は、このように算出された評価速度を用いることで、うなりなどに起因する低周波の振動、摩擦などに起因する高周波の振動、ノイズ、および外乱振動などによる影響を受けずに転がり軸受１の損傷を診断できるようになる。
　実施の形態５．
　診断装置７の診断部１１は、複数回にわたって算出された評価速度または評価振動などの評価指標のデータ群を統計処理して求めた評価指標統計値を用いて、転がり軸受１の損傷を診断する。評価指標統計値は、例えば、評価指標のデータ群についての平均値、中央値、もしくは実効値、または最大値などである。診断部１１は、例えば、評価指標統計値が予め設定された閾値を超えるときに、転がり軸受１に損傷が生じたと診断する。
　第１算出部１０などによって算出される各回の評価速度または評価振動などの評価指標の個々の値は、例えば転がり軸受１の損傷とは関連のない突発的な外乱振動などを挙動センサ８が捉えることで、極端に大きい値などを取ることがある。これに対し、診断部１１は評価指標のデータ群を統計処理した平均値、中央値、または実効値などの評価指標統計値を用いて診断を行うので、診断装置７は、転がり軸受１の損傷とは関連のない突発的な事象の影響を受けずに診断を行えるようになる。
　また、例えば、転がり軸受１の損傷が小さい段階において、評価速度および評価振動などの評価指標が低頻度に大きくなる場合がある。これに対し、診断部１１は評価指標のデータ群を統計処理した最大値などの評価指標統計値を用いて診断を行うので、診断装置７は、小さい段階の損傷についてもより早期に発生を診断できるようになる。
　また、例えば、転がり軸受１の損傷が急速に進行している状態において、評価速度および評価振動などの評価指標が急速に変化する場合がある。これに対し、診断部は評価指標のデータ群を統計処理した標準偏差値または分散値などの評価指標統計値を用いて診断を行うので、診断装置７は、損傷の進行状態についてもより診断を行うことができるようになる。
　実施の形態６．
　診断装置７の診断部１１は、時間的に連続するように継続して算出された評価速度または評価振動などの評価指標の周期的な変化に基づいて、転がり軸受１の損傷を診断する。
　例えば診断部１１などによって算出される評価指標の時系列データにおいて、評価指標は、転動体４が損傷部１００を通過するタイミングで大きくなり、転がり軸受１の仕様で定まる固有振動の周期Ｔｒと概ね一致する。一方、転動体４が損傷部１００を通過する周期は、損傷部１００の発生位置、転がり軸受１の寸法、および回転軸５の回転数などを用いた式（１）から式（３）で定まる。このため、評価指標が大きくなる周期または周波数などから、転がり軸受１の寸法および回転数に基づいて、診断部１１は、損傷部１００が転がり軸受１の内輪２、外輪３、または転動体４のいずれの位置に発生しているかを判断することができる。
　また、診断部１１は、評価指標が大きくなる周期における当該評価指標に基づいて損傷部１００の大きさを診断してもよい。これにより、診断部１１は、外乱振動などのノイズの影響を受けずに損傷部１００の大きさを精度よく診断できるようになる。診断部１１は、例えば、評価指標の時系列データを周波数分析した周波数分析データについて、スペクトルが大きい周波数帯域から損傷部１００の発生位置を診断してもよい。診断部１１は、例えば特定の周波数帯域のスペクトルの大きさから損傷部１００の大きさを診断することで、外乱振動などのノイズの影響を受けずに損傷部１００の大きさを精度よく診断することができる。
　実施の形態７．
　図６は、実施の形態７に係る転がり軸受の構成図である。
　転がり軸受１の診断装置７の制御部９は、第１算出部１０と、記憶部１３と、診断部１１と、を備える。
　記憶部１３は、情報を記憶する機能を搭載する部分である。記憶部１３は、算出された評価指標を蓄積して記憶する。記憶部１３は、評価指標を例えば時系列データとして記憶する。記憶部１３は、例えば評価指標として評価速度の時系列データを記憶する。診断装置７が評価指標として評価振動を算出する場合に、記憶部１３は、評価指標として評価速度および評価振動の一方または両方の時系列データを記憶してもよい。記憶部１３は、評価指標を時系列データとして記憶することで、評価指標の経時的な変化を記憶する。また、記憶部１３は、例えば診断部１１などによって算出される評価指標の時間微分などの変化量を記憶してもよい。
　ここで、サイズおよび回転数などの仕様条件が異なる転がり軸受１が複数設けられた回転機器において、それぞれの転がり軸受１に生じる損傷が同じ大きさであったとしても、使用条件の違いによって評価速度および評価振動などの評価指標が異なる値となることがある。例えば、転がり軸受１のサイズおよび回転数が大きいほど、同じ程度の損傷に対する評価速度および評価振動は大きくなる傾向にある。
　診断部１１は、記憶部１３に記憶された情報に基づいて、転がり軸受１の損傷の診断を行う。診断部１１は、例えば、評価指標の経時的な変化率である評価指標の１階微分値を算出し、評価指標の１階微分値から損傷状態を診断する。これにより、診断部１１は、評価指標の変化率に基づいて損傷状態を診断するので、仕様条件の異なる転がり軸受１の損傷をより精度よく診断できる。
　また、診断部１１は、記憶部１３に記憶された評価指標の時系列データなどに基づいて、評価指標が転がり軸受１の寿命となる閾値に到達するまでの残寿命を推定してもよい。これにより、診断装置７は、転がり軸受１の適正な交換時期または保守点検時期を決定することができる。このように、診断装置７は、転がり軸受１、転がり軸受１の周辺機器、転がり軸受１が設けられた回転機器全体のメンテナンス省力化および長期安定運用に貢献できる。
　実施の形態８．
　転がり軸受１は、内輪２と、外輪３と、複数の転動体４と、回転軸５と、診断装置７と、を備える。
　一般に、転がり軸受は、回転機器において最も大きな負荷がかかり、最初に壊れやすい部分である。転がり軸受に損傷が発生すると、当該損傷周辺の応力が大きくなることで加速度的に損傷が大きくなる場合がある。損傷が大きくなると、回転軸を含めた回転機器全体の挙動が不安定となり、転がり軸受の周辺機器および回転軸、ギアおよびカップリング、固定子、ハウジング、ならびにフレームなどの損傷に繋がりうる。
　これに対し、転がり軸受１は、備え付けられた診断装置７によって転がり軸受１および転がり軸受１が設けられた回転機器の損傷を高精度に診断できる。これにより、転がり軸受１自体のみならず、転がり軸受１の周辺機器および転がり軸受１が設けられた回転機器全体の故障を未然に防ぐことが可能になる。
　図７は、実施の形態１から８のいずれかに係る診断装置の制御部のハードウェア構成の例を示す図である。
　制御部９の機能は、図７に示される制御回路２００、すなわちプロセッサ２０１およびメモリ２０２により実現することができる。プロセッサ２０１の例は、ＣＰＵ（中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう）またはシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などである。メモリ２０２の例は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）またはＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）などである。
　制御部９の機能は、制御部９に処理を実行させるプログラムである制御プログラムを、当該制御プログラムを記憶するメモリ２０２からプロセッサ２０１が読み出して実行することによって実現される。また、この制御プログラムは、制御部９における診断装置７の制御方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。制御部９で実行される制御プログラムは、例えば、挙動センサ８から取得した信号を基に評価速度を算出する処理、加速度オーバーオール値を算出する処理、損傷有無を判定する処理、および損傷状態を診断する処理をモジュール化したモジュール構成となっている。これらのモジュールは、主記憶装置上にロードされ、主記憶装置上に生成される。
　メモリ２０２は、プロセッサ２０１が各種処理を実行する際の一時メモリに使用される。また、実施の形態７において、メモリ２０２は、評価速度または評価振動などの評価指標を時系列データとして記憶する記憶部１３として使用される。
　プロセッサ２０１が実行する制御プログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルで、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータプログラムプロダクトとして提供されてもよい。また、プロセッサ２０１が実行する制御プログラムは、インターネットなどのネットワーク経由で診断装置７の制御部９に提供されてもよい。
　また、制御部９は、専用のハードウェアで実現されてもよい。また、制御部９の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するように構成してもよい。
　上記の実施の形態１から８のいずれかに係る転がり軸受１について、内輪２が回転軸５とともに回転する構成を例示して説明したが、内輪２と一体となった軸は回転固定される構成であってもよい。また、外輪３がハウジング６に固定された構成を例示して説明したが、外輪３はその外側に設けられた回転軸５と一体となって回転する構成であってもよい。さらに、転がり軸受１の構成は、内輪２および外輪３が共に別々の回転軸５と一体となって回転するものであってもよい。
　上記の実施の形態１から８のいずれかに係る転がり軸受１について、転動体４の個数および配置は、図１などに例示される個数および配置に限定されない。
　上記の実施の形態１から８のいずれかに係る転がり軸受１または診断装置７について、損傷部１００の個数が１個である状態を例として説明したが、損傷部１００の個数は２個以上であってもよい。また、損傷部１００が外輪３に生じた場合を例として説明したが、損傷部１００は内輪２または転動体４に生じるものであってもよい。
　上記の実施の形態１から８のいずれかに係る転がり軸受１または診断装置７について、挙動センサ８の個数が１個である構成を例として説明したが、挙動センサ８の個数は２個以上であってもよい。また、挙動センサ８の位置および形状について、以上において説明した例に限定されない。
　上記の実施の形態１から８のいずれかに係る診断装置７は、グリースなどの潤滑剤が供給されている転がり軸受１、グリースなどの潤滑剤が供給されていない転がり軸受１、回転運転中の転がり軸受１、および回転停止中の転がり軸受１のいずれに対しても適用できる。
　なお、本明細書において、「軸方向」、「径方向」、「周方向」、「回転方向」、「荷重方向」、および「反荷重方向」などの方向を表す表現は、厳密にそのような方向を含むだけでなく、実質的に同じ機能が得られる方向も含むものである。また、本明細書において、「備える」、「設ける」、「含む」、および「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現を意味するものではない。
　本開示には、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独でまたは様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本開示の技術の範囲内において想定される。一例では、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。また、以上の実施の形態に示した構成は、別の公知の技術と組み合わせることも可能である。つまり、以上の実施の形態に示した構成は、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
　本開示に係る診断装置は、転がり軸受に適用できる。本開示に係る転がり軸受は、回転機器に適用できる。
　１　転がり軸受、　２　内輪、　３　外輪、　４、４ａ、４ｂ　転動体、　５　回転軸、　６　ハウジング、　７　診断装置、　８　挙動センサ、　９　制御部、　１０　第１算出部、　１１　診断部、　１２　第２算出部、　１３　記憶部、　１００　損傷部、　１０１　くぼみ形状部、　１０２　損傷角部、　２００　制御回路、　２０１　プロセッサ、　２０２　メモリ

Claims (13)

  1. 　内輪と、
    　前記内輪と同心円状に配置される外輪と、
    　前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に配置され、前記内輪の回転、前記外輪の回転、または、前記内輪および前記外輪の両方の回転に伴って各々が転動する複数の転動体と、
    　を含む転がり軸受を診断する、診断装置であり、
    　前記内輪または前記外輪を保持するハウジングに設けられ、前記ハウジングの挙動を計測する挙動センサと、
    　前記転がり軸受の仕様で定まる固有振動の周期以上の時間内における、前記内輪または前記外輪と一体となって回転する回転軸からの荷重が作用する向きの最大速度成分、および前記回転軸からの荷重が作用する向きと反対向きの最大速度成分の合算値である評価速度を、前記挙動センサが取得する情報に基づいて算出する第１算出部と、
    　前記評価速度に基づく評価指標を用いて前記転がり軸受の損傷を診断する診断部と、
    　を備える、診断装置。
  2. 　前記挙動センサが取得する情報に基づいて加速度周波数スペクトル、または、加速度オーバーオール値、または、その両方を算出する第２算出部
    　を備え、
    　前記診断部は、前記評価速度と、前記加速度周波数スペクトル、または、前記加速度オーバーオール値、または、その両方とを用いて評価振動を算出し、前記評価振動を前記評価指標として用いて前記転がり軸受の損傷を診断する、
    　請求項１に記載の診断装置。
  3. 　前記診断部は、前記評価速度と、前記加速度周波数スペクトル、または、前記加速度オーバーオール値、または、その両方とにそれぞれ重みづけ係数を乗じて合算することで前記評価振動を算出する、
    　請求項２に記載の診断装置。
  4. 　前記挙動センサは、加速度センサであり、
    　前記第１算出部は、前記挙動センサからの出力信号である加速度の時系列データを時間積分して求めた速度の時系列データを用いて、前記評価速度を算出する、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の診断装置。
  5. 　前記挙動センサは、変位センサであり、
    　前記第１算出部は、前記挙動センサからの出力信号である変位の時系列データを時間微分して求めた速度の時系列データを用いて、前記評価速度を算出する、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の診断装置。
  6. 　前記挙動センサは、速度センサであり、
    　前記第１算出部は、前記挙動センサからの出力信号である速度の時系列データを用いて、前記評価速度を算出する、
    　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の診断装置。
  7. 　前記第１算出部は、前記速度の時系列データに対して傾き補正を行った時系列データを用いて、前記評価速度を算出する、
    　請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の診断装置。
  8. 　前記第１算出部は、前記挙動センサからの出力信号である時系列データまたは前記速度の時系列データの一方または両方に周波数フィルタ処理を行った時系列データを用いて、前記評価速度を算出する、
    　請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の診断装置。
  9. 　前記診断部は、複数回にわたって算出された前記評価指標のデータ群を統計処理して求めた評価指標統計値を用いて前記転がり軸受の損傷を診断する、
    　請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の診断装置。
  10. 　前記診断部は、継続して算出された前記評価指標の周期的な変化に基づいて前記転がり軸受の損傷を診断する、
    　請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の診断装置。
  11. 　前記診断部は、継続して算出された前記評価指標の時系列データの周波数分析データを用いて前記転がり軸受の損傷を診断する、
    　請求項１０に記載の診断装置。
  12. 　前記評価指標または前記評価指標の変化量を蓄積して記憶する記憶部
    　を備え、
    　前記診断部は、前記記憶部に記憶された情報に基づいて、前記転がり軸受の保守点検時期を算出する、
    　請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の診断装置。
  13. 　内輪と、
    　前記内輪と同心円状に配置される外輪と、
    　前記外輪の軌道面と前記内輪の軌道面との間に配置され、前記内輪の回転、前記外輪の回転、または、前記内輪および前記外輪の両方の回転に伴って各々が転動する複数の転動体と、
    　請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の診断装置と、
    　を備える、転がり軸受。
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