JP2016142399A - シール装置 - Google Patents
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Abstract
Description
従来、シリンダは溶接、鍛接などにより作製され、シール部材あるいはバックアップリングはガラス繊維で強化された合成樹脂類からなるものから作製されることにより、油圧装置として何ら遜色のないものとして広く使用されてきた。
本発明は、電気抵抗溶接炭素鋼からなる部材とガラス繊維強化合成樹脂からなる部材の摺動によって生起される作動油の黒色化、および電気抵抗溶接炭素鋼の摩耗量の増加現象を簡便な方法により解決するものである。
(1)金属部材と樹脂部材が相対的に摺動する機構を有するシール装置において、前記金属部材が電気抵抗溶接炭素鋼からなり、前記樹脂部材が炭素繊維強化合成樹脂からなることを特徴とするシール装置。
(2)前記金属部材が、熱間処理あるいは冷間処理が施されていない前記電気抵抗溶接炭素鋼である、上記(1)に記載のシール装置。
(3)前記金属部材が、20μm以下のフェライト結晶が分散した金属組織からなる、上記(1)または(2)に記載のシール装置。
(4)前記金属部材が、断面硬さの分布が表面から50μmの深さまで一定な値を示す前記電気抵抗溶接炭素鋼である、上記(1)から(3)のいずれかに記載のシール装置。
(5)前記電気抵抗溶接炭素鋼が、C0.06〜0.12%、Si0.40%以下、Mn0.10〜15%、P0.03%以下、S0.02%以下の元素を含有する、上記(1)から(4)のいずれかに記載のシール装置。
(6)前記樹脂部材が、エンジニアリングプラスチックからなる、上記(1)から(5)のいずれかに記載のシール装置。
(7)前記エンジニアリングプラスチックが、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、またはフッ素樹脂から選ばれる、上記(6)に記載のシール装置。
(8)前記樹脂部材が、炭素繊維を5から15重量%含有する、上記(1)から(7)のいずれかに記載のシール装置。
(9)前記金属部材がシリンダチューブであり、前記樹脂部材がピストンに設けられたバックアップリングである、上記(1)から(8)のいずれかに記載のシール装置。
本発明は、従来のガラス繊維強化合成樹脂製の部材と電気抵抗溶接炭素鋼からなる部材の摺動により発生する問題点を解決するものである。
本発明の金属部材としては、低炭素であっても比較的強度が高くかつ溶接性が良好であり、パーライト組織をほとんど有さない鋼材が使用される。具体的には、電気抵抗溶接炭素鋼であって熱間仕上げあるいは冷間仕上げがなされていない鋼材であることが好ましい。その組成および特性について、成分規格値を表1に、表面硬さを表2に、断面硬さを表3に、組織およびミクロ硬さについては図1に、造管材と対比しながら示す。「造管材」は、パーライト組織を有する溶接性を考慮していない鋼材であって、組織中の硬質な析出相の効果により耐摩耗性を発揮する材料である。
本発明の樹脂部材は、炭素繊維強化合成樹脂からなり、炭素繊維は合成樹脂中に均一に分布されていることにより金属部材との摺動面に凹凸あるいは硬度のむらがないことが好ましい。使用される合成樹脂としては、一般にエンジニアリングプラスチックと称されるものが好ましく、例えば、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、エポキシ樹脂、フッ素樹脂などを挙げることができる。
本発明で使用される炭素繊維としては特に限定されることはなく、樹脂材料の補強材あるいはフィラーとして使用されている範囲のものであれば使用することができ、樹脂中に5〜15%が通常含有される。
本発明者らは作業機械類のシリンダを検査した際に、シリンダチューブの内面が従来以上に摩耗が激しい部分があること、および作動油の黒色化が進行していることを見出し、それら現象の解明および解決を図り安定した稼働が可能な作業機械類を製造することを目標として鋭意研究を行った。
シリンダの材質は、電気抵抗溶接炭素鋼による電気溶接管(以下、EG管あるいは電縫鋼管とも言う)、造管(鍛造鋼管)の2種類であった。シリンダ内にはピストンが設置され、ピストンにはシールリング(炭素繊維強化フッ素樹脂)、バックアップリング(ガラス繊維強化ポリアミド66樹脂)、ベアリング、およびフッ素樹脂層が設置されていた。
図3には、シリンダチューブ内径のSEM観察結果を示す。EG管の黒色部は比較的なめらかである。それに対して非黒色部は凹凸が大きい。一方、造管の黒色部は、腐食されてパーライトが組織として現れていることがわかる。また、造管の非黒色部には凹凸はほとんど見られない。黒色部は摩耗量が少ない箇所であり、非黒色部は摩耗量が多い箇所であった。
シリンダ内面の摩耗が、ガラス繊維入りのポリアミド樹脂によることは上記の実機試験により推察されたが、作動油の組成あるいは添加物による摩耗量が影響している場合を想定して試験を行った。これによって、シリンダ内面が摩耗する要因を明確にすることとした。
試供品は実機同様にガラス繊維強化ポリアミド66材リング、および鋼製の標準リングを作製し、EG管材、造管材と組み合わせてブロックオンリング試験を行った。ブロックオンリング試験の方法条件などについては以下の実施例で示したとおりである。
試験油としては、HP46(JX)および46HN(出光)を使用した。また、使用済みのHP46油、HP46に0.1%の塩素を添加した油、およびSU8(基油)との組み合わせについても試験することにより作動油に混在する成分の影響をも検討した。
試験結果を図5に示す。ガラス繊維で強化されたポリアミド材に対しては、EG管よりも造管が良好な摩耗特性を示す。また、作動油による摩耗特性の有意な差は確認できなかった。したがって、作動油の黒色化現象とシリンダチューブの摩耗の主たる要因はバックアップリングにあるものと考えられる。
図1にEG管材および造管材のミクロ組織を示す。EG管材は、例えば、C0.08%と炭素量が少ないため、パーライト率は比較して低いようにみえる。EG管材の組織は約20μ以下の微細構造であることがわかる。これに対して、造管材は素管状態から冷間加工されているため、最表面の組織は長さ方向に伸張していることがわかる。
次に、バックアップリングおよび電気抵抗溶接炭素鋼による鋼管について説明をする。
本発明の具体的な適用例は作業機械であり、例えば、パワーショベルのアームシリンダチューブ、バケットシリンダチューブなどにおける、バックアップリング、Oリングを使用する運動部、固定部のシールである。このような機器で、流体圧力が高すぎたり、軸の隙間が大きすぎるとOリングは低圧側にはみ出し、ムシレが生じ、破損してシール性がなる。このようなはみ出し現象を防止するのがバックアップリングであり、シリンダの内面と摺動状態にある。また、バックアップリングは、はみ出しが問題にならないような低圧の場合でも、Oリングの破損の大半であるムシレやねじれ損傷などの事故を防止して、Oリングの寿命を著しく長くするという効果がある。バックアップリングは装着後圧力の増加とともに塑性変形を起こして隙間を埋め、しかも使用圧力によってはみ出しを生じないことが必要で、流体圧力、隙間の大きさ、櫂動用の場合には、面のあらさ、櫂動速度などの使用条件により、皮、硬質ゴム、フッ素樹脂、ポリアミド、軟金属などの材質が各々の用途によって使用されている。最近では殆どがフッ素樹脂やポリアミドなどである。
上記の実機での調査結果からは、作動油の黒色化と金属部材の摩耗はバックアップリングが関与していることが強く示唆されていたので、実機と同様の試験装置により作動油の黒色化と金属部材の摩耗についての解決策を検討した。以下にブロックオンリング試験と称する試験を行った。この試験により実機で発生した問題の現象が再現できることが判明したので、この試験方法により問題点の解析と解決について検討した。その結果、以下に示すようにガラス繊維強化エポキシ樹脂からなる樹脂部材によって起きる問題点が本発明により解決されることが確証された。
ブロックオンリング試験は図6に示すように、繊維強化樹脂リング1からなる樹脂部材の一部を作動油3中に浸漬するとともに、金属ブロック2からなる金属部材を繊維強化樹脂リング1の表面に当接し、金属ブロック2には荷重5をかけながら繊維強化樹脂リング1を回転方向4に回転させることにより両部材を摺動させる。所定の時間リングを連続して回転させた後の作動油3の着色と金属ブロック2の摺動面の状態を観察した。
ガラス繊維強化エポキシ樹脂と炭素繊維強化エポキシ樹脂からなるそれぞれのリング、およびEG管(電気抵抗溶接炭素鋼)および造管(従来品)と同一の金属組成からなるブロックを用意してブロックオンリング試験に供した。試験は、油温80℃、リング回転数163rpm、荷重5kgの条件で3.3時間試験した。摺動距離は2.47km、摺動速度は0.3m/secであった。試験結果は図7に示す。表4には試験素材の組み合わせを示す。
上記の試験結果から明らかなように、本発明においては炭素繊維強化合成樹脂からなるリングを使用するといずれの金属材質においても摺動による金属の摩耗量が減少されるとともに作動油3の黒色化現象が発生しないことが実証された。
[試験用の供試材料など]
以下の通り材料を用い、各材質を組み合わせて試験を行った。
試験リング中の各繊維は、エポキシ樹脂に対し10重量%にて添加した。 試験油として、HP46油(JX製)を用いた。
使用したガラス繊維および炭素繊維の特性を表5に示し、ブロックノ材質とリングの材質の組み合わせを表6に示し、各リングの外観を図8に示す。試験条件は表7に示した。
・摩耗試験法:LFWブロックオンリング試験
・摩耗量比較:マイクロスコープ観察、レーザ変位法による3D画像比較
[試験結果]
成形したガラス強化エポキシリングおよび炭素繊維強化エポキシリングの外観を図8に示す。成形した両リングの断面の顕微鏡写真(図9)によると、ガラス繊維は太く径のそろわない短繊維が偏在している。一方、炭素繊維は細長い長繊維が均一に分布している。
本試験を終了したブロックの摺動表面をレーザにより計測した3D形状を図10に示す。ガラス強化エポキシリングはEG管材を激しく摩耗すること、炭素繊維強化エポキシリングはEG管材をわずかに摩耗するにすぎないことが両写真の対比により明確に認められる。
観察される各摩耗面より、ガラス繊維入りエポキシ材は、チューブ材を大きく摩耗させる一方、炭素繊維入りエポキシ樹脂材は相対的に管材の摩耗が少ないことが確認された。
試験方法は、実施例1と同様にしたブロックオンリング試験を、ガラス繊維強化ナイロン66樹脂と炭素繊維強化ナイロン66樹脂に対して実施したところ、実施例1と同様に炭素繊維強化ナイロン66樹脂とEG管材の組み合わせが摩耗量の減少に適していることが判明した。
特に、シール装置を必要とするシリンダ類を具備する機器類の安全性と装置寿命を改善できることは広く産業分野で大きな経済的効果を発揮するものと考えられる。
2:金属ブロック
3:作動油
4:回転方向
5:荷重
Claims (9)
- 金属部材と樹脂部材が相対的に摺動する機構を有するシール装置において、前記金属部材が電気抵抗溶接炭素鋼からなり、前記樹脂部材が炭素繊維強化合成樹脂からなることを特徴とするシール装置。
- 前記金属部材が、熱間処理あるいは冷間処理が施されていない前記電気抵抗溶接炭素鋼である、請求項1に記載のシール装置。
- 前記金属部材が、20μm以下のフェライト結晶が分散した金属組織からなる、請求項1または2に記載のシール装置。
- 前記金属部材が、断面硬さの分布が表面から50μmの深さまで一定な値を示す前記電気抵抗溶接炭素鋼である、請求項1から3のいずれかに記載のシール装置。
- 前記電気抵抗溶接炭素鋼が、C0.06〜0.12%、Si0.40%以下、Mn0.10〜15%、P0.03%以下、S0.02%以下の元素を含有する、請求項1から4のいずれかに記載のシール装置。
- 前記樹脂部材が、エンジニアリングプラスチックからなる、請求項1から5のいずれかに記載のシール装置。
- 前記エンジニアリングプラスチックが、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、またはフッ素樹脂から選ばれる、請求項6に記載のシール装置。
- 前記樹脂部材が、炭素繊維を5から15重量%含有する、請求項1から7のいずれかに記載のシール装置。
- 前記金属部材がシリンダチューブであり、前記樹脂部材がピストンに設けられたバックアップリングである、請求項1から8のいずれかに記載のシール装置。
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