JP5761560B2 - スラスト支持装置 - Google Patents
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Description
また、水又は水のような低粘度液で潤滑してスラストを支持するスラスト軸受として、例えば特許文献3〜8が既に提案されている。
(1) 摺動面にセラミック材、カーボン、PEEK(ポリエーテル・エーテル・ケトン)、フェノール樹脂、軟質金属、等を用いたもの(特許文献1〜3)。
(2) 摺動面に耐摩耗性の高い材料やコーティングを用いたもの(特許文献4)。
(3) 摺動面に凹凸や動圧を発生させる溝を設けたもの(特許文献5〜8)。
特に微細な凹凸を付与した場合、摩耗によって凹凸が減少することや摩耗粉が凹部に堆積し、動圧効果が発揮されない状態に陥る可能性がある。
前記スラスト軸受は、前記摺動面と平行なランド部と、前記摺動面に対し傾斜し相対的回転によりカラーとの間の潤滑液に動圧を発生させるテーパ部とを有し、
前記摺動面の平均面粗さと前記ランド部の平均面粗さから算出される合成面粗さが、使用回転速度域において摺動面とランド部との間に形成される潤滑液の膜厚さより小さく設定されており、
前記固定部材に設けられ前記スラスト軸受の半径方向内側に前記潤滑液を供給する貫通穴を備え、前記潤滑液は前記カラーと前記スラスト軸受の対向面に供給され、遠心力により外方に排出される、ことを特徴とするスラスト支持装置が提供される。
この図において、本発明のスラスト支持装置10は、カラー12とスラスト軸受14とを備える。
この例において、スラスト軸受14は、固定部材4にボルト等で固定されており、カラー12は、回転軸1に固定された中空円形の回転円板3の表面(図で右側面)にボルト等で固定されている。
潤滑液は、好ましくは潤滑水であるが、その他の液体(エマルジョン液、潤滑油)でもよい。また、スラスト支持装置10を潤滑液中で使用するのが好ましいが、カラー12とスラスト軸受14の対向面に向けて潤滑液を連続的又は断続的に供給してもよい。
図2(A)(B)に示すように、スラスト軸受14は、摺動面11(カラー摺動面)に対向する対向面15に、複数のランド部16、複数のテーパ部17、及び複数の溝18を有する。以下、スラスト軸受14のランド部16を「軸受ランド部」と呼ぶ。
溝18は、この例において、内方端から外方端まで直線的に延びる半径溝である。
なお、溝18はこの例に限定されず、例えばスパイラル形状であってもよい。
この表において、Aは、本発明で使用した樹脂含浸カーボン材(東洋炭素株式会社製の型式KC−673)、Bは、炭素黒鉛質のカーボン材、Cは、Aと同様の樹脂含浸カーボン材である。
この表から、カーボン材Aは、カーボン材B,Cと比較して、硬さが20%以上硬く、曲げ強さが35%以上強く、圧縮強さが65%以上強いことがわかる。
また、軸受ランド部16に、固溶化熱処理と析出効果熱処理(H900)を施し、軸受ランド部16をカーボン材Aより硬く、かつ平均面粗さをカーボン材Aと同等以下の金属面に形成した。
後述する実施例における軸受ランド部16のロックウェル硬さはHRC42であり、軸受ランド部16の平均面粗さRaは、0.1〜0.15μmであった。
合成面粗さσは、近似的に平均面粗さRaから以下の式で算出できる。
σ2/Ra2=(π/2)0.5≒1.25・・・(2)
σ=(σ1 2+σ2 2)0.5・・・(3)
ここで、σn(n=1,2)は自乗平均平方根粗さ、σは合成粗さである。
この慣らし運転によるなじみにより、カラー12と軸受ランド部16の両方の平均面粗さRaをより小さくすることができ、合成面粗さσが使用回転速度域においてカラー摺動面11と軸受ランド部16との間に形成される潤滑液の膜厚さHより小さくなり、その間を起動・停止時においても流体潤滑状態に近い状態に保つことができることが後述する実施例により確認された。
図3は、使用した試験装置の部分断面図である。なお、この図は主要部を断面で示している。この試験装置は、図1に示したスラスト支持装置10を模擬したものである。
カラー12は、回転軸1に固定された中空円形の回転円板3の表面(図で右側面)に固定(例えば、あて板とボルト等の固定手段20aで固定)し、回転軸1をモータ(図示せず)で軸線を中心に回転駆動した。
スラスト軸受14は、固定部材4に固定(例えば、ボルト等の固定手段20bで固定)し、固定部材4を介してスラスト荷重2を負荷した。
潤滑液として潤滑水を用い、固定部材4に設けた貫通穴からスラスト支持装置10の内側に潤滑水を供給した。この潤滑水は、図に破線の矢印で示す経路を経て、カラー12とスラスト軸受14の対向面に供給され、遠心力により、スラスト支持装置10の外方に排出される。
この図における500〜5400rpmの回転速度は、スラスト支持装置10の使用回転速度域に相当する。また、スラスト荷重4kN(約400kgf)はスラスト支持装置10の定格面圧0.67MPaに相当する。
図4から、使用回転速度域においてカラー摺動面11と軸受ランド部16との間に形成される潤滑液の膜厚さは、最低回転速度(500rpm)において、1.0〜4.5μmの範囲にあることがわかる。
しかし、対向するカーボン材がCの場合、最低回転速度(500rpm)における試験後の平均面粗さRaが、約0.34μmまで大幅に増大している。これは、カーボン材Cの構成材の一部が軸受ランド部16に付着し、軸受ランド部16の平均面粗さRaを悪化させたためと考えられる。
一方、試験後の平均面粗さRaは、カーボン材Aが試験前とほぼ同一であるのに対し、カーボン材B,Cでは、大幅に小さくなっている。これは、試験によりカーボン材B,Cの凸部が摩耗し、凹凸高さが低くなったためと考えられる。
また、この例において、カーボン材Aの平均面粗さRaは0.1〜0.2μm、軸受ランド部16の平均面粗さRaは0.10〜0.15μmであるので、合成面粗さσは近似的に0.18〜0.31μmとなる。
従って、カーボン材Aの場合、合成面粗さσの3倍(0.54〜0.93μm)が潤滑液の膜厚さH(1.0〜4.5μm)より実質的に小さくなっており、流体潤滑状態となることが予想される。
この図において、摩擦係数μが0.1を超える範囲は、摺動面が直接接触する境界潤滑領域であり、0.1以下、0.01以上の範囲は混合潤滑領域であり、0.01未満の範囲は流体潤滑領域である。
同様に図6(B)において、スラスト荷重2を徐々に増加させると、カーボン材Aでは徐々に摩擦係数μが低下し0.01以下に達するが、カーボン材B,Cは一旦は下降するが、その後、3kN付近から急激に上昇した。
また、この慣らし運転による「なじみ」により、その後は、カラー摺動面11の平均面粗さとスラスト軸受14のランド部の平均面粗さから算出される合成面粗さσが、使用回転速度域において摺動面とランド部との間に形成される潤滑液の膜厚さより小さく設定されるので、その間を起動・停止時においても流体潤滑状態に保つことができる。
起動・停止の条件は、回転速度を最低回転速度(500rpm)、スラスト荷重を定格(400kgf)、面圧を定格面圧(0.67MPa)とした。
この図から、カーボン材Aの場合、繰返し数1000サイクル以降は、摩耗量が増加せず、そのまま長期間使用できることがわかる。また、カーボン材Bの場合は、繰返し数3000サイクルまでは摩耗量が増加するが、それ以降は、摩耗量が増加せず、そのまま長期間使用できることがわかる。
ダム付とは、軸受である。
3 回転円板、4 固定部材、
10 スラスト支持装置、
11 摺動面(カラー摺動面)、
12 カラー、14 スラスト軸受、
15 対向面、
16 ランド部(軸受ランド部)、
17 テーパ部、18 溝
Claims (3)
- 回転軸に直交する摺動面を有し前記回転軸に固定されたカラーと、固定部材に固定され該摺動面に沿って相対的に回転するスラスト軸受とを備え、前記回転軸のスラスト荷重を支持するスラスト支持装置であって、
前記スラスト軸受は、前記摺動面と平行なランド部と、前記摺動面に対し傾斜し相対的回転によりカラーとの間の潤滑液に動圧を発生させるテーパ部とを有し、
前記摺動面の平均面粗さと前記ランド部の平均面粗さから算出される合成面粗さが、使用回転速度域において摺動面とランド部との間に形成される潤滑液の膜厚さより小さく設定されており、
前記固定部材に設けられ前記スラスト軸受の半径方向内側に前記潤滑液を供給する貫通穴を備え、前記潤滑液は前記カラーと前記スラスト軸受の対向面に供給され、遠心力により外方に排出される、ことを特徴とするスラスト支持装置。 - 前記合成面粗さの3倍が前記潤滑液の膜厚さより小さい、ことを特徴とする請求項1に記載のスラスト支持装置。
- 前記カラーは、樹脂を含浸したカーボン材であり、
前記ランド部は、前記カラーより硬く、かつ平均面粗さが前記カラーに対して同等以下の金属面であり、
前記カラーと前記ランド部は、摩擦係数が0.02以下になるまで前記使用回転速度域において慣らし運転によりなじませてある、ことを特徴とする請求項1に記載のスラスト支持装置。
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