JP2013087842A

JP2013087842A - ロールネック用密封型円すいころ軸受

Info

Publication number: JP2013087842A
Application number: JP2011227997A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Sakaguchi; 裕樹坂口; Yasunobu Fujita; 安伸藤田; Yoichi Matsumoto; 洋一松本
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2013-05-13
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: JP5953700B2

Abstract

【課題】内部に水が浸入する可能性が高い環境下であっても長寿命化を図ることができるロールネック用密封型円すいころ軸受を提供する。
【解決手段】複数の内輪１３，１４と、複数の外輪１１，１２と、内輪１３，１４と外輪１１，１２との間に配置される複数の円すいころ１５と、軸方向両端部に配置されて内輪１３，１４と外輪１１，１２との間をシールする密封装置１９と、を備え、内輪１３，１４の外周面と外輪１１，１２の内周面との間に形成される円環状の空間であって、円すいころ１５の大径側端面Ｐ１を境界として円すいころ１５の小径側に形成される内部空間の体積の総和Ｖは、全軸受体積Ｗの１４．５％以上に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄鋼設備の圧延機に好適に使用されるロールネック用密封型円すいころ軸受に関する。

鉄鋼圧延機のロールネックに使用される密封型円すいころ軸受は、温度変化が激しく、且つ水等の流体がかかる可能性がある厳しい環境下において使用されるため、軸受内部への水の侵入によって潤滑条件が低下し、その多くは、外輪が損傷を受けるなどによって軸受寿命が短くなる傾向がある。

従来、ロールネックに使用される密封型円すいころ軸受としては、複列円すいころ軸受の内輪間座の外周に間座凹部を設け、内輪間座の外周側の空間に充填されるグリース量を増やすと共に、間座凹部と外輪の内周側との間に、グリース保持部材を配置して、軸受軌道面側に供給されるグリース量を抑制して、グリースを効率的に供給することによって、軸受の長寿命化を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、圧延機用ロールネック軸受の外輪間座の内周に、内径側に向かって延びる突出壁を設け、ポンプ作用によって外輪の小径側から大径側へ流れる潤滑剤を、突出壁にぶつけて内輪の大鍔部側へ戻して補給するようにした複列円すいころ軸受が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−２４０８９６号公報特開２００３−６５３４４号公報

ロールネック用密封型円すいころ軸受の長寿命化を図るためには、外輪の潤滑を良くする必要があるが、上記特許文献１、２では、どれだけの量のグリースを、どこに充填するのが適切なのか、必ずしも明確ではない。また、上記特許文献１によると、軸受軌道面に供給されるグリース量が抑制されているので、内部に水が浸入する可能性が高い環境下で使用される鉄鋼圧延機のロールネック用軸受の場合、寿命に対して不利となる可能性があった。また、上記特許文献２によると、突出壁を設けることでグリースの充填絶対量が少なくなり、水混入潤滑条件ではグリース中の含水率が高まって、軸受寿命に悪影響を及ぼす可能性があった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部に水が浸入する可能性が高い環境下であっても長寿命化を図ることができるロールネック用密封型円すいころ軸受を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）内輪と、外輪と、内輪と外輪との間に少なくとも２列で配置される複数の円すいころと、軸方向両端部に配置されて内輪と外輪との間をシールする密封装置と、を備えるロールネック用密封型円すいころ軸受において、内輪の外周面と外輪の内周面との間に形成される円環状の空間であって、円すいころの大径側端面を境界として円すいころの小径側に形成される内部空間の体積の総和は、全軸受体積の１４．５％以上に設定されることを特徴とするロールネック用密封型円すいころ軸受。
（２）内輪の外周面と外輪の内周面との間に形成される円環状の空間であって、円すいころの大径側端面を境界として円すいころの小径側に形成される内部空間の体積の総和は、全軸受体積の１４．５％以上１８．１％以下に設定されることを特徴とする（１）に記載のロールネック用密封型円すいころ軸受。
（３）円すいころ軸受は、４列円すいころ軸受であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のロールネック用密封型円すいころ軸受。

本発明によれば、内輪の外周面と外輪の内周面との間に形成される円環状の空間であって、円すいころの大径側端面を境界として円すいころの小径側に形成される内部空間の体積の総和が、全軸受体積の１４．５％以上に設定されるため、潤滑剤の供給源となる円すいころの小径側の内部空間に、より多くの潤滑剤を充填することができる。これにより、軸受軌道面の潤滑状態を長期間に亘って良好に維持することができるので、ロールネック用密封型円すいころ軸受の長寿命化を図ることができる。

本発明に係るロールネック用密封型円すいころ軸受の一実施形態を説明する要部拡大断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。耐久寿命評価試験の結果を示すグラフである。耐久寿命評価試験に用いたロールネック用密封型円すいころ軸受の要部拡大断面図である。

以下、本発明に係るロールネック用密封型円すいころ軸受の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態のロールネック用密封型円すいころ軸受（以下、「円すいころ軸受」とも言う）１０は、図１及び図２に示すように、４列円すいころ軸受であり、一対の外輪１１及び複列外輪（外輪）１２と、一対の複列内輪（内輪）１３，１４と、各外輪１１，１２の軌道面１１ａ，１２ａと各内輪１３，１４の軌道面１３ａ，１４ａとの間にそれぞれ配置され、保持器１６によって回動自在に保持される複数の円すいころ１５と、を備える。

また、軸方向中央に配置される複列外輪１２と、その軸方向両側に配置される外輪１１との間には、外輪間座１７がそれぞれ配置されており、一対の外輪１１及び複列外輪１２の軸方向の位置決めが行われている。

また、外輪１１の軸方向外側には、密封装置であるオイルシール１９が取り付けられる円環状のシールホルダ１８が配置されており、このシールホルダ１８と複列内輪１３，１４から軸方向外方に延設される小径部１３ｂ，１４ｂの外周面との間は、オイルシール１９によってシールされている。

また、シールホルダ１８の外周面には、Ｏリング２０が装着されており、このＯリング２０は、シールホルダ１８と不図示のチョックとの間を封止している。これにより、軸受内部への水や異物の浸入を防止している。

また、複列内輪１３，１４の中央部には大鍔部２１がそれぞれ形成されており、複列内輪１３，１４の両端部には小鍔部１３ｃ，１３ｄ，１４ｃ，１４ｄがそれぞれ形成されている。そして、軸受使用時においては、円すいころ１５は、小鍔部１３ｃ，１３ｄ，１４ｃ，１４ｄと大鍔部２１に案内されながら各軌道面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ上を転動する。

また、複列内輪１３，１４の互いに突き合う端部である小鍔部１３ｃ，１４ｃの内周面には、環状の段部１３ｅ，１４ｅが対向するようにそれぞれ形成されており、段部１３ｅ，１４ｅによって形成される凹部２２には、中間シール２３が取り付けられている。

なお、複列外輪１２は、単列の外輪を２個使用してもよい。また、外輪間座１７は、外輪１１，１２の幅を広くすることより設けなくてもよい。また、シールホルダ１８は、外輪１１から軸方向に延設することで一体として形成することもできる。また、円すいころ軸受１０の材料は、軸受鋼や浸炭鋼など、焼入れが可能であれば限定されない。また、オイルシール１９及び中間シール２３は、ゴム等の弾性素材によって形成され、適度なしめしろを持って設置される。

円すいころ軸受１０の潤滑は、軸受内空間に所定量充填されるグリースで行われ、円すいころ軸受１０の内部は、オイルシール１９及び中間シール２３により密封空間となるため、グリースの外部への排出が抑制されている。

次に、本実施形態の円すいころ軸受１０では、全軸受体積Ｗ、ころ小径側空間体積Ｓ１，Ｓ２、ころ大径側空間体積Ｔ、及びころ小径側空間合計体積Ｖは、以下のように定義される。

全軸受体積Ｗは、内輪内径面３０と、外輪外径面３１と、円すいころ軸受１０の軸方向両端面３２，３２とによって画成される、不図示の軸受軸中心を基軸とする円環状部分の体積として定義される。

ころ小径側空間体積Ｓ１，Ｓ２は、各内輪１３，１４の外周面と各外輪１１，１２の内周面との間に形成される軸受軸中心を基軸とする円環状空間の内、円すいころ１５の大径側端面Ｐ１及びその拡張平面を境界として、円すいころ１５の小径側に形成される軌道１列当たりの円環状内部空間の体積として定義される。また、ころ小径側空間体積Ｓ１とは、円すいころ軸受１０の軸方向両端部に位置するものであり、ころ小径側空間体積Ｓ２とは、円すいころ軸受１０の軸方向中央部に位置するものである。

具体的には、ころ小径側空間体積Ｓ１は、図１の左側からａ列、ｂ列、ｃ列、ｄ列とすると、ａ列及びｄ列における円すいころ１５の小径側の空間体積であり、円すいころ１５の大径側端面Ｐ１より小径側の環状空間Ａ（Ｅ）の体積から、円すいころ１５及び保持器１６の体積を除いたものである。また、ころ小径側空間体積Ｓ２は、ｂ列及びｃ列における円すいころ１５の小径側の空間体積であり、円すいころ１５の大径側端面Ｐ１より小径側の環状空間Ｃの体積の半分から、円すいころ１５及び保持器１６の体積を除いたものである。

ころ大径側空間体積Ｔは、各内輪１３，１４の外周面と各外輪１１，１２の内周面との間に形成される軸受軸中心を基軸とする円環状空間の内、円すいころ１５の大径側端面Ｐ１及びその拡張平面を境界として、円すいころ１５の大径側の側方に形成される軌道１列当たりの円環状内部空間の体積として定義される。

具体的には、ころ大径側空間体積Ｔは、ａ列（ｂ列）の場合、ａ列の円すいころ１５の大径側端面Ｐ１とｂ列の円すいころ１５の大径側端面Ｐ１との間の環状空間Ｂの体積の半分から保持器１６の体積を除いたものである。また、ｃ列（ｄ列）の場合、ｃ列の円すいころ１５の大径側端面Ｐ１とｄ列の円すいころ１５の大径側端面Ｐ１との間の環状空間Ｄの体積の半分から保持器１６の体積を除いたものである。

ころ小径側空間合計体積Ｖは、前述したころ小径側空間体積Ｓ１，Ｓ２の総和として定義される。具体的には、ころ小径側空間体積Ｓ１が軸方向両端部の２箇所あり、ころ小径側空間体積Ｓ２が軸方向中央部に２箇所あるため、ころ小径側空間合計体積Ｖは、Ｓ１×２＋Ｓ２×２で計算される。

そして、本実施形態の円すいころ軸受１０では、ころ小径側空間合計体積Ｖが、全軸受体積Ｗの１４．５％以上に設定されている。また、潤滑用グリースは、環状空間Ａ〜Ｅに所定量充填で、且つ小径側の環状空間Ａ，Ｃ，Ｅの体積に対して体積比で８０％以上充填することが好ましい。これにより、後述するグリースの供給源となるころ小径側の環状空間Ａ，Ｃ，Ｅに、より多くのグリースを充填することができる。

このような円すいころ軸受１０は、ラジアル荷重が大きく、後述するポンプ効果による潤滑特性を有するので、大量の水がかかる厳しい環境下で使用される鉄鋼圧延機のロールネック用密封型円すいころ軸受として好適である。一般的に、鉄鋼圧延機のロールネック用密封型円すいころ軸受には、４列ロールネック用密封型円すいころ軸受が用いられる。

鉄鋼圧延機のロールネック用密封型円すいころ軸受１０は、グリースが途中給脂されることもあるが、基本的には初期充填されたグリースだけで分解洗浄までの３〜６ケ月間、継続使用される。また、浸水を防止するための防水対策として、オイルシール１９及び中間シール２３が設けられているものの、軸受内部への水の浸入を完全に防止することは難しく、次第に潤滑状態が悪化して早期にフレーキングが発生してしまう問題がある。

一般的に、円すいころ軸受の場合、潤滑油の軸受内部での挙動は、軸受回転に伴う回転撹絆によって、内輪の小鍔側から大鍔側へ、いわゆるポンプ効果によって潤滑油が流れ、軸受軌道面に潤滑油が供給されることが知られているが、本発明の発明者らは、ロールネック用密封型円すいころ軸受のグリース潤滑においても同様のポンプ効果が得られることを見出した。

即ち、本実施形態の円すいころ軸受１０は、ころ小径側空間合計体積Ｖを全軸受体積Ｗの１４．５％以上に設定することによって、ポンプ効果が働くグリース供給源、即ち、ころ小径側の環状空間Ａ，Ｃ，Ｅに充填されるグリース量を増加することができる。これにより、軸受軌道面に供給されるグリース中の水分濃度を低減させ、軸受軌道面の潤滑状態を長期間に亘って良好に維持することができるので、外輪１１，１２及び内輪１３，１４のフレーキングを抑制して、円すいころ軸受１０の長寿命化を図ることができる。また、従来、長寿命化を目的として、円すいころ軸受の定格荷重を増やすため、円すいころのころ長さを可能な限り大きくすることが行われているが、この背反としてころ小径側の環状空間Ａ，Ｃ，Ｅの全部又は一部が小さくなり、ころ小径側空間合計体積Ｖが全軸受体積Ｗの１４．５％未満となっていた。

以上説明したように、本実施形態の円すいころ軸受１０によれば、内輪１３，１４の外周面と外輪１１，１２の内周面との間に形成される円環状の空間であって、円すいころ１５の大径側端面Ｐ１を境界として円すいころ１５の小径側に形成される内部空間の体積の総和であるころ小径側空間合計体積Ｖが、全軸受体積Ｗの１４．５％以上に設定されるため、グリースの供給源となる円すいころ１５の小径側の環状空間Ａ，Ｃ，Ｅに、より多くのグリースを充填することができる。これにより、軸受軌道面１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａの潤滑状態を長期間に亘って良好に維持することができるので、円すいころ軸受１０の長寿命化を図ることができる。

また、本実施形態の円すいころ軸受１０によれば、円すいころ軸受１０が４列円すいころ軸受であるため、鉄鋼圧延機のロールネックに好適に使用することができ、圧延作業を効率的に行うことができる。

本発明の効果を確認するために、各種軸受仕様の４列密封型円すいころ軸受を試作し、比較試験を行った。実施例で用いた試験軸受の素材は、同じ溶解チャージ、同素材形状で製造した。即ち、素材は、電炉で溶解、２次精錬後、連続鋳造機で鋳造して圧延された材料を使用した。また、試験機の軸受ハウジングと軸は、圧延機実機で使用されるクリアランスに合わせて外輪、内輪ともにすきま嵌めとした。

（実施例１）
全軸受体積Ｗが同じであり、ころ小径側空間合計体積Ｖを変化させた１０個の４列密封型円すいころ軸受(Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０)を試作して、耐久寿命評価を行なった。各軸受の共通軸受仕様は、下記の通りであり、各軸受の個別の軸受仕様を表１に示す。また、ころ小径側空間体積Ｓ１，Ｓ２は共に同じである。

［共通軸受仕様］
呼び番号：３４３ＫＶＳ４５５１
外輪外径：φ４５７．０９８ｍｍ
内輪内径：φ３４３．０５２ｍｍ
組立て幅：２５４ｍｍ
全軸受体積Ｗ：１８２０４ｃｍ^３
材料：軌道輪、ころ共に、ＳＡＥ９３１５（Ｃ：０．１３〜０．１８ｗｔ％、Ｓｉ：０．１５〜０．３５ｗｔ％、Ｍｎ：０．４５〜０．６５ｗｔ％、Ｎｉ：３．００〜３．５０ｗｔ％、Ｃｒ：１．００〜１．４０ｗｔ％、Ｍｏ：０．０８〜０．１５ｗｔ％）
熱処理：軌道輪、ころ共に、浸炭焼入れ
表面硬さ：ＨＲＣ６０〜６４
表面粗さ：軌道輪０．１５μＲａ、ころ０．２０μＲａ
基本動定格荷重：２４３００００Ｎ

表１には、ころ小径側空間合計体積Ｖと全軸受体積Ｗとの比（Ｖ／Ｗ）、ころ径Ｄｗ、ころ長さＬ、ころ径（大径側端面径）Ｄｗと断面高さＨとの比（Ｄｗ／Ｈ）、軸受１個当たりのグリース量、軌道１列当たりのころ数Ｚ、寿命比を示す。なお、断面高さＨとは、円すいころ軸受１０の内輪内径面３０と外輪外径面３１との間の径方向の高さのことである。

耐久寿命試験は、下記に示す試験条件で各々１個ずつ行った。試験終了の判定は、検出振動が初期値の２倍となった時点で、外輪軌道面のフレーキングの有無を確認した。結果を図３に示す。

［試験条件］
ラジアル荷重Ｆｒ：９７２０００Ｎ
内輪回転数:７００ｍｉｎ^−１
潤滑油：パルマックスＲＢＧ（協同油脂株式会社製、比重：０．９２ｇ／ｃｍ^３）
グリース量：７５０〜１７００ｇ（環状空間Ａ，Ｃ，Ｅの体積の９５Ｖｏｌ％）
軸受内部への注水量：３６０ｃｃ／ｈ

表１に示すように、ころ小径側空間合計体積Ｖを大きくするためには、ころ径Ｄｗを大きくし、ころ長さＬを短くする必要がある。また、このとき、ころ径Ｄｗが大きくなるため、円周方向のころ間距離が短くなり、軸受１列当たりの円すいころの個数Ｚを減らす必要がある。

そして、図３に示すように、ころ小径側空間合計体積Ｖと全軸受体積Ｗとの比（Ｖ／Ｗ）が１４．５％以上になると、軸受内部のグリース量が多くなり、潤滑状態が良好となることから、軸受寿命が飛躍的に伸びることが認められた。

また、体積比（Ｖ／Ｗ）が１４．５％未満（表１の軸受Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３に相当）では、ころ小径側空間合計体積Ｖは小さく、グリース供給源となるころ小径側空間体積Ｓ１，Ｓ２が小さいため、グリース量が少なくなって短寿命となった。

さらに、図３から分かるように、より効果的に軸受を長寿命化するためには、体積比（Ｖ／Ｗ）が１５．０％以上であることが好ましい。しかしながら、体積比（Ｖ／Ｗ）を際限なく大きくすれば良いわけではなく、ころ小径側空間体積Ｓ１，Ｓ２を稼ぐためには、ころ径Ｄｗを大きく、ころ長さＬを短くする必要がある。しかし、表１に示すように、軸受Ｎｏ．１０では、長寿命化が認められたが、ころ径Ｄｗと断面高さＨとの比（Ｄｗ／Ｈ）が０．５７となっていた。図３のＤｗ／Ｈのグラフから分かるように、体積比（Ｖ／Ｗ）が大きくなると、ころ径Ｄｗも大きくなるため、ころ径Ｄｗと断面高さＨとの比（Ｄｗ／Ｈ）も大きくなる。また、ころ径Ｄｗと断面高さＨとの比（Ｄｗ／Ｈ）が大きくなると、軌道輪が薄くなり加工が困難になるため、ころ径Ｄｗと断面高さＨとの比（Ｄｗ／Ｈ）が０．５７以下、即ち、体積比（Ｖ／Ｗ）は１８．１％以下であることが好ましい。

また、ころ小径側空間体積Ｓ１，Ｓ２に偏りがあると、列間でグリース供給に過不足が生じ、グリース量が少ない列で短寿命となるため（理由は後述の実施例２を参照）、列間で空間体積Ｓ１，Ｓ２を同じとすることが好ましい。

また、本実施例では、軸受１個当たりのグリース量として、環状空間Ａ，Ｃ，Ｅの体積の９５ｖｏｌ％のグリースを、環状空間Ａ，Ｃ，Ｅにそれぞれ充填したが、環状空間Ａ，Ｃ，Ｅ以外の空間、例えば、環状空間Ｂ，Ｄに、グリースを適宜充填しても、本願発明の効果を損なうことはない。

（実施例２）
鉄鋼圧延機に用いられるロールネック用密封型円すいころ軸受１０は、一般的に外部からの浸水を防止するため、上記オイルシール１９と中間シール２３を備えている。また、中間シール２３の配置は、図４に示すように、複列内輪１３，１４の小鍔部１３ｃ，１４ｃの外径側、即ち、軸受内部空間内に配置することもできる。しかし、この配置によると、中間シール２３の分だけ、ころ小径側空間体積Ｓ２（環状空間Ｃの体積）が小さくなる問題がある。

そこで、本発明の効果を確認するため、図４に示すように、軸受Ｎｏ．３と同じ軸受仕様で、中間シール２３の配置のみを、複列内輪１３，１４の小鍔部１３ｃ，１４ｃの外径側に変更した軸受Ｎｏ．１１を試作し、上記実施例１と同一試験条件で耐久寿命試験を行なった。結果を表２に示す。

表２に示すように、軸受Ｎｏ．１１の寿命は、軸受Ｎｏ．３と比較して、５０％程度短寿命となっている。このことから、中間シール２３は、複列内輪１３，１４の小鍔部１３ｃ，１４ｃの内径側に設けた凹部２２（図１参照）に配置する方が好ましいことがわかった。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、上記実施形態では、円すいころ軸受１０は、４列円すいころ軸受として説明したが、これに限定されず、２列円すいころ軸受、６列円すいころ軸受、あるいは８列円すいころ軸受などの多列円すいころ軸受であればよく、同様の効果を奏する。

１０ロールネック用密封型円すいころ軸受
１１外輪
１２複列外輪（外輪）
１３複列内輪（内輪）
１４複列内輪（内輪）
１５円すいころ
１９オイルシール（密封装置）
Ｐ１円すいころの大径側端面
Ｓ１ころ小径側空間体積
Ｓ２ころ小径側空間体積
Ｖころ小径側空間合計体積
Ｗ全軸受体積

Claims

内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に少なくとも２列で配置される複数の円すいころと、軸方向両端部に配置されて前記内輪と前記外輪との間をシールする密封装置と、を備えるロールネック用密封型円すいころ軸受であって、
前記内輪の外周面と前記外輪の内周面との間に形成される円環状の空間であって、前記円すいころの大径側端面を境界として前記円すいころの小径側に形成される内部空間の体積の総和は、全軸受体積の１４．５％以上に設定されることを特徴とするロールネック用密封型円すいころ軸受。
前記内輪の外周面と前記外輪の内周面との間に形成される円環状の空間であって、前記円すいころの大径側端面を境界として前記円すいころの小径側に形成される内部空間の体積の総和は、全軸受体積の１４．５％以上１８．１％以下に設定されることを特徴とする請求項１に記載のロールネック用密封型円すいころ軸受。
前記円すいころ軸受は、４列円すいころ軸受であることを特徴とする請求項１又は２に記載のロールネック用密封型円すいころ軸受。