JP2010266040A - 極低速回転用の軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大荷重を受けながら超低速で回転する軸を支承する場合にも油膜切れが発生するおそれがない軸受装置を提供する。
【解決手段】本発明の極低速回転用の軸受装置は、円柱状の転動体１を支承する転走面２が、０．００５〜０．０１μｍの鏡面上に、ころ接触幅２ｂに対して直径ｄが２ｂ/３０〜２ｂ/３、深さｈが０．０５〜３μｍ以下の断面円弧状のミクロプール４を多数形成した表面としたものである。ミクロプール４の最大深さｈは０．１〜０．２μｍであることが好ましい。このような転走面２は電解研磨仕上げにより形成された鏡面上に、球状の投射材をショットブラスト処理することによって形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転速度がｄｎ値で５００以下となるような極低速回転の軸を受けるための軸受装置に関するものである。ここでｄｎ値とは、ｄｎ値＝軸受内輪[mm]×回転数[rpm]として定義され、軸受回転周速を評価するために使用されている値である。

例えば鋼の連続鋳造装置のロールは１０トン程度の荷重を受けながらｄｎ値５００以下の極低速で回転するものである。その軸受装置としては外輪の内側に多数の円柱状の転動体を備えた構造のものが用いられている。これらの転動体は円筒状の転走面を転がりながら荷重を受けている。

従来の軸受装置の転走面は、図１に示すように超仕上げされているが、ミクロに観察すると多数の引っかきキズを有する形状をしている。この引っかきキズは、軸受使用時には溝状の油溜まりとして機能していると考えられる。しかし軸の回転速度が極低速時には、転動体からの荷重を受けた際に油溜まりから溝に沿って潤滑油が流出してしまい、安定した油膜を確保することができず、次第に転走面が摩耗する傾向があった。このため低速使用時（ｄｎ値５００以下）では、高速使用時（ｄｎ値数千以上）と比較して使用寿命が短く、比較的短期間で交換しなければならなかった。この交換作業はロールの本数が多いこともあって、長時間にわたる生産停止を伴う作業である。

なお軸受装置の転走面については従来から様々な検討がなされており、例えば特許文献１、特許文献２には、ショットピーニング後にバレル研磨加工を行った転走面が開示されている。しかしこれらは自動車用の軸受装置であるから高速使用時（ｄｎ値数千以上）であり、上記したような極低速使用時を想定しないものと考えられる。

また特許文献３には転動体の表面にＲａが０．０２〜０．２μｍとなるように断面円弧上の凹部を形成した直動案内軸受が開示されているが、これはころがり軸受の転走面に適用したものではない。

特開平７−２４３３０８号公報 特開平２００３−１８４８８３号公報 特開平２００４−３１６６９９号公報

上記したように、超低速で大荷重を受けながら回転する軸を長期間にわたり安定して支承するに適した軸受装置は従来知られていない。従って本発明の目的は、大荷重を受けながらｄｎ値５００以下の超低速で回転する軸を支承する場合にも油膜切れが発生するおそれがなく、極低速使用時でも従来よりも長期間にわたり使用することができる軸受装置を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明の極低速回転用の軸受装置は、円柱状の転動体を支承する転走面が、Ｒａが０．００５〜０．０１μｍの鏡面上に、ころ接触幅２ｂに対して直径ｄが２ｂ/３０〜２ｂ/３、深さが０．０５〜３μｍ以下の断面円弧状のミクロプールを多数形成した表面であることを特徴とするものである。ここでＲａは中心線平均粗さであり、粗さ曲線を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線とによって囲まれた面積の総和を長さLで割ったものである。また、ころ接触幅はヘルツの弾性接触理論に基づいて計算される接触長さであり、通常２ｂとして用いられるので本明細書でも２ｂを使用した。

なお本発明においては、ミクロプールの最大深さｈが、０．１〜０．２μｍであることが好ましい。

また、転走面は、精密な切削・研削・研磨等の加工方法によって、Ｒａが０．００５〜０．０１μｍとなるように仕上げられ、その後ショットブラスト加工や放電加工、エッチング加工等により形成された所定寸法のミクロプールを有することが好ましい。

本発明の極低速回転用の軸受装置は、Ｒａが０．００５〜０．０１μｍの鏡面上に、ころ接触幅２ｂに対して直径ｄが２ｂ/３０〜２ｂ/３、深さが０．０５〜３μｍの断面円弧状のミクロプールを多数形成した転走面を備えており、ミクロプール以外の表面は従来の超仕上げよりも平滑である。このために円柱状の転動体が高荷重で接触・転動した際にもミクロプールから潤滑油が逃げることがなくなる。しかもころ接触幅ｂに対して直径ｄが２ｂ/３０〜２ｂ/３、深さが０．０５〜３μｍの断面円弧状のミクロプール内の潤滑油は、絞り膜効果による圧力で荷重を支持するとともに、ミクロプールから溢れ出た潤滑油が周囲の鏡面領域に薄く均一な油膜を形成する。さらに、鏡面領域はＲａが０．００５〜０．０１μｍと非常に平滑である。この結果、金属面どうしが直接接触する可能性がなくなり、摩耗が抑制される。従って軸受の使用寿命を従来品の２倍以上にまで延長することが可能となる。ここで絞り膜効果とは、流体が押しのけられようとした際に、流体の粘性抵抗（動き難さ）により発生する圧力により油膜を発生させる効果を意味する。

なお、ミクロプールの最大深さｈを０．１〜０．２μｍとすることによって上記の絞り膜効果が十分に発揮される。またこのような転走面は、電解研磨仕上げにより形成された鏡面上に、球状の投射材をショットブラスト処理することによって経済的に製造することができる。

従来技術の軸受装置の転走面を示す斜視図である。 本発明の軸受装置の転走面を示す斜視図である。 本発明の軸受装置の製造工程の説明図である。 本発明の作用効果を説明する拡大断面図である。 ミクロプールの直径と深さが寿命比に与える影響を示すグラフである。 ミクロプールの密度が寿命比に与える影響を示すグラフである。 転走面のＲａが寿命比に与える影響を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を示す。
本実施形態の極低速回転用の軸受装置は、前記したように鋼の連続鋳造装置のロールのための軸受装置である。このロールは連続鋳造用モールドから引き出された鋳片を冷却しながら低速度で下方に移動させるためのロールであり、１０トン程度の荷重を受けながらｄｎ値５００以下程度の極低速で回転する。

図２は本発明の軸受装置の転走面を模式的に示した図であり、１は転動体、２は軸受の外輪の内周面である円形の転走面である。この転走面２は鏡面部分３に油溜まりとなるミクロプール４を多数形成した構造を備えている。

本発明における転走面２の鏡面部分３は、従来よりもはるかに平滑に仕上加工されたものであって、Ｒａが０．００５〜０．０１μｍである。このような鏡面は、精密な切削・研削・研磨等の加工方法によって得られる。例えば電解研磨法を行うことにより経済的に加工が可能である。電解研磨法によれば、化学的に表面の微細な凹凸を除去できるため、短時間でＲａが０．００５〜０．０１μｍの鏡面を得ることが可能である。鏡面部分３のＲａを０．００５〜０．０１μｍとしたのは、Ｒａを工業的に０．００５μｍよりも小さく加工することは容易でなく、逆に鏡面部分３のＲａを０．０１μｍよりも大きくするとミクロプールから溢れた潤滑油により形成される油膜よりも表面粗さのほうが大きくなり、金属接触が生じる危険があるためである。

その後に例えば図３に示すようにブラスト加工を行い、ころ接触幅２ｂに対して直径ｄが２ｂ/３０〜２ｂ/３、深さが０．０５〜３μｍの断面円弧状のミクロプール４が形成される。ころ接触幅２ｂに対して直径ｄが２ｂ/３０〜２ｂ/３、深さが０．０５〜３μｍとしたのは、直径ｄが２ｂ/３０、深さが０．０５μｍよりも小さいとミクロプール４内の潤滑油量が小さくなって十分な油膜が形成できず、逆に直径ｄが２ｂ/３、深さが３μｍよりも大きくなると絞り膜効果が薄れるためである。

なお、通常のブラスト加工を行うとこのような独立したミクロプール４を均一に形成することができない。このため少数の投射材を転走面２に均一にブラストすることが必要である。またミクロプール４の好ましい密度は、１０，０００〜１００，０００個/ｃｍ^２程度である。

このように構成された転走面２の各ミクロプール４の内部には、図４の左図に示すように潤滑油が溜まり、転動体１が接触すると図４の中央図に示すように転動体１から加えられる荷重によってミクロプール４の内部の潤滑油は圧縮される。押しつぶされようとする潤滑油の絞り膜効果により圧力を生み出し、荷重を支持する。そしてさらに図４の右図に示されるように潤滑油がミクロプール４から押し出されて周囲の鏡面部分３の油膜を形成し、周囲の平坦部が非常に平滑な表面を有するために良好な潤滑状態を維持する。上記の効果は転動体１の移動速度が遅い極低速回転域においても十分に発揮される。

以上に説明したように、本発明の軸受装置は、鏡面上に潤滑油の保持・供給し絞り膜効果を発揮するミクロプールを多数形成した転走面を備えたものであり、大荷重を受けながらｄｎ値５００以下程度の超低速で回転する軸を支承する場合にも油膜切れが発生するおそれがない。このため連続鋳造装置のロール等の軸受装置として使用すれば、その使用寿命を従来品の２倍以上にまで延長することができる。次に本発明の実施形態例を示す。

鋼の連続鋳造装置に使用されているｄ×ｎの値が異なる４種類の軸受装置を用い、その転走面を図１に示した従来構造とした場合と、本発明の構造とした場合とについて、使用寿命を比較した。その結果は表１に示すとおりであり、従来の軸受装置に比較して使用寿命は約２倍となった。

次に、ミクロプールの直径と深さが寿命比に与える影響を測定し、図５のグラフにまとめた。本発明の範囲内において寿命比が１以上となる。

次に、ミクロプールの密度が寿命比に与える影響を、図６のグラフにまとめた。ミクロプールの密度を１０，０００個/ｃｍ^２よりも大きくすると寿命比が明確に増大することが分かる。

次に、転走面のＲａが寿命比に与える影響を、図７のグラフにまとめた。本発明の範囲内において寿命比が明確に増大することが分かる。

１ 転動体
２ 転走面
３ 鏡面部分
４ ミクロプール

Claims (3)

1. 円柱状の転動体を支承する転走面が、Ｒａが０．００５〜０．０１μｍの鏡面上に、ころ接触幅２ｂに対して直径ｄが２ｂ/３０〜２ｂ/３、深さが０．０５〜３μｍ以下の断面円弧状のミクロプールを多数形成した表面であることを特徴とする極低速回転用の軸受装置。
2. ミクロプールの最大深さｈが、０．１〜０．２μｍであることを特徴とする請求項１記載の極低速回転用の軸受装置。
3. 転走面が電解研磨仕上げにより形成された鏡面上に、球状の投射材をショットブラスト処理することによってミクロプールを多数形成した表面であることを特徴とする請求項１記載の極低速回転用の軸受装置。