JP6076971B2 - 摺動部品 - Google Patents
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Description
h:隙間高さ
η:流体粘度
p:圧力
上記式より、流体潤滑を促進し、動圧を発生させ、液膜を形成させるほど、内周端側の圧力勾配∂p/∂rが大きくなり、hが大きくなった結果、漏れ量Qが増大することがわかる。
したがって、シールの場合、漏れ量Qを減少させるには、隙間hおよび圧力勾配∂p/∂rを小さくする必要がある。
図5の横軸は、粘度η×速度v/荷重FNであって、粘度及び荷重が一定の場合、速度になる。今、粘度及び荷重を一定とした場合、中速域である混合潤滑領域「第2:h(隙間)≒R(表面粗さ)」及び高速域である流体潤滑領域「第1:h(隙間)>>R(表面粗さ)」では、摩擦係数は小さいが、起動時である境界潤滑領域「第3:h(隙間)→0」では摩擦係数はきわめて大きくなる。
そして、一般に、メカニカルシールに施される動圧発生溝は、常用回転数域で効果が出るように、また十分に流体を摺動面へ導入するという観点で設計されており、動圧発生溝の加工は、機械加工、ブラスト、及びレーザで行われ、数μm以上の溝深さであった。そのため、中速域及び高速域では低摩擦になるが、低速域では負荷容量を得ることはできず、低摩擦を実現することは困難であった。特に、起動または停止時に十分な動圧が発生できないために十分な潤滑特性を発揮できず、起動または停止時に鳴きの発生や摺動面の過度な接触が生起されるという問題があった。
第1の特徴により、極浅平行溝内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができ、回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を必要最低限浮上させることができるので、漏れを増大することなく良好な潤滑性能を維持でき、特に、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
また、本発明の摺動部品は、第3に、前記極浅平行溝は、好ましくは、溝深さhが50〜500nmであり、溝底部の表面粗さaが1〜30nmであって、h>aの関係にあることを特徴としている。
第2及び第3の特徴により、より一層、漏れを増大することなく、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
第4の特徴により、例えば、深さの異なる複数の溝を周方向に隣接して形成した場合、相手側摺動面の回転方向により正圧の発生に差異をもたらすことができる。さらに、例えば、深さの異なる複数の溝を径方向に隣接して形成した場合、摺動面の外径側に浅溝を、内径側に深溝を設けることで、潤滑液保持能力機能が向上することができる。
第5の特徴により、摺動面の面圧を良好な状態に保つとともに、漏れを少なくし、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
第6の特徴により、漏れを増大することなく、起動または停止時の潤滑特性が著しく向上されたメカニカルシールを得ることができる。
(1)一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、前記摺動面とほぼ平行にサブミクロンの段差を有する極浅平行溝からなる正圧発生機構が周方向に独立して複数設けられ、前記極浅平行溝は、高圧流体側とは連通し、低圧流体側とはシール面により隔離されていることにより、極浅平行溝内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができ、回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を必要最低限浮上させることができるので、漏れを増大することなく良好な潤滑性能を維持でき、特に、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
本発明の実施の形態1に係る摺動部品を図1を参照しながら説明する。
そして、この被密封流体を摺動部品1を用いて効果的にシールすることができる。例えば、この摺動部品1をメカニカルシール装置における一対の回転用密封環及び固定用密封環のいずれかに用いる。回転用密封環の摺動面と、これに対向する固定用密封環の摺動面とを密接させて摺動面の内外周のいずれか一方に存在する被密封流体をシールする。また、円筒状摺動面の軸方向一方側に潤滑油を密封しながら回転軸と摺動する軸受の摺動部品として利用することも可能である。
図1においては、説明の都合上、外周側に高圧の被密封流体が存在する場合について説明する。
正圧発生機構を構成する極浅平行溝2は、極浅であること、例えば、溝深さhが10nm〜1μmの範囲にあり、溝底部の表面粗さaが1〜100nmの範囲であって、溝深さh>溝底部の表面粗さaの関係にあるため、極浅平行溝2内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができる。回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を浮上させる。このように、極浅平行溝2により構成された正圧発生機構により、漏れを増大することなく、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
図2(a)に示すように、本発明の場合、極浅平行溝2は、極浅であって、溝深さh>溝底部の表面粗さaの関係にあるため、相手側摺動面との相対的な摺動により発生する動圧の圧力分布は大きくなる。
一方、図2(b)に示すように、従来技術の場合、動圧発生溝は、溝の深さとほぼ同じ高さ分、動圧発生溝が形成されているため、相手側摺動面との相対的な摺動により発生する動圧の圧力分布は、流体の導入効率が低いため本発明の場合に比べて小さい。
本発明においては、極浅であるため起動又は停止時における漏れが少なく、また、極浅であるにもかかわらず、回転時においては、流体の導入効率が高く潤滑効果を発揮することができる。
摺動面S自体は鏡面加工によって、極浅平行溝2が明瞭になる程度の表面粗さに設定される。
図3(a)は、極浅平行溝2は略扇形をなし、その外周4は高圧流体側に連通し、極浅平行溝2の内周5と摺動面Sの内周6との間が狭い場合を示したものである。この形状の場合、潤滑特性は良いが、比較的漏れやすくなる。
図3(a)(b)の極浅平行溝2は略扇型であるが、図3(c)の極浅平行溝2は、略楕円形をなし、高圧流体側と連通する外周4が狭く、内周側に向かって末広がりをなし、内周5は低圧流体側に向かって円弧状の凸をなし、円弧状の頂点付近は摺動面Sの内周6との間が狭く、その両側では摺動面Sの内周6との間が広くなっている。この形状の場合、高圧流体側から極浅平行溝2内への浸入はしづらいが、一旦浸入した被密封流体は溝内に閉じ込められ、低圧流体側には漏れにくい。このため、比較的漏れにくく、特に停止時の潤滑特性は良い。
本発明の実施の形態2に係る摺動部品を図4を参照しながら説明する。
なお、図4において、実施の形態1の符号と同じ符号は実施の形態1と同じ部材を示しており、詳しい説明は省略する。
正圧発生機構を構成する極浅平行溝2は、極浅であること、例えば、溝深さhが10nm〜1μmの範囲にあり、溝底部の表面粗さaが1〜100nmの範囲であって、溝深さh>溝底部の表面粗さaの関係にあるため、極浅平行溝2内に浸入する被密封流体が極薄の流体膜を形成し、表面張力の作用により、漏れを増大することなく流体をシールできる圧力域を高くすることができる。回転時には、相手側摺動面との相対的な摺動により動圧が発生され、動圧効果で摺動面を浮上させる。このように、極浅平行溝2により構成された必要最低限の正圧発生機構により、漏れを増大することなく、起動または停止時の潤滑特性を著しく向上することができる。
2 極浅平行溝
3 シール面
4 極浅平行溝の外周
5 極浅平行溝の内周
6 摺動面の内周
10 極浅平行溝
S 摺動面
Claims (6)
- 一対の摺動部品の互いに相対摺動する一方側の摺動面には、前記摺動面とほぼ平行にサブミクロンの段差を有する極浅平行溝からなる正圧発生機構が周方向に独立して複数設けられ、前記極浅平行溝は、略楕円形の溝底部からなり、高圧流体側とは連通し、低圧流体側とはシール面により隔離されており、前記略楕円形の溝底部は、高圧流体側が狭く、低圧流体側に向かって末広がりをなし、更に低圧流体側に向かって円弧状の凸形状をなすことを特徴とする摺動部品。
- 前記極浅平行溝は、溝深さhが10nm〜1μmであり、前記溝底部の表面粗さaが1〜100nmであって、h>aの関係にあることを特徴とする請求項1記載の摺動部品。
- 前記極浅平行溝は、溝深さhが50〜500nmであり、前記溝底部の表面粗さaが1〜30nmであって、h>aの関係にあることを特徴とする請求項2記載の摺動部品。
- 前記極浅平行溝は、深さの異なる複数の溝から形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 前記極浅平行溝は、摺動面の面積に対し、5〜70%の範囲で設けられることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の摺動部品。
- 一対の摺動部品が互いに相対回転するメカニカルシールの静止側摺動部材又は回転側摺動部材として使用される環状体からなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の摺動部品。
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