関東学院大学 理工学部 講師

堀田 智哉

2017/3     博士(工学) 東京理科大学
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2017/3     博士(工学) 東京理科大学
2017/4‐2020/3  関東学院大学理工学部助教
2020/4     関東学院大学理工学部講師
[専門分野] 転がり軸受工学、機械要素・機械設計、トライボロジー、材料工学

コラム執筆にあたって

私は横浜市最南端に位置する大学で「転がり軸受」の研究をしております。具体的には、小径玉軸受の寿命試験や円すいころ軸受の低トルク化など、軸受単体を対象にした研究から、軸受の潤滑剤や軸受周辺設計を対象にした研究まで、研究の内容は多岐にわたっています。

機械の信頼性や静粛性、精度などは、軸受の性能が直接的に関与しますので、軸受に関する問題でお困りの方は多いように感じます。本コラムの読者は、とくに振動監視に関心がある方が多いかと思いましたので、転がり軸受の振動について、初学者向けの解説をすることにいたしました。

転がり軸受(ベアリング:Bearing)は、さまざまな機械に使用される重要な機械要素ですが、大学などでしっかり教わった方は少ないのではないでしょうか。本コラムでは、そんな転がり軸受の寿命と振動について、全2回にわたり解説していきます。
第2回目となる今回は、転がり軸受の振動について解説します。

転がり軸受の振動発生原理

 前回の最後に少し触れましたが、転がり軸受が損傷した結果として、振動や音が上昇します。振動と音は明確な基準がありませんが、一般的には 1kHz 以下が振動、それ以上が音響として問題になることが多いです。音も軸受が振動することにより発生しますので、本コラムでは、振動で統一します。損傷時に発生する振動は、転動体が損傷部に衝突することで発生しますので、たとえば、損傷の上を転動体が 3 回通過した場合には、図 1 のように周期的な振動が発生します。この発生周期は軸受の内部寸法と回転数から簡単に計算することができますので、発生している振動の周波数で、どこで振動が発生しているのかをおおよそ特定することが可能です。

図 1 損傷部を通過する際の振動イメージ

転がり軸受の振動計測

図 2 加速度ピックアップの例

転がり軸受の振動計測は、基本的に振動加速度を指標として用いますが、これは,振動加速度が人間の感覚に近いパラメータだからです。振動加速度の検出には、加速度ピックアップ(図 2)を用います。加速度ピックアップは監視したい軸受の可能な限り近いところに取り付けてください。このとき、軸受の荷重負荷圏(転動体に荷重が加わる領域)側に取り付けると良いです。図 3 に計測システムの概略図を示します。比較的大きな(進展した)損傷であれば、バンドパスフィルタ(BPF)とエンベロープアンプを使用しなくても検出できます。ごく初期の小さな損傷は、BPF とエンベロープアンプを使用して、不要なノイズや振れ成分、通常の回転成分などを除去します。これによって、必要な周波数を際立たせて監視することができます。

図 3 転がり軸受の振動計測システム

エンベロープアンプでの信号処理

エンベロープアンプでの信号処理について、ここで少し解説します。エンベロープアンプは、検出信号波形を中心軸で折り返し、包絡線処理をかけます(図 4)。BPF とこの処理を組み合わせることで、一度、ノイズや振れなどによる信号を除去した後に、軸受の損傷により発せられる振動を取り出すことができます。

図 4 包絡線処理のイメージ

転がり軸受の損傷周波数

先に述べたように、軸受の損傷部を転動体が通過することによって振動が発生します。したがって、転動体が各表面上のある一点を通過する周期を幾何学的な関係から求めれば、損傷時に発生する振動周波数(軸受損傷周波数)を求めることができます。転がり軸受の内部寸法は公開されていませんので、ユーザ側が正確に求めることは難しいですが、おおよそ表 1 に示す式により求めることができます。転動体直径や転動体ピッチ径はカタログには載っていませんので、分解して測定するか、軸受メーカに問い合わせてください。なお、転動体ピッチに関しては、{(軸受外径軸受内径)÷2 }とおおよそ一致します。また、通常は、高調波と呼ばれる軸受損傷周波数を整数倍した周波数にもピークが立ちます。さらに、損傷が発生していなくても軸受精度や表面粗さなどの関係で、これらの損傷周波数が発生することがあります。したがって、初期値からの変化量で損傷の有無や、その大きさを判断することになります。

表 1 各表面に傷が一つある場合の発生周波数(内輪回転の場合)
発生周波数(内輪回転の場合)
内輪損傷周波数 \( \begin{equation} f_i=\frac{Zf_0}{2} \left(1+\frac{D_w}{D_{pw}} \cos⁡ \alpha \right) \end{equation} \)
外輪損傷周波数 \( \begin{equation} f_e=\frac{Zf_0}{2} \left(1-\frac{D_w}{D_{pw}} \cos \alpha \right) \end{equation} \)
転動体損傷周波数 \begin{equation} f_b=\frac{f_0 D_{pw}}{2D_w} \left[1-\left( \frac{D_w}{D_{pw}} \right)^2 \cos^2 \alpha \right] \end{equation}

上表のうち、f0:内輪回転周波数、Z:転動体数、Dw:転動体直径mmDpw:転動体ピッチ径mmα:接触角

おわりに

転がり軸受の振動計測方法や信号処理については、各会社によってさまざまなノウハウがあるようですが、基本的には、本コラムで述べたような方法で状態監視をおこなうことが可能です。さらに、振動監視に加え、温度や AE 監視などを併用することで、より正確に軸受の状態を把握できるようになります。

全 2 回にわたり、転がり軸受の寿命と振動について解説をおこないましたが、本コラムで転がり軸受に少しでも興味を持っていただき、お役に立つ点があれば幸いです。