JP2016205545A - すべり軸受装置及びこれを備えたポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で低摩擦な軸受すべり面を有したすべり軸受装置を提供する。【解決手段】回転機械に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使われるすべり軸受装置であって、軸受部分は炭素繊維、タルク、芳香族ポリエーテルケトンおよび不可避不純物の複合材料により形成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、樹脂材料を用いたすべり軸受装置及びこれを備えたポンプに係り、特にポンプ等の回転機械のラジアル軸受として好適に使用されるすべり軸受装置及びこれを備えたポンプに関する。

近年、都市化の進展により、緑地の減少及び路面のコンクリート化、アスファルト化の拡大が進むことでヒートアイランド現象が発生し、いわゆるゲリラ豪雨と呼ばれる局所的な集中豪雨が都市部で頻発している。局所的な大量の降雨は、コンクリート化、アスファルト化した路面では、地中に吸収されることなくそのまま水路に導かれる。その結果、大量の雨水が、短時間のうちに排水機場に流入する。

頻発するこのような集中豪雨によってもたらされる大量の雨水の速やかな排水に備えるために排水機場に設置する排水ポンプでは、始動遅れによる浸水被害が生じないよう、雨水が排水機場に到達する前に予め始動させておく先行待機運転が行われている。

図１は、先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。排水機場の水槽１００には、立軸ポンプ３が配置される。立軸ポンプ３は、縦方向に配置された回転軸１０の先端にインペラ２２を備え、インペラ２２に水と共に空気を吸い込ませる。これにより、立軸ポンプ３は、水槽１００の水位が最低運転水位ＬＷＬ以下であっても運転（先行待機運転）を継続することができる。この立軸ポンプ３には、インペラ２２の入口側の吸い込みベル２７の側面部に貫通孔５が設けられており、この貫通孔５には、外気に接する開口６ａを備えた空気管６が取付けられている。これにより、この立軸ポンプ３では貫通孔５を介して立軸ポンプ３内に供給する空気の供給量を水位に応じて変化させ、最低運転水位ＬＷＬ以下で立軸ポンプ３の排水量がコントロールされる。

図２は、先行待機運転の運転状態を説明する図である。例えば大都市の雨水排水用として、吸込水位に関係なく降雨情報等により予め立軸ポンプを始動しておく（Ａ：気中運転）。低水位の状態から水位が上昇するに従って、インペラの位置まで水位が達し、立軸ポンプは空運転（気中運転）からインペラで水を撹拌する運転（Ｂ：気水撹拌運転）、さらに貫通孔を経て供給される空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に増やす運転（Ｃ：気水混合運転）を経て１００％水の排出を行う全量運転（Ｄ：定常運転）へ移行する。また、高水位から水位が低下するときは、全量運転から貫通孔を経て供給する空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に減らす運転（Ｃ：気水混合運転）へ移行する。水位がＬＬＷＬ近くに至ると、水を吸い込まず排水もしない運転（Ｅ：エアロック運転）へ移行する。これら５つの特徴ある運転を総称して先行待機運転という。なお、ポンプ始動は、ケーシング下端よりも低い水位ＬＬＬＷＬから開始する。

図３は、図１に示した先行待機運転を行う立軸ポンプ３の全体を示す断面図である。なお、図２に示した貫通孔５及び空気管６は図示省略されている。図３に示すように、立軸ポンプ３は、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続されるケーシング２９と、ケーシング２９の下端に接続されるとともにインペラ２２を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続されるとともに水を吸い込むための吸い込みベル２７とを備えている。

立軸ポンプ３のケーシング２９、吐出ボウル２８、及び吸い込みベル２７の径方向略中心部には、上下二本の軸が軸継手２６によって互いに接続されることにより形成された一
本の回転軸１０が配置されている。回転軸１０は、支持部材を介してケーシング２９に固定されている上部軸受３２と、支持部材を介して吐出ボウル２８に固定されている下部軸受３３によって支持されている。回転軸１０の一端側（吸い込みベル２７側）には、水をポンプ内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。回転軸１０の他端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔を通って立軸ポンプ３の外部へ延び、インペラ２２を回転させる図示しないエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。回転軸１０と吐出エルボ３０に設けられた孔との間には、フローティングシール、グランドパッキンまたはメカニカルシール等の軸シール３４が設けられており、軸シール３４により立軸ポンプ３が扱う水が立軸ポンプ３の外部に流出することを防止する。

駆動機は、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸１０に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。インペラ２２の回転によって水は吸込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。

図４は、図３に示した軸受３２，３３に適用される従来の軸受装置の拡大図である。図５は、図４に示す軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。図４に示すように、従来の軸受装置は、回転軸１０の外周に、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１の外周側には、中空円筒の樹脂材料からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）と非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプのケーシング２９（図３参照）等へ繋がる支持部材１３に固定されている。図５に示すように、すべり軸受１は中空円筒状の形状を有しており、軸受すべり面１ａがスリーブ１１の外周面と対面し、外周面１ｂが軸受ケース１２に嵌合される。

図３に示した立軸ポンプ３は、ポンプ起動時には大気中で運転される。すなわち、軸受３２，３３は液体の潤滑のないドライ摺動条件で運転される。ここでドライ摺動条件とは、ポンプ運転中の軸受３２，３３の雰囲気が、液体の潤滑がない大気中である条件をいい、ドライ運転とはその条件で運転することをいう。また、図４に示した軸受３２，３３は軸受に通水した排水条件でも運転される。ここで、排水条件とは、ポンプ運転中の軸受３２，３３の雰囲気が、土砂等の異物（スラリー）が混入した水中である条件をいい、排水運転とはその条件で運転すること、例えば気水混合運転、全量運転、エアロック運転等をいう。このような条件で軸受３２，３３が使用される。尚、図３に示した立軸ポンプ３では、回転軸１０に対して２つの軸受３２，３３が配置されているが、回転軸１０の長さが長くなれば、それに応じてより多くの軸受が配置される。

樹脂材料を用いたすべり軸受を有するすべり軸受装置は、樹脂が良好な潤滑性能を有するので、ターボ機械等の回転機械や事務機械に広く使用されている。

樹脂軸受の評価方法として、円盤状に成形した樹脂の円盤面を平板に押し付けた状態で円盤状の樹脂を回転させることで、樹脂の摩擦係数や摩耗量を評価することが行われている。また、シール部分に樹脂を用いたピストンをシリンダ内で往復させて、シール部分とシリンダとを摺動させることで、樹脂の摩擦係数や摩耗量を評価することも行われている。このような評価方法においては、具体的な使用条件を反映させたものは少なく、例えば、軸受の摺動中に異物が混入することを想定したものはあまり見られない。

ターボ機械等の回転機械では、回転軸の軸方向に直角な方向に作用する荷重を受けるラジアル軸受用のすべり軸受に樹脂材料を用いたものがある。水ポンプに使用されるラジア
ル軸受用のすべり軸受は、回転体とすべり軸受との隙間（摺動部）に、潤滑油は用いず、ポンプ揚水を侵入させて使用される。このため、水ポンプが土砂等の異物混入水（異物混入水）を扱う場合、異物混入水がすべり軸受の摺動面（軸受すべり面）に侵入してくることがある。この場合、遠心力がすべり軸受の径方向に向かって働くので、回転体とすべり軸受の隙間に侵入した異物を軸方向へ排出することは困難である。

土砂（異物）の主成分であるＳｉＯ_２は、樹脂材料と比較して硬度が高いので、回転体とすべり軸受の隙間に異物が侵入すると、樹脂材料が摩耗する。従って、異物混入水を扱う水ポンプの運転においては、すべり軸受の摩耗量が増大し、すべり軸受の寿命が短くなるという問題がある。

したがって、これまでの多くの樹脂軸受の評価方法では、実条件における耐摩耗性の評価は不十分である。また、これまでの多くの樹脂軸受の評価方法において、仮に異物の混入を想定した条件を採用しても、これらの評価方法はラジアル軸受としてのすべり軸受を評価するものではない。したがって、これらの評価方法では、異物が摺動面から外部に放出されやすく、異物の摺動面での滞留の影響は少ないと考えられる。このため、これらの評価方法は、ラジアル軸受としてのすべり軸受の耐摩耗性能の評価に適さない。

また、立軸ポンプは、先行待機運転のように、軸受すべり面が水中にある状態で運転される場合だけでなく、軸受すべり面が大気中に露出した状態で運転される場合もある。このようにすべり軸受の軸受すべり面が大気中に露出するドライ摺動条件で立軸ポンプが運転される場合には、ドライ摺動条件で低摩擦なすべり軸受装置が求められる。

一方、従来の樹脂材料からなるすべり軸受を用いた立軸ポンプにおいて、ドライ運転時に軸受温度が急上昇し運転不能になる場合があり、この軸受温度の上昇が問題となっている。図６Ａ及び図６Ｂは、ポンプ運転時における回転軸１０、スリーブ１１、及びすべり軸受１の状態を示す模式的断面図である。ドライ運転においては、回転数または軸受荷重が高いほど、図３に示した軸受３２，３３に使用されるすべり軸受１と、回転軸１０に取り付けたスリーブ１１とが摺動する際に、その接触部で発生する摩擦熱が大きくなる。その摩擦力により、すべり軸受１、回転軸１０、及びスリーブ１１が局所的に高温となる虞がある。図６Ａ及び図６Ｂに示される斜線部は、すべり軸受１、回転軸１０、及びスリーブ１１の高温になる部分である。

回転軸１０に取り付けたスリーブ１１の局所的な高温化により、図６Ａに示すように、回転軸１０が局所的に膨張し、回転軸１０がわずかに曲がる虞がある。それにより、立軸ポンプの回転体（回転軸１０及びスリーブ１１）と固定体（すべり軸受１）との干渉による振動や、軸受荷重の増加が起こりやすくなる。即ち、回転体のアンバランス方向において回転体と固定体とが接触し、この接触部分が発熱することにより回転軸１０の軸断面に温度分布が生じ、部分的な熱膨張により回転軸１０が曲がる。この際、回転軸１０の曲がりにより回転体の重心がずれるので、回転体全体のアンバランスが徐々に大きくなっていく。また、回転軸１０の曲がりにより、回転体とすべり軸受１との接触態様が変化し、すべり軸受１の温度勾配が変化する場合もある。

さらに、回転軸１０の曲がりによる変位が、スリーブ１１とすべり軸受１との隙間より大きくなると、図６Ｂに示すように、スリーブ１１とすべり軸受１とが逆位相の２点において接触する状態となり、曲げ変位が拘束される。この状態で回転軸１０が回転し続けると、さらに熱膨張が続き、すべり軸受１に対する押付荷重が上昇する。すべり軸受１に加わる押付荷重が上昇すると、発熱量が増加する。発熱量の増加により回転軸１０の熱曲がりが加速し、その結果すべり軸受１に加わる押付荷重がさらに上昇する。このような悪循環に陥り、加速度的に回転軸１０、スリーブ１１、及びすべり軸受１の温度が上昇する。

回転体のアンバランス量が許容値内であっても、それが大きい場合には、すべり軸受１の面圧が大きくなり、すべり軸受１の回転体との接触部の発熱が大きくなる。そのため、回転軸１０の曲がりが促進され、加速度的にすべり軸受１の温度が上昇する場合がある。発熱を小さくするには、すべり軸受１の摩擦係数を低減させることが有効である。このため、従来よりも低摩擦なすべり軸受１の材料が求められている。

特開２００１−１７３６６０号公報 特開２００６−２４９１８７号公報 特開２０１２−２５１６１６号公報

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、水ポンプに使用されるラジアル軸受用のすべり軸受装置において、ドライ摺動条件でも低摩擦な軸受すべり面を有し、且つ異物混入水中での耐摩耗性に優れたすべり軸受装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態によれば、すべり軸受装置が提供される。このすべり軸受装置は、すべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、前記すべり軸受は、タルク、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維および不可避不純物を含み、前記すべり軸受のすべり面において、前記タルクは７％以上１３％以下の面積率を有し、前記炭素繊維は９％以上２６％以下の面積率を有し、前記芳香族ポリエーテルケトンおよび前記不可避不純物は残りの面積を占める。

本発明の他の一形態によれば、前記すべり軸受のすべり面が大気と接触した状態で運転可能に構成されている。

本発明の他の一形態によれば、前記芳香族ポリエーテルケトンは、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫまたはＰＥＥＫＫである。

本発明の他の一形態によれば、前記炭素繊維は、直径が５μｍ以上１０μｍ以下である。

本発明の他の一形態によれば、前記タルクは、直径が０．１μｍ以上１５μｍ以下である。

本発明の他の一形態によれば、前記すべり軸受のすべり面が、土砂が混入した水と接触した状態で運転可能に構成されている。

本発明の他の一形態によれば、前記すべり軸受のすべり面に摺動するスリーブを有し、前記スリーブは、８００以上２５００以下のビッカース硬さを有し、且つセラミックス、超硬合金、及びサーメットのいずれかから形成される。

本発明の他の一形態によれば、ポンプが提供される。このポンプは、上記すべり軸受装置を備える。

本発明によれば、水ポンプにおけるラジアル軸受用のすべり軸受装置において、ドライ摺動条件でも低摩擦な軸受すべり面を有し、且つ異物混入水中での耐摩耗性に優れたすべり軸受装置を提供することができる。

また、本発明によれば、炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンを複合した材料をすべり軸受に使用することにより、軸受すべり面に水がない大気中雰囲気においてすべり軸受装置が使用される場合でも低摩擦を確保できる。

また、本発明によれば、炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンを複合した材料をすべり軸受に使用することにより、土砂等の異物混入水中ですべり軸受装置が使用される場合でも、すべり軸受材料の摩耗を抑制することができる。

また、本発明によれば、すべり軸受のすべり面における炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンの面積率を所定の比率になるようにすべり軸受の材料を複合することにより、ドライ運転における低摩擦を確保することができ、且つ異物混入水中における耐スラリー摩耗を確保することができる。

先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。 先行待機運転の運転状態を説明する図である。 図１に示した先行待機運転を行う立軸ポンプの全体を示す断面図である。 図３に示した軸受に適用される従来の軸受装置の拡大図である。 図４に示す軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。 ポンプ運転時における回転軸、スリーブ、及びすべり軸受の状態を示す模式的断面図である ポンプ運転時における回転軸、スリーブ、及びすべり軸受の状態を示す模式的断面図である 評価試験における摩耗量の評価結果を示すグラフである。

本実施形態に係るすべり軸受装置は、例えば、図４に示したすべり軸受装置と同様の構造を有する。即ち、本実施形態に係るすべり軸受装置は、回転体である回転軸１０及びスリーブ１１と、固定体であるすべり軸受１とを有する。また、本実施形態に係るすべり軸受装置に用いられるすべり軸受１は、図５に示したすべり軸受１と同様の構造を有する。

一方で、本実施形態に係るすべり軸受１は、炭素繊維、タルク、芳香族ポリエーテルケトン、及び不可避不純物の複合材料から構成される。円筒形状のすべり軸受１の内周面は、スリーブ１１の外周面と接触する軸受すべり面１ａを構成している。即ち、すべり軸受１は、低摩擦性、高強度、耐摩耗性を与える炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンを有する材料から構成される。

芳香族ポリエーテルケトンは、ＰＥＫ（ポリエーテルケトン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン）、及びＰＥＥＫＫ（ポリエーテルエーテルケトンケトン）のうち少なくとも１種類を含むものである。炭素繊維は短繊維から構成されている。

本発明者らは、低摩擦性と耐摩耗性に影響を与える重要な要素が、軸受すべり面１ａにおける炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンの面積率であることに着目した。即ち、本発明者らは、炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンの面積率がそれぞれ所定の比率であるときに、すべり軸受１は摩擦係数が低く、且つ成形性及び耐摩耗
性が良好であることを見出した。

表１は、本実施形態に係るすべり軸受装置に使用されるすべり軸受１における、炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンの面積率（％）を算出した結果を示す。面積率は、軸受すべり面１ａを顕微鏡で撮影し、観察部分を画像解析することにより求めたものである。炭素繊維は２４０００μｍ²の面積を有する平面を観察部分とし、タルクは２４５０μｍ²の面積を有する平面を観察部分とした。観察位置は材料毎に１０箇所とした。

表１に示す観察位置１〜１０における各材料の面積率（％）をまとめると、炭素繊維の面積率は９．０％以上２６．０％以下、タルクの面積率は７．０％以上１３．０％以下で
ある。また、軸受すべり面１ａにおいて観察される炭素繊維の直径と長さを測定したところ、直径は５μｍ以上１０μｍ以下、長さは５μｍ以上１０００μｍ以下である。また、軸受すべり面１ａにおいて観察されるタルクの直径を測定したところ、０．１μｍ以上１５μｍ以下である。なお、表１には示されていないが、すべり軸受１には、炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンの他、不可避不純物も含まれる。

以下、本発明に係るすべり軸受装置のすべり軸受１に用いる樹脂材料の実施例を説明する。実施例１では、炭素繊維、タルク、芳香族ポリエーテルケトン、及び不可避不純物を含む樹脂試験片（成形品）を、表２に示す面積率をそれぞれ有するように作成し、成形性及び摩擦係数の評価を行った。ここで、面積率は、成形品に平滑表面を設け、その表面上の１０箇所を顕微鏡で撮影し、観察部分の面積中の各材料の面積を画像解析することにより求めた最小値及び最大値である。なお、炭素繊維は２４０００μｍ²の面積を有する平面を観察部分とし、タルクは２４５０μｍ²の面積を有する平面を観察部分とした。また、表２には炭素繊維、タルクの面積率のみが記載されているが、残部の面積は芳香族ポリエーテルケトン及び不可避不純物が占める。

成形性の評価においては、ペレット状の樹脂原料を型に入れた状態で加熱し焼き固める特殊な方法で成形し気孔が発生しないかを評価した。摩擦係数の評価においては、２０×２０×５（ｍｍ）の樹脂試験片を、超硬合金から成るφ２０の円柱試験片に荷重５００ｇで押しつけ、周速度０．５ｍ／ｓで３０分間、超硬合金に対して摺動させた。なお、潤滑油は用いていない。摩擦係数の評価の良否に関して、市販の樹脂で耐熱性に優れるＰＥＥＥＫ系複合材及びＰＢＩ（登録商標）系複合材よりも摩擦係数が大きい場合を×、小さい場合を○とした。また、総合評価として、成形性、摩擦係数ともに○のものを合格とした。

表２に示すように、合格評価が得られた成型品表面の各成分の面積率は、炭素繊維が９％以上２６％以下、且つタルクが７％以上１３％以下であった。即ち、本実施形態に係るすべり軸受１における炭素繊維、タルク、及び芳香族ポリエーテルケトンの面積率を有する樹脂材料が、合格評価を得ることができた。

次に、軸受すべり面１ａとスリーブ１１との隙間である摺動部に潤滑油も水も介在しないドライ摺動条件で、本実施形態に係るすべり軸受装置に使用されるすべり軸受１（本実施品）に対してスリーブ１１を摺動させたときのすべり軸受１の摩擦係数の評価試験を行った。また、比較例として、従来使用されている耐熱性に優れたＰＥＥＫ系複合材とＰＢＩ系複合材とを用いて製作した樹脂試験片（成形品）に対しても、同様に摩擦係数の評価を行った。

実施例２における評価試験では、水膜、油膜等の液体の膜が摺動部にないドライ摺動条件で、上記３種類の樹脂材料からなる、軸受内径６５ｍｍ、軸受幅２０ｍｍの軸受に対して、２時間にわたって回転軸１０のスリーブ１１を摺動させたときの摩擦係数を測定及び評価した。このときのラジアル方向の軸受面圧（軸受荷重／（軸受内径×軸受幅））は０．１ＭＰａとし、すべり速度は４．０ｍ／ｓｅｃとした。表３に実施例２の評価試験における摩擦係数の評価結果を示す。

表３に示されるように、本実施品は、従来の材料の軸受と比較して摩擦係数が２９％から３３％小さい値を示し、非常に良好なドライ摺動効果を発揮することが分かる。なお、実施例２における本実施品の樹脂材料において添加した炭素繊維の直径は５μｍ以上１０μｍ以下、タルクの直径は０．１μｍ以上１５μｍ以下である。ここで、タルクの直径とは、タルクの粒子の直径をいう。

次に、実施例２に示した材料と同一の本実施品、ＰＥＥＫ系複合材、ＰＢＩ系複合材で形成したそれぞれの軸受に対して、異物混入水中において摺動試験を実施し、各軸受の耐摩耗性を評価した。各軸受は、軸受内径が６５ｍｍであり、軸受幅が２０ｍｍである。摺動試験では、各軸受を異物濃度が３０００ｍｇ／Ｌの水中に投入し、８時間にわたって回転軸を各軸受に摺動させた。このときのラジアル方向の軸受面圧は０．１２ＭＰａとし、すべり速度を５．０ｍ／ｓｅｃとした。水中に含まれる異物には、平均粒径が約５μｍのケイ砂（主成分：Ｓｉ０_２）と平均粒径が約３０μｍのケイ砂とが１：１の割合で含まれている。表４に実施例３の評価試験における摩耗速度の評価結果を示す。

表４に示されるように、本実施品の樹脂材料は、従来材と比較して摩耗量が６０％から７６％小さい値を示し、非常に良好な耐摩耗性を発揮することが分かる。

実施例２の表３及び実施例３の表４に示した結果から以下のことが理解される。即ち、本実施形態に係るすべり軸受１の材料の大気中における摩擦係数が、従来材の摩擦係数と比較して２９％から３３％小さい。また、本実施形態に係るすべり軸受１の材料の異物混入水中における摩耗速度は従来材の摩耗速度と比較して６０％から７６％小さい。このように、大気中と異物混入水中の両方において本実施形態に係るすべり軸受１の材料は従来材より優れている。

次に、本実施形態に係るすべり軸受１に対して摺動するスリーブ１１の硬さを変化させた場合において、異物混入水中でのスリーブ１１とすべり軸受１に対して摺動試験を実施し、すべり軸受１及びスリーブ１１の耐摩耗性を評価した。すべり軸受１は、軸受内径が６５ｍｍであり、軸受幅が２０ｍｍである。摺動試験では、すべり軸受１を異物濃度が３０００ｍｇ／Ｌの水中に投入し、８時間にわたって回転軸１０及びスリーブ１１をすべり軸受１に摺動させた。このときのラジアル方向の軸受面圧を０．１２ＭＰａとし、すべり速度を５．０ｍ／ｓｅｃとした。水中に含まれる異物には、平均粒径が約５μｍのケイ砂（主成分：Ｓｉ０_２）と平均粒径が約３０μｍのケイ砂とが１：１の割合で含まれている。

図７に実施例４の評価試験における摩耗量の評価結果を示す。図７に示されるように、スリーブ１１のビッカース硬さが８００より小さい範囲においては、スリーブ１１のビッカース硬さが大きいほどすべり軸受１及びスリーブ１１の耐摩耗性が向上する。一方で、スリーブ１１のビッカース硬さが８００以上の範囲においては、すべり軸受１及びスリーブ１１の摩耗速度が最小となり、ほぼ一定となる。この理由は、スリーブ１１の硬さが砂等異物よりも低いと、スリーブ１１のすべり面の摩擦係数が、異物によるアブレシブ摩耗により大きくなり、すべり軸受１に対する攻撃性（摩擦力）が増すからである。砂等異物のビッカース硬さは約８００である。スリーブ１１のビッカース硬さが８００以上であるとスリーブ１１のすべり面が荒れなくなるので、すべり軸受１及びスリーブ１１の摩耗速度が最小となり、良好な耐摩耗性を示す。

以上のとおり、本実施形態のすべり軸受装置に使用されるすべり軸受１及びスリーブ１１が異物混入水中で良好な耐摩耗性を発揮するには、スリーブ１１のビッカース硬さが８００以上であることが好ましい。また、ビッカース硬さが２５００を超える材料は、一般的にスリーブ１１として使用することはない。このため、スリーブ１１のビッカース硬さの上限は２５００である。したがって、本実施形態に係るすべり軸受装置は、すべり軸受１と、ビッカース硬さが８００以上２５００以下である軸スリーブを組み合わせることにより、異物混入水中で非常に優れた耐摩耗性を発揮する。

最後に、実施例１の評価試験で使用した、炭素繊維の面積率が９％以上２６％以下、タルクの面積率が７％以上１３％以下、且つ芳香族ポリエーテルケトン及び不可避不純物が残部面積であるすべり軸受１に対して実験を行った。具体的には、図３に示した立形斜流ポンプのラジアル軸受である軸受３２，３３にこのすべり軸受１を使用し、実際の異物（土砂）を含む水の排水運転及びドライ運転を繰り返した。

立形斜流ポンプの回転軸１０の外周に設けられるスリーブ１１は、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が８００以上２５００以下であり、セラミックス、超硬合金、及びサーメットのいずれかで構成されている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１のすべり面１ａと摺動する。

排水運転及びドライ運転を繰り返した結果、すべり軸受１の摩耗速度は、従来のＰＥＥ
Ｋ樹脂を用いたすべり軸受の摩耗速度に比べて４分の１まで低下した。従来のＰＥＥＫ樹脂を用いたすべり軸受ではドライ運転時に短時間で急激な軸受温度上昇が発生し、ポンプの運転を中止することがある。一方で、すべり軸受１では、急激な温度上昇は発生せず、安定してポンプを運転することができた。即ち、排水運転及びドライ運転が繰り返し行われるような過酷な条件で使用される軸受３２，３３にすべり軸受１を使用することにより、大気中と異物混入水中の両方において優れた軸受特性を発揮する。

以上で説明したように、本実施形態に係るすべり軸受装置のすべり軸受１をラジアル軸受として備えたポンプであれば、異物混入水を処理する排水機場において、水中運転と大気中運転とが繰り返されても、すべり軸受１の摩耗を抑制し、且つすべり軸受１の低摩擦性（潤滑性）を維持することができる。

本実施形態に係るすべり軸受装置は、大気運転において運転するラジアル軸受としてのすべり軸受装置や、異物の混入した水中で運転するラジアル軸受としてのすべり軸受装置に利用することができる。また、異物の混入している水中での運転と、大気中での運転とが繰り返されるラジアル軸受としてのすべり軸受装置にも、本実施形態に係るすべり軸受装置を利用することができる。

以上に本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載のない何れの形状や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

１…すべり軸受
３…立軸ポンプ
１０…回転軸
１１…スリーブ

Claims (8)

1. すべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、
   前記すべり軸受は、タルク、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維および不可避不純物を含み、
   前記すべり軸受のすべり面において、前記タルクは７％以上１３％以下の面積率を有し、前記炭素繊維は９％以上２６％以下の面積率を有し、前記芳香族ポリエーテルケトンおよび前記不可避不純物は残りの面積を占める、すべり軸受装置。
2. 前記すべり軸受のすべり面が大気と接触した状態で運転可能に構成されている、請求項１に記載されたすべり軸受装置。
3. 前記芳香族ポリエーテルケトンは、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫまたはＰＥＥＫＫである、請求項１又は２に記載されたすべり軸受装置。
4. 前記炭素繊維は、直径が５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載されたすべり軸受装置。
5. 前記タルクは、直径が０．１μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載されたすべり軸受装置。
6. 前記すべり軸受のすべり面が、土砂が混入した水と接触した状態で運転可能に構成されている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載されたすべり軸受装置。
7. 前記すべり軸受のすべり面に摺動するスリーブを有し、
   前記スリーブは、８００以上２５００以下のビッカース硬さを有し、且つセラミックス、超硬合金、及びサーメットのいずれかから形成される、請求項１ないし６のいずれか一項に記載されたすべり軸受装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載されたすべり軸受装置を備えたポンプ。

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