JP2014134270A - 軸受装置、軸受装置における油量調整方法 - Google Patents

軸受装置、軸受装置における油量調整方法 Download PDF

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実 冨田
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Abstract

【課題】潤滑油の流量調整を容易に行い、回転機械の稼働率の低下を防ぐことを目的とする。
【解決手段】油量調整部材60において、潤滑油流量を調整するための雄ネジシャフト61の頭部をカバー25の外部に突出させ、潤滑油流量を調整するときには、雄ネジシャフト61をカバー25の外部から回転させて作業を行うようにした。また、潤滑油温度(パッド温度)を計測するための熱電対を備えることによって、潤滑油温度をモニタリングしながら、リアルタイムに潤滑油流量を適切に調整することもできる。
【選択図】図3

Description

本発明は、例えば、蒸気タービンに用いられて好適な軸受装置、軸受装置における油量調整方法に関するものである。
蒸気タービン、ガスタービン、ポンプ、ブロワ等の高速回転機械においては、回転軸を回転自在に支持する軸受が用いられている。このような軸受においては、軸受と回転軸との間の摩擦低減、冷却等のため、潤滑油を強制的に循環させる潤滑油流路が形成されている。
例えば、図5に示すように、蒸気タービン1のタービン軸2の一端部2aには、タービン軸2をその軸線周りに回転自在に支持するメイン軸受3と、タービン軸2のスラスト力を受けるスラスト軸受4とが設けられている。これらメイン軸受3およびスラスト軸受4には、その軸受面に潤滑油を供給する潤滑油流路5A,5B,5Cが形成されている。これら潤滑油流路5A,5B,5Cは、外部に設けられたポンプ等によって潤滑油が供給される潤滑油メイン流路6から分岐して形成されている。
ここで、メイン軸受3、スラスト軸受4においては、潤滑油の流量が不足すると、軸受温度が上昇し、最悪の場合、焼き付き等の損傷が生じてしまうことがある。したがって、メイン軸受3用の潤滑油流路5Aと、スラスト軸受4用の潤滑油流路5B,5Cとでは、最適な潤滑油流量が異なることがある。
そこで、図5の例では、スラスト軸受4のハウジング4aに油量調整部材7が備えられている。
この油量調整部材7は、特許文献1にも記載されているように、先端にノズル部8aを有した雄ネジ部材8を有する。そして、雄ネジ部材8を、スラスト軸受4のハウジング4aに形成された雌ネジ孔4bにねじ込み、そのねじ込み量に応じて、ハウジング4aに形成された流路排出孔9とノズル部8aとの隙間を可変とすることによって、潤滑油の流量を調整するようになっている。
このようなタービン軸2の一端部2aを支持するメイン軸受3、スラスト軸受4、油量調整部材7等は、軸受台10上に設けられ、カバー11によってその全体が覆われている。
実開平7−10636号公報
しかしながら、上記したような従来の構成においては、以下に示すような問題を有する。
すなわち、油量調整部材7は、蒸気タービン1のタービン軸2の一端部2aを収容する軸受台10のカバー11内に収容されている。このため、蒸気タービン1の組立時に、試運転等を行うことによって、油量調整部材7における潤滑油流量を調整した後は、長期間の運転による潤滑油流路の状態変化や各部の劣化等により、メイン軸受3やスラスト軸受4の軸受温度が上昇して油量調整部材7で潤滑油流量を再調整したい場合に、その調整を行うことが困難となっている。
また、潤滑油自体の全体量を増加させず、潤滑油の全体流量を制限するために、各部位の潤滑油流量は必要以上に余裕を持たずに適正な潤滑油流量を維持することが望ましい。
例えば、スラスト軸受4においては、タービン軸2の一端部2aに形成されて外周側に張り出す円盤状のフランジ2bに対向して、軸受パッド4d,4eが形成されている。タービン軸2は、蒸気タービン1における圧縮動作により常に一方向のスラスト力(タービン軸2の軸線に沿った方向の力)を受けている。このため、長期間にわたる運転により、タービン軸2のフランジ2bと軸受パッド4d,4eとのクリアランスが変化することがある。スラスト力を受ける側の軸受パッド4dとフランジ2bとのクリアランスが小さくなると、潤滑油流量が低減して、滑油の温度が上がるため、潤滑油流量を必要流量へと増やすよう再調整することが好ましい。
しかし、潤滑油流量を調整するには、蒸気タービン1の稼働を停止し、軸受台10の上半部のカバー11を取り外さなければならず、手間と時間とがかかる。また、その結果、蒸気タービン1の稼働率が低下するという問題もある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、潤滑油の流量調整を容易に行い、回転機械の稼働率の低下を防ぐことのできる軸受装置、軸受装置における油量調整方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の軸受装置、軸受装置における油量調整方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の軸受装置は、回転軸を支持する軸受部材と、前記回転軸と前記軸受部材との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、前記潤滑油供給部における前記潤滑油の流量を調整する油量調整部材と、前記軸受部材から離間して前記軸受部材を覆うカバーと、を備え、前記油量調整部材は、先端部に、外径が軸線方向に沿って漸次変化するノズル部を有し、前記ノズル部が前記潤滑油の流路内に挿入されるとともに、基端部が前記カバーを貫通して該カバーの外部に突出した雄ネジシャフトと、前記カバーに設けられ、前記雄ネジシャフトを前記流路に対し該雄ネジシャフトの軸線方向に沿って進退可能とする雌ネジ部材と、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、雌ネジ部材に噛み合った雄ネジシャフトをその軸線周りに回転させると、雄ネジシャフトの先端部のノズル部が潤滑油の流路に対して進退する。ノズル部は外径が軸線方向に沿って漸次変化しているため、ノズル部の進退によって流路との間の隙間が変化し、潤滑油の流量が調整される。
このとき、雄ネジシャフトの基端部がカバーの外部に突出しているため、雄ネジシャフトをカバーの外部から回転させて油量調整を行うことができる。
さらに雌ネジ部材がカバーに設けられているので、蒸気タービンの運転状態によらず、軸受部材周囲の温度や潤滑油温度の変化の影響を受けにくく、また、雌ネジ部材と雄ネジシャフトとの位置関係が変わりにくいので、潤滑油流量の変化を抑制できる。
また、本発明の軸受装置は、前記潤滑油の温度を検出する温度センサをさらに備えることもできる。
これにより、温度センサで検出した潤滑油の温度に応じて雄ネジシャフトを回転させることによって、潤滑油の温度が適切な範囲内となるように油量調整を行うことができる。
また、カバーに、前記雄ネジシャフトが貫通する貫通孔が形成され、前記雌ネジ部材は、前記カバーの前記貫通孔に重ねて溶接されているようにしてもよい。
これにより、雌ネジ部材を装着した雄ネジシャフトを貫通孔に通し、その先端部のノズル部を潤滑油の流路内に挿入した後、雌ネジ部材をカバーに溶接することができる。
また、前記雄ネジシャフトにナットが装着され、前記ナットを前記雌ネジ部材に締結させることで、前記雄ネジシャフトが固定されているようにしてもよい。
雄ネジシャフトの先端部のノズル部を潤滑油の流路内に挿入して油量を適切に調整した状態で、いわゆるダブルナットによって、雄ネジシャフトを確実に固定することができる。
また、前記雄ネジシャフトの頭部と前記雌ネジ部材との間に、スペーサが挟み込まれて、前記スペーサは周方向に2分割した分割子からなり、前記スペーサの外周部に固定リングが装着されているようにしてもよい。このとき、スペーサの厚みや挟み込む数を調整することによって、油量を調整することができ、また、雄ネジシャフトを確実に固定できる。また、スペーサを周方向に2分割した分割子により形成することで、雄ネジシャフトに対するスペーサの装着を容易に行える。
本発明の軸受装置における油量調整方法は、上記したような軸受装置における油量調整方法であって、前記カバーの外部に突出した前記雄ネジシャフトを回転させることによって前記流路に対して前記雄ネジシャフトを進退させ、前記ノズル部と前記流路との隙間を変化させる油量調整工程と、前記雄ネジシャフトを前記雌ネジ部材に対して固定する工程と、を備えることを特徴とする。
また、前記温度センサで前記潤滑油の温度を検出する温度検出工程をさらに備え、前記油量調整工程は、検出された前記温度に基づき、前記カバーの外部に突出した前記雄ネジシャフトを回転させることによって前記流路に対して前記雄ネジシャフトを進退させ、前記ノズル部と前記流路との隙間を変化させるようにしてもよい。
このような方法においては、潤滑油の温度に応じて雄ネジシャフトを回転させることによって、潤滑油の流量を調整することができる。そして、例えば、予め定めた時間の間、温度センサで検出された潤滑油の温度が規定範囲内を維持するまで、温度検出工程と油量調整工程とを繰り返すのが好ましい。
本発明によれば、雄ネジシャフトの基端部がカバーの外部に突出しているため、雄ネジシャフトをカバーの外部から回転させて油量調整を行うことができる。これにより、潤滑油の流量調整を容易に行い、回転機械の稼働率の低下を防ぐことができる。
本発明の軸受装置の一例としての蒸気タービンのタービン軸の軸受部の構成を示す断面図である。 本発明の軸受装置におけるスラスト軸受の概略構成を示す断面図である。 本発明の軸受装置における油量調整装置を示す断面図である。 本発明の軸受装置における油量調整装置の他の例を示す図であり、(a)は油量調整装置の断面図、(b)は油量調整装置に用いられているスペーサおよび固定リングを示す斜視図である。 従来の油量調整装置を備えた蒸気タービンのタービン軸の軸受部の構成を示す断面図である。
以下、本発明の軸受装置、軸受装置における油量調整方法の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態においては、回転機械の一例として、自家発電用の蒸気タービンを例示する。
図1に示すように、蒸気タービンの軸受装置20は、タービン軸(回転軸)21の一端部21aを、タービン軸21をその軸線周りに回転自在に支持するメイン軸受30と、タービン軸21のスラスト力を受けるスラスト軸受(軸受部材)40とにより支持している。タービン軸21の一端部21aには、蒸気タービンの各部に潤滑油を供給する遠心ポンプ23が設けられていてもよい。
これらメイン軸受30、スラスト軸受40、遠心ポンプ23は、床面上に設置された軸受台22上に設けられている。
また、軸受台22の上部には、スラスト軸受40、遠心ポンプ23を覆うようにカバー25が装着されている。
メイン軸受30は、タービン軸21の外周面に摺接する円筒状のメタル部材31と、メタル部材31の外周側に一体に設けられた軸受ハウジング32と、軸受台22上に形成された軸受台座33と、を備えている。
軸受ハウジング32は、その外周面32aが、タービン軸21の軸線Cを含む面内で外周に向けて凸となる円弧状をなし、すなわち、外周面32aは、全体として球面状をなしている。
軸受台座33は、蒸気タービンの軸受装置20のハウジング24に一体に形成されて、その下部は軸受台22の一部を形成している。軸受台座33の内周面33aは、タービン軸21の軸線Cを含む断面において外周側に凸となる円弧状をなし、すなわち、この内周面33aは、全体として球面状をなしている。そして、軸受ハウジング32の外周面32aと、軸受台座33の内周面33aとが、それぞれの曲率が略同一に設定されることで、その全域において互いに所定のクリアランスを維持して、潤滑油を導入するようになっている。
スラスト軸受40は、軸受台22上に一体に形成された環状の軸受ホルダー41と、軸受ホルダー41の内周側に設けられ、タービン軸21の一端部21aにおいて外周側に張り出した円板状のフランジ部21fを挟み込むよう、その両側に配置された軸受パッド42A,42Bと、を備えている。
図2に示すように、軸受パッド42Aは、フランジ部21fに対してタービン軸21の他端部側(図1において右方)においてフランジ部21fに対向するよう配置され、軸受パッド42Bは、フランジ部21fに対してタービン軸21の一端部21a側にてフランジ部21fに対向するよう配置されている。
タービン軸21には、他端部側に動翼等が設けられている。そして、蒸気タービンの稼働時には、ハウジング24内における蒸気の流れによって、タービン軸21の一端部21a側から他端部側に向けてのスラスト力Psが作用する。したがって、スラスト軸受40においては、軸受パッド42Aにおいて、より大きなスラスト力を受けることとなる。したがって、軸受パッド42Aは、軸受パッド42Bに比較して、フランジ部21fに対向する面の面積が大きくなるよう形成されている。
また、軸受パッド42A,42Bは、それぞれ中心部にタービン軸21が貫通する孔43を有した円環状で、フランジ部21fに対向する面に、ホワイトメタルからなる薄板状のメタル材44A、44Bが設けられていて、所定のクリアランスを維持して、潤滑油を導入するようになっている。
図1に示したように、軸受台22には、外部の潤滑油ポンプ(図示なし)から潤滑油が供給される潤滑油メイン流路55が、メイン軸受30とスラスト軸受40の下方に形成されている。
そして、この潤滑油メイン流路55から、メイン軸受30の軸受台座33の内周面33aに連通する潤滑油流路50Aが形成されている。この潤滑油流路50Aを通して、軸受台座33の内周面33aと、軸受ハウジング32の外周面32aとの間に潤滑油が供給されるようになっている。
また、潤滑油メイン流路55から、スラスト軸受40の軸受ホルダー41を貫通して、軸受ホルダー41内の軸受パッド42A,42Bが設けられた空間45A、45B内に連通するよう、潤滑油流路(潤滑油供給部)50B,50Cが形成されている。これによって、軸受パッド42A,42Bのメタル材44A,44Bとタービン軸21のフランジ部21fとの間に潤滑油が供給されるようになっている。
図3に示すように、スラスト軸受40の軸受ホルダー41の上部には、潤滑油が空間45A,45Bから排出される排出口(流路)46が形成されている。
メイン軸受30の軸受台座33の内周面33aと、軸受ハウジング32の外周面32aとの間、およびスラスト軸受40の排出口46から排出された潤滑油は、自重により落下し、軸受台22の下部に設けられた潤滑油排出口47から、潤滑油タンク等に回収される。
排出口46には、排出口46からの潤滑油の排出流量を調整する油量調整部材60が設けられている。
油量調整部材60は、先端に行くにしたがいその外径が漸次縮小するノズル部61aを有した雄ネジシャフト61を備えている。この雄ネジシャフト61は、軸受台22の上方に装着されているカバー25に設けられた雌ネジ部(雌ネジ部材)62にねじ込まれ、雄ネジシャフト61の頭部(基端部)61bは、カバー25の外部に突出して設けられている。この雄ネジシャフト61のねじ込み量に応じて雄ネジシャフト61を進退させ、排出口46とノズル部61aとの隙間を可変とすることによって、潤滑油の流量を調整するようになっている。
ここで、雌ネジ部62は、カバー25に形成した貫通孔26の内周面にネジ溝を直接形成して構成してもよいが、図3に示した構成のように、貫通孔26上に雌ネジ部62を有したネジ部材65を配置し、カバー25に溶接するのが好ましい。貫通孔26に雌ネジ部62を形成した場合、蒸気タービンの製作時において、貫通孔26の雌ネジ部62にねじ込んだ雄ネジシャフト61のノズル部61aを排出口46に芯合わせするには、貫通孔26および排出口46の位置関係が高精度に合っていなければならず、これにはコストがかかる。これに対し、ネジ部材65をカバー25とは別に設ける上記構成においては、蒸気タービンの製作時には、ネジ部材65をカバー25に溶接しない状態で、雄ネジシャフト61を貫通孔26に挿通させて、先端のノズル部61aを排出口46に突き当てた後、ネジ部材65をカバー25に溶接することができる。これによって、カバー25の貫通孔26と排出口46とが位置ずれしていても、これを許容することができ、カバー25の加工精度を過度に高める必要もなく、製作コストを抑えつつ、容易に組み立てを行うことができる。
また、雌ネジ部62にねじ込まれた雄ネジシャフト61は、頭部61bとの間にナット66、スペーサ67を配置し、このナット66によって雄ネジシャフト61をネジ部材65に締結することができる(いわゆるダブルナット)。雄ネジシャフト61と雌ネジ部62は、蒸気タービンのタービン軸21の回転などによる振動により互いの位置関係が変わらないよう固定することが必要であるが、これにより、雄ネジシャフト61のねじ込み量の位置変化を防止(緩み止め)できる。
このような油量調整部材60は、スラスト軸受40における潤滑油温度に応じて、雄ネジシャフト61のねじ込み量を調整するのが好ましい。
このため、図2に示すように、スラスト力を受ける側の軸受パッド42Aには、熱電対64等の温度センサが設けられている。熱電対64は、軸受パッド42Aを貫通し、その先端64aがメタル材44Aの背面側に位置するよう設けられている。
そして、熱電対64によって検出されるメタル材44Aの温度、すなわち潤滑油温度の情報は、外部の図示しないコントローラに伝達され、熱電対64における検出温度が、インジケータやモニター等の出力部に表示される。
蒸気タービンのユーザは、この熱電対64における検出温度をモニタリングすることで、油量調整部材60の雄ネジシャフト61のねじ込み量を調整する。
具体的には、熱電対64における検出温度が、予め定めた規定値以下を維持するよう、雄ネジシャフト61のねじ込み量、すなわち潤滑油の流量を調整する。例えば、まず、ナット66を緩め、雄ネジシャフト61を回転可能な状態とする。そして、雄ネジシャフト61をいっぱいに締め込んだ状態から、規定回転数(例えば1/8回転)だけ緩め、この状態で、蒸気タービンを稼働させ、熱電対64における検出温度を監視する(温度検出工程)。そして、検出温度が規定値を上回った場合には、雄ネジシャフト61を規定回転数(例えば1/8回転)だけ開き(油量調整工程)、再び熱電対64における検出温度を監視する。
検出温度が、規定値を上回らなくなったならば、そのまま蒸気タービンの稼働を一定時間継続し、熱電対64における検出温度を監視する。もし、その途中で、検出温度が規定値を上回った場合には、雄ネジシャフト61を規定回転数(例えば1/8回転)だけ開く。そして、蒸気タービンの稼働を一定時間継続し、熱電対64における検出温度が規定値を上回らない状態を維持することを確認した時点で、調整が完了する。
調整完了後、ナット66をねじ込むことによって、雄ネジシャフト61を雌ネジ部62に対して固定する。
上述したような構成によれば、油量調整部材60において、潤滑油流量を調整するために雄ネジシャフト61を回転させるに際し、カバー25の外部から作業を行うことができるので、その調整作業を容易かつ迅速に行うことができ、蒸気タービンが稼働したままであっても、調整を行うこともできる。これによって、蒸気タービンの稼働率を向上させることができる。
また、潤滑油温度(パッド温度)を計測するための熱電対64を備えることによって、潤滑油温度をモニタリングしながら、リアルタイムに潤滑油流量を適切に調整することが可能となる。
さらに、雄ネジシャフト61は、カバー25に形成された雌ネジ部62にねじ込まれている。この雌ネジ部62は、スラスト軸受40から離間されているため、潤滑油の熱影響を受けにくく、また、潤滑油に直接触れないので温度変化が少ない。これによって、雄ネジシャフト61のノズル部61aの位置が熱影響によってずれにくく、潤滑油流量を安定させることができる。
なお、上記実施形態において、潤滑油流量を調整するための雄ネジシャフト61の回転は、工具等を用いて作業者が行ってもよいが、雄ネジシャフト61を回転させるモータ等を備え、熱電対64における検出温度に応じて、モータにより雄ネジシャフト61を自動的に回転させて、潤滑油流量の自動調整を行う構成とすることも可能である。
また、上記実施形態では、雄ネジシャフト61を、いわゆるダブルナットによって固定する構成を例示したが、これに限るものではなく、例えば、図4(a)に示すように、雄ネジシャフト61の頭部61bとネジ部材65との間に、所定厚さを有した一枚以上のスペーサ68を挟み込むようにしてもよい。このようにしても、雄ネジシャフト61と雌ネジ部62との位置関係が変わらないよう固定し、雄ネジシャフト61のねじ込み量の位置変化を防止することができる。
また、この場合、スペーサ68の厚さや枚数を異ならせることで、雄ネジシャフト61のねじ込み量を適宜調整することができる。
スペーサ68は、雄ネジシャフト61を引き抜くことなく脱着できるよう、例えば、図4(b)に示すように、周方向に2分割した分割子68a、68bからなる構成としてもよい。さらに、スペーサ68が不用意に雄ネジシャフト61から外れるのを防ぐため、スペーサ68の外周部に、C字状の固定リング69を装着して固定するようにしてもよい。
なお、上記実施形態においては、スラスト軸受40に油量調整部材60を備えるようにしたが、例えばメイン軸受30等、他の軸受に同様の構成を適用することもできる。
さらに言えば、蒸気タービンに限らず、他の様々な回転機械の軸受装置に対し、本発明を適用することが可能である。
20 軸受装置
21 タービン軸(回転軸)
21a 一端部
21f フランジ部
22 軸受台
23 遠心ポンプ
24 ハウジング
25 カバー
26 貫通孔
30 メイン軸受
31 メタル部材
32 軸受ハウジング
32a 外周面
33 軸受台座
33a 内周面
40 スラスト軸受(軸受部材)
41 軸受ホルダー
42A,42B 軸受パッド
43 孔
44A,44B メタル材
45A,45B 空間
46 排出口(流路)
47 潤滑油排出口
50A 潤滑油流路
50B,50C 潤滑油流路(潤滑油供給部)
55 潤滑油メイン流路
60 油量調整部材
61 雄ネジシャフト
61a ノズル部
61b 頭部(基端部)
62 雌ネジ部(雌ネジ部材)
64 熱電対(温度センサ)
64a 先端
65 ネジ部材
66 ナット
68 スペーサ
68a 分割子
69 固定リング

Claims (7)

  1. 回転軸を支持する軸受部材と、
    前記回転軸と前記軸受部材との間に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、
    前記潤滑油供給部における前記潤滑油の流量を調整する油量調整部材と、
    前記軸受部材から離間して前記軸受部材を覆うカバーと、を備え、
    前記油量調整部材は、先端部に、外径が軸線方向に沿って漸次変化するノズル部を有し、前記ノズル部が前記潤滑油の流路内に挿入されるとともに、基端部が前記カバーを貫通して該カバーの外部に突出した雄ネジシャフトと、
    前記カバーに設けられ、前記雄ネジシャフトを前記流路に対し該雄ネジシャフトの軸線方向に沿って進退可能とする雌ネジ部材と、
    を備えることを特徴とする軸受装置。
  2. 前記潤滑油の温度を検出する温度センサをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の軸受装置。
  3. 前記カバーに、前記雄ネジシャフトが貫通する貫通孔が形成され、
    前記雌ネジ部材は、前記カバーの前記貫通孔に重ねて溶接されていることを特徴とする請求項1または2に記載の軸受装置。
  4. 前記雄ネジシャフトにナットが装着され、前記ナットを前記雌ネジ部材に締結させることで、前記雄ネジシャフトが固定されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の軸受装置。
  5. 前記雄ネジシャフトの頭部と前記雌ネジ部材との間に、スペーサが挟み込まれていて、
    前記スペーサは周方向に2分割した分割子からなり、
    前記スペーサの外周部に固定リングが装着されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の軸受装置。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の軸受装置における油量調整方法であって、
    前記カバーの外部に突出した前記雄ネジシャフトを回転させることによって前記流路に対して前記雄ネジシャフトを進退させ、前記ノズル部と前記流路との隙間を変化させる油量調整工程と、
    前記雄ネジシャフトを前記雌ネジ部材に対して固定する工程と、
    を備えることを特徴とする軸受装置における油量調整方法。
  7. 前記温度センサで前記潤滑油の温度を検出する温度検出工程をさらに備え、
    前記油量調整工程は、検出された前記温度に基づき、前記カバーの外部に突出した前記雄ネジシャフトを回転させることによって前記流路に対して前記雄ネジシャフトを進退させ、前記ノズル部と前記流路との隙間を変化させることを特徴とする請求項6に記載の軸受装置における油量調整方法。
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