JP2018132110A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両に備えられる転がり軸受において、電食が発生することを防止又は抑制しつつ、潤滑性能を向上させることができる転がり軸受を提供する。【解決手段】軸受３２は、鉄道車両の主電動機に備えられる転がり軸受である。軸受３２は、内輪３２ｂと、内輪３２ｂを囲む外輪３２ａと、内輪３２ｂと外輪３２ａとの間に配置された複数の転動体３２ｃと、内輪３２ｂと外輪３２ａとの間に封入された潤滑剤と、を有する。潤滑剤は、基油と、カーボンブラックよりなり、且つ、潤滑剤に導電性を付与する第１導電性付与剤と、カーボンナノチューブよりなり、且つ、潤滑剤に導電性を付与する第２導電性付与剤と、を含有する。【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受に関するものである。

鉄道車両に備えられる主電動機は、軸受装置を備え、軸受装置は、転がり軸受を備える。このような鉄道車両に備えられる転がり軸受は、内輪と、内輪を囲む外輪と、内輪と外輪との間に配置された複数の転動体と、複数の転動体を保持する保持器と、を有する。また、内輪と外輪との間には、潤滑剤としてのグリースが封入されている。

特開２００８−１６４１７３号公報（特許文献１）には、転がり軸受において、内輪と外輪との間に保持器を介して複数の転動体を略等間隔で回動自在に保持してなり、かつカーボンブラックまたはカーボンナノチューブを０．５〜５重量％の割合で含有するグリース組成物を封入している技術が開示されている。

特開２００２−１９５２７７号公報（特許文献２）には、転がり軸受において、内輪と外輪との間に保持器を介して複数の転動体を略等間隔で回動自在に保持してなり、かつカーボンブラックを０．１〜１０重量％の割合で含有するグリース組成物を封入している技術が開示されている。

特開２００８−１６４１７３号公報 特開２００２−１９５２７７号公報

鉄道車両に備えられる転がり軸受に封入されている潤滑剤としてのグリースが絶縁性を有する場合を考える。また、鉄道車両においては、例えば主電動機のフレームと主軸との間に電位差が生じること等により、例えば外輪と転動体との間、又は、内輪と転動体との間に高電界が印加される場合がある。このような場合、潤滑剤の油膜による絶縁が破壊されて、転がり軸受に放電電流が流れるが、放電電流が流れることにより、外輪の表面、内輪の表面、又は、転動体の表面に損傷が加えられるため、転がり軸受に電食が発生するおそれがある。

一方、潤滑剤としてのグリースに導電性が付与されている場合には、鉄道車両に備えられる転がり軸受に放電電流が流れることがないので、転がり軸受に電食が発生することを、防止又は抑制することができる。

ところが、潤滑剤としてのグリースに含有されている増ちょう剤のせん断安定性が小さい場合には、グリースにせん断応力が印加されると、グリースに含有されている増ちょう剤の性能が低下し、基油の分離が進み、グリースが硬化し、グリースの潤滑剤としての性能が低下する。即ち、鉄道車両に備えられる転がり軸受において、電食が発生することを防止又は抑制しつつ、転がり軸受の潤滑性能を向上させることは、困難である。

本発明は、上述のような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、鉄道車両に備えられる転がり軸受において、電食が発生することを防止又は抑制しつつ、転がり軸受の潤滑性能を向上させることができる転がり軸受を提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の一態様としての転がり軸受は、鉄道車両の主電動機に備えられる転がり軸受である。当該転がり軸受は、内輪と、内輪を囲む外輪と、内輪と外輪との間に配置された複数の転動体と、内輪と外輪との間に封入された潤滑剤と、を有する。潤滑剤は、基油と、カーボンブラックよりなり、且つ、潤滑剤に導電性を付与する第１導電性付与剤と、カーボンナノチューブよりなり、且つ、潤滑剤に導電性を付与する第２導電性付与剤と、を含有する。

また、他の一態様として、潤滑剤は、０．５〜５．０質量％の第２導電性付与剤を含有してもよい。このとき、潤滑剤の不混和ちょう度は、１９５〜２１５であってもよい。

また、他の一態様として、潤滑剤は、１．０〜１．５質量％の第２導電性付与剤を含有してもよい。このとき、潤滑剤の不混和ちょう度は、２００〜２１０であってもよい。

また、他の一態様として、転がり軸受のｄｍＮ値は、３０万〜８０万であってもよい。

本発明の一態様を適用することで、鉄道車両に備えられる転がり軸受において、電食が発生することを防止又は抑制しつつ、転がり軸受の潤滑性能を向上させることができる。

実施の形態の転がり軸受が備えられた鉄道車両の主電動機周辺の構造を模式的に示す図である。 実施の形態の転がり軸受の一例としての玉軸受の一部切り欠き斜視図である。 実施の形態の転がり軸受の他の例としてのころ軸受の一部切り欠き斜視図である。 カーボンブラックの構造を模式的に示す図である。 カーボンナノチューブの構造を模式的に示す図である。 鉄道車両に備えられる転がり軸受に発生する電食の要因を模式的に示す図である。 融着荷重とカーボンナノチューブの含有量との関係を示すグラフである。 潤滑寿命試験の前後の比較例２のグリースの微細構造を模式的に示す図である。 潤滑寿命試験の前後の実施例１のグリースの微細構造を模式的に示す図である。 小型軸受を用いた通電回転試験装置を模式的に示す図である。

以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実施の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

また本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

（実施の形態）
＜鉄道車両の主電動機周辺の構造＞
初めに、図１を参照し、本発明の一実施形態である実施の形態の転がり軸受が備えられた鉄道車両の主電動機周辺の構造について説明する。図１は、実施の形態の転がり軸受が備えられた鉄道車両の主電動機周辺の構造を模式的に示す図である。

本実施の形態の転がり軸受は、レール上を走行する鉄道車両の主電動機に備えられる転がり軸受である。

図１に示されるように、本実施の形態の転がり軸受が備えられた鉄道車両は、主電動機１０と、カップリング１１と、駆動装置１２と、車軸１３と、車輪１４と、を備えている。

主電動機１０は、主軸１５を備えており、主電動機１０の主軸１５は、カップリング１１を介して駆動装置１２に接続されている。駆動装置１２は、主軸１５に固定された小歯車１６と、車軸１３に固定された大歯車１７と、を有し、小歯車１６と大歯車１７とは、互いに噛み合うように配置されている。車軸１３には、一対の車輪１４が固定されている。

なお、主電動機１０は、鉄道車両に備えられた台車（図示は省略）に支持されている。また、車軸１３の両端は、鉄道車両に備えられた台車（図示は省略）に回転可能に支持されている。

主電動機１０は、フレーム２０と、固定子２１と、回転子２２と、を備えている。固定子２１は、コイル２１ａを有し、回転子２２は、固定子に対向するように配置されている。フレーム２０は、固定子２１及び回転子２２を取り囲むように配置されている。主軸１５は、回転子２２の中心部に、回転子２２を貫通するように、固定されている。即ち、主軸１５は、主電動機１０の回転軸である。また、主電動機１０は、軸受装置３０と、軸受装置３１と、を有する。回転子２２及び主軸１５は、軸受装置３０及び軸受装置３１を介して、フレーム２０に支持されている。即ち、回転子２２は、フレーム２０に、主軸１５を回転軸として回転可能に支持されている。

鉄道車両が走行する際には、まず、三相交流電流が固定子２１のコイル２１ａに供給される。このとき、回転子２２の周りに回転磁界が形成され、この回転磁界により回転子２２に誘導電流が発生する。このように、回転子２２の周りに回転磁界が形成され、且つ、回転子２２に誘導電流が発生することにより、回転子２２を回転軸を中心として回転させるように働く電磁力が発生し、回転子２２が回転する。そして、回転子２２に固定された主軸１５も回転する。

このように主電動機１０の動作に伴って主軸１５が回転し、主軸１５の回転は、カップリング１１を介して駆動装置１２に伝達され、主軸１５に固定された小歯車１６が回転する。そして、小歯車１６の回転により、小歯車１６と噛み合う大歯車１７が回転する。そして、大歯車１７に固定された車軸１３が回転することにより、車軸１３の両端に固定された車輪１４が回転し、鉄道車両が走行する。

＜転がり軸受の構造＞
次に、図１乃至図３を参照し、本実施の形態の転がり軸受の構造について説明する。図２は、実施の形態の転がり軸受の一例としての玉軸受の一部切り欠き斜視図である。図３は、実施の形態の転がり軸受の他の例としてのころ軸受の一部切り欠き斜視図である。

図１及び図２に示すように、軸受装置３０は、転がり軸受としての軸受３２と、回転子２２側の蓋部３３と、回転子２２側と反対側の蓋部３４と、を備えている。軸受３２は、外輪３２ａと、内輪３２ｂと、転動体３２ｃと、保持器３２ｄと、を有する。外輪３２ａは、内輪３２ｂを囲む。転動体３２ｃは、内輪３２ｂと外輪３２ａとの間に配置されている。軸受３２は、蓋部３３と蓋部３４とにより挟まれ、内輪３２ｂの内周面が主軸１５の外周面に接触し、且つ、外輪３２ａが主電動機１０に対して固定されている。

図２に示す例では、軸受３２は、玉軸受であり、転動体３２ｃは、玉である。このような場合、内輪３２ｂは、内輪３２ｂの外周面（軌道面）が外輪３２ａの内周面（軌道面）と対向するように、外輪３２ａの内側に配置されている。転動体３２ｃは、内輪３２ｂの外周面の周方向、及び、外輪３２ａの内周面の周方向に沿って円環状に複数並べて配置されている。保持器３２ｄは、転動体３２ｃを、周方向に一定のピッチで保持している。

玉である転動体３２ｃは、内輪３２ｂの軌道面と外輪３２ａの軌道面との間で主にころがり摩擦を受ける。この摩擦を低減するために、内輪３２ｂと外輪３２ａとの間に、潤滑剤としてのグリースが封入されている。

図１及び図３に示すように、軸受装置３１は、転がり軸受としての軸受３５と、回転子２２側の蓋部３６と、回転子２２側と反対側の蓋部３７と、を備えている。軸受３５は、外輪３５ａと、内輪３５ｂと、転動体３５ｃと、保持器３５ｄと、を有する。外輪３５ａは、内輪３５ｂを囲む。転動体３５ｃは、内輪３５ｂと外輪３５ａとの間に配置されている。軸受３５は、蓋部３６と蓋部３７とにより挟まれ、内輪３５ｂの内周面が主軸１５の外周面に接触し、且つ、外輪３５ａが主電動機１０に対して固定されている。

図３に示す例では、軸受３５は、ころ軸受であり、転動体３５ｃは、例えばころである。このような場合、内輪３５ｂは、内輪３５ｂの外周面（軌道面）が外輪３５ａの内周面（軌道面）と対向するように、外輪３５ａの内側に配置されている。転動体３５ｃは、内輪３５ｂの外周面の周方向、及び、外輪３５ａの内周面の周方向に沿って円環状に複数並べて配置されている。保持器３５ｄは、転動体３５ｃを、周方向に一定のピッチで保持している。

ころである転動体３５ｃは、内輪３５ｂの軌道面と外輪３５ａの軌道面との間で主にころがり摩擦を受ける。この摩擦を低減するために、内輪３５ｂと外輪３５ａとの間に、潤滑剤としてのグリースが封入されている。

前述したように、軸受３２は、軸受装置３０に備えられ、軸受３５は、軸受装置３１に備えられ、軸受装置３０及び軸受装置３１は、鉄道車両に備えられた主電動機１０に備えられる。鉄道車両の最高運転速度は、例えば８０〜１３０ｋｍ／ｈ程度であり、主電動機１０の主軸１５の最高回転数、即ち軸受３２及び軸受３５の最高回転数は、例えば４０００〜６０００ｒｐｍ程度である。そのため、軸受３２及び軸受３５の各々におけるｄｍＮ値は、３０万〜８０万であり、通常の機械装置に備えられる軸受のｄｍＮ値に比べて、極めて大きい。なお、ｄｍＮ値とは、ｄｍとＮとの積を意味し、ｄｍは、軸受の内径と外径との平均値を意味し、Ｎは、軸受の毎分の回転数を意味する。

＜グリースの組成＞
次に、本実施の形態の転がり軸受に封入されているグリースの組成、即ち本実施の形態の潤滑剤としてのグリースの組成について、説明する。

本実施の形態の潤滑剤としてのグリースは、基油と、第１導電性付与材と、第２導電性付与材と、を含有する。第１導電性付与材及び第２導電性付与材は、いずれも潤滑剤に導電性を付与する。なお、本願明細書において、導電性を付与する、とは、半導体の導電率程度以上の導電率を付与することを意味し、導電率（電気抵抗率の逆数）が１０^−６Ｓｃｍ^−１以上、即ち電気抵抗率が１０^６Ωｃｍ以下であることを意味する。

基油は、特に限定されるものではなく、通常潤滑グリースの基油として使用されているものであれば鉱油系か合成系かを問わず使用することができる。

鉱油系潤滑油基油としては、例えば、原油を常圧蒸留及び減圧蒸留して得られた潤滑油留分を、溶剤脱れき、溶剤抽出、水素化分解、溶剤脱ろう、接触脱ろう、水素化精製、硫酸洗浄又は白土処理等の精製処理を適宜組み合わせて精製したパラフィン系又はナフテン系等の油を用いることができる。

また、合成系潤滑油基油としては、例えば、ポリα−オレフィン（ポリブテン、１−オクテンオリゴマー若しくは１−デセンオリゴマー等）、アルキルベンゼン、アルキルナフタレン、ジエステル（ジトリデシルグルタレート、ジ（２−エチルヘキシル）アジペート、ジイソデシルアジペート、ジトリデシルアジペート若しくはジ（２−エチルヘキシル）セパケート等）、ポリオールエステル（トリメチロールプロパンカプリレート、トリメチロールプロパンペラルゴネート、ペンタエリスリトール２−エチルヘキサノエート若しくはペンタエリスリトールペラルゴネート等）、ポリオキシアルキレングリコール、ポリフェニルエーテル、シリコーン油又はパーフルオロアルキルエーテル等を用いることができる。これらの基油を単独で用いてもよく、２種以上組み合わせて用いてもよい。

第１導電性付与剤は、カーボンブラックよりなる。図４は、カーボンブラックの構造を模式的に示す図である。

図４に示すように、カーボンブラック４０は、人工的に合成され、且つ、数ｎｍ〜数百ｎｍの直径を有する球形炭素微粒子を意味する。図４に示すように、カーボンブラック４０は、球形の炭素微粒子が凝集して形成されたネットワーク構造を有する。これにより、グリースに含有されるカーボンブラックは、グリースに導電性を付与する導電性付与剤としての機能と、グリースを半固体状に保つための増ちょう剤としての機能と、を有する。

本実施の形態の転がり軸受に封入されるグリースに含有されるカーボンブラックの平均粒径は、好適には、３０〜７０ｎｍである。平均粒径が３０ｎｍ以上の場合、平均粒径が３０ｎｍ未満の場合に比べ、導電性が向上し、平均粒径が７０ｎｍ以下の場合、平均粒径が７０ｎｍを超える場合に比べ、炭素微粒子が凝集してネットワーク構造を形成しやすくなる。

本実施の形態の転がり軸受に封入されるグリースに含有されるカーボンブラックの含有量は、５〜１５質量％であることが好ましい。カーボンブラックの含有量が５質量％以上の場合、カーボンブラックの含有量が５質量％未満の場合に比べ、グリースの導電性が向上する。一方、カーボンブラックの含有量が１５質量％以下の場合、カーボンブラックの含有量が１５質量％を超える場合に比べ、グリースの潤滑性が向上する。

第２導電性付与剤は、カーボンナノチューブよりなる。図５は、カーボンナノチューブの構造を模式的に示す図である。

図５に示すように、カーボンナノチューブ４１は、炭素原子が六角形の網目状に共有結合により二次元的に結合したグラフェンシートが、ナノメートルオーダーの直径の円筒に丸まった中空の管状構造を有する。これにより、グリースに含有されるカーボンナノチューブは、グリースに導電性を付与する導電性付与剤としての機能と、グリースを半固体状に保つための増ちょう剤としての機能と、を有する。

また、カーボンナノチューブの強度は、カーボンブラックのネットワーク構造の強度に比べて高く、カーボンナノチューブにせん断応力が印加された場合でも、カーボンナノチューブの中空の管状構造は破壊されにくい。そのため、グリースに含有されるカーボンナノチューブは、グリースにせん断応力が印加された場合でも、増ちょう剤としての機能を失わず、且つ、グリースの潤滑性を向上させることができる。

本実施の形態の転がり軸受に封入されるグリースに含有されるカーボンナノチューブ即ち第２導電性付与剤の含有量は、０．５〜５．０質量％であることが好ましい。カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％以上の場合、カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％未満の場合に比べ、グリースの潤滑剤としての性能が向上する。一方、カーボンナノチューブの含有量が５．０質量％以下の場合、カーボンナノチューブの含有量が５．０質量％を超える場合に比べ、グリースの不混和ちょう度を１９５以上にすることができ、グリースを柔らかくすることができる。また、カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％以上の場合、グリースの不混和ちょう度が２１５以下になる。即ち、カーボンナノチューブ即ち第２導電性付与剤の含有量が０．５〜５．０質量％であるとき、グリースの不混和ちょう度は、１９５〜２１５である。

また、本実施の形態の転がり軸受に封入されるグリースに含有されるカーボンナノチューブ即ち第２導電性付与剤の含有量は、１．０〜１．５質量％であることが、より好ましい。カーボンナノチューブの含有量が１．０質量％以上の場合、カーボンナノチューブの含有量が１．０質量％未満の場合に比べ、グリースの潤滑剤としての性能が更に向上する。一方、カーボンナノチューブの含有量が１．５質量％以下の場合、カーボンナノチューブの含有量が１．５質量％を超える場合に比べ、グリースの不混和ちょう度を２００以上にすることができ、グリースを更に柔らかくすることができる。また、カーボンナノチューブの含有量が１．０質量％以上の場合、グリースの不混和ちょう度が２１０以下になる。即ち、カーボンナノチューブ即ち第２導電性付与剤の含有量が１．０〜１．５質量％であるとき、グリースの不混和ちょう度は、２００〜２１０である。

なお、不混和ちょう度は、グリースの柔らかさを示す尺度であり、不混和ちょう度の値が大きいほどグリースが柔らかいことを意味する。また、鉄道車両の主電動機に備えられる転がり軸受に封入されるグリースとしては、１５０〜３５０の不混和ちょう度を有するものを、用いることができる。

なお、本実施の形態のグリースは、増ちょう剤を含有してもよい。増ちょう剤は、特に限定されるものではなく、通常増ちょう剤として使用されているものであれば、天然由来か合成かを問わず用いることができる。このように通常用いられている増ちょう剤のうち、例えばカルシウム石けん、リチウム石けん若しくはナトリウム石けん、又は、カルシウム複合石けん、アルミニウム複合石けん若しくはリチウム複合石けん等の金属石けん系の増ちょう剤を用いることが好ましい。

次に、図１及び図６を参照しながら、本実施の形態の転がり軸受が電食を防止できることについて説明する。図６は、鉄道車両に備えられる転がり軸受に発生する電食の要因を模式的に示す図である。なお、図６に示す主電動機１０、軸受３２、軸受３５及び車輪１４は、図１に示す主電動機１０、軸受３２、軸受３５及び車輪１４に相当する。

まず、潤滑剤が、基油を含有するが、カーボンブラックもカーボンナノチューブも含有しない場合を考える。このような場合には、潤滑剤には、導電性が付与されておらず、潤滑剤は、絶縁性を有する。また、鉄道車両においては、例えば主電動機１０のフレーム２０と主軸１５との間に電位差が生じること等により、例えば外輪３２ａと転動体３２ｃとの間若しくは内輪３２ｂと転動体３２ｃとの間、又は、外輪３５ａと転動体３５ｃとの間若しくは内輪３５ｂと転動体３５ｃとの間に高電界が印加される場合がある。

このような場合、潤滑剤の油膜による絶縁が破壊されて、外輪３２ａと転動体３２ｃとの間若しくは内輪３２ｂと転動体３２ｃとの間、又は、外輪３５ａと転動体３５ｃとの間若しくは内輪３５ｂと転動体３５ｃとの間に放電電流が流れる。即ち、転がり軸受としての軸受３２又は軸受３５に放電電流が流れる。このようにして、軸受３２又は軸受３５に放電電流が流れ、外輪３２ａ若しくは内輪３２ｂ又は外輪３５ａ若しくは内輪３５ｂに放電電流が流れることにより、外輪３２ａの表面、内輪３２ｂの表面若しくは転動体３２ｃの表面、又は、外輪３５ａの表面、内輪３５ｂの表面若しくは転動体３５ｃの表面に損傷が加えられるため、軸受３２又は軸受３５に電食が発生するおそれがある。

また、鉄道車両に備えられる転がり軸受としての軸受３２又は軸受３５に電流が流れ、軸受３２又は軸受３５に電食が発生する例として、図６に示す第１の例乃至第４の例が挙げられる。

図６に示す第１の例として、以下のような現象が挙げられる。主電動機１０の磁気回路の不平衡により、電機子（回転子）の回転位置により磁気回路抵抗が変化し、磁束の変化により主軸１５（図１参照）に電圧が発生し、主軸１５に電流が流れることがある。これにより、軸受３２又は軸受３５に電流が流れやすくなり、軸受３２又は軸受３５に電食が発生するおそれがある。なお、図６に示すように、主電動機１０は、パンタグラフ５０を介して架線５１に電気的に接続されている。

また、図６に示す第２の例として、以下のような現象が挙げられる。主電動機１０の巻線と、鉄心又は磁気枠との間には、絶縁物を介して電圧がかかっており、主電動機１０の巻線と、鉄心又は磁気枠とは、コンデンサを形成する。そして、主電動機１０と電気的に接続され、且つ、チョッパ又はインバータよりなる制御装置５２を用いて主電動機１０の巻線に流れる電流を制御する場合、パルス状の電圧が巻線に印加され、過渡的に磁束の不平衡が生ずることがある。この主電動機１０の巻線と鉄心又は磁気枠とがコンデンサを形成するため、又は、過渡的な磁束の不平衡が発生するために、パルス状の電圧によって軸受３２又は軸受３５に電流が流れやすくなり、軸受３２又は軸受３５に電食が発生するおそれがある。

また、図６に示す第３の例として、以下のような現象が挙げられる。主回路または補助回路としての制御装置５２から接地装置５３及び車輪１４を介してレール５４への接地が十分でないために、接地電流の一部としての電流が軸受３２又は軸受３５（図１参照）に流れやすくなり、軸受３２又は軸受３５に電食が発生するおそれがある。

また、図６に示す第４の例としては、以下のような現象が挙げられる。レール５４の絶縁継目５５を挟んで両側のレール５４の間で、交流電流である信号電流を遮断し、直流電流である帰線電流を流すために、両側のレール５４の間には、インピーダンスボンド５６が接続されている。このような場合において、走行中の鉄道車両の台車５７又は車体を介して両側のレール５４が短絡されることがある。これにより、軸受３２又は軸受３５に電流が流れやすくなり、軸受３２又は軸受３５に電食が発生するおそれがある。

このように、潤滑剤が、基油を含有するが、カーボンブラックもカーボンナノチューブも含有せず、絶縁性を有する場合には、軸受３２又は軸受３５に電食が発生するおそれがある。

即ち、潤滑剤が絶縁性を有する場合には、軸受３２又は軸受３５は、鉄道車両の主電動機１０に備えられるものであるため、通常の機械装置に備えられる軸受に比べ、鉄道車両特有の原因により、電食が発生しやすい。図６を用いて説明したように、軸受３２又は軸受３５は、鉄道車両の主電動機１０に備えられるものであるため、鉄道車両内で電気が流れる経路が、軸受３２又は軸受３５に電流が流れやすくなるような経路になっている点で、通常の機械装置に備えられる軸受と異なる。また、軸受３２又は軸受３５は、鉄道車両の主電動機１０に備えられるものであるため、軸受３２又は軸受３５の各々におけるｄｍＮ値は、３０万〜８０万であり、通常の機械装置に備えられる軸受のｄｍＮ値に比べて、極めて大きい。つまり、軸受３２又は軸受３５に電食が発生する課題は、鉄道車両内で電気が流れる経路が、軸受３２又は軸受３５に電流が流れやすくなるような経路になっていること、及び、軸受３２又は軸受３５のｄｍＮ値が大きいこと、といった特徴を有する、鉄道車両の主電動機１０に備えられる軸受３２又は軸受３５に特有の課題である。

一方、潤滑剤が、基油と、カーボンブラックを含有するが、カーボンナノチューブを含有しない場合を考える。このような場合、潤滑剤が、基油を含有するが、カーボンブラックもカーボンナノチューブも含有しない場合に比べ、潤滑剤には、導電性が付与される。そのため、外輪３２ａと転動体３２ｃとの間若しくは内輪３２ｂと転動体３２ｃとの間、又は、外輪３５ａと転動体３５ｃとの間若しくは内輪３５ｂと転動体３５ｃとの間には、電流が流れやすくなる。

従って、例えば外輪３２ａと転動体３２ｃとの間若しくは内輪３２ｂと転動体３２ｃとの間、又は、外輪３５ａと転動体３５ｃとの間若しくは内輪３５ｂと転動体３５ｃとの間に高電界が印加された場合でも、潤滑剤の油膜による絶縁が破壊されて放電電流が流れることがない。そのため、外輪３２ａの表面、内輪３２ｂの表面若しくは転動体３２ｃの表面、又は、外輪３５ａの表面、内輪３５ｂの表面若しくは転動体３５ｃの表面に損傷が加えられることを防止又は抑制することができ、鉄道車両に備えられる軸受３２又は軸受３５に電食が発生することを、防止又は抑制することができる。

図４に示すように、カーボンブラック４０は、複数の粒子が凝集して形成されたネットワーク構造を有し、基油と、カーボンブラックと、を含有するグリースにおいて、カーボンブラックは、グリースを半固体状に保持する増ちょう性を付与する増ちょう剤である。ところが、基油と、カーボンブラックと、を含有するグリースにせん断応力が印加されると、カーボンブラックのネットワーク構造が破壊され、増ちょう剤としての性能が低下するため、基油の分離が進み、グリースが硬化する。そのため、グリースの潤滑剤としての性能が低下する。

このように、鉄道車両に備えられる軸受３２又は軸受３５において、電食が発生することを防止又は抑制しつつ、軸受３２又は軸受３５の潤滑性能を向上させることは、困難である。

一方、本実施の形態のグリースは、基油と、カーボンブラックと、カーボンナノチューブと、を含有する。カーボンナノチューブの強度は、ネットワーク構造を有するカーボンブラックの強度よりも高く、カーボンナノチューブのせん断応力に対する安定性、即ちせん断安定性は、カーボンブラックのせん断安定性よりも大きい。従って、本実施の形態のグリースでは、せん断応力によりカーボンブラックのネットワーク構造が破壊された場合でも、破壊されずに残ったカーボンナノチューブが増ちょう剤の役割を果たすので、基油の分離を抑制することができる。また、カーボンナノチューブ自身の潤滑効果により、グリースの潤滑剤としての性能を向上させることができる。

なお、本実施の形態のグリースも、カーボンブラックを含有するため、グリースには、導電性が付与される。そのため、本実施の形態のグリースが封入された転がり軸受は、鉄道車両に備えられる場合でも、電食が発生することを防止又は抑制しつつ、転がり軸受の潤滑性能を向上させることができる。

前述したように、転がり軸受に電食が発生する課題は、鉄道車両に備えられる転がり軸受において、極めて顕著な課題である。そのため、本実施の形態のグリースが封入された転がり軸受において、電食が発生することを防止又は抑制し、且つ、転がり軸受の潤滑性能を向上させる効果は、通常の機械装置に備えられる転がり軸受における効果よりも大きい。

以下、実施例に基づいて本実施の形態を更に詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。

［グリース試料準備］
（比較例１）
比較例１のグリースとして、８６質量％の基油としての鉱油と、１４質量％の増ちょう剤としてのリチウム複合石けんと、を含有するグリース（商品名：ユニマックスＲ Ｎｏ．２、協同油脂株式会社製）を準備した。比較例１のグリースの組成を、表１に示す。

（比較例２）
比較例２のグリースとして、９２質量％の基油としての合成エステル油と、３質量％の増ちょう剤としてのリチウム複合石けんと、５質量％の導電性付与剤としてのカーボンブラックと、を含有するグリース（商品名：マルテンプＥＬＫ、協同油脂株式会社製）を準備した。比較例２のグリースの組成を、表１に示す。なお、表１では、カーボンブラックを「ＣＢ」により表す。

（実施例１）
実施例１のグリースとして、９０質量％の基油としての合成エステル油と、３質量％の増ちょう剤としてのリチウム複合石けんと、５質量％の導電性付与剤としてのカーボンブラックと、１．５質量％の導電性付与剤としてのカーボンナノチューブと、を含有するグリースを準備した。具体的には、実施例１のグリースとして、比較例２のグリースに、添加量（含有量）が１．５質量％となるように、カーボンナノチューブ（商品名：ＶＧＣＦ−Ｈ、昭和電工株式会社製）を添加した（含有させた）。実施例１のグリースの組成を、表１に示す。なお、表１では、カーボンブラックを「ＣＢ」により表し、カーボンナノチューブを「ＣＮＴ」により表す。

また、昭和電工株式会社製の商品名ＶＧＣＦ−Ｈのカーボンナノチューブは、１５０ｎｍの繊維径、２．１ｇ／ｃｍ^３の真密度、１３ｍ^２／ｇの比表面積、１２００Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率、及び、１×１０^４Ωｃｍの抵抗率を有していた。なお、カーボンナノチューブの平均直径は、１０〜３００ｎｍであることが好ましく、カーボンナノチューブの平均長さは、１００〜５００μｍであることが好ましい。

なお、比較例２及び実施例１において、カーボンブラックは、グリースに導電性を付与する導電性付与剤のみならず、グリースに増ちょう性を付与する増ちょう剤としても機能する。また、実施例１において、カーボンナノチューブは、グリースに導電性を付与する導電性付与剤のみならず、グリースに増ちょう性を付与する増ちょう剤、及び、グリースの潤滑性を向上させる潤滑性向上剤としても機能する。

また、実施例１において、カーボンナノチューブの添加量については、添加量を増やすとちょう度が小さく（グリースが硬く）なり、転がり軸受の潤滑部へのグリースの導入が不十分になる虞があるため、ちょう度が２００以下とならない最大添加量である１．５質量％とした。

（実施例２）
実施例２のグリースとして、比較例２のグリースに、含有量が０．５質量％及び１．０質量％となるように、カーボンナノチューブ（商品名：ＶＧＣＦ−Ｈ、昭和電工株式会社製）の添加量（含有量）を変化させた２種類のグリースを準備した。

（実施例３）
実施例３のグリースとして、比較例２のグリースに、含有量が０．５質量％、１．０質量％、５．０質量％、１０質量％及び１５質量％となるように、二層の同軸管状になったカーボンナノチューブ（Double-Walled Carbon Nanotube：ＤＷＮＴ）の添加量（含有量）を変化させた５種類のグリースを準備した。なお、二層の同軸管状になった場合、カーボンナノチューブの平均直径は、１０〜３００ｎｍであることが好ましく、カーボンナノチューブの平均長さは、１００〜５００μｍであることが好ましい。

［四球型摩擦摩耗試験］
（比較例１、比較例２及び実施例１）
次に、比較例１、比較例２及び実施例１の３種類のグリースについて、四球型摩擦摩耗試験による耐荷重性評価を行った。具体的には、試験に用いた四球のうちのいずれかの摩擦面の焼き付きが発生する荷重である、融着荷重を測定した。その結果、比較例１では、融着荷重が１２３５Ｎであり、比較例２では、融着荷重が１７４４Ｎであるのに対して、実施例１では、融着荷重が２４６０Ｎであり、比較例１のグリース及び比較例２のグリースのいずれに対しても融着荷重が増加した。これにより、カーボンナノチューブを添加することによりグリースの潤滑剤としての性能が向上することが確認できた。

（比較例２、実施例１、実施例２及び実施例３）
次に、カーボンナノチューブの含有量の最適な範囲を評価するために、比較例２、実施例１、実施例２（２種類）及び実施例３（５種類）の９種類のグリースについて、四球型摩擦摩耗試験による耐荷重性評価を行い、融着荷重を測定した。その結果を、図７に示す。図７は、融着荷重とカーボンナノチューブの含有量との関係を示すグラフである。

図７に示すように、比較例２では、融着荷重が１７４４Ｎであった。一方、含有量が０．５質量％、１．０質量％及び１．５質量％となるように、比較例２のグリースにカーボンナノチューブ（商品名：ＶＧＣＦ−Ｈ、昭和電工株式会社製）を添加したグリースである実施例１及び実施例２では、融着荷重が２１９５Ｎ以上となり、比較例２のグリースに対して融着荷重が増加した。なお、図７において「ＶＧＣＦ」で示されるデータのうち、カーボンナノチューブの含有量が０質量％のものが、比較例２を示し、カーボンナノチューブの含有量が１．５質量％のものが、実施例１を示し、カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％及び１．０質量％のものが、実施例２を示す。

また、比較例２では、融着荷重が１７４４Ｎであるのに対して、含有量が１．０質量％、５．０質量％、１０質量％及び１５質量％となるように、比較例２のグリースにＤＷＮＴのカーボンナノチューブを添加したグリースである実施例３では、融着荷重が１９６０Ｎ以上となり、比較例２のグリースに対して融着荷重が増加した。なお、図７において「ＤＷＮＴ」で示されるデータのうち、カーボンナノチューブの含有量が０質量％のものが、比較例２を示し、カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％、１．０質量％、５．０質量％、１０質量％及び１５質量％のものが、実施例３を示す。

従って、グリースは、０．５〜５．０質量％のカーボンナノチューブを含有することが好ましい。カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％以上の場合は、カーボンナノチューブが、昭和電工株式会社製の商品名ＶＧＣＦ−Ｈであるときに、カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％未満の場合に比べ、グリースの潤滑剤としての性能が向上する。一方、カーボンナノチューブの含有量が５．０質量％以下の場合、カーボンナノチューブの含有量が５．０質量％を超える場合に比べ、グリースの不混和ちょう度を１９５以上にすることができ、グリースを柔らかくすることができる。また、カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％以上の場合、グリースの不混和ちょう度が２１５以下になる。

なお、不混和ちょう度は、グリースの柔らかさを示す尺度であり、不混和ちょう度の値が大きいほどグリースが柔らかいことを意味する。

また、グリースは、１．０〜１．５質量％のカーボンナノチューブを含有することが、より好ましい。カーボンナノチューブの含有量が１．０質量％以上の場合は、カーボンナノチューブが、昭和電工株式会社製の商品名ＶＧＣＦ−Ｈであるときでも、ＤＷＮＴであるときでも、カーボンナノチューブの含有量が１．０質量％未満の場合に比べ、グリースの潤滑剤としての性能が更に向上するか、又は、カーボンナノチューブの含有量が０．５質量％の場合と同等である。一方、カーボンナノチューブの含有量が１．５質量％以下の場合、カーボンナノチューブの含有量が１．５質量％を超える場合に比べ、ちょう度を２００以上にすることができ、グリースを更に柔らかくすることができる。また、カーボンナノチューブの含有量が１．０質量％以上の場合、グリースの不混和ちょう度が２１０以下になる。

［実物大軸受を用いた潤滑寿命試験］
次に、比較例２及び実施例１の２種類のグリースについて、鉄道車両に備えられる主電動機の転がり軸受と略等しい大きさを有する実物大軸受を用いた潤滑寿命試験による潤滑性能評価を行った。具体的には、図３を用いて説明したころ軸受に、比較例２及び実施例１のいずれかのグリースを封入し、最高走行速度１３０ｋｍ／ｈの走行条件を模擬し、鉄道車両の重要部検査周期に相当する６０万ｋｍ走行相当の軸受回転試験である潤滑寿命試験を行い、潤滑寿命試験が終了した後、ころ軸受の外観調査を行った。その結果を、表２に示す。

また、潤滑寿命試験が終了した後、ころ軸受から採取したグリースの分析を行った。具体的には、分析用試料としてのグリースを、保持器から０．３ｇ採取した。そして、採取した分析用試料のちょう度（拡がりちょう度）を測定した。また、採取した分析用試料に含有されている金属の含有量を、当該試料を酸で溶解してＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分析法により測定した。更に、採取した分析用試料の油分離率を、当該分析用試料をノルマルヘキサンに分散させ、メンブレンフィルターで固形分をろ過する方法により測定した。その結果を、表２に示す。

比較例２では、外観調査を行った結果、内輪の軌道面に、潤滑不良による発熱が原因で発生したと考えられる青紫色の変色が観察された。また、比較例２では、保持器に付着しているグリースに保持器の摩耗粉が多量に含まれていた。これらのことから、比較例２では、潤滑不良による保持器の摩耗が発生したと推定される。

一方、実施例１では、外観調査を行った結果、内輪の軌道面に褐色の着色が観察された以外は、異常は観察されなかった。

また、表２に示すように、比較例２では、保持器から採取したグリースの分析を行った結果、採取したグリースが著しく硬化しており、ちょう度を測定することができなかった。また、採取したグリースにおける銅の含有量が６．４０質量％と極めて大きいことから、保持器の摩耗が著しく進行していることが示された。また、採取したグリースにおける油分離率が２１．８％と大きかった。

一方、表２に示すように、実施例１では、保持器から採取したグリースの分析を行った結果、採取したグリースのちょう度は１９１であり、潤滑寿命試験前のグリースのちょう度の値である２００よりも少し小さく、潤滑寿命試験を行ったことにより、グリースが若干硬化していた。しかし、実施例１において採取したグリースにおける鉄の含有量、及び、銅の含有量のいずれも、比較例２において採取したグリースにおける鉄の含有量、及び、銅の含有量よりも小さく、実施例１において採取したグリースにおける油分離率は、比較例２において採取したグリースにおける油分離率よりも小さかった。

このように、実物大軸受を用いた潤滑寿命試験を行った結果、導電性付与剤としてカーボンブラックのみを添加した比較例２のグリースでは、ころ軸受の潤滑不良が発生したが、導電性付与剤としてカーボンブラックとカーボンナノチューブとを添加した実施例１のグリースでは、ころ軸受の潤滑不良が発生することなく、６０万ｋｍ相当走行の耐久性を有することが確認できた。

比較例２のグリースで潤滑不良が発生した理由については、図８を用いて、以下のように考えられる。図８は、潤滑寿命試験の前後の比較例２のグリースの微細構造を模式的に示す図である。

比較例２では、グリースに添加されたカーボンブラック４０は、図８（ａ）に示すように、複数の粒子が凝集して形成されたネットワーク構造を有する。比較例２のグリースでは、カーボンブラック４０は、カーボンブラック４０のネットワーク構造を利用してグリースに導電性を付与する導電性付与剤として利用され、且つ、グリースのちょう度を増加させてグリースを半固体状に保持する増ちょう剤として利用される。転がり軸受の内部でグリースにせん断応力が印加されると、図８（ｂ）に示すように、カーボンブラック４０のネットワーク構造が破壊され、増ちょう剤としての性能が低下することで、油分の分離（離油）が促進される。これにより、油分離率の値が大きくなり、硬化が進んだと考えられる。

一方、実施例１のグリースで潤滑不良が発生しなかった理由については、図９を用いて、以下のように考えられる。図９は、潤滑寿命試験の前後の実施例１のグリースの微細構造を模式的に示す図である。

実施例１でも、比較例２と同様に、グリースに添加されたカーボンブラック４０は、図９（ａ）に示すように、複数の粒子が凝集して形成されたネットワーク構造を有する。一方、実施例１では、比較例２とは異なり、図９（ａ）に示すように、グリースにはカーボンナノチューブ４１が添加されている。グリースに添加されたカーボンナノチューブ４１の強度は、ネットワーク構造を有するカーボンブラック４０の強度よりも高く、カーボンナノチューブ４１のせん断応力に対する安定性、即ちせん断安定性は、カーボンブラック４０のせん断安定性よりも大きい。

実施例１のグリースでも、比較例２のグリースと同様に、転がり軸受の内部でグリースにせん断応力が印加されると、図９（ｂ）に示すように、カーボンブラック４０のネットワーク構造が破壊される。しかし、実施例１のグリースでは、比較例２のグリースとは異なり、図９（ｂ）に示すように、カーボンブラック４０のネットワーク構造が破壊された場合でも、カーボンナノチューブ４１は破壊されずに残り、残ったカーボンナノチューブ４１が増ちょう剤の役割を果たすので、基油の分離を抑制することができる。また、カーボンナノチューブ４１自身の潤滑効果により、グリースの潤滑剤としての性能を向上させることができる。

［小型軸受を用いた通電回転試験］
次に、比較例１、比較例２及び実施例１の３種類のグリースについて、図１０に示すような小型軸受を用いた通電回転試験による電食防止性能評価を行った。図１０は、小型軸受を用いた通電回転試験装置を模式的に示す図である。

具体的には、前述した図２を用いて説明した深溝玉軸受と同様の軸受６２に、比較例２及び実施例１のいずれかのグリースを封入し、図１０に示す通電回転試験装置を用いて１８０Ｎの半径方向の荷重（ラジアル荷重）ＦＲ１を印加し、１０００ｍｉｎ^−１の回転数で回転させる。この荷重は、玉６２ｃと外輪６２ａ又は内輪６２ｂの軌道面との最大接触面圧が実際の鉄道車両に備えられる主電動機の転がり軸受における半径方向の荷重と略等しくなるように設定されたものである。

外輪６２ａに接するハウジング６４と、内輪６２ｂに接する回転軸６５に取り付けたロータリーコネクタ６６とに、直流電源６７の正負の電極端子をそれぞれ接続することにより、軸受６２の内部に直流電流としての電流を流した。直流電流を流す場合には、マイナス側の軌道面に電食痕が発生すると言われているが、試験後に、表面状態の観察等の際に取り扱いが容易な内輪６２ｂを用いて評価を行うため、外輪６２ａの軌道面を正極側とし、内輪６２ｂの軌道面を負極側とした。また、ロータリーコネクタ６６等の許容電流を考慮しつつ、導電性グリースで試験を行った際に比較的短時間で確実に電食を発生させることが可能な電流密度が与えられるように、６Ａの電流６７ａを流した。また、３６０時間の間、電流を流した。なお、軸受６２の内部に流れる電流は、電流計６８により電流６７ａとして測定し、直流電源６７の正負の電極端子の間の電圧は、電圧計６９により測定した。

その結果、比較例１のグリースを封入した場合、内輪６２ｂの軌道面にリッジマークが発生した。そのため、比較例１のグリースの電食防止性能は小さいことが分かった。これは、例えば比較例１のグリースが、導電性付与剤を含有せず、絶縁性を有するためと考えられる。

また、比較例２のグリースを封入した場合、比較例１のグリースを封入した場合に比べると、軽微ではあるが、内輪６２ｂの軌道面にリッジマークが発生した。そのため、比較例２のグリースの電食防止性能は、比較例１のグリースの電食防止性能よりは大きいものの、それほど大きくないことが分かった。これは、前述した図８を用いて説明したように、グリースにせん断応力が印加されることにより、カーボンブラックのネットワーク構造が破壊されるためと考えられる。

一方、実施例１のグリースを封入した場合、外観上、内輪６２ｂの軌道面にはリッジマークが発生しなかった。そのため、実施例１のグリースの電食防止性能は、比較例１及び比較例２のいずれのグリースの電食防止性能に比べても、大きいことが分かった。従って、基油と、カーボンブラックとを含有するグリースに、更にカーボンナノチューブを添加することにより、グリースの電食防止性能が向上することが確認された。

なお、詳細は省略するものの、潤滑剤としてのグリースが、基油と、カーボンナノチューブと、を含有するが、カーボンブラックを含有しない場合の評価を行ったところ、内輪の軌道面にリッジマークが発生した。そのため、グリースが、基油と、カーボンナノチューブと、を含有するが、カーボンブラックを含有しない場合、グリースが、基油と、カーボンブラックと、を含有する場合に比べ、電食防止性能が小さいことが分かった。これは、グリースが、基油と、カーボンナノチューブと、を含有するが、カーボンブラックを含有しない場合、グリースが、基油と、カーボンブラックと、を含有する場合に比べ、例えばグリースの体積抵抗率が増加するためと考えられる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

例えば、前述の各実施の形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

本発明は、鉄道車両に備えられる転がり軸受に適用して有効である。

１０ 主電動機
１１ カップリング
１２ 駆動装置
１３ 車軸
１４ 車輪
１５ 主軸
１６ 小歯車
１７ 大歯車
２０ フレーム
２１ 固定子
２１ａ コイル
２２ 回転子
３０、３１ 軸受装置
３２、３５、６２ 軸受
３２ａ、３５ａ、６２ａ 外輪
３２ｂ、３５ｂ、６２ｂ 内輪
３２ｃ、３５ｃ 転動体
３２ｄ、３５ｄ 保持器
３３、３４、３６、３７ 蓋部
４０ カーボンブラック
４１ カーボンナノチューブ
５０ パンタグラフ
５１ 架線
５２ 制御装置
５３ 接地装置
５４ レール
５５ 絶縁継目
５６ インピーダンスボンド
５７ 台車
６２ｃ 玉
６４ ハウジング
６５ 回転軸
６６ ロータリーコネクタ
６７ 直流電源
６７ａ 電流
６８ 電流計
６９ 電圧計
ＦＲ１ 荷重

Claims (6)

1. 鉄道車両の主電動機に備えられる転がり軸受において、
   内輪と、
   前記内輪を囲む外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間に配置された複数の転動体と、
   前記内輪と前記外輪との間に封入された潤滑剤と、
   を有し、
   前記潤滑剤は、
   基油と、
   カーボンブラックよりなり、且つ、前記潤滑剤に導電性を付与する第１導電性付与剤と、
   カーボンナノチューブよりなり、且つ、前記潤滑剤に導電性を付与する第２導電性付与剤と、
   を含有する、転がり軸受。
2. 請求項１に記載の転がり軸受において、
   前記潤滑剤は、０．５〜５．０質量％の前記第２導電性付与剤を含有する、転がり軸受。
3. 請求項１に記載の転がり軸受において、
   前記潤滑剤は、１．０〜１．５質量％の前記第２導電性付与剤を含有する、転がり軸受。
4. 請求項２に記載の転がり軸受において、
   前記潤滑剤の不混和ちょう度は、１９５〜２１５である、転がり軸受。
5. 請求項３に記載の転がり軸受において、
   前記潤滑剤の不混和ちょう度は、２００〜２１０である、転がり軸受。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の転がり軸受において、
   前記転がり軸受のｄｍＮ値は、３０万〜８０万である、転がり軸受。

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