JP3745396B2 - 水潤滑セラミック軸受装置及びポンプ並びに水車 - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、河川水を潤滑剤として回転軸を支承するセラミック軸受装置と、これを利用したポンプ及び水車とに係り、特にセグメント型のセラミック軸受を有するものに関する。
【0002】
【従来の技術】
河川水で潤滑して回転軸を支承する軸受装置にあっては、軸受材料として樹脂,ゴム,カーボン等をこれまで使用していた。しかし、これらの材料は、河川水のように土砂等の硬い粒子を含んだ水で潤滑すると、短時間で摩耗して使用できなくなるため、清水を給水手段により供給して潤滑する必要があった。
【0003】
ところが、近年では、摺動材料として超硬合金やセラミックスの材料を組み合わせた軸受装置が開発されて実用に供され、雨水排水ポンプ等の主軸受に用いられるようになっている。このような軸受装置は河川水を潤滑剤とするものであり、しかも超硬合金やセラミックスでは硬度が土砂等よりも高いので、土砂等の硬い粒子を含んだ水で潤滑してもほとんど摩耗しない。そのため、上記したように樹脂やゴム等を用いた軸受装置に比較し、清水で潤滑することが不要になるばかりでなく、その給水手段も不要になり、しかもセラミックスの場合には特に主機のメンテナンスやランニングコストの点で軸受材料として極めて有効となる。
【0004】
水潤滑のセラミック軸受装置の従来技術として、例えば特開平5−223121号公報(以下、第1の従来技術と云う),実開平3−68612号公報(以下、第2の従来技術と云う)に示されるものがある。これらの従来技術では、何れも、軸受ケーシング内に配設された軸受部と、回転軸に固定されたスリーブとの間に初期(停止時)の段階から均等な隙間が存在し、その隙間に水膜が形成されることにより軸受部がスリーブを支持するように構成されている。従って、スリーブと軸受部とは初期の段階で均等な隙間(一般にD/1000程度の値に設定される。Dはスリーブ摺動面直径を表す。)をもっているので、非接触状態で組み込まれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来技術のセラミック軸受装置は、回転軸に固定されたスリーブと、軸受部との間に初期の段階から隙間が存在するので、その隙間に土砂等の硬い粒子が入り込むおそれがあり、そのため、以下に述べる問題がある。
【0006】
即ち、河川水を潤滑剤とするセラミック軸受装置においては、例えば、ポンプ等に利用された場合、流体力が羽根及び回転軸を介し作用すると、隙間に形成される水膜厚さが、初期にものに比較し小さくなるため、回転軸に固定されたスリーブが流体力の作用方向に偏心し、軸受部の内面と摺動することとなる。しかし、流体力はポンプの運転状態により大きさや作用方向が常に変化するので、その流体力の変化に伴ってスリーブも同様に変化し、軸受部の内面で振れ回ることとなる。
【0007】
その結果、スリーブと軸受部との間に存在する隙間に入り込んだ粒子は、スリーブ摺動面と軸受部との間で挟まれ、局部的に接触して荷重を受け、粉砕される場合がある。そして、粒子が粉砕されると両者間の接触部においては接触圧力が非常に大きくなり、軸受部の摺動面にクラックが発生し、損傷するおそれがある。
【0008】
また、運転時、スリーブは流体力の作用方向に偏心傾斜すると、軸受部がスリーブに追従しようとするが、軸受部の慣性力により直ぐに傾斜せず、まず軸受部の下端面(或いは上端面)がスリーブと接触し、その際、軸受部の接触面に衝撃力が作用し、片当たり状態となるので、端部に亀裂が入り、割損を招くおそれもある。
【0009】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、土砂等の硬い粒子が入り込むのを防止することができ、しかも流体力が作用しても、軸受が損傷するのを軽減できる水潤滑セラミック軸受装置を提供することにあり、他の目的は、上記水潤滑セラミック軸受装置を用い、高信頼性を得ることができるポンプ及び水車を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の水潤滑セラミック軸受装置においては、回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けると共に、外周部に軸受ケースの内周面部に向かい球状に膨出する突起部を突設した軸受と、該各々の軸受を求心方向に付勢させ、回転軸の停止時、各々の軸受のセラミック部をスリーブの超硬合金部に接触させる弾性手段とを有している。
【0011】
また、本発明のポンプ及び水車においては、何れも、回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けると共に、外周部に軸受ケースの内周面部に向かい球状に膨出する突起部を突設した軸受と、該各々の軸受を求心方向に付勢させ、回転軸の停止時、各々の軸受のセラミック部をスリーブの超硬合金部に接触させる弾性手段とからなる水潤滑セラミック軸受装置を有している。
【0012】
【作用】
本発明の水潤滑セラミック軸受装置では、上述の如く、回転軸の停止時、該回転軸に固定されたスリーブに各軸受のセラミック部を接触させているので、河川水に含まれている土砂等の硬い粒子がスリーブと夫々のセラミック部との間に入り込むことがない。しかも、回転軸の駆動によってスリーブが回転すると、スリーブとセラミック部との間の摺動面には動圧効果によって水膜が形成され、該水膜によりスリーブに作用する荷重を支持することとなるので、スリーブ,セラミック部の摺動面間に粒子が入り込んで噛み込んだりするのを防止することができる。
また、スリーブが回転すると、該スリーブが流体力の変化に伴いセラミック部の内周側で振れまわることとなる。しかし、上述の如く、軸受が弾性手段によって求心方向に付勢されると共に、軸受の外周部に球状をなす突起部が形成されているので、スリーブの振れまわりに対し、突起部と軸受ケースの内周面との接触部を支点として軸受が追従し、即ち、軸受7及びセラミック部がスリーブと常に平衡状態を保つことができ、軸受全体の慣性力の影響が少ない。そのため、スリーブがセラミック部の下端部(或いは上端部)に衝撃力が作用することがなく、片当たりが生じないので、従来技術に比較すると、片当たりによる衝撃荷重の悪影響を防止することができ、安定した摺動特性を得ることができる。
【0013】
また、本発明のポンプ及び水車においては何れも、上述の如く、回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けると共に、外周部に軸受ケースの内周面部に向かい球状に膨出する突起部を突設した軸受と、該各々の軸受を求心方向に付勢させ、回転軸の停止時、各々の軸受のセラミック部をスリーブの超硬合金部に接触させる弾性手段とからなる水潤滑セラミック軸受装置を有しているので、土砂等の硬い粒子が入り込まずかつ摺動特性の良好な軸受装置により、ポンプ及び水車として高信頼性を得ることができる。
【0014】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図1〜図10により説明する。図1は本発明による水潤滑セラミック軸受装置を適用したポンプを示す概略図、図2は本発明による水潤滑セラミック軸受装置の第1の実施例を示す縦断面図である。
【0015】
図1に示すポンプは、ポンプケーシング1の内部にセラミック軸受装置3を介し回転軸4が回転自在に支承され、その回転軸4の下部に羽根2が取付けられている。そして、回転軸4の駆動によって羽根2が回転すると、水が下方から吸い上げられ、ポンプケーシング1の内部に形成された流路1aを経て上方に供給されるように構成されている。
【0016】
このセラミック軸受装置3は、大別すると図2に示すように、回転軸4に固定されたスリーブ5と、その外周位置に配置される軸受ケース8と、これら軸受ケース8及びスリーブ5間に複数配設されたセグメント状の軸受7とを有して構成されている。
【0017】
スリーブ5は回転軸4の途中位置に突設された大径部4aに、その外周を被うように圧入し固定されている。このスリーブ5の外周部には後述する軸受とほぼ対応する位置に、軸受と摺接したときにその摺接に耐えうるような超硬合金部5aが設けられている。本例では超硬合金部5aとして、スリーブ5の外周部に形成された溝にタングステンをコーティングしているが、筒状に形成されたタングステンをそのままスリーブ5に圧入し固着してもよい。
軸受ケース8はほぼ筒状をなしており、図1及び図2に示すように、その軸方向の一端である上部に突設された鍔部8aが、ポンプケーシング1の流路1aの内側に形成された支持部1bに取付けられている。
【0018】
セグメント状の軸受7は、軸受ケース8とスリーブ5との間において周囲に沿って複数配設され、本例では4個からなっている(後述する図5を参照のこと)。さらに詳細に述べると、この軸受7は、スリーブ5の超硬金属部5aとの摺接面をなす内周面にセラミック部6を設けている。軸受7とセラミック部6との固定に際しては、両者の接合面に接着剤を塗布し、互いに密着固定させる。この場合、接着剤としては塗布後に硬化し、しかも金属体7とセラミック部6との材質の違いに拘わらず接着させることから、例えばエポキシ系接着剤,セラミックス系接着剤が好ましい。
【0019】
軸受7は、その軸方向の両端部に溝7aが形成され、該溝7aに軸受ケース8に設けられた回り止めピン10により、軸受ケース8とスリーブ5との間で周方向にずれることがないようにしている。そのため、回り止めピン10が軸受ケース8の軸方向の両端部に固定されたカバー11に取付けられ、該カバー11は環状をなし、軸受7の軸方向の両端面と対向する位置まで張り出している。
また、軸受7の両端面には軸受ケース8に設けられた弾性体12が密着され、該弾性体12の弾性力により軸受7の軸方向の振れを吸収するようにしている。そのため、弾性体12は環状に形成されたゴム材からなり、軸受ケース8の各カバー11の端部に取付けられ、その端面が軸受7の両端面と接触している。
さらに軸受7の外周部には、その軸方向の中央部を軸受ケース8の内周面部に向かって膨出させ、球状をなす突起部7bが一体に形成されている。該突起部7bは、その頂部が軸受7の外周面における軸方向の中心部と一致するように配置されている。
【0020】
そして、軸受7と軸受ケース8との間には、軸受を求心方向に付勢し得る弾性手段としてのコイルばね9が設けられている。該コイルばね9は図2に示すように、軸受7における突起部7bの周囲位置に設けられた溝7cと、軸受ケース8における前記溝7cと対向する位置との間に縮設され、初期時(停止時)において、その弾性力で軸受7,セラミック部6の双方を求心方向に付勢させることによりスリーブ5に対し適正な圧力をもって接触させ、しかも双方7,6の軸方向の長さの中心部を接触させるようにしている。この場合の接触力は、回転軸4の停止時ではセラミック部6をスリーブ5の超硬合金部5aに接触させ、回転軸4の駆動時では、それと共にスリーブ5が回転したときに発生する動圧効果により、コイルばね9の弾性力に抗し、セラミック部6の内周面が超硬合金部5aの外周面から離れ、該超硬合金5aとセラミック部6との間に水膜を形成し得るのに必要な隙間を形成し得る程度の小さいものである。
【0021】
またコイルばね9は、前述の如く接触させる一方、軸受7の突起部7b及び軸受ケース8の内周面間に隙間を形成するようにしている。その際、突起部7bと軸受ケース8の内周面間の隙間は、回転軸4の駆動によってスリーブ4の回転時に動圧効果が発生し、該動圧効果によりスリーブ4とセラミック部6間に水膜が発生することから、水膜の厚さ程度の大きさが望ましいが、回転軸4の許容振動値により選定される。
【0022】
実施例のセラミック軸受装置は、上記の如く、回転軸4の停止時、該回転軸4に固定されたスリーブ5にコイルばね9によって夫々の軸受7のセラミック部6を接触させているので、河川水に含まれている土砂等の硬い粒子がスリーブ5と夫々のセラミック部6との間に入り込むことがない。
しかも、回転軸4の駆動によってスリーブ5が回転すると、スリーブ5とセラミック部6との間の摺動面には動圧効果によって水膜が形成され、該水膜によりスリーブ5に作用する荷重を支持することとなるので、スリーブ5,セラミック部6の摺動面間に粒子が入り込んで噛み込んだりするのを防止することができる。
【0023】
また、スリーブ5が回転すると、該スリーブ5が流体力の変化に伴いセラミック部6の内周側で振れまわることとなる。しかし、上述の如く、軸受7がコイルばね9によって求心方向に付勢されると共に、軸受7の外周部に球状をなす突起部7bが形成されているので、スリーブ5の振れまわりに対し、突起部7bと軸受ケース8の内周面との接触部を支点として軸受7が追従し、即ち、軸受7及びセラミック部6がスリーブ5と常に平衡状態を保つことができ、軸受全体の慣性力の影響が少ない。そのため、スリーブ5がセラミック部6の下端部(或いは上端部)に衝撃力が作用することがなく、片当たりが生じないので、従来技術に比較すると、片当たりによる衝撃荷重の悪影響を防止することができ、安定した摺動特性を得ることができる。
【0024】
この安定した摺動特性を得た実験として、図3に軸受にステップ状の衝撃荷重を与えたときの摩擦トルクを測定した結果を示す。この場合、本発明では、前述した実施例と同様のものであって、セラミック部6を有する軸受7が炭化珪素で形成されて8個用い、スリーブ5の超硬合金5aとしてタングステンでコーティングしたWC系サーメット被膜を施している。同図から、本発明において、スリーブ5と軸受7との摺動面が接触しているものの、摩擦トルク曲線は荷重波形と同様であり、このことから衝撃荷重作用時においても安定した摺動特性を得ることがわかる。一方、スリーブと軸受との摺動面が非接触状態をなす従来例において、摩擦トルク曲線では、衝撃荷重作用時に急激に摩擦トルクの変化が見られ、衝撃荷重に対する影響が顕著に表れていることがわかる。
【0025】
なお、セラミック部6を有する軸受7の場合、特に水潤滑条件においては起動摩擦係数が0.01程度と小さい。そのため、起動時の摩擦トルクはセラミック部6のスリーブ5に対する接触圧力を低く設定すれば、コイルばね9によってセラミック部6をスリーブ5に対し接触させても、確実に小さくすることができる。
【0026】
また、セラミック部6は耐摩耗性に優れているため、スリーブ5と接触摺動させても、ほとんど損傷しないことが実験で確認されている。
【0027】
図4及び図5に本発明によるセラミック軸受装置の第2の実施例を示す。
この実施例において、前記第1の実施例と異なるのは軸受ケース8の外周に弾性体13を介し軸受ケーシング14を設けた点にある。
【0028】
軸受ケース8は基本的には第1の実施例と同様の形状であり、図5に示すように、回転軸4に固定されたスリーブ5との間で四個の軸受を配設している。夫々の軸受7はセラミック部6を設け、また球状をなす突起部7bを設けて構成されている。
【0029】
そして、軸受ケース8の外周部に弾性体13を介し軸受ケーシング14が取付けられている。この場合、弾性体13の取付けに際しては、接着剤で固定している。弾性体13はゴム材からなっており、スリーブ5の回転によって衝撃力が径方向に作用したとき、その衝撃力を弾性力で吸収することにより、スリーブ5の片当たりによる影響をいっそう緩和するこできるようにしている。軸受ケーシング14の外周部には鍔部14aが突設され、この鍔部14aがポンプケーシング1に取付けられることとなる。
【0030】
この実施例によれば、基本的には前述した第1の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、軸受ケース8の外周面に弾性体13を介し軸受ケーシング14が取付られ、スリーブ5の回転によって生じる衝撃力を、弾性体13により吸収し緩和し得るので、軸受のスリーブ5に対する耐荷重性をいっそう向上させることができ、それだけ軸受装置としての高信頼性を得ることができる。
【0031】
さらに、図1乃至図5に示す何れの実施例とも、軸受7の外周部に軸受ケース8に向かい球状に膨出する突起部7bを形成し、該突起部7bの頂部が軸受ケース8と当接することによってピボットとして機能し、軸受7の調心機能を果たすので、第1の従来技術に比較すると、その調心機能を持たせるため軸受ケースに突起をいちいちねじ込んで設けることが不要になるばかりでなく、その突起と対向する位置に溝を設けることも不要になるので、それだけ軸受の製作を確実に容易に行うことができる。
【0032】
図6及び図7は本発明による軸受装置の第3,第4の実施例を夫々示す。これらにおいては、軸受7を求心方向に付勢させ、かつ該軸受7のセラミック部6をスリーブ5の超硬合金5aに対し適正に接触し得る弾性手段として、コイルばね9と異なる部材を用いたものである。
【0033】
即ち、図6に示す実施例では、弾性手段としてゴム紐91を用い、該ゴム紐91の弾性力で軸受7をスリーブ5に接触させる。このゴム紐91は、断面形状が角形をしているが、丸形形状であっても良く、特に断面形状は限定されるものではない。また、軸受7とスリーブ5との接触圧力は、ゴム紐91の硬さや周長(接触圧力が0の場合の長さを測定し、接触圧力に相当する寸法分だけ短く設定する)を変えることにより調節することができる。さらに、ゴム紐91の材質としては、耐油性を有するものが好ましく、本例では河川水等で一般にNBRを使用しているが、これも特に限定されるものではない。
図7に示す実施例では、弾性手段として引張りコイルばね92を用い、これを二組使用することによって構成したものであり、基本的には図2,図4,図6に示す実施例と同様である。
【0034】
なお、これまで説明した図4乃至図7に示す図示実施例では、軸受7が何れも4個配設された例を示したが、その個数はスリーブ5の直径で決まるので、図示実施例に限定されるものではない。また、水潤滑軸受装置ではスリーブ超硬合金部5aの摺動面の曲率半径に対し、軸受7のセラミック部6の摺動面の曲率半径を僅かに大きくして、セラミック部6と超硬合金部5との摺動面を互いに全面に亘って接触させることができる。さらに、突起部7bが軸受7の外周部において軸方向の中央部であってかつ軸受7の外周中央部に突設された例を示したが、これは回転軸4が正,逆回転するものを対象としたものであり、一方向にしか回転しない回転軸に適用する場合には、軸方向の中央部であってかつ軸受7の外周において前方位置となるよう回転方向にずらして設けるのが好ましく、従って、回転方向によって突起部の位置が決定されるものである。
【0035】
なお、これまでの図示実施例では、軸受装置3が何れもポンプに適用した例を示したが、水車に適用しても同様の効果を得ることができる。その場合、第1の実施例では軸受ケース8を、第2〜第4の実施例では軸受ケーシング14の夫々を水車の固定部材に取付けることによって利用することができる。
【0036】
次に、本発明に軸受装置を水車に適用した場合について述べる。
即ち、水車は図10に示すように、回転軸40と、回転軸40の下部に固定されたランナ41と、ランナ41の上部に配置され、回転軸40を挿通する固定体42と、該固定体42に回転軸40を回転自在に支承する本実施例のセラミック軸受装置30とを有している。固定体42は中空形状をなしており、その天板部43に前記軸受30を介し回転軸40を支承すると共に、その上カバー44と回転軸40間に軸封装置45を設けている。また、固定体42の上カバー44と下カバー45とでケーシング46が形成され、ケーシング46からランナ41に流入する水の流量が、ガイドベーン47によって調整される。ガイドベーン47は天板部43上に設けられたガイドリング48と連結され、サーボモータ49により駆動される。
【0037】
そして、このセラミック軸受装置30は、大別すると、スリーブ50と、軸受ケース80と、軸受70と、圧力調整機構とを備えている。
【0038】
スリーブ50は、図8及び図9に示すように、回転軸40の周囲に沿って二分割され、その分割された互いの軸方向の両端部がボルト18により締結されて、回転軸40の周囲を被っている。このスリーブ50の外周部における軸受70との摺動面には第1〜第4の実施例と同様に超硬合金部50aが設けられている。軸受ケース80は、図9に示すように筒形をなしており、その軸方向の両端(上下)には図8に示すように、軸受70の両端面まで張り出す板ばね20a,20bが取付けられ、該板ばね20a,20bの弾性力により軸受70の軸方向のずれを吸収しかつ緩和するようにしている。軸受70はスリーブ50と軸受ケース80との間に周囲に沿って四個配設され、スリーブ50の超硬合金部50aとの摺動面には第1〜第4の実施例と同様にセラミック部60を設けている。
【0039】
前記圧力調節機構は、軸受70の外周面においてその軸方向及び周方向の中央部に互いに対向する対向壁71が突設されると共に、その対向壁71間に適宜の深さをなす溝72が形成され、その溝72にコイルばね90が設けられている。
【0040】
さらに軸方向の両端部にピボット23が取付けられている。
【0041】
一方、軸受ケース80には軸受70のコイルばね90と対応する位置に調整体21が半径方向に沿って移動可能に取付けられている。該調整体21は、図8及び図9に示すように、先端が球状部21aをなし、かつ他端部の外周にねじ部21bを刻設すると共に、その他端面に回転させるための溝21cを有するボルトで構成され、軸受ケース80に設けたねじ穴80aにねじ込まれることにより、軸受80を挿通し、しかも半径方向に移動できるようにしている。そして、軸受ケース80にねじ込まれた調整体21の球状部21aが、板ばね22を介しコイルばね90を押圧することにより、該コイルばね90の弾性力で軸受70のセラミック部6をスリーブ50に接触させ、これによってスリーブ50に対する各軸受70の接触圧力を調節する。この場合、調整体21の移動は、該調整体21の溝21cに六角棒等の工具を差し込んで回すことにより行う。
【0042】
板ばね22は、軸受70,軸受ケース80間においては、各軸受70の対向壁71間でコイルばね90と調整体21の球状部21aとの間に介在され、軸方向においては各軸受70の外周部の両端部に取付けられたピボット23間に係合しており、調整体21によって押されたとき、対向壁71間でピボット23と23との間の中央に位置するコイルばね90を押圧することにより、各軸受70に調心機能をもたせるようにしている。そのため、ピボット23と23とは、互いに各軸受70の外周面において、溝72から軸方向に沿って等距離の位置にねじ込んで固定され、その頭部が球面状をなしている。
なお、符号24は調整体21を固定するためのナットである。
【0043】
実施例によれば、回転軸40の停止時、圧力調整機構により各軸受70をスリーブ50に接触させるので、基本的には第1〜第4の実施例と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、圧力調整機構がコイルばね90と調整体21と板ばね22とを有し、調整体21を軸受ケース80の外部から調節することにより、スリーブ50に対する軸受70の接触力を調節できるので、軸受70を据付けたときの調整作業が容易となる。しかも、スリーブ50が分割された形状をなしているので、特に水車のように大径をなす回転軸40に装着する場合、一体のもののように回転軸40に圧入することが不要になるので、回転軸40の取付け位置にそのまま直接取付けることができ、従って、着脱が容易となるので、組立及び分解が極めて良好となる。
【0044】
なお、図示実施例の軸受装置30は、水車に利用した場合を示したが、軸受ケース80を図1に示す如きポンプケーシング1に取付け、ポンプに適用しても同様の効果を得ることができるのは勿論である。
【0045】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項1〜4によれば、回転軸の停止時、軸受のセラミック部を、回転軸に固定されたスリーブの超硬合金部に接触させ、回転軸の回転時、スリーブと軸受のセラミック部間に水膜させるように構成したので、河川水に含まれている土砂などの硬い粒子がスリーブとセラミック部間に入り込むことがないばかりでなく、両者間の摺動面間で粒子の噛み込みを防止することができ、またスリーブの片当たりによる衝撃荷重の悪影響を防止し、安定した摺動特性を得ることができる結果、破損するおそれがなくかつ軸受特性に優れた効果を得ることができる。そして、請求項6〜17によれば、請求項1〜4と同様の軸受装置を有しているので、土砂等の硬い粒子が入り込まずかつ摺動特性の良好な軸受装置により、ポンプ及び水車として高信頼性を得ることができる。
【0046】
また、請求項6〜10によれば、破損するおそれがなくかつ軸受特性に優れた軸受装置を有するので、高信頼性のポンプを提供することができ、請求項12〜16によれば、同様の理由により高信頼性の水車を得ることができる。
さらに、請求項3,4,9,10,15,16によれば、スリーブに対する軸受セラミック部の接触圧を軸受の外部から微妙に調節し得るので、調節作業が容易となる効果もあり、特に請求項4,10,16では、スリーブが分割形成されているので、大径の回転軸であっても、スリーブの分解及び組立を容易に行うことができる他、メインテナンスも良好となるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による水潤滑セラミック軸受装置を適用した排水ポンプを示す概略図。
【図2】本発明による水潤滑セラミック軸受装置の第1の実施例を示す要部の断面図。
【図3】本発明の水潤滑セラミック軸受装置と従来技術の軸受装置との摩擦トルクを夫々測定した結果を示す説明図。
【図4】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の第2の実施例を示す要部の断面図。
【図5】図4のA−A線断面図。
【図6】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の第3の実施例を示す断面図。
【図7】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の第4の実施例を示す断面図。
【図8】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の他の実施例を示す要部の断面図。
【図9】図8のB−B線に相当する断面図。
【図10】水潤滑セラミック軸受装置を水車に適用した状態を示す概略説明図。
【符号の説明】
1…ポンプケーシング、2…羽根、3,30…セラミック軸受装置、4,40…回転軸、5,50…スリーブ、5a,50a…超硬合金部、6,6…セラミック部、7,70…軸受、7a…突起部、8,80…軸受ケース、9,90…コイルばね、91…ゴム紐、92…引張りコイルばね、13…弾性物質、14…軸受ケーシング、21…調整体、22…板ばね。
【産業上の利用分野】
本発明は、河川水を潤滑剤として回転軸を支承するセラミック軸受装置と、これを利用したポンプ及び水車とに係り、特にセグメント型のセラミック軸受を有するものに関する。
【0002】
【従来の技術】
河川水で潤滑して回転軸を支承する軸受装置にあっては、軸受材料として樹脂,ゴム,カーボン等をこれまで使用していた。しかし、これらの材料は、河川水のように土砂等の硬い粒子を含んだ水で潤滑すると、短時間で摩耗して使用できなくなるため、清水を給水手段により供給して潤滑する必要があった。
【0003】
ところが、近年では、摺動材料として超硬合金やセラミックスの材料を組み合わせた軸受装置が開発されて実用に供され、雨水排水ポンプ等の主軸受に用いられるようになっている。このような軸受装置は河川水を潤滑剤とするものであり、しかも超硬合金やセラミックスでは硬度が土砂等よりも高いので、土砂等の硬い粒子を含んだ水で潤滑してもほとんど摩耗しない。そのため、上記したように樹脂やゴム等を用いた軸受装置に比較し、清水で潤滑することが不要になるばかりでなく、その給水手段も不要になり、しかもセラミックスの場合には特に主機のメンテナンスやランニングコストの点で軸受材料として極めて有効となる。
【0004】
水潤滑のセラミック軸受装置の従来技術として、例えば特開平5−223121号公報(以下、第1の従来技術と云う),実開平3−68612号公報(以下、第2の従来技術と云う)に示されるものがある。これらの従来技術では、何れも、軸受ケーシング内に配設された軸受部と、回転軸に固定されたスリーブとの間に初期(停止時)の段階から均等な隙間が存在し、その隙間に水膜が形成されることにより軸受部がスリーブを支持するように構成されている。従って、スリーブと軸受部とは初期の段階で均等な隙間(一般にD/1000程度の値に設定される。Dはスリーブ摺動面直径を表す。)をもっているので、非接触状態で組み込まれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来技術のセラミック軸受装置は、回転軸に固定されたスリーブと、軸受部との間に初期の段階から隙間が存在するので、その隙間に土砂等の硬い粒子が入り込むおそれがあり、そのため、以下に述べる問題がある。
【0006】
即ち、河川水を潤滑剤とするセラミック軸受装置においては、例えば、ポンプ等に利用された場合、流体力が羽根及び回転軸を介し作用すると、隙間に形成される水膜厚さが、初期にものに比較し小さくなるため、回転軸に固定されたスリーブが流体力の作用方向に偏心し、軸受部の内面と摺動することとなる。しかし、流体力はポンプの運転状態により大きさや作用方向が常に変化するので、その流体力の変化に伴ってスリーブも同様に変化し、軸受部の内面で振れ回ることとなる。
【0007】
その結果、スリーブと軸受部との間に存在する隙間に入り込んだ粒子は、スリーブ摺動面と軸受部との間で挟まれ、局部的に接触して荷重を受け、粉砕される場合がある。そして、粒子が粉砕されると両者間の接触部においては接触圧力が非常に大きくなり、軸受部の摺動面にクラックが発生し、損傷するおそれがある。
【0008】
また、運転時、スリーブは流体力の作用方向に偏心傾斜すると、軸受部がスリーブに追従しようとするが、軸受部の慣性力により直ぐに傾斜せず、まず軸受部の下端面(或いは上端面)がスリーブと接触し、その際、軸受部の接触面に衝撃力が作用し、片当たり状態となるので、端部に亀裂が入り、割損を招くおそれもある。
【0009】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、土砂等の硬い粒子が入り込むのを防止することができ、しかも流体力が作用しても、軸受が損傷するのを軽減できる水潤滑セラミック軸受装置を提供することにあり、他の目的は、上記水潤滑セラミック軸受装置を用い、高信頼性を得ることができるポンプ及び水車を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の水潤滑セラミック軸受装置においては、回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けると共に、外周部に軸受ケースの内周面部に向かい球状に膨出する突起部を突設した軸受と、該各々の軸受を求心方向に付勢させ、回転軸の停止時、各々の軸受のセラミック部をスリーブの超硬合金部に接触させる弾性手段とを有している。
【0011】
また、本発明のポンプ及び水車においては、何れも、回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けると共に、外周部に軸受ケースの内周面部に向かい球状に膨出する突起部を突設した軸受と、該各々の軸受を求心方向に付勢させ、回転軸の停止時、各々の軸受のセラミック部をスリーブの超硬合金部に接触させる弾性手段とからなる水潤滑セラミック軸受装置を有している。
【0012】
【作用】
本発明の水潤滑セラミック軸受装置では、上述の如く、回転軸の停止時、該回転軸に固定されたスリーブに各軸受のセラミック部を接触させているので、河川水に含まれている土砂等の硬い粒子がスリーブと夫々のセラミック部との間に入り込むことがない。しかも、回転軸の駆動によってスリーブが回転すると、スリーブとセラミック部との間の摺動面には動圧効果によって水膜が形成され、該水膜によりスリーブに作用する荷重を支持することとなるので、スリーブ,セラミック部の摺動面間に粒子が入り込んで噛み込んだりするのを防止することができる。
また、スリーブが回転すると、該スリーブが流体力の変化に伴いセラミック部の内周側で振れまわることとなる。しかし、上述の如く、軸受が弾性手段によって求心方向に付勢されると共に、軸受の外周部に球状をなす突起部が形成されているので、スリーブの振れまわりに対し、突起部と軸受ケースの内周面との接触部を支点として軸受が追従し、即ち、軸受7及びセラミック部がスリーブと常に平衡状態を保つことができ、軸受全体の慣性力の影響が少ない。そのため、スリーブがセラミック部の下端部(或いは上端部)に衝撃力が作用することがなく、片当たりが生じないので、従来技術に比較すると、片当たりによる衝撃荷重の悪影響を防止することができ、安定した摺動特性を得ることができる。
【0013】
また、本発明のポンプ及び水車においては何れも、上述の如く、回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けると共に、外周部に軸受ケースの内周面部に向かい球状に膨出する突起部を突設した軸受と、該各々の軸受を求心方向に付勢させ、回転軸の停止時、各々の軸受のセラミック部をスリーブの超硬合金部に接触させる弾性手段とからなる水潤滑セラミック軸受装置を有しているので、土砂等の硬い粒子が入り込まずかつ摺動特性の良好な軸受装置により、ポンプ及び水車として高信頼性を得ることができる。
【0014】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図1〜図10により説明する。図1は本発明による水潤滑セラミック軸受装置を適用したポンプを示す概略図、図2は本発明による水潤滑セラミック軸受装置の第1の実施例を示す縦断面図である。
【0015】
図1に示すポンプは、ポンプケーシング1の内部にセラミック軸受装置3を介し回転軸4が回転自在に支承され、その回転軸4の下部に羽根2が取付けられている。そして、回転軸4の駆動によって羽根2が回転すると、水が下方から吸い上げられ、ポンプケーシング1の内部に形成された流路1aを経て上方に供給されるように構成されている。
【0016】
このセラミック軸受装置3は、大別すると図2に示すように、回転軸4に固定されたスリーブ5と、その外周位置に配置される軸受ケース8と、これら軸受ケース8及びスリーブ5間に複数配設されたセグメント状の軸受7とを有して構成されている。
【0017】
スリーブ5は回転軸4の途中位置に突設された大径部4aに、その外周を被うように圧入し固定されている。このスリーブ5の外周部には後述する軸受とほぼ対応する位置に、軸受と摺接したときにその摺接に耐えうるような超硬合金部5aが設けられている。本例では超硬合金部5aとして、スリーブ5の外周部に形成された溝にタングステンをコーティングしているが、筒状に形成されたタングステンをそのままスリーブ5に圧入し固着してもよい。
軸受ケース8はほぼ筒状をなしており、図1及び図2に示すように、その軸方向の一端である上部に突設された鍔部8aが、ポンプケーシング1の流路1aの内側に形成された支持部1bに取付けられている。
【0018】
セグメント状の軸受7は、軸受ケース8とスリーブ5との間において周囲に沿って複数配設され、本例では4個からなっている(後述する図5を参照のこと)。さらに詳細に述べると、この軸受7は、スリーブ5の超硬金属部5aとの摺接面をなす内周面にセラミック部6を設けている。軸受7とセラミック部6との固定に際しては、両者の接合面に接着剤を塗布し、互いに密着固定させる。この場合、接着剤としては塗布後に硬化し、しかも金属体7とセラミック部6との材質の違いに拘わらず接着させることから、例えばエポキシ系接着剤,セラミックス系接着剤が好ましい。
【0019】
軸受7は、その軸方向の両端部に溝7aが形成され、該溝7aに軸受ケース8に設けられた回り止めピン10により、軸受ケース8とスリーブ5との間で周方向にずれることがないようにしている。そのため、回り止めピン10が軸受ケース8の軸方向の両端部に固定されたカバー11に取付けられ、該カバー11は環状をなし、軸受7の軸方向の両端面と対向する位置まで張り出している。
また、軸受7の両端面には軸受ケース8に設けられた弾性体12が密着され、該弾性体12の弾性力により軸受7の軸方向の振れを吸収するようにしている。そのため、弾性体12は環状に形成されたゴム材からなり、軸受ケース8の各カバー11の端部に取付けられ、その端面が軸受7の両端面と接触している。
さらに軸受7の外周部には、その軸方向の中央部を軸受ケース8の内周面部に向かって膨出させ、球状をなす突起部7bが一体に形成されている。該突起部7bは、その頂部が軸受7の外周面における軸方向の中心部と一致するように配置されている。
【0020】
そして、軸受7と軸受ケース8との間には、軸受を求心方向に付勢し得る弾性手段としてのコイルばね9が設けられている。該コイルばね9は図2に示すように、軸受7における突起部7bの周囲位置に設けられた溝7cと、軸受ケース8における前記溝7cと対向する位置との間に縮設され、初期時(停止時)において、その弾性力で軸受7,セラミック部6の双方を求心方向に付勢させることによりスリーブ5に対し適正な圧力をもって接触させ、しかも双方7,6の軸方向の長さの中心部を接触させるようにしている。この場合の接触力は、回転軸4の停止時ではセラミック部6をスリーブ5の超硬合金部5aに接触させ、回転軸4の駆動時では、それと共にスリーブ5が回転したときに発生する動圧効果により、コイルばね9の弾性力に抗し、セラミック部6の内周面が超硬合金部5aの外周面から離れ、該超硬合金5aとセラミック部6との間に水膜を形成し得るのに必要な隙間を形成し得る程度の小さいものである。
【0021】
またコイルばね9は、前述の如く接触させる一方、軸受7の突起部7b及び軸受ケース8の内周面間に隙間を形成するようにしている。その際、突起部7bと軸受ケース8の内周面間の隙間は、回転軸4の駆動によってスリーブ4の回転時に動圧効果が発生し、該動圧効果によりスリーブ4とセラミック部6間に水膜が発生することから、水膜の厚さ程度の大きさが望ましいが、回転軸4の許容振動値により選定される。
【0022】
実施例のセラミック軸受装置は、上記の如く、回転軸4の停止時、該回転軸4に固定されたスリーブ5にコイルばね9によって夫々の軸受7のセラミック部6を接触させているので、河川水に含まれている土砂等の硬い粒子がスリーブ5と夫々のセラミック部6との間に入り込むことがない。
しかも、回転軸4の駆動によってスリーブ5が回転すると、スリーブ5とセラミック部6との間の摺動面には動圧効果によって水膜が形成され、該水膜によりスリーブ5に作用する荷重を支持することとなるので、スリーブ5,セラミック部6の摺動面間に粒子が入り込んで噛み込んだりするのを防止することができる。
【0023】
また、スリーブ5が回転すると、該スリーブ5が流体力の変化に伴いセラミック部6の内周側で振れまわることとなる。しかし、上述の如く、軸受7がコイルばね9によって求心方向に付勢されると共に、軸受7の外周部に球状をなす突起部7bが形成されているので、スリーブ5の振れまわりに対し、突起部7bと軸受ケース8の内周面との接触部を支点として軸受7が追従し、即ち、軸受7及びセラミック部6がスリーブ5と常に平衡状態を保つことができ、軸受全体の慣性力の影響が少ない。そのため、スリーブ5がセラミック部6の下端部(或いは上端部)に衝撃力が作用することがなく、片当たりが生じないので、従来技術に比較すると、片当たりによる衝撃荷重の悪影響を防止することができ、安定した摺動特性を得ることができる。
【0024】
この安定した摺動特性を得た実験として、図3に軸受にステップ状の衝撃荷重を与えたときの摩擦トルクを測定した結果を示す。この場合、本発明では、前述した実施例と同様のものであって、セラミック部6を有する軸受7が炭化珪素で形成されて8個用い、スリーブ5の超硬合金5aとしてタングステンでコーティングしたWC系サーメット被膜を施している。同図から、本発明において、スリーブ5と軸受7との摺動面が接触しているものの、摩擦トルク曲線は荷重波形と同様であり、このことから衝撃荷重作用時においても安定した摺動特性を得ることがわかる。一方、スリーブと軸受との摺動面が非接触状態をなす従来例において、摩擦トルク曲線では、衝撃荷重作用時に急激に摩擦トルクの変化が見られ、衝撃荷重に対する影響が顕著に表れていることがわかる。
【0025】
なお、セラミック部6を有する軸受7の場合、特に水潤滑条件においては起動摩擦係数が0.01程度と小さい。そのため、起動時の摩擦トルクはセラミック部6のスリーブ5に対する接触圧力を低く設定すれば、コイルばね9によってセラミック部6をスリーブ5に対し接触させても、確実に小さくすることができる。
【0026】
また、セラミック部6は耐摩耗性に優れているため、スリーブ5と接触摺動させても、ほとんど損傷しないことが実験で確認されている。
【0027】
図4及び図5に本発明によるセラミック軸受装置の第2の実施例を示す。
この実施例において、前記第1の実施例と異なるのは軸受ケース8の外周に弾性体13を介し軸受ケーシング14を設けた点にある。
【0028】
軸受ケース8は基本的には第1の実施例と同様の形状であり、図5に示すように、回転軸4に固定されたスリーブ5との間で四個の軸受を配設している。夫々の軸受7はセラミック部6を設け、また球状をなす突起部7bを設けて構成されている。
【0029】
そして、軸受ケース8の外周部に弾性体13を介し軸受ケーシング14が取付けられている。この場合、弾性体13の取付けに際しては、接着剤で固定している。弾性体13はゴム材からなっており、スリーブ5の回転によって衝撃力が径方向に作用したとき、その衝撃力を弾性力で吸収することにより、スリーブ5の片当たりによる影響をいっそう緩和するこできるようにしている。軸受ケーシング14の外周部には鍔部14aが突設され、この鍔部14aがポンプケーシング1に取付けられることとなる。
【0030】
この実施例によれば、基本的には前述した第1の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、軸受ケース8の外周面に弾性体13を介し軸受ケーシング14が取付られ、スリーブ5の回転によって生じる衝撃力を、弾性体13により吸収し緩和し得るので、軸受のスリーブ5に対する耐荷重性をいっそう向上させることができ、それだけ軸受装置としての高信頼性を得ることができる。
【0031】
さらに、図1乃至図5に示す何れの実施例とも、軸受7の外周部に軸受ケース8に向かい球状に膨出する突起部7bを形成し、該突起部7bの頂部が軸受ケース8と当接することによってピボットとして機能し、軸受7の調心機能を果たすので、第1の従来技術に比較すると、その調心機能を持たせるため軸受ケースに突起をいちいちねじ込んで設けることが不要になるばかりでなく、その突起と対向する位置に溝を設けることも不要になるので、それだけ軸受の製作を確実に容易に行うことができる。
【0032】
図6及び図7は本発明による軸受装置の第3,第4の実施例を夫々示す。これらにおいては、軸受7を求心方向に付勢させ、かつ該軸受7のセラミック部6をスリーブ5の超硬合金5aに対し適正に接触し得る弾性手段として、コイルばね9と異なる部材を用いたものである。
【0033】
即ち、図6に示す実施例では、弾性手段としてゴム紐91を用い、該ゴム紐91の弾性力で軸受7をスリーブ5に接触させる。このゴム紐91は、断面形状が角形をしているが、丸形形状であっても良く、特に断面形状は限定されるものではない。また、軸受7とスリーブ5との接触圧力は、ゴム紐91の硬さや周長(接触圧力が0の場合の長さを測定し、接触圧力に相当する寸法分だけ短く設定する)を変えることにより調節することができる。さらに、ゴム紐91の材質としては、耐油性を有するものが好ましく、本例では河川水等で一般にNBRを使用しているが、これも特に限定されるものではない。
図7に示す実施例では、弾性手段として引張りコイルばね92を用い、これを二組使用することによって構成したものであり、基本的には図2,図4,図6に示す実施例と同様である。
【0034】
なお、これまで説明した図4乃至図7に示す図示実施例では、軸受7が何れも4個配設された例を示したが、その個数はスリーブ5の直径で決まるので、図示実施例に限定されるものではない。また、水潤滑軸受装置ではスリーブ超硬合金部5aの摺動面の曲率半径に対し、軸受7のセラミック部6の摺動面の曲率半径を僅かに大きくして、セラミック部6と超硬合金部5との摺動面を互いに全面に亘って接触させることができる。さらに、突起部7bが軸受7の外周部において軸方向の中央部であってかつ軸受7の外周中央部に突設された例を示したが、これは回転軸4が正,逆回転するものを対象としたものであり、一方向にしか回転しない回転軸に適用する場合には、軸方向の中央部であってかつ軸受7の外周において前方位置となるよう回転方向にずらして設けるのが好ましく、従って、回転方向によって突起部の位置が決定されるものである。
【0035】
なお、これまでの図示実施例では、軸受装置3が何れもポンプに適用した例を示したが、水車に適用しても同様の効果を得ることができる。その場合、第1の実施例では軸受ケース8を、第2〜第4の実施例では軸受ケーシング14の夫々を水車の固定部材に取付けることによって利用することができる。
【0036】
次に、本発明に軸受装置を水車に適用した場合について述べる。
即ち、水車は図10に示すように、回転軸40と、回転軸40の下部に固定されたランナ41と、ランナ41の上部に配置され、回転軸40を挿通する固定体42と、該固定体42に回転軸40を回転自在に支承する本実施例のセラミック軸受装置30とを有している。固定体42は中空形状をなしており、その天板部43に前記軸受30を介し回転軸40を支承すると共に、その上カバー44と回転軸40間に軸封装置45を設けている。また、固定体42の上カバー44と下カバー45とでケーシング46が形成され、ケーシング46からランナ41に流入する水の流量が、ガイドベーン47によって調整される。ガイドベーン47は天板部43上に設けられたガイドリング48と連結され、サーボモータ49により駆動される。
【0037】
そして、このセラミック軸受装置30は、大別すると、スリーブ50と、軸受ケース80と、軸受70と、圧力調整機構とを備えている。
【0038】
スリーブ50は、図8及び図9に示すように、回転軸40の周囲に沿って二分割され、その分割された互いの軸方向の両端部がボルト18により締結されて、回転軸40の周囲を被っている。このスリーブ50の外周部における軸受70との摺動面には第1〜第4の実施例と同様に超硬合金部50aが設けられている。軸受ケース80は、図9に示すように筒形をなしており、その軸方向の両端(上下)には図8に示すように、軸受70の両端面まで張り出す板ばね20a,20bが取付けられ、該板ばね20a,20bの弾性力により軸受70の軸方向のずれを吸収しかつ緩和するようにしている。軸受70はスリーブ50と軸受ケース80との間に周囲に沿って四個配設され、スリーブ50の超硬合金部50aとの摺動面には第1〜第4の実施例と同様にセラミック部60を設けている。
【0039】
前記圧力調節機構は、軸受70の外周面においてその軸方向及び周方向の中央部に互いに対向する対向壁71が突設されると共に、その対向壁71間に適宜の深さをなす溝72が形成され、その溝72にコイルばね90が設けられている。
【0040】
さらに軸方向の両端部にピボット23が取付けられている。
【0041】
一方、軸受ケース80には軸受70のコイルばね90と対応する位置に調整体21が半径方向に沿って移動可能に取付けられている。該調整体21は、図8及び図9に示すように、先端が球状部21aをなし、かつ他端部の外周にねじ部21bを刻設すると共に、その他端面に回転させるための溝21cを有するボルトで構成され、軸受ケース80に設けたねじ穴80aにねじ込まれることにより、軸受80を挿通し、しかも半径方向に移動できるようにしている。そして、軸受ケース80にねじ込まれた調整体21の球状部21aが、板ばね22を介しコイルばね90を押圧することにより、該コイルばね90の弾性力で軸受70のセラミック部6をスリーブ50に接触させ、これによってスリーブ50に対する各軸受70の接触圧力を調節する。この場合、調整体21の移動は、該調整体21の溝21cに六角棒等の工具を差し込んで回すことにより行う。
【0042】
板ばね22は、軸受70,軸受ケース80間においては、各軸受70の対向壁71間でコイルばね90と調整体21の球状部21aとの間に介在され、軸方向においては各軸受70の外周部の両端部に取付けられたピボット23間に係合しており、調整体21によって押されたとき、対向壁71間でピボット23と23との間の中央に位置するコイルばね90を押圧することにより、各軸受70に調心機能をもたせるようにしている。そのため、ピボット23と23とは、互いに各軸受70の外周面において、溝72から軸方向に沿って等距離の位置にねじ込んで固定され、その頭部が球面状をなしている。
なお、符号24は調整体21を固定するためのナットである。
【0043】
実施例によれば、回転軸40の停止時、圧力調整機構により各軸受70をスリーブ50に接触させるので、基本的には第1〜第4の実施例と同様の作用効果を得ることができる。これに加え、圧力調整機構がコイルばね90と調整体21と板ばね22とを有し、調整体21を軸受ケース80の外部から調節することにより、スリーブ50に対する軸受70の接触力を調節できるので、軸受70を据付けたときの調整作業が容易となる。しかも、スリーブ50が分割された形状をなしているので、特に水車のように大径をなす回転軸40に装着する場合、一体のもののように回転軸40に圧入することが不要になるので、回転軸40の取付け位置にそのまま直接取付けることができ、従って、着脱が容易となるので、組立及び分解が極めて良好となる。
【0044】
なお、図示実施例の軸受装置30は、水車に利用した場合を示したが、軸受ケース80を図1に示す如きポンプケーシング1に取付け、ポンプに適用しても同様の効果を得ることができるのは勿論である。
【0045】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項1〜4によれば、回転軸の停止時、軸受のセラミック部を、回転軸に固定されたスリーブの超硬合金部に接触させ、回転軸の回転時、スリーブと軸受のセラミック部間に水膜させるように構成したので、河川水に含まれている土砂などの硬い粒子がスリーブとセラミック部間に入り込むことがないばかりでなく、両者間の摺動面間で粒子の噛み込みを防止することができ、またスリーブの片当たりによる衝撃荷重の悪影響を防止し、安定した摺動特性を得ることができる結果、破損するおそれがなくかつ軸受特性に優れた効果を得ることができる。そして、請求項6〜17によれば、請求項1〜4と同様の軸受装置を有しているので、土砂等の硬い粒子が入り込まずかつ摺動特性の良好な軸受装置により、ポンプ及び水車として高信頼性を得ることができる。
【0046】
また、請求項6〜10によれば、破損するおそれがなくかつ軸受特性に優れた軸受装置を有するので、高信頼性のポンプを提供することができ、請求項12〜16によれば、同様の理由により高信頼性の水車を得ることができる。
さらに、請求項3,4,9,10,15,16によれば、スリーブに対する軸受セラミック部の接触圧を軸受の外部から微妙に調節し得るので、調節作業が容易となる効果もあり、特に請求項4,10,16では、スリーブが分割形成されているので、大径の回転軸であっても、スリーブの分解及び組立を容易に行うことができる他、メインテナンスも良好となるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による水潤滑セラミック軸受装置を適用した排水ポンプを示す概略図。
【図2】本発明による水潤滑セラミック軸受装置の第1の実施例を示す要部の断面図。
【図3】本発明の水潤滑セラミック軸受装置と従来技術の軸受装置との摩擦トルクを夫々測定した結果を示す説明図。
【図4】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の第2の実施例を示す要部の断面図。
【図5】図4のA−A線断面図。
【図6】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の第3の実施例を示す断面図。
【図7】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の第4の実施例を示す断面図。
【図8】本発明の水潤滑セラミック軸受装置の他の実施例を示す要部の断面図。
【図9】図8のB−B線に相当する断面図。
【図10】水潤滑セラミック軸受装置を水車に適用した状態を示す概略説明図。
【符号の説明】
1…ポンプケーシング、2…羽根、3,30…セラミック軸受装置、4,40…回転軸、5,50…スリーブ、5a,50a…超硬合金部、6,6…セラミック部、7,70…軸受、7a…突起部、8,80…軸受ケース、9,90…コイルばね、91…ゴム紐、92…引張りコイルばね、13…弾性物質、14…軸受ケーシング、21…調整体、22…板ばね。
Claims (12)
- 回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けたセグメント型の軸受とを備え、
前記軸受を前記回転軸のスリーブに押し付ける調整体、板ばね、球面状の頭部が備わるピボット、コイルばねを有し、
前記ピボットは、回転軸の軸方向に沿う前記軸受の両端側に前記頭部を表に出して固定され、
前記コイルばねは、前記ピボットの間に位置するようにして前記軸受の外周面側に配置され、
前記軸受の外周面には、前記コイルばねを間にして互いに対向する対向壁を設け、
前記板ばねが前記軸受ケースにねじ込まれる前記調整体で前記頭部に向けて押され、
前記コイルばねが前記板ばねを介して前記調整体で押圧されることを特徴とする水循環セラミック軸受装置。 - 請求項1記載の水循環セラミック軸受装置において、
前記調整体は、前記板ばねに当接する先端に球状部状を有することを特徴とする水循環セラミック軸受装置。 - 請求項1記載の水循環セラミック軸受装置において、
前記軸受は、外周面に前記コイルばねを設ける溝を有することを特徴とする水循環セラミック軸受装置。 - 請求項1記載の水循環セラミック軸受装置において、
回転軸の軸方向に沿う前記軸受の両端側には、前記軸受の軸方向のずれを吸収緩和する弾性力を有する弾性部材を設けたことを特徴とする水循環セラミック軸受装置。 - 回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けたセグメント型の軸受とを備え、
前記軸受を前記回転軸のスリーブに押し付ける調整体、板ばね、球面状の頭部が備わるピボット、コイルばねを有し、
前記ピボットは、回転軸の軸方向に沿う前記軸受の両端側に前記頭部を表に出して固定され、
前記コイルばねは、前記ピボットの間に位置するようにして前記軸受の外周面側に配置され、
前記軸受の外周面には、前記コイルばねを間にして互いに対向する対向壁を設け、
前記板ばねが前記軸受ケースにねじ込まれる前記調整体で前記頭部に向けて押され、
前記コイルばねが前記板ばねを介して前記調整体で押圧される水循環セラミック軸受装置を有することを特徴とするポンプ。 - 請求項5記載のポンプにおいて、
前記調整体は、前記板ばねに当接する先端に球状部状を有することを特徴とするポンプ。 - 請求項5記載のポンプにおいて、
前記軸受は、外周面に前記コイルばねを設ける溝を有することを特徴とするポンプ。 - 請求項5記載のポンプにおいて、
回転軸の軸方向に沿う前記軸受の両端側には、前記軸受の軸方向のずれを吸収緩和する弾性力を有する弾性部材を設けたことを特徴とするポンプ。 - 回転軸に固定されかつ外周面に超硬合金部を設けたスリーブと、該スリーブの外周位置に配置される軸受ケースと、該軸受ケース及びスリーブ間に周方向に沿って複数配設され、各々がスリーブとの摺接面にセラミック部を設けたセグメント型の軸受とを備え、
前記軸受を前記回転軸のスリーブに押し付ける調整体、板ばね、球面状の頭部が備わるピボット、コイルばねを有し、
前記ピボットは、回転軸の軸方向に沿う前記軸受の両端側に前記頭部を表に出して固定され、
前記コイルばねは、前記ピボットの間に位置するようにして前記軸受の外周面側に配置され、
前記軸受の外周面には、前記コイルばねを間にして互いに対向する対向壁を設け、
前記板ばねが前記軸受ケースにねじ込まれる前記調整体で前記頭部に向けて押され、
前記コイルばねが前記板ばねを介して前記調整体で押圧される水循環セラミック軸受装置を有することを特徴とする水車。 - 請求項9記載の水車において、
前記調整体は、前記板ばねに当接する先端に球状部状を有することを特徴とする水車。 - 請求項9記載の水車において、
前記軸受は、外周面に前記コイルばねを設ける溝を有することを特徴とする水車。 - 請求項9記載の水車において、
回転軸の軸方向に沿う前記軸受の両端側には、前記軸受の軸方向のずれを吸収緩和する弾性力を有する弾性部材を設けたことを特徴とする水車。
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