JP2008095703A - スラスト軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で信頼性の高いスラスト軸受装置を提供する。
【解決手段】回転軸１に設けられ軸方向に対し垂直な平面２ａを有するランナ部２と、ランナ部２の平面２ａに対向する摺動面３ａを有する固定部３とを備えたスラスト軸受装置において、固定部３は、摺動面３ａに径方向に伸びるように形成された複数の油溝６と、摺動面３ａにおける油溝６間のうちいずれかに形成され、テーパ部７ａ及びランド部７ｂからなる複数のテーパランド部７と、摺動面３ａにおける油溝６間のうち残りに形成され、平面のみからなる複数の平坦部８と、複数の平坦部８にそれぞれ形成され、外部からの圧油が供給される複数の給油口９とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械に用いられるスラスト軸受装置に係わり、特に、回転軸の停止時にスラスト荷重が掛かるスラスト軸受装置に関する。

例えば回転軸の停止時にスラスト荷重が掛かる場合、回転軸側摺動面と軸受側摺動面との間に高圧な潤滑油を供給して油膜を形成し、この油膜の静圧によってスラスト荷重を支持する静圧型のスラスト軸受装置が用いられる。これにより、回転軸側摺動面と軸受側摺動面との接触を避け、軸受の損傷を防止するようになっている。このような静圧型のスラスト軸受装置の一例としては、従来、ティルティングパッド式のスラスト軸受において、パッド摺動面に形成された給油口（ポケット）及びこの給油口に連通する給油孔を備えた構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、例えば小型の回転機械においては、複雑な構造で部品点数の多いティルティングパッド式のスラスト軸受ではコスト高となることから、簡易な構造で部品点数の少ないテーパランド式のスラスト軸受を用いることが多い。一般に、テーパランド式のスラスト軸受は、軸受側摺動面に径方向に伸びるように形成され潤滑油を導くための複数の油溝と、それら複数の油溝間に形成されテーパ部（傾斜面）及びランド部（平面）からなる複数のテーパランド部とを有している。そして、例えば回転軸の高速回転時、油溝を介しテーパランド部に潤滑油が導入され、テーパランド部における周方向の流れにより動圧が発生し、この動圧によってスラスト荷重を支持するようになっている。なお、テーパランド部におけるランド部の面積比率は、２０％前後にすることが好ましい（例えば、非特許文献１参照）。

特許第３２３３５７３号公報 （社）日本トライボロジー学会編、「トライボロジーハンドブック」、養賢堂、２００１年、ｐ．５８

上述したテーパランド式のスラスト軸受は、ティルティングパッド式のスラスト軸受に比べ、簡易な構造で部品点数を削減することができる。しかしながら、例えば回転軸の停止時にスラスト荷重が掛かるような場合に用いると、回転軸側摺動面と軸受側摺動面とが接触し、軸受が損傷する恐れがある。そこで、これに対応するため、テーパランド部のランド部に圧油を供給して油膜を形成させ、この油膜の静圧によってスラスト荷重を支持する方法が考えられる。しかしながら、このような場合、テーパランド部におけるランド部の面積比率が２０％前後と比較的小さいため、油膜の静圧によって作用する浮上力を十分に得ることが難しく、高い信頼性が得られないという課題が生じた。

本発明の目的は、簡易な構造で信頼性の高いスラスト軸受装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、回転軸に設けられ軸方向に対し垂直な平面を有するランナ部と、前記ランナ部の平面に対向する摺動面を有する固定部とを備えたスラスト軸受装置において、前記固定部は、前記摺動面に径方向に伸びるように形成された複数の油溝と、前記摺動面における前記複数の油溝間のうちいずれかに形成され、傾斜面及び平面からなる複数のテーパランド部と、前記摺動面における前記複数の油溝間のうち残りに形成され、平面のみからなる複数の平坦部と、前記複数の平坦部にそれぞれ形成され、外部からの圧油が供給される複数の給油口とを有する。

本発明においては、例えば回転軸の高速回転時は、周囲の潤滑油が油溝を介し固定部の摺動面のテーパランド部に導入され、テーパランド部における周方向の流れにより生じた動圧によってスラスト荷重を支持する。一方、例えば回転軸の停止時及び低速回転時は、外部からの圧油を給油口等を介し固定部の摺動面の平坦部に供給して油膜を形成し、この平坦部における油膜の静圧によってスラスト荷重を支持する。ここで本発明においては、固定部の摺動面は、複数の油溝間のうちいずれかに傾斜面及び平面からなる複数のテーパランド部を形成し、複数の油溝間のうち残りに平面のみからなる複数の平坦部を形成するので、例えば複数の油溝間の全てにテーパランド部を形成する場合と比べ、摺動面における平面割合を大きくすることができる。これにより、油膜の静圧によって作用するランド部の浮上力を十分に得ることができる。その結果、回転軸の停止時における軸受の損傷を防止することができ、信頼性を向上させることができる。また、例えばティルティングパッド式のスラスト軸受と比べ、簡易な構造で部品点数を削減することができる。したがって本発明においては、簡易な構造で信頼性の高いスラスト軸受を実現することができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記回転軸は、軸方向が水平方向となるように配置されており、前記固定部の摺動面は、円環状に形成し、前記複数の平坦部は、水平方向及び鉛直方向のうち少なくともいずれか一方に対し対称配置されるように形成する。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記回転軸は軸方向が水平方向となるように配置されており、前記固定部の摺動面は、前記回転軸の軸芯より上方側又は下方側に配置されるように部分円環状に形成し、前記複数の平坦部は、鉛直方向に対し対称配置されるように形成する。

（４）上記（３）において、好ましくは、前記固定部は、前記回転軸を回転可能に支持するジャーナル軸受の軸方向側面に固定されており、前記ジャーナル軸受は、その摺動面における下方側位置にかつ前記ジャーナル軸受の軸方向幅の中心に対し対称となるように形成された複数の給油口を有し、軸方向に揺動可能に設けられる。

本発明によれば、簡易な構造で信頼性の高いスラスト軸受装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

本発明の第１の実施形態を図１〜図３により説明する。
図１は、本実施形態によるスラスト軸受装置の概略構造を表す軸方向断面図である。図２は、固定部の摺動面の詳細構造を給油系統とともに表す図であり、図３は、図２中断面III−IIIによる固定部の周方向部分断面図である。

これら図１〜図３において、本実施形態によるスラスト軸受装置は、回転軸１の軸方向が水平方向（図１中左右方向）となるように配置され、回転軸１の停止時にスラスト荷重が掛かる横軸型の回転機械（図示せず）に取り付けたものである。このスラスト軸受装置は、回転軸１に設けられ軸方向に対し垂直な平面（摺動面）２ａを有する例えば円環状のランナ部２と、このランナ部２の平面２ａに対向する摺動面３ａを有する円環状の固定部３とを備えている。固定部３は、回転軸１を収納するハウジング４に軸受取付部材５を介し固定されている（あるいは、ハウジング４に直接固定してもよい）。

固定部３の円環状の摺動面３ａは、径方向に伸びる例えば１２本の油溝６が鉛直方向上側（図２中上側）の位置から３０度間隔で形成されている。そして、摺動面３ａにおける油溝６間のうち、鉛直方向上側の位置から図２中矢印Ａ方向（回転軸１の回転方向）に１５度、７５度、１０５度、１６５度、１９５度、２５５度、２８５度、及び３４５度の位置には、テーパ部（傾斜面）７ａ及びランド部（平面）７ｂからなるテーパランド部７が形成されている。テーパランド部７のテーパ部７ａは、例えば周方向に傾斜するとともに径方向の境界線を介しランド部７ｂに連続するようになっている。

また、摺動面３ａにおける油溝６間のうち、鉛直方向上側の位置から図２中矢印Ａ方向に４５度、１３５度、２２５度、及び３１５度の位置には、平面のみからなる平坦部８が形成されている。すなわち、平坦部８は、鉛直方向（図２中上下方向）及び水平方向（図２中左右方向）に対し対称となるように配置されている。平坦部８のほぼ中央には給油口（静圧溝）９がそれぞれ形成されており、これら給油口９にそれぞれ連通する給油孔１０が形成されている。そして、油圧ポンプ１１からの圧油を給油孔１０に供給するための給油系統１２が設けられている。

次に、本実施形態の動作及び作用効果を説明する。

例えば回転軸１の停止時及び低速回転時は、油圧ポンプ１１を駆動し、給油系統１２、給油孔１０、及び給油口９を介し固定部３の摺動面３ａの平坦部８に圧油を供給して油膜を形成し、この平坦部８における油膜の静圧によってスラスト荷重を支持する。一方、例えば回転軸１の高速回転時は、油圧ポンプ１１を停止するものの、周囲の潤滑油が油溝６を介し固定部３の摺動面３ａのテーパランド部７に導入され、テーパランド部７における周方向の流れにより生じた動圧によってスラスト荷重を支持する。

ここで本実施形態においては、固定部３の摺動面３ａは、１２本の油溝６間のうち、８つの部分にてテーパランド部７を形成し、残りの４つの部分に平坦部８を形成している。これにより、例えば油溝間の全てにテーパランド部を形成する場合と比べ、摺動面３ａにおいて、静圧による浮上力の発生に寄与する平面の割合を３３％程度と大きくすることができ、油膜の静圧によって作用するランド部２の浮上力を十分に得ることができる。その結果、回転軸１の停止時及び低速回転時における軸受の損傷を防止することができ、信頼性を向上させることができる。また、例えばティルティングパッド式のスラスト軸受と比べ、簡易な構造で部品点数を削減することができる。したがって本実施形態においては、簡易な構造で信頼性の高いスラスト軸受を実現することができる。

また、本実施形態では、油溝６の本数を減らすことなく、摺動面３ａにおける平面割合を大きくすることができる。すなわち、例えばランド部の面積比率が大きくなるように、油溝の本数を減少させてテーパランド部の面積を大きくした場合は、回転軸の高速回転時に油溝を介した潤滑油の導入量が少なくなり、温度上昇して軸受の焼付等の問題が生じる。これに対し本実施形態では、油溝６の本数を減らすわけではないので、温度上昇を抑えて軸受の焼付等を防止することができる。

また、例えば回転軸１に発電機ロータやタービン等（図示せず）の質量の大きなものを取り付けている場合、回転軸１は撓み、ランド部２の平面２ａが垂直方向より若干傾くことがある。また、製造や組立の誤差により、固定部３の摺動面３ａが垂直方向より若干傾くことがある。そのため、ランナ部２の平面２ａと固定部３の摺動面３ａとの隙間が全周に亘って均等とはならず、片当たりする可能性が高くなる。本実施形態では、固定部３の摺動面３ａにおける４つの平坦部８を鉛直方向及び水平方向に対し対称となるように配置するので、回転軸１の停止時及び低速回転時には供給する油圧によって鉛直方向及び水平方向に対し対称となる浮上力を作用させ、ランナ部２の平面２ａと固定部３の摺動面３ａが平行となるように浮上させることができる。したがって、片当たりを防止することができる。

また、例えば固定部の摺動面における油溝間の全てにテーパランド部を形成し、それらテーパランド部のランド部に圧油を供給するような構成とした場合は、ランド部にそれぞれ形成する給油口及び給油孔の数が本実施形態のように平坦部８に形成した給油口９及び給油孔１０の数より多くなる。このように給油口９及び給油孔１０の数が増えると、片当たりを防ぐための圧力バランスの調整がより難しくなる。本実施形態では、給油口９及び給油孔１０の数を比較的少なくすることができるので、圧力バランスの調整を容易にすることができる。

なお、上記第１の実施形態においては、本発明の適用対象として横軸型の回転機械に取り付けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、例えば縦軸型の回転機械に取り付けてもよい。このとき、固定部の摺動面に形成する複数の平坦部は点対称となるように配置することが好ましい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第２の実施形態を図４〜図６により説明する。本実施形態は、ジャーナル軸受の軸方向側面に部分円環状の固定部を設けた実施形態である。

図４は、本実施形態によるスラスト軸受の概略構造を表す軸方向断面図であり、図５は、ジャーナル軸受の摺動面下側の詳細構造を表す平面図である。図６は、固定部の摺動面の詳細構造を給油系統ともに表す図である。なお、これら図４〜図６において、上記第１の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態によるスラスト軸受装置は、上記第１の実施形態同様、回転軸１の軸方向が水平方向（図４中左右方向）となるように配置され、回転軸１の停止時にスラスト荷重が掛かる横軸型の回転機械（図示せず）に取り付けたものである。このスラスト軸受装置は、回転軸１に設けられ軸方向に対し垂直な平面２ａを有する例えば円環状のランナ部２と、このランナ部２の平面２ａに対向する摺動面１３ａを有する例えば半円環状の固定部１３とを備えている。固定部１３は、半円環状の摺動面１３ａが回転軸１の軸芯より下方側（図４中下側）に配置されるように、ジャーナル軸受１４の軸方向一方側（図４中右側）側面に固定されている。

ジャーナル軸受１４は、軸受取付部材１５に軸方向に揺動可能に設けられている。また、ジャーナル軸受１４は、円筒状の摺動面１４ａにおける下方側位置にかつジャーナル軸受１４の軸方向幅の中心線Ｂに対し対称となるように形成された２つの給油口（静圧溝）１６と、これら給油口１６に連通する給油孔１７とを有している。そして、油圧ポンプ１８からの圧油を給油孔１７に供給するための給油系統１９が設けられている。そして、例えば油圧ポンプ１８を駆動して給油系統１９、給油孔１７、及び給油口１６を介し摺動面１４ａに潤滑油を供給すると、２つの給油口１６の圧力バランスによってジャーナル軸受１４の摺動面１４ａと回転軸１の軸方向とが平行になる。これにより、固定部１３の摺動面１３ａをジャーナル軸受１４の摺動面１４ａに対し直角となるように設けることで、固定部１３の摺動面１３ａとランナ部２の平面２ａとの隙間を鉛直方向に亘ってより均等にすることができ、片当たりを抑えることができる。

固定部１３の摺動面１３ａは、図６に示すように、径方向に（詳細には、内周面に到達し外周面に到達しないように）伸びる例えば５本の油溝６が水平方向一方側（図２中左側）の位置から３０度間隔で形成されている。そして、摺動面１３ａにおける油溝６間のうち、水平方向一方側の位置から図中矢印Ａ方向（回転軸１の回転方向）に１５度、７５度、１０５度、及び１６５度の位置には、テーパ部７ａ及びランド部７ｂからなるテーパランド部７が形成されている。

また、摺動面１３ａにおける油溝６間のうち、水平方向一方側から図中矢印Ａ方向に４５度及び１３５度の位置には、平面のみからなる平坦部８が形成されている。すなわち、平坦部８は、鉛直方向（図２中上下方向）に対し対称となるように、かつ固定部１３のほぼ鉛直方向中心に配置されている。平坦部８のほぼ中央には給油口（静圧溝）９がそれぞれ形成されており、これら給油口９に連通する給油孔１０が形成されている。そして、油圧ポンプ１１からの圧油を給油孔１０に供給するための給油系統１２が設けられている。

以上のように構成された本実施形態においては、固定部１３の摺動面１３ａは、５本の油溝６間のうち、４つの部分にてテーパランド部７を形成し、残りの２つの部分に平坦部８を形成している。これにより、例えば油溝間の全てにテーパランド部を形成する場合と比べ、摺動面１３ａにおいて、静圧による浮上力の発生に寄与する平面の割合を３３％程度と大きくすることができ、油膜の静圧によって作用するランド部２の浮上力を十分に得ることができる。したがって本実施形態においても、上記第１の実施形態同様、簡易な構造で信頼性の高いスラスト軸受を実現することができる。

また、本実施形態では、固定部１３の摺動面１３ａにおける２つの平坦部８を鉛直方向に対し対称となるように配置するので、回転軸１の停止時及び低速回転時には供給する油圧によって鉛直方向に対し対称となる浮上力を作用させ、ランナ部２の平面２ａと固定部３の摺動面３ａが水平方向断面において平行となるように浮上させることができる。また、固定部１３の摺動面１３ａにおける２つの平坦部８を固定部１３のほぼ鉛直方向中心に配置するので、鉛直方向に亘って所望の浮上力を作用させることができる。その結果、片当たりを防止することができる。

なお、上記第２の実施形態においては、固定部１３は、半円環状の摺動面１３ａが回転軸１の軸芯より下方側に配置されるように、ジャーナル軸受１４の軸方向一方側側面に固定した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、固定部の摺動面が回転軸の軸芯より上方側に配置されるように固定してもよい。また、例えば、固定部の摺動面は、半円環状以外の他の部分円環状に形成してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明のスラスト軸受の第１の実施形態の概略構造を表す軸方向断面図である。 本発明のスラスト軸受の第１の実施形態を構成する固定部の摺動面の詳細構造を給油系統とともに表す図である。 図２中断面III−IIIによる固定部の周方向部分断面図である。 本発明のスラスト軸受の第２の実施形態の概略構造を表す軸方向断面図である。 本発明のスラスト軸受の第２の実施形態におけるジャーナル軸受の摺動面下側の詳細構造を表す平面図である。 本発明のスラスト軸受の第２の実施形態を構成する固定部の摺動面の詳細構造を表す図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ ランナ部
２ａ 平面
３ 固定部
３ａ 摺動面
６ 油溝
７ テーパランド部
７ａ テーパ部（傾斜面）
７ｂ ランド部（平面）
８ 平坦部
９ 給油口
１３ 固定部
１３ａ 摺動面
１４ ジャーナル軸受
１４ａ 摺動面
１６ 給油口

Claims (4)

1. 回転軸に設けられ軸方向に対し垂直な平面を有するランナ部と、前記ランナ部の平面に対向する摺動面を有する固定部とを備えたスラスト軸受装置において、
   前記固定部は、前記摺動面に径方向に伸びるように形成された複数の油溝と、前記摺動面における前記複数の油溝間のうちいずれかに形成され、傾斜面及び平面からなる複数のテーパランド部と、前記摺動面における前記複数の油溝間のうち残りに形成され、平面のみからなる複数の平坦部と、前記複数の平坦部にそれぞれ形成され、外部からの圧油が供給される複数の給油口とを有することを特徴とするスラスト軸受装置。
2. 請求項１記載のスラスト軸受装置において、前記回転軸は、軸方向が水平方向となるように配置されており、前記固定部の摺動面は、円環状に形成し、前記複数の平坦部は、水平方向及び鉛直方向のうち少なくともいずれか一方に対し対称配置されるように形成したことを特徴とするスラスト軸受装置。
3. 請求項１記載のスラスト軸受装置において、前記回転軸は、軸方向が水平方向となるように配置されており、前記固定部の摺動面は、前記回転軸の軸芯より上方側又は下方側に配置されるように部分円環状に形成し、前記複数の平坦部は、鉛直方向に対し対称配置されるように形成したことを特徴とするスラスト軸受装置。
4. 請求項３記載のスラスト軸受装置において、前記固定部は、前記回転軸を回転可能に支持するジャーナル軸受の軸方向側面に固定されており、前記ジャーナル軸受は、その摺動面における下方側位置にかつ前記ジャーナル軸受の軸方向幅の中心に対し対称となるように形成された複数の給油口を有し、軸方向に揺動可能に設けられたことを特徴とするスラスト軸受装置。

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