転がり軸受の超音波マルチ潤滑診断技術 Ultrasonic multi-lubrication diagnostic technic for rolling bearing

高知工科大学 ○竹内 彰敏

2015年10月30日 JST推薦シーズ新技術説明会

Oxidized oil stain

Flaking and dent

Satin surface

Oxidized oil stainOxidized oil stain

Flaking and dentFlaking and dent

Satin surfaceSatin surfaceInsufficient oil supply Thin oil filmMixed lubricationDamage of bearing parts

hminhmin

Lubrication condition

Insufficient oil supply Thin oil filmMixed lubricationDamage of bearing parts

hminhmin

Lubrication condition

NTN（株）カタログより

軸受荷重変動 潤滑油供給不足 軸受異常（異物．損傷） ------ 軸受寿命

※発表当日には、配付資料に載せていない未公開データがあります．

転がり軸受の年間生産個数（2014）：約30億個（経済産業省機械統計）

NTN（株）カタログより

外輪 転動体 内輪 保持器

１）機械装置の軽量化や小型化 実際の軸受荷重と設計時想定荷重とは異なる

２）微量潤滑の普及 瞬時に過酷な潤滑状態へ移行する危険性

３）メンテナンス費用の削減 音や振動では，異常の内容理解は難しい

本潤滑診断技術が必要とされる背景

１）機械装置に組み込まれた軸受（転動体）に作用する実際の支持荷重（モーメント） の簡易測定法を確立する． ２）微量潤滑油の軸受面への供給状況，ならびに運転中の潤滑油の性状変化の観 測法を確立する． ３）軸受寿命に深く関係する，異物（摩耗粉等）の噛み込みや，表面損傷の進展など の，軸受異常の詳細な内容の定量評価法を確立する．

本潤滑診断技術の開発目標

従来の潤滑診断技術とその問題点の例 転がり面の接触の過酷さを検知する，振動法やA.E.法の他，温度や音響的手法が用いられるが，潤滑油の供給状況や軸受荷重，をも含めると，振動法やA.E.法が比較すべき従来技術となる． ○潤滑油の供給状況の監視に関しての問題点 従来技術では，軸受面の粗さ突起の接触に起因する振動や熱の情報を基に油の供

給不足を評価しているため，極微量な潤滑油での安全・安定な潤滑の保証はできな

いし，潤滑状態の変遷（枯渇過程）も把握できない． ○軸受（転動体）荷重評価についての問題点 振動法で検出できる加速度を基に間接的にその場での実際の軸受荷重の推定が行

われた実績〔学術段階〕はあるが，推定法が複雑なうえに，十分な精度が得られない． ○測定環境についての問題点 極低速では，加速度や衝撃力が低いため，測定が困難．また，クラッシャー等の振動

機械での軸受損傷や荷重推定は極めて難しい．

新技術の特徴・（従来技術との比較） 本潤滑診断技術では，パルス超音波を，軸受ハウジングと軸受外輪，軸受外輪と転

動体，の境界部に照射させて荷重や油膜の形成状態を直接観測する．

１）ハウジング／外輪（／転動体）の各接触部の剛性に依存した，反射エコー高さ変化． 軸受（や転動体）の支持荷重の定量推定，異物や損傷の長さの定量評価に基づく早期寿命推定．

２）外輪から転動体への超音波の透過のし易さに依存した，反射エコー高さ変化． 潤滑油の供給状態や潤滑油の性状変化の評価

を，一つの超音波探触子で観測・評価する，マルチ潤滑診断技術である．

軸

玉軸受

ハウジング

ハウジング

超音波探触子

超音波探触子

ハウジング

軸受外輪

潤滑油 玉

反射

エコ

ー高

さh

伝搬距離

第一反射エコー

第二反射エコー

第三反射エコー

しまりばめ

各 種 潤 滑 診 断 法 の 比 較

振動法 A.E.法 超音波法

△ ○ ○

× × ○

△ × ○

△ ○ ○

× × ○

△ × ○

× × ◎

△ × ◎

△ △ ◎

× × ○

○ ○ ○

× × ○

○ △ ◎

検出（診断）項目　等

低　　速

中　高　速

振　　動　

軸受異常

異物

圧痕

圧痕と異物の情報の分離

個数 （通過頻度）

形状 （影響時間）

負荷変動 （衝撃の程度）

個数 （噛み込み頻度）

形状 （影響時間）

負荷変動 （衝撃の程度）

軸受（転動体）荷重

潤滑油の供給（枯渇）状況

信号対雑音の比（S/N比）

測定環境

ただし，個人的評価である

軸受（や転動体）の 支持荷重の定量測定

（斜角探触子）

斜角探触子 (2MHz)

試験 軸受 (6212)

荷重

軸

Synchronous pulley

WV WH

Bearing for loading

hR

WV

WHwLwL wRwR

Vertical load

Left probe Right probe

Horizontal load

Deep grooveball bearing

(6212)

hL

軸受ハウジング

2 2

Reflection waveIncidence wave

①

②

③

④⑤

Outer ring

Ball

Outer ring

Inner ring

Housing

Angle probe(2MHz)

Housing

AA B

0.25π

Sound axis

Inner ring

Ball

Reflection waveIncidence wave

①

②

③

④⑤

Outer ring

Ball

Outer ring

Inner ring

Housing

Angle probe(2MHz)

Housing

AAAA BB

0.25π

Sound axis

Inner ring

BallV2V1 V3 V5v4 V6

P1 P2 P3 P4 P5

Measurement time

AverageT

rans

mit

tanc

e H

TL

水平荷重 試験軸受

垂直荷重

入射波 反射波

斜角探触子 音 軸

音圧

透過

率

測定時間

軸

玉軸受

ハウジング

ハウジング 内輪

外輪

ハウジング

玉

0

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3 4

音圧

透過

率 H

TR [

%]

0

2

4

6

8

10

12

0 1.0 2.0 3.0 4.0

N=0.5rpm

垂直荷重 WV [kN]

Average

Peak

Valley

V2V1 V3 V5v4 V6

P1 P2 P3 P4 P5

Measurement time

Average

Tra

nsm

itta

nce

HT

L

0

1

2

3

4

-3 -2 -1 0 1

推定荷重 WHe , wL2x , wR2x [kN] -3.0 -2.0 -1.0 0 1.0

推定

荷重

WVe

, w

L2y

, wR

2y [

kN] 4.0

3.0 2.0 1.0 0

Peak Average

wL2 wR2

WV

WH

θ=-0.3π θ=0.3π

y

-x x

WV

HL HR

WH

垂直荷重WVを負荷した後に，水平荷重WHを負荷した場合

異物や損傷長さの定量評価に

基づく軸受異常の診断 （垂直探触子）

軸

玉軸受

ハウジング

ハウジング

超音波 探触子

内輪 （損傷）

外輪

ハウジング

玉 玉

内輪

損傷

形状と負荷変動に関する評価因子の定義

異 物

ΔHf

ΔHp

HTn

圧 痕

HT

時間

時間

HTn

HT

H

Tn

識 別 負荷変動 影響時間 発生頻度 L f

L p

衝撃速度

dH / dt 衝撃速度

0

20

40

60

0 20 40 60 80測定時間 [ms]

(a) 異常波形の例

Nr＝1.14×107

80 0 20 40 60

60

40

20

0

右探触子 音

圧透

過率

H

T [%

]

異物 損傷

-10

-5

0

5

測定時間 [ms]

(b) 軸受異常解析例

5

－10

－5

0 0 20 40 60 80

HT

- HT

n [%

]

損傷

異物

L f

ΔHf

× 107

ΔH p

, ΔH

f の累

積値

L p , L

f の累

積値

[ms]

[%]

0

5

10

15

20

25

0

2

4

6

8

ΣΔH p

ΣΔH f

ΣL p

ΣL f

累積回転数 : NR

1.51.00.5

異物

圧痕

運転

停止

90%67%

[ms2]

大型摩耗粉

大型摩損傷

厚い

長い

深い

長い

潤滑剤の供給状況や 潤滑剤の性状変化の評価

（垂直探触子）

例示では， 運転前に，0.5ccの潤滑剤を噴霧した後は，給油せず．

軸

玉軸受

ハウジング

ハウジング 内輪

外輪 外輪

ハウジング

玉

潤滑油の供給状態ならびに潤滑状態観測法基礎

音圧変化率 HT HT1=(1-h1/h0) ×100, HT2=(1-h2/h0)×100

Time, t/ ms

Echo

hei

ght r

atio

, H/%

0

50

First echo H1

Second echo H2

500

Sound axis

Time, t/ ms

Echo

hei

ght r

atio

, H/%

0

50

First echo H1

Second echo H2

500

Sound axis

HT1

HT

, %

乾燥

音圧

変化

率

HT

[%]

時間

第一エコー：

HT2 第二エコー：

第一反射エコー 第二反射エコー

反射

エコ

ー高

さ

超音波伝搬距離

(b) Inner race Ra=0.08μm Rz=0.54μm

(c) Ball Ra=0.13μm Rz=0.76μm

(a) Outer race Ra=0.06μm Rz=0.47μm1μm

50μm

(b) Inner race Ra=0.08μm Rz=0.54μm

(c) Ball Ra=0.13μm Rz=0.76μm

(a) Outer race Ra=0.06μm Rz=0.47μm1μm

50μm

1μm

50μm （Ra=0.03μm）

（Ra=0.03μm）

（Ra=0.05μm）

試験後の潤滑面の粗さと表面観察結果

ring

ring

劣化した油が表面に固着し，薄い固体膜に変化するため，玉と軸受外輪の間での固体膜の伸展の影響が現れる超音波音軸近傍を除き，HT2はわずかに減少した

0.2mm

Echo

hei

ght r

atio

, H2 /%

Δt1=1 msΔt2=0.2 ms

(c) 60 min100

60Δt1=1 ms

Δt2=0.2 ms

(c) 60 min100

60

0 Time, t/ms 20

(e) 1260 min

Δt2=0 msΔt1=0 ms

95

650 Time, t/ms 20

(e) 1260 min

Δt2=0 msΔt1=0 ms

95

65

Δt1=1.6 ms Δt2=1 ms

80

55

Sound axis

(a) 0 min

Δt1=1.6 ms Δt2=1 ms

80

55

Sound axis

(a) 0 min

Δt1=2 msΔt2=0.5 ms

90

65

(b) 30 min

Δt1=2 msΔt2=0.5 ms

90

65

(b) 30 min

0 時間 t, min 20 時間 t, min

HT2

，

音圧

変化

率

潤滑油の供給状態ならびに潤滑状態観測例

0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

HT2

HT1 HT1

, H

T2,

% 80

40 0

① ②

③ ④

①

③

①

③

⑤ ①

②

③ ④

start-up 60min 240min 1200min

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

音圧変化率 HT1 , %

HT2

, %

0 25 50 0 25 50 0 25 50 0 25 50

① ②

③ ④

①

③

①

③

⑤ ① ②

③ ④

80 60 40

0

0.5

1

1.5

0 200 400 600 800 1000 1200

20

30

40

1000rpm , 40kN 比較的安全な運転領域

面積

比β

と透

過指

標 γ

0 200 400 600 800 1000 1200 累積運転時間 t, min

1.5 1.0 0.5 0

β : 閉曲線の面積変化比

T: 外輪側面温度

γ23: 潤滑油の物性変化に伴う超音波の透過指標の変化比；音軸上に玉有り

40 30 20

外輪

温度

T ℃

内輪

玉

外輪

ハウジング 軸受（転動体）支持荷重

異物・損傷（軸受異常），軸受寿命

力・モーメント（横波） 潤滑油の供給状況 潤滑油性状変化

本潤滑診断技術は，パルス超音波を，軸受ハウジングと軸受外輪，軸受外輪と転動体，の境界部に照射させて，荷重や油膜の形成状態を直接観測する診断法である．

これらの情報を， 基本的に， 一つの超音波探触子で取得し，軸受が遭遇している状況を，総

合的に評価可能な，マルチ診断法の実現の可

能性を秘めている．

本潤滑診断技術の纏め

想定される用途 各種機械装置に組み付けられた軸受の実荷重のその場観測から，給油状態を含め

た潤滑状態の監視，更には，軸受異常や寿命予測までを，一貫して実施できる，本

診断技術の特徴を生かすには，例えば，下記の用途が考えられる． １）工作機械の主軸用転がり軸受のように，潤滑面への給油量監視や劣化の早期 定量評価が望ましい軸受． ２）自動車のハブベアリングのように，作用する複雑な力やモーメント荷重のその場 定量測定が期待される軸受． ３）洋上の風力発電装置や山間で使用される大型建設機械の大型軸受のように， 容易に交換ができない場所にある軸受．

実用化に向けた課題 現在，荷重変動の周期が長い機械装置の軸受について，潤滑診断の可能性は検証済みで，実用化に向けた一応の目処が立ったが， １）短周期変動の軸受や，衝撃的な荷重が負荷される軸受での診断 ・転動体の入口と出口の情報を，単独に，同時取得可能な，遅延機能付き素子を有する複 合探触子を，JSTのA-STEP（FS探索タイプ）支援，を受けて開発中． ２）ハウジングを持たない軸受系への適用 ・荷重検出型遅延材と横波を利用した探触子を，企業と共に開発中． ３）潤滑診断用のソフト開発 ・荷重（力）測定： 準静的条件下でのソフトのプロトタイプは完成（ＯＳ対応のための修正要） ・異物・損傷（軸受異常）評価： 上記ソフトと組み合わせたプロトタイプは完成（ＯＳ対応のための修正要） ・潤滑油供給状況と性状変化監視： 現在，JSTのA-STEP（FS探索タイプ）支援を受けて開発中 ４）軸受寿命予測 ・軸受試験機での早期異常検出の可能性は確認されたが，実際の機械に装着された軸受 での寿命予測を行い，各因子の閾値を定める必要がある．

企業への期待 本技術は，軸受ハウジングに締まりバメで固定された転がり軸受や，

ハウジングを持たない転がり軸受での，確度の高い潤滑診断が必要

とされる場合に有効となる． ・ 今後，実際の機械に装着された軸受での評価が不可欠なため，潤 滑診断の必要性を感じておられ，既存の技術での潤滑診断の実績 を多くお持ちの企業での，試験的運用を期待する． ・ 例えば，微量な潤滑油供給下での軸受の安全な運転条件を探求し ておられる企業や，機械に組み込まれた軸受に作用する実際の荷 重（力）を把握して，機械の制御や製品の精度向上に活用しようと されている企業，との共同研究が望ましい．

本技術に関する知的財産権 ・発明の名称： 転がり軸受における潤滑状態観測方法 ・登録番号： 5258607 ・出願人： 高知工科大学，オートマックス株式会社 ・発明者： 竹内 彰敏 ・発明の名称： 軸受にかかる垂直荷重および／または 軸荷重の検出装置および検出方法 ・登録番号： 5542221 ・出願人： 高知工科大学 ・発明者： 竹内 彰敏 ・発明の名称： 軸受損傷評価装置，軸受損傷評価方法，軸受損傷表プログラム およびこのプログラムを記録した記憶媒体 ・登録番号： 3922521 ・出願人： 住友化学株式会社 ・発明者： 竹内 彰敏

産学連携の経歴

1998～2000年： 地域コンソーシアム研究開発事業に参加 「横断的メンテナンス技術の研究開発」 2006年： 独立行政法人科学技術振興機構 地域イノベーション創出総合支援プログ ラム平成18年度シーズ発掘試験に採択 「壁面スリップ流れを積極的に利用した新しく簡便な軸受構造 2007年： 独立行政法人科学技術振興機構 地域イノベーション創出総合支援プログ ラム平成19年度シーズ発掘試験に採択 「超撥水処理だけで実現できる新しい軸受構造」 この他，住友化学工業（株），（株）日立製作所機械研究所，オートマックス（株） の各奨学寄附金を受けて研究を実施した．

お問い合わせ先 高知工科大学 研究連携部 佐藤 暢 （サトウ マサト） TEL: 088-821-7111 FAX: 088-821-7112 e-mail: sato.masato@kochi-tech.ac.jp

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