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技術 クロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置及び検知方法

出願人 大同メタル工業株式会社
発明者 北原辰巳中原大輔
出願日 2004年4月20日 (16年8ヶ月経過) 出願番号 2004-124137
公開日 2005年11月4日 (15年1ヶ月経過) 公開番号 2005-308050
状態 特許登録済
技術分野 内燃機関の複合的制御 内燃機関の複合的制御 軸・クランク・連接棒及び関連の軸受
主要キーワード 揺動角速度 揺動サイクル 予知診断 試験軸 本試験機 しきい値演算 油膜形成状態 油圧ラム
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2005年11月4日)のものです。
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図面 (16)

課題

苛酷固体接触が発生した初期段階で異常振動を検知し焼付発生の防止を図ることができる検知装置及び検知方法を提供する。

解決手段

θc=+90°近傍における異常振動スパイクの増大とその発生頻度に着目した異常振動発生率Xを用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できる。

概要

背景

大型2サイクルディーゼル機関に用いられるクロスヘッド軸受は常に下向きの高い荷重を受けながら低速で揺動運動を行うため、軸受面に形成される油膜が極めて薄く焼損や破損を起こし易い滑り軸受であり、損傷発生の防止策を検討することが重要な課題となっている。一般に摺動面で形成された油膜が破断固体接触が発生した場合でも初期段階潤滑状態の異常を検知できれば、適切な対応を取ることにより損傷発生を防止できるものと考えられる。しかし異常の検知が遅れると潤滑状態は一段苛酷になり損傷発生に至る場合が多い。潤滑状態の異常を検知する手段として、摺動面近傍振動状態モニタリングすることが有効であると考えられ、転がり軸受歯車などで適用された例は、非特許文献1(社団法人日トライボロジー学会編「トライボロジーハンドブックpp801〜803」2001年3月30日発行発行者「株式会社養賢堂」)に記載されている。
トライボロジーハンドブック pp801〜803

概要

苛酷な固体接触が発生した初期段階で異常振動を検知し焼付発生の防止をることができる検知装置及び検知方法を提供する。 θc=+90°近傍における異常振動スパイクの増大とその発生頻度に着目した異常振動発生率Xを用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できる。

目的

また、上記非特許文献1には、滑り軸受に関して高速条件下で作動する軸受を対象にオイルホワールオイルホイップなどを防止する目的から振動状態を解析した研究が示されているが、大型2サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受のような低速の滑り軸受で振動状態をモニタリングし異常診断を実施した研究は報告されておらず、不明な点が多い。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、大型2サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受のような低速の滑り軸受で振動状態をモニタリングすることにより、苛酷な固体接触が発生した初期段階で異常振動を検知し焼付発生の防止を図ることができる検知装置及び検知方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

大型2サイクルディーゼル機関コネクティングロッド上端に設けられてピストンロッド下端に固定される軸を揺動自在に軸支するクロスヘッド軸受焼付防止のための検知装置であって、前記クロスヘッド軸受の軸受ハウジングに取り付けて前記軸の揺動方向の振動加速度を測定するための加速度センサーと、該加速度センサーからの信号に基づいて安定した潤滑状態におけるクランク角度θcが+90°近傍で発生する比較的大きな振動である振動スパイク時の振動加速度の基準値V0を演算する安定振動加速度演算手段と、該安定振動加速度演算手段で演算した振動加速度V0に予め定めた倍数乗算して得られるしきい値Vcrを演算するしきい値演算手段と、前記大型2サイクルディーゼル機関の所定回数サイクルにおける前記加速度センサーからの信号に基づいて演算される前記振動スパイク時の振動加速度の実測値Vmであって前記しきい値演算手段で演算されたしきい値Vcrを越えた異常な振動スパイクの発生率を演算する異常振動発生率演算手段と、該異常振動発生率演算手段によって演算された異常な振動スパイクの発生率が予め定めた発生率に達したことを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とするクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置。

請求項2

大型2サイクルディーゼル機関のコネクティングロッドの上端に設けられてピストンロッドの下端に固定される軸を揺動自在に軸支するクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知方法であって、前記クロスヘッド軸受の軸受ハウジングに取り付けて前記軸の揺動方向の振動加速度を加速度センサーで測定し、該加速度センサーからの信号に基づいて安定した潤滑状態におけるクランク角度θcが+90°近傍で発生する比較的大きな振動である振動スパイク時の振動加速度の基準値V0を演算し、その演算した振動加速度V0に予め定めた倍数を乗算して得られるしきい値Vcrを演算し、前記大型2サイクルディーゼル機関の所定回数のサイクルにおける前記加速度センサーからの信号に基づいて演算される前記振動スパイク時の振動加速度の実測値Vmであって前記しきい値Vcrを越えた異常な振動スパイクの発生率を演算し、その演算された異常な振動スパイクの発生率が予め定めた発生率に達したことを判定する、ことを特徴とするクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知方法。

技術分野

0001

本発明は、大型2サイクルディーゼル機関クロスヘッド軸受焼付防止のための検知装置及び方法に関するものである。

背景技術

0002

大型2サイクルディーゼル機関に用いられるクロスヘッド軸受は常に下向きの高い荷重を受けながら低速で揺動運動を行うため、軸受面に形成される油膜が極めて薄く焼損や破損を起こし易い滑り軸受であり、損傷発生の防止策を検討することが重要な課題となっている。一般に摺動面で形成された油膜が破断固体接触が発生した場合でも初期段階潤滑状態の異常を検知できれば、適切な対応を取ることにより損傷発生を防止できるものと考えられる。しかし異常の検知が遅れると潤滑状態は一段苛酷になり損傷発生に至る場合が多い。潤滑状態の異常を検知する手段として、摺動面近傍振動状態モニタリングすることが有効であると考えられ、転がり軸受歯車などで適用された例は、非特許文献1(社団法人日トライボロジー学会編「トライボロジーハンドブックpp801〜803」2001年3月30日発行発行者「株式会社養賢堂」)に記載されている。
トライボロジーハンドブック pp801〜803

発明が解決しようとする課題

0003

また、上記非特許文献1には、滑り軸受に関して高速条件下で作動する軸受を対象にオイルホワールオイルホイップなどを防止する目的から振動状態を解析した研究が示されているが、大型2サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受のような低速の滑り軸受で振動状態をモニタリングし異常診断を実施した研究は報告されておらず、不明な点が多い。本発明は、上記した事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、大型2サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受のような低速の滑り軸受で振動状態をモニタリングすることにより、苛酷な固体接触が発生した初期段階で異常振動を検知し焼付発生の防止を図ることができる検知装置及び検知方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0004

上記した目的を達成するために、請求項1に係る発明においては、大型2サイクルディーゼル機関のコネクテリングロッド上端に設けられてピストンロッド下端に固定される軸を揺動自在に軸支するクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置であって、前記クロスヘッド軸受の軸受ハウジングに取り付けて前記軸の揺動方向の振動加速度を測定するための加速度センサーと、該加速度センサーからの信号に基づいて安定した潤滑状態におけるクランク角度θcが+90°近傍で発生する比較的大きな振動である振動スパイク時の振動加速度の基準値V0を演算する安定振動加速度演算手段と、該安定振動加速度演算手段で演算した振動加速度V0に予め定めた倍数乗算して得られるしきい値Vcrを演算するしきい値演算手段と、前記大型2サイクルディーゼル機関の所定回数サイクルにおける前記加速度センサーからの信号に基づいて演算される前記振動スパイク時の振動加速度の実測値Vmであって前記しきい値演算手段で演算されたしきい値Vcrを越えた異常な振動スパイクの発生率を演算する異常振動発生率演算手段と、該異常振動発生率演算手段によって演算された異常な振動スパイクの発生率が予め定めた発生率に達したことを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とするクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知装置とした。

0005

また、請求項2に係る発明は、請求項1に係る検知装置を用いたクロスヘッド軸受の焼付防止のための検知方法を提供している。

発明の効果

0006

請求項1及び請求項2に係る発明においては、θc=+90°近傍における振動スパイクの増大とその発生頻度に着目した異常振動発生率を用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できる。そして、異常振動の検知後に適正な対応を実施することにより、焼付発生の防止に有効である。

発明を実施するための最良の形態

0007

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、大型2サイクルディーゼル機関の1つのピストンに対応するクロスヘッド軸受を示す概略図であり、図2は、大型2サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受と相似変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機の概略図である。

0008

図1において、大型2サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受1は、シリンダ2内を摺動するピストン3のピストンロッド4の下端に固定される軸5を揺動自在に軸支するものであり、軸5と摺動する軸受面にホワイトメタル等の軸受合金層が形成される軸受メタル7とこれを介挿する軸受ハウジング7aを有している。そして、クロスヘッド軸受1は、その下端がクランク軸10に回転自在に軸支されるコネクティングロッド8の上端に形成されている。

0009

上記のように構成される大型2サイクルディーゼル機関においては、ピストン3の上下運動をコネクティングロッド8を介してクランク軸10の回転運動に変換するようになっている。そして、クロスヘッド軸受1においては、軸受メタル7に対し常に下向きに荷重が作用すると共にコネクティングロッド8の揺動運動も作用する。このため、軸受メタル7の軸受面に形成される油膜が極めて薄く焼損や破損を起こし易く固体接触が発生して異常な潤滑状態となる可能性が高い。そこで、上記のような潤滑状態の異常を検知する手段として、摺動面近傍の振動状態をモニタリングすることが有効であると考えられ、苛酷な固体接触が発生した初期段階で異常振動を検知し焼付発生を防止する方法について、実際機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機20を用いて検証した。

0010

そこで、図2を参照して軸受試験機20の構成について説明する。図2において、直径100mmの試験軸21は、その両側をコロ軸受23で支持されてクランク機構24により揺動運動を行う。試験軸受22には油圧ラム25により垂直下向きの変動荷重が与えられる。図3に1サイクルにおける軸受面圧Pw並びに軸の揺動角速度ωの変化の一例を示す。本試験機では試験軸受22と荷重方向が固定され、軸21のみが揺動運動する構造であるが、実際機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できるようになっている。供試潤滑油はSAE10Wの無添加エンジン油であり、一定温度60℃で試験軸受22に供給した。図4に試験軸受22として使用される軸受メタルの構造を示す。この試験軸受22は、摺動面の軸方向にそって複数の油溝22aが等間隔(図示の場合45°)で形成され、該油溝の一箇所に油穴22bが形成されている。このため、供給された潤滑油が油穴22b及び油溝22aを通って軸との摺動面に供給されるようになっている。なお、試験軸受22の軸受合金はホワイトメタルを用いた。

0011

また、本試験機による試験では給油停止による焼付試験と荷重増加による焼付試験を実施して、試験開始から焼付発生に至るまでの軸受表面温度、振動状態、並びに油膜形成状態の変化を調べた。軸受表面温度は軸受中央部の表面から0.5mmの深さに埋め込んだ熱電対35で測定した。軸受振動状態は軸受ハウジング7aの図5に示す位置(軸の揺動方向)に加速度センサー40を装着し、軸21の揺動方向の振動加速度を測定することにより解析した。さらに油膜形成状態は図6に示すような電気回路を用い、油膜の電気抵抗を測定することにより検討した。すなわち軸21と試験軸受22に273mV電圧を加えた場合、軸21と試験軸受22間の出力電圧Eと油膜の電気抵抗Rには図7に示すような関係が成立する。例えば軸受面に厚い油膜が形成され軸21と試験軸受22が完全に分離した状態では電気抵抗が極めて高くなるため出力電圧は273mVになるが、油膜厚さの減少により固体接触の度合いが増すと電気抵抗が低くなり出力電圧は0mVまで低下する。なお、図2には、試験軸受22に潤滑油を供給し回収するための循環ポンプ27、オイルクーラー28、オイルタンク29、供給ポンプ30、供給パイプ31、回収パイプ32が示され、供給パイプ31の途中には、給油を停止するためのバルブ(図示しない)が設けられている。

0012

図8は軸21の揺動サイクルN=300cpm揺動角2ψ=55°、並びに最高軸受面圧Pwmax=18MPaの一定条件で十分ななじみ運転を実施した後、潤滑油の供給を停止して焼付が発生するまでの軸受振動加速度V及び軸21と軸受22間の出力電圧Eのサイクル変化を調べた結果である。

0013

図8(a)は給油停止前の安定した潤滑状態で得られた結果であるが、振動波形の特徴として1サイクルに2回すなわち軸21の揺動方向が反転するクランク角度θc=−90°および+90°近傍で、揺動方向の急激な変化によるものと推察できる高い振動スパイクが発生することが認められる。一方、油膜形成状態の特徴として荷重の低いθc=180°近傍では比較的厚い油膜が形成されるため出力電圧273mVとなるが、高い荷重が作用するθc=0°近傍から120°まででは油膜が破断し出力電圧は0mVまで低下することが認められる。このように出力電圧は1サイクル中に大きく変化するため、図9に示す式から1サイクルを通しての油膜形成率Fの値を求め油膜形成状態を評価した。

0014

図8(b)は給油を停止して570秒後に得られた結果であるが、潤滑状態が苛酷になると出力電圧は1サイクルを通して常に0mVとなり、油膜形成状態が悪化することがわかる。また給油停止前の振動波形と比較してθc=+90°近傍に高い振幅の振動スパイク(異常振動スパイク)の発生が認められる。さらに図8(c)は給油を停止して790秒後の焼付発生直前に得られた結果であるが潤滑状態が一段と苛酷になるとθc=+90°近傍の異常振動スパイクが高い振幅を示す特徴が認められる。

0015

図10理論計算により1サイクルにおけるクロスヘッド軸受1の最小油膜厚さhminの変化を求めた結果である。クロスヘッド軸受1の油膜厚さは荷重が最大となるθc=0°近傍で最小にならず、揺動方向が反転するθc=+90°を過ぎて最小になることがわかる。このため給油停止により潤滑状態が苛酷になると、1サイクル中で油膜厚さが最小となるθc=+90°近傍において振動スパイクが顕著に現れたものと推察できる。

0016

図11は給油を停止して焼付が発生するまでの振動加速度Vの変化を10サイクル通して記録した結果である。給油停止前の安定した潤滑状態では、10サイクル全ての振動波形がほぼ同様な変化を繰返している。しかし給油を停止して570秒後の場合、各サイクルで振動波形が異なっておりθc=+90°近傍の異常振動スパイクが発生しているサイクルと、ほとんど変化していないサイクルが混在することがわかる。これは潤滑状態が苛酷になった初期段階で油膜の破断と修復が繰返された結果によるものと推察できる。そして潤滑状態が一段と苛酷になり焼付が発生する直前の790秒後の場合、θc=+90°近傍の異常振動スパイクが10サイクル全てにおいて高い振幅を示す特徴が認められる。

0017

前述のような振動波形の特徴から、θc=+90°近傍における異常振動スパイクの発生頻度に着目した異常診断法について検討する。すなわち図12に示すように給油停止前の安定した潤滑状態で得られた振動波形におけるθc=+90°近傍の振動スパイクを基準値V0とする。潤滑状態が苛酷になるとθc=+90°近傍の振動スパイク実測値Vmが増大するが、ここで振動スパイクのしきい値Vcr(=1.2V0)を定め、10サイクル中でしきい値を超えた異常振動スパイクの発生数(異常振動発生率X)を計測する方法で異常診断を実施した。なお、基準値V0、実測値Vm、及びしきい値Vcrは、それ
ぞれ検知装置の制御回路に含まれる安定振動加速度演算手段、実測値演算手段、しきい値演算手段によってそれぞれ演算され、これらの演算結果から異常振動発生率演算手段によって異常な振動スパイクの発生率を演算することができるようになっている。

0018

図13は給油を停止して焼付が発生するまでの油膜形成率F、軸受表面温度T、振動加速度の実効値Vrms(二乗平均値)並びに異常振動発生率Xの経時変化を調べた結果である。軸受表面温度Tおよび振動加速度(実効値)Vrmsに関しては給油を停止して770秒後に急増し、その直後に焼付が発生した。すなわち表面温度および振動加速度(実効値)の急増が検出された段階では、既に潤滑状態が極めて苛酷な状態にあるため焼付発生を防止することは困難であることがわかる。一方、油膜形成率Fは軸受面に軽度な固体接触が発生した場合でも大幅に減少しており、給油停止後かなり早い段階で0%まで低下している。従って油膜形成率Fの変化から苛酷な固体接触の度合いを評価して焼付発生に至るかどうかの予知診断を行うことは困難であると考えられる。これに対して異常診断発生率Xが50%を越え、しきい値を越えた異常振動スパイクが頻繁に発生することを異常診断の基準に考えると、給油を停止して470秒後に潤滑状態の異常を検知でき、焼付発生の予防診断として有効であることがわかる。

0019

図14は軸の揺動サイクルN=300cpm、揺動角2ψ=55°、並びに最高軸受面圧Pwmax=20MPaの一定条件で十分なじみ運転を実施した後、Pwmax値のみを段階的(0.2MPa/30秒の増加率)に増大させて焼付が発生するまでの振動波形の変化を調べた結果である。Pwmax=20MPaの安定した潤滑状態で得られた振動波形と比較して、Pwmax=23.2MPaの荷重条件では潤滑状態が苛酷になりθc=+90°近傍の異常振動スパイクの発生が認められる。そして焼付が発生する直前のPwmax=24.2MPaの荷重条件では、潤滑状態が極めて苛酷になりθc=+90°近傍の異常振動スパイクが高い振幅を示す特徴が認められる。そこで、前述した異常振動の診断法と同様に、Pwmax=20MPaの安定した潤滑状態で得られた振動スパイクの基準値V0から、しきい値Vcr(=1.2V0)を定めて10サイクル中でしきい値を超えた異常振動発生率Xを計測する方法で異常診断を実施した。

0020

図15はPwmax値を20MPaから段階的に増加させて焼付が発生するまでの油膜形成率F、軸受表面温度T、振動加速度Vrms、並びに異常振動発生率Xの変化を調べた結果である。表面温度T及び振動加速度(実効値)Vrmsの値はPwmax=24.0MPaの荷重条件で急増し、その直後に焼付が発生した。一方、油膜形成率Fの値は焼付発生限界の軸受面圧(Pwmax=24.2MPa)と比較してかなり低い荷重条件で0%まで低下している。従って表面温度、振動加速度(実効値)、並びに油膜形成率の変化に基づいて焼付発生の予知診断を実施することは困難であることがわかる。これに対して異常振動発生率Xが50%を越え、高い振幅の異常振動スパイクが頻繁に発生することを異常診断の基準に考えると、Pwmax=23.2MPaの荷重条件で潤滑状態の異常を検知でき、焼付発生防止のための診断法として有効であることがわかる。

0021

以上の結果からθc=+90°近傍における異常振動スパイクの増大とその発生頻度に着目した異常振動発生率を用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できることがわかった。

0022

以上説明してきたように、実際機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機の振動状態をモニタリングし潤滑状態の異常診断について検討した結果、以下のことが明らかになった。
(1)クロスヘッド軸受の振動波形は1サイクルに2回すなわち揺動方向が反転するクランク角度θc=−90°及び+90°近傍で振動スパイクが発生する特徴がある。潤滑状態が苛酷になるとθc=+90°近傍における異常振動スパイクが発生する。
(2)軸受表面温度、振動加速度(実効値)、並びに油膜形成率の変化に基づいて異常診断を実施し焼付発生を防止することは困難である。
(3)θc=+90°近傍における異常振動スパイクの発生頻度に着目した異常振動発生率を用い異常診断を実施すると、苛酷な固体接触が発生した初期段階で潤滑状態の異常を検知できる。

0023

上述した方法にて異常を検知した場合(異常判定が行われたとき)は、
1.ディーゼル機関を停止する。

0024

2.ディーゼル機関の回転数を低下させる。

0025

3.ディーゼル機関の冷却を行なう。
以上のような対応を自動的に又は手動的に講じることにより、クロスヘッド軸受の焼付を防止することができる。

0026

なお、以上説明してきた実施の形態では、しきい値を安定振動スパイク時の振動加速度の基準値の1.2倍としたが、この倍数は、必ずしもこの数値に限定するものではなく、1.1〜1.3倍の範囲で適宜決めればよい。同様に異常振動スパイクの発生率の判定を50%としたが、この値も30〜60%の範囲で適宜決めればよい。

図面の簡単な説明

0027

大型2サイクルディーゼル機関の1つのピストンに対応するクロスヘッド軸受を示す概略図である。
大型2サイクルディーゼル機関のクロスヘッド軸受と相似な変動荷重、揺動運動の条件で焼付試験が実施できる軸受試験機の概略図である。
1サイクルにおける軸受面圧Pw並びに軸の揺動角速度ωの変化の一例を示すグラフである。
試験軸受として使用される軸受メタルの構造を示す正面図・平面図である。
軸受ハウジングへの加速度センサーの取り付け状態を示す概略図である。
油膜形成状態を測定するための回路図である。
軸と軸受メタル間の出力電圧と油膜の電気抵抗との関係を示すグラフである。
潤滑油の供給を停止して焼付が発生するまでの軸受振動加速度および軸と軸受間の出力電圧のサイクル変化を調べた結果を示すグラフである。
1サイクルを通しての油膜形成率の値を求める式及びその一例である。
理論計算により1サイクルにおけるクロスヘッド軸受の最少油膜厚の変化を求めたグラフである。
給油を停止して焼付が発生するまでの振動加速度の変化を10サイクル通して示したグラフである。
安定した潤滑状態で得られた振動波形と過酷な潤滑状態で得られた異常振動波形を示すグラフである。
給油を停止して焼付が発生するまでの油膜形成率、軸受表面温度、振動加速度の実効値、異常振動発生率の経時変化を示すグラフである。
軸受面圧を段階的に増加させて焼付が発生するまでの振動波形の変化を示すグラフである。
軸受面圧を段階的に増加させて焼付が発生するまでの油膜形成率、軸受表面温度、振動加速度の実効値、異常振動発生率の変化を示すグラフである。

符号の説明

0028

1クロスヘッド軸受
5 軸
7軸受メタル(軸受)
7a軸受ハウジング
10クランク軸
20軸受試験機
21 軸
22試験軸受
24クランク機構
25 油圧ラム

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