JP2006220257A - すべり軸受およびポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸受への負荷が大きい場合やドライ運転あるいはスラリー水に晒されるような過酷な条件下で運転されても、優れた摺動特性を長期間継続して維持することができるすべり軸受を提供する。
【解決手段】 軸受２２を複数のセグメント２６で構成し、各セグメント２６を超硬合金からなる基材２６ａと、この基材２６ａ上に形成されたダイヤモンド焼結体２６ｂおよび基材２６ａの裏側に配されるバックメタル２６ｃとで構成する。そして、ダイヤモンド焼結体２０ｂの表面を、ポンプ主軸（回転軸）２０に固着した超硬合金からなるスリーブ２１に摺動させるとともに、セグメント２６の周方向比率を６０％以上に設定し、かつ、セグメント２６の周方向の数を１７以上に設定してある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、特に、起動時や先行待機運転時では揚水を遮断したドライ運転がなされ、定常運転時ではスラリー水に晒される運転がなされる立軸ポンプなどの軸受として好適なすべり軸受およびこのすべり軸受を備えたポンプ装置に関するものである。

従来、起動時や先行待機運転時では揚水を遮断したドライ運転がなされ、定常運転時ではスラリー水に晒される運転がなされる立軸ポンプなどに好適な軸受として、図６に示すすべり軸受が提案されている（特許文献１）。

このすべり軸受は、回転軸１の外周に固着された超硬合金製のスリーブ２を軸支する摺動部材として、窒化珪素などのセラミックス製の複数個のセグメント３が使用されており、これら複数個のセグメント３は、円周方向に等間隔でゴムなどの弾性体からなる緩衝材４で保持されるとともに、該緩衝材４を金属製のバックシェル５に嵌合し、このバックシェル５を図示していない金属製の軸受ケースに収容するように構成してある。

特開平５−１２６１３８号公報

前記文献に記載されたすべり軸受は、たとえば、先行待機運転ポンプに適用されて、ポンプの回転軸（主軸）１または該主軸１に固着されているスリーブ２を回転自在に軸支することによって、ポンプの起動時や先行待機運転時のような揚水を遮断したドライ運転がなされたり、あるいは、定常運転時ではスラリー水に晒されるような過酷な条件下で使用されても、優れた摺動特性を発揮できるとされている。

ところが、複数個のセグメント３が周方向で占める割合が低く、かつ、セグメント３の周方向の数が少ないと、互いに隣接するセグメント３同士の間隔が大きくなる。このような構成の軸受では、ドライ運転された場合に、摺動面の摩擦熱によりゴムなどの弾性体からなる緩衝材４が熱膨張すると、セグメント３が回転軸１方向に押し出され、回転軸１または超硬合金製のスリーブ２が緩衝材４に接触して、摩擦熱によってさらに温度が上昇し、セグメント３とスリーブ２の摩耗が著しくなり、両者２，３間の摩擦係数を上昇させて、異常振動を発生させる原因になり、すべり軸受の摺動特性が著しく悪くなって、耐久性を低下させることが判明した。

本発明は、このような問題を解決するものであって、その目的とするところは、たとえ、軸受への負荷が大きい場合やドライ運転あるいはスラリー水に晒されるような過酷な条件下で運転されても、優れた摺動特性を長期間継続して維持することができるすべり軸受およびこのすべり軸受を備えたポンプ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るすべり軸受は、回転軸または回転軸に固着されたスリーブと、前記回転軸または前記スリーブと対向する軸受とで摺動面が構成されるとともに、該摺動面を形成する摺動部材としてセグメントが用いられ、かつ、そのセグメントと支持体の間に緩衝材を設けたすべり軸受であって、前記セグメントの周方向比率が６０％以上であり、かつ、周方向のセグメント数が１７以上であることを特徴とするものである。

このように、セグメントの周方向比率が６０％以上であり、かつ、周方向のセグメント数が１７以上であることによって、互いに隣接するセグメント同士が適正な間隔で保持されて、ドライ運転にともなう摩擦熱により緩衝材が膨張しても、セグメントが回転軸方向に押し出されることがなく、回転軸または回転軸に固着されたスリーブと軸受側の緩衝材との接触、あるいは回転軸または回転軸に固着されたスリーブ側の緩衝材と軸受との接触による緩衝材の損傷が回避されるので、摺動面の摩擦係数の上昇や摩耗が抑制されて、耐摩耗性が高められて異常振動が発生しなくなるから、たとえ、ドライ運転やスラリー水に晒されるような過酷な条件下で運転されても、優れた摺動特性を長期間継続して維持することができる。

本発明においては、前記セグメントを軸方向に複数段配設してもよい。これによると、回転軸のふれ回りや軸線の傾きによって生じる片当り荷重に対する追従性を向上させて、片当り荷重に対しても優れた軸受性能を発揮することができる。

また、本発明においては、前記セグメントの摺動面がダイヤモンド焼結体からなることが好ましい。

これによると、回転軸または回転軸に固着されたスリーブと摺動するセグメントの摺動面を、硬度が高く、かつ、大気中の自己潤滑性が高いダイヤモンド焼結体としているので、軸受への負荷が大きい場合や大気中で回転軸または回転軸に固着されたスリーブとセグメントの両者が摺動するドライ運転がなされても、両者間の摩擦係数が上昇しない。このため、耐摩耗性が高められてすべり軸受の耐久性を向上させることができる。また、硬度が高いダイヤモンド焼結体の表面を摺動面としていることにより、スラリー水に晒される運転条件下における摺動面の摩滅を防止して、すべり軸受の耐久性を向上させることができる。

さらに、本発明においては、前記セグメントの摺動面が平面で前記回転軸または回転軸に固着されたスリーブと線接触させるようにすることが好ましい。

これによると、セグメントの摺動面が平面で前記回転軸または回転軸に固着されたスリーブと線接触させるようにしているので、セグメントと回転軸または回転軸に固着されたスリーブとの接触面積を小さくして、両者間の摩擦係数の上昇を抑制することができる。しかも、セグメントの摺動面が平面であることによって、該摺動面の表面仕上げなどの加工性が向上し、凹凸の少ない高品質の摺動面が経済的に形成できるようになるとともに、セグメント組付け後の仕上げ加工を省略することができる。また、前記線接触による接触面積の縮小により、セグメントに高い面圧が負荷されても、ダイヤモンド焼結体の高強度特性によってセグメントの損傷を防止して、軸受性能を長期間継続して維持することができる。

また、本発明においては、前記セグメントの摺動面をダイヤモンド焼結体とした場合、前記緩衝材が連続使用可能上限温度を１５０℃〜１００℃の範囲とした高分子弾性材料を用いることができる。ダイヤモンド焼結体を摺動面に用いることにより、ドライ運転時の摩擦熱による温度上昇が小さくなるため、線接触としてフッソゴムのように高価な耐熱材料を用いなくても緩衝機能を維持でき、異常振動の発生をなくし、優れた摺動特性を長期間継続して維持することができる。

さらに、本発明においては、前記ダイヤモンド焼結体を超硬合金上に形成し、該超硬合金の裏面にバックメタルを取付けてもよい。これによると、バックメタルによって緩衝材に対する接着面積を拡大して、接着力を増大することができるので、特に過酷な運転状態となりえるポンプにおいても、緩衝材からセグメントが脱落するのを確実に防止して、軸受性能を維持するの寄与することができる。また、緩衝材と相手側部材との接触を避けるために必要なダイヤモンド焼結体の突出量、つまり、緩衝材からダイヤモンド焼結体が突出している量をバックメタルによって補償して大きくできるので、回転軸または回転軸に固着されたスリーブと軸受側の緩衝材との接触、あるいは回転軸または回転軸に固着されたスリーブ側の緩衝材と軸受との接触による緩衝材の損傷を回避できる。このため、摺動面の摩擦係数の上昇を抑制して、耐摩耗性を高めて異常振動の発生を防止することができるとともに、ダイヤモンド焼結体の厚さを薄くして、ダイヤモンド焼結体の使用量を低減することによって、コストダウンを図ることができる。

そして、前述のすべり軸受を用いたポンプ装置であれば、すべり軸受に起因する異常振動の発生が防止され、片当り荷重に対しても優れた軸受性能を発揮できるとともに、ダイヤモンド焼結体は大気中の自己潤滑性が高く、かつ、硬度が高いので、ドライ運転やスラリー水に晒される運転がなされても、摩擦係数の上昇および摺動面の摩滅が抑制されることにより耐久性を向上させて、ポンプ装置に仕様通りの運転特性を長期間継続して発揮させることができる。

本発明によれば、セグメントの周方向比率が６０％以上であり、かつ、周方向のセグメント数を１７以上にすることで、互いに隣接するセグメント同士が適正な間隔で保持されて、ドライ運転にともなう摩擦熱により緩衝材が膨張しても、セグメントが回転軸方向に押し出されることがなく、回転軸または回転軸に固着されたスリーブと軸受側の緩衝材との接触、あるいは回転軸または回転軸に固着されたスリーブ側の緩衝材と軸受との接触による緩衝材の損傷が回避されるので、摺動面の摩擦係数の上昇や摩耗が抑制されて、耐久性が向上し、異常振動が発生しなくなるから、たとえ、軸受への負荷が大きい場合やドライ運転あるいはスラリー水に晒されるような過酷な条件下で運転されても、優れた摺動特性を長期間継続して維持することができる。

図１は本発明の実施形態を示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。これらの図において、すべり軸受Ｂは、ポンプ主軸２０に固着されたスリーブ２１と、該スリーブ２１と対向する軸受２２とで摺動面２３が構成されるとともに、該摺動面２３を設けた摺動部材２４は、複数のセグメント２６によって構成されており、これらセグメント２６は、筒状の緩衝材２５に加硫接着して保持されている。また、筒状の緩衝材２５は、その外周に配置されるステンレス（ＳＵＳ３０４）製で筒状のハウジング（支持体）２７に嵌合され、該筒状のハウジング２７は軸受台（図示省略）を介してポンプ側に固定される。

摺動部材２４は周方向で２０個のセグメント２６からなり、その周方向比率が６７％に設定されているとともに、軸方向に二段に分割して配設されている。また、これらセグメント２６は、図３に示すように、たとえば超硬合金からなる基材２６ａと、該基材２６ａ上に形成されたダイヤモンド焼結体２６ｂと、基材２６ａの裏面に接着されたバックメタル２６ｃとを備え、基材２６ａは、たとえばタングステンカーバイトを含むコバルト基合金などによって構成され、バックメタル２６ｃは、たとえばステンレス（ＳＵＳ４０３）によって構成されている。そして、バックメタル２６ｃの一部を筒状の緩衝材２５の内周部に嵌め込んだ状態で加硫接着することによって、各セグメント２６が緩衝材２５に保持されることになる。なお、前記スリーブ２１は、基材２６ａと同様のタングステンカーバイトを含むコバルト基合金などの超硬合金によって構成されている。そして、摺動部材２４の摺動面２３であるダイヤモンド焼結体２６ｂの表面は、スリーブ２１の外周摺動面に線接触し得るように平面に形成されている。

一方、前記筒状の緩衝材２５は、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などの連続使用可能上限温度が１５０℃〜１００℃の範囲の高分子弾性材料によって構成されている。なお、ここで連続使用可能上限温度としては、ＪＩＳＫ６８３０−９４の耐熱温度のタイプＢ，Ｃ，Ｄに相当する。

前記構成のすべり軸受Ｂによれば、セグメント２６の周方向比率を６７％に設定し、かつ、周方向の数を２０個に設定していることによって、互いに隣接するセグメント２６同士が適正な間隔で保持されて、ポンプ主軸２０に固着されたスリーブ２１と筒状の緩衝材２５との接触による緩衝材２５の損傷が回避されるので、摺動面２３の摩擦係数の上昇が抑制されて、耐摩耗性が高められ、異常振動が発生しなくなるから、このすべり軸受Ｂが、たとえ、ドライ運転やスラリー水に晒されるような過酷な条件下で運転されても、優れた摺動特性を長期間継続して維持することができる。

ここで、セグメント２６の周方向比率が５３％未満であり、かつ、周方向の数が１６未満であると、ポンプの起動時や先行待機運転時などのような揚水を遮断したドライ運転時（無潤滑運転時）において、異常振動が発生することを実験によって確認した。したがって、セグメント２６の周方向比率は６０％以上に設定し、かつ、周方向の数は１７以上に設定することが望ましい。本発明に係るすべり軸受Ｂにおけるのセグメント２６の「周方向比率」および「周方向の数」と、「無潤滑運転時の異常振動」との関係を求めた実験結果を表１に示す。

前記表１において、本発明に係るすべり軸受Ｂでは、セグメント２６の周方向比率が６０％以上に設定され、かつ、周方向の数が１７以上に設定されていることによって、無潤滑運転時において異常振動が発生しない特性を示している（〇印参照）。しかし、セグメント２６の周方向比率が６０％未満で、かつ、周方向の数が１７未満であると、無潤滑運転時において異常振動が発生することがわかる（×印参照）。

一方、ポンプ主軸１に固着されたスリーブ２１と摺動するセグメント２６の摺動面２３を硬度が高く、かつ、大気中の自己潤滑性が高いダイヤモンド焼結体２６ｂとしているので、すべり軸受への負荷が大きい場合や大気中でポンプ主軸１に固着されたスリーブ２１とセグメント２６の両者が摺動するドライ運転がなされても、両者２１，２６間の摩擦係数が上昇しない。このため、耐摩耗性が高められてすべり軸受の耐久性を向上させることができる。また、硬度が高いダイヤモンド焼結体２６ｂの表面を摺動面２３としていることにより、スラリー水に晒される運転条件下における該摺動面２３の摩滅を防止して、すべり軸受Ｂの耐久性を向上させることができるばかりか、セグメント２６の摺動面２３が平面でポンプ主軸１に固着されたスリーブ２１と線接触させるようにしているので、セグメント２６とスリーブ２１との接触面積を小さくして、両者２１，２６間の摩擦係数の上昇を抑制することができる。しかも、セグメント２６の摺動面２３が平面であることによって、該摺動面２３の表面仕上げなどの加工性が向上し、凹凸の少ない高品質の摺動面２３が経済的に形成できるようになるとともに、セグメント２６組付け後の仕上げ加工を省略することができる。また、前記線接触による接触面積の縮小により、セグメント２６に高い面圧が負荷されても、ダイヤモンド焼結体２６ｂの高強度特性によってセグメント２６の損傷を防止して、軸受性能を長期間継続して維持することができる。

他方、筒状の緩衝材２５を、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などの連続使用可能上限温度が１５０℃〜１００℃の範囲の高分子弾性材料によって構成することができるので、ダイヤモンド焼結体２６ｂを摺動面に用いることにより、ドライ運転時の摩擦熱による温度上昇が小さくなるため、線接触としてフッソゴムのように高価な耐熱材料を用いなくても緩衝機能を維持でき、異常振動の発生をなくし、優れた摺動特性を長期間継続して維持するのに寄与することができる。

また、ダイヤモンド焼結体２６ｂを超硬合金などからなる基材２６ａ上に形成し、該基材２６ａの裏面にステンレス（ＳＵＳ４０３）などからなるバックメタル２６ｃを取付けることによってセグメント２６が構成され、バックメタル２６ｃの一部を筒状の緩衝材２５の内周部に嵌め込んだ状態で加硫接着することによって、セグメント２６が緩衝材２５に保持されているので、バックメタル２６ｃによって緩衝材２５に対する接着面積を拡大して、接着力を増大することができるので、緩衝材２５からセグメント２６が脱落するのを確実に防止して、軸受性能を維持するの寄与することができる。ここで基材２６ａとバックメタル２６ｃの取付け方法は、接着剤やロー付け、嵌着等適宜選定することができる。また、緩衝材２５と主軸１に固着されたスリーブ２１との接触を避けるために必要なダイヤモンド焼結体２６ｂの突出量ｈ（図２参照）をバックメタル２６ｃによって補償して大きくできるので、緩衝材２５とスリーブ２１との接触による緩衝材２５の損傷を回避できる。このため、摺動面２３の摩擦係数の上昇を抑制して、耐摩耗性を高めて異常振動の発生を防止することができるとともに、ダイヤモンド焼結体２６ｂの厚さｔ（図３参照）を薄くして、ダイヤモンド焼結体２６ｂの使用量を低減することによって、コストダウンを図ることができる。

なお、実験によりセグメント２６の緩衝材２５からの突出高さｈは１〜３ｍｍ、緩衝材２５の厚さｄは軸側内径をＤとするとｄ／Ｄ＝０．０５〜０．０８の範囲が望ましいことが確認されている。

また、前記実施形態のように、セグメント２６を軸方向で二段に分割して配設したり、図４に示すように、軸方向で三段に分割して配設することで、ポンプ主軸１にふれ回りや傾きによって片当り荷重が負荷されても、軸方向に分割されているセグメント２６と緩衝材２５との協働によって、片当り荷重に対する追従性が向上するので、片当り荷重に対しても優れた軸受性能を発揮することができる。

さらに、図５に示すように、前記実施形態で説明したすべり軸受Ｂを用いて、たとえば立軸ポンプＰの吐出しボウル６の内部および該吐出しボウル６の上側に設けた揚水管７の内部において、先端に羽根車８を固着したポンプ主軸２０を回転自在に軸支することによって、すべり軸受Ｂに起因する異常振動の発生が防止され、片当り荷重に対しても優れた軸受性能を発揮できるとともに、ダイヤモンド焼結体２６ｂは大気中の自己潤滑性が高く、かつ、硬度が高いので、ドライ運転やスラリー水に晒される運転がなされても、摩擦係数の上昇および摺動面の摩滅が防止されることによって耐久性を向上させて、立軸ポンプＰに仕様通りの運転特性を長期間継続して発揮させることができる。

なお、前記実施形態では、ポンプ主軸２０に固着されたスリーブ２１と対向する軸受２２側を、ダイヤモンド焼結体２０ｂを有する複数のセグメント２６で構成しているが、ポンプ主軸２０にスリーブ２１を固着した構成とせずに、ポンプ主軸２０の表面を摺動面としてもよい。また、セグメント２６と緩衝材２５を加硫接着せずに、成形された緩衝材２５にセグメント２６を接着剤で取付けてもよい。

本発明の実施形態を示す縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 セグメントの一例を示す斜視図である。 セグメントの変形使用例を示す縦断面図である。 本発明に係るすべり軸受を用いたポンプ装置の実施形態を示す縦断面図である。 従来例の縦断面図である。

符号の説明

２０ ポンプ主軸（回転軸）
２１ スリーブ
２２ 軸受
２３ 摺動面
２４ 摺動部材
２５ 緩衝材
２６ セグメント
２６ａ 基材（超硬合金）
２６ｂ ダイヤモンド焼結体
２６ｃ バックメタル
２７ 筒状のハウジング（支持体）
Ｂ すべり軸受
Ｐ 立軸ポンプ（ポンプ装置）

Claims (7)

1. 回転軸または回転軸に固着されたスリーブと、前記回転軸または前記スリーブと対向する軸受とで摺動面が構成されるとともに、該摺動面を形成する摺動部材としてセグメントが用いられ、かつ、そのセグメントと支持体の間に緩衝材を設けたすべり軸受であって、
   前記セグメントの周方向比率が６０％以上であり、かつ、周方向のセグメント数が１７以上であることを特徴とするすべり軸受。
2. 請求項１に記載のすべり軸受において、
   前記セグメントが軸方向に複数段配設されていることを特徴とするすべり軸受。
3. 請求項１または請求項２に記載のすべり軸受において、
   前記セグメントの摺動面がダイヤモンド焼結体からなることを特徴とするすべり軸受。
4. 請求項３に記載のすべり軸受において、
   前記セグメントの摺動面が平面で前記回転軸または回転軸に固着されたスリーブと線接触することを特徴とするすべり軸受。
5. 請求項３または請求項４に記載のすべり軸受において、
   前記緩衝材が連続使用可能上限温度を１５０℃〜１００℃の範囲とした高分子弾性材料であることを特徴とするすべり軸受。
6. 請求項３〜請求項５のいずれかに記載のすべり軸受において、
   前記ダイヤモンド焼結体が超硬合金上に形成され、該超硬合金の裏面にバックメタルを取付けたことを特徴とするすべり軸受。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のすべり軸受を用いたことを特徴とするポンプ装置。
   

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