JP2018105339A

JP2018105339A - 軸スリーブ、ポンプ、および軸スリーブの製造方法

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Publication number: JP2018105339A
Application number: JP2016249745A
Authority: JP
Inventors: 暢晃伊藤; Nobuaki Ito; 杉山　憲一; Kenichi Sugiyama; 憲一杉山
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-07-05
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: JP6777529B2

Abstract

【課題】基材と皮膜との界面で隙間腐食が発生することを防ぐことができる軸スリーブを提供する。【解決手段】軸スリーブ３５は、円筒状の基材４１と、基材４１の外周面に溶射によって形成された皮膜４３と、皮膜４３の両縁部４３ａ，４３ｂにそれぞれ密着した２つの樹脂リング４５とを備える。基材４１と皮膜４３との界面６０の両端部６０ａ，６０ｂは樹脂リング４５で覆われている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸に取り付けられる軸スリーブに関し、特に海水などの液体を移送するポンプに組み込まれる軸スリーブに関する。また、本発明は、そのような軸スリーブが組み込まれたポンプに関する。さらに本発明は、軸スリーブの製造方法に関する。

排水ポンプに使用される水中軸受は潤滑油を不要とするため、設備の簡素化、保守の容易化などの点で有利であるが、水中軸受の摺動部には耐摩耗性に優れた材料を用いる必要がある。そこで、超硬合金の軸スリーブとＳｉＣの軸受を組み合わせたセラミック軸受が開発されている。

図１０は、軸スリーブの従来の構造を模式的に示す断面図である。図１０に示すように、軸スリーブ１００は、回転軸（図示せず）に固定される円筒状の基材１０１と、この基材１０１の外周面に溶射によって形成された皮膜１０２とを備える。基材１０１には、液体に対して優れた耐食性を有するステンレス鋼が使用される。皮膜１０２は、基材１０１の外周面に形成された窪み内に形成される。皮膜１０２を形成する溶射材としては、ＷＣ（炭化タングステン）、Ｃｒ_３Ｃ_２（二炭化三クロム）のうちの少なくとも１つを主成分とし、残りがＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅのうち少なくとも１つと、不可避不純物とからなる結合材を含有するものが挙げられる。

軸スリーブ１００が回転すると、皮膜１０２は、セラミックなどの硬質部材から構成される軸受に摺接し、回転軸および軸スリーブ１００は軸受によって回転可能に支持される。超硬合金からなる皮膜１０２は、優れた耐摩耗性及び耐食性を有し、ステンレス鋼からなる基材１０１を保護することができる。

特開２００１−８２４７９号公報

しかしながら、基材１０１と皮膜１０２との界面１０３の端部１０３ａ，１０３ｂは軸スリーブ１００の外周面上に露出しており、取扱液は界面１０３の端部１０３ａ，１０３ｂに接触する。基材１０１と皮膜１０２との界面１０３には構造上の微細な空隙が存在する。この空隙に液体が浸入すると、いわゆる隙間腐食が発生することがある。特に、ステンレス鋼からなる基材１０１と皮膜１０２との界面１０３に海水が接触すると、隙間腐食が発生しやすい。

そこで、本発明は、基材と皮膜との界面で隙間腐食が発生することを防ぐことができる軸スリーブを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような軸スリーブを備えたポンプを提供することを目的とする。さらに、本発明は、軸スリーブの製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様によれば、回転軸の外周面に固定される軸スリーブであって、円筒状の基材と、前記基材の外周面に溶射によって形成された皮膜と、前記皮膜の両縁部にそれぞれ密着した２つの樹脂リングとを備え、前記基材と前記皮膜との界面の両端部は前記樹脂リングで覆われていることを特徴とする軸スリーブが提供される。

一実施形態では、前記皮膜と前記基材との界面の全体は、前記軸スリーブの内部に位置している。
一実施形態では、前記皮膜の外周面と前記樹脂リングの外周面は、同一面内にある。
一実施形態では、前記基材は、その外周面に形成された環状の窪みと、該環状の窪みの両側に位置する２つの環状の溝を有しており、前記皮膜は前記環状の窪み内に形成されており、前記樹脂リングは前記環状の溝内に形成されている。

本発明の一態様によれば、回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、前記回転軸の外周面に固定され、前記水中軸受に摺接する上記軸スリーブとを備えたことを特徴とするポンプが提供される。

本発明の一態様によれば、円筒状の基材を用意し、前記基材の外周面に、該外周面の全周に亘って環状の窪みを形成し、前記環状の窪みに溶射材を溶射によって吹き付けて、前記環状の窪みに皮膜を形成し、前記皮膜の両縁部を除去しながら、前記環状の窪みの両側に位置する２つの環状の溝を前記基材の外周面に形成し、前記環状の溝内に樹脂リングを形成することを特徴とする軸スリーブの製造方法が提供される。

本発明によれば、基材と皮膜との界面の端部は樹脂で覆われているので、海水などの液体は、基材と皮膜との界面に接触しない。よって、基材と皮膜との間で隙間腐食が起こりにくくなり、皮膜は剥がれにくくなる。結果として、軸スリーブは設計寿命に達するまでその本来の性能を発揮することができ、軸スリーブの信頼性が向上する。

本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれた立軸ポンプを示す模式図である。図１に示す軸スリーブ及び水中軸受を示す拡大図である。図２に示す軸スリーブの拡大図である。軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。軸スリーブの従来の構造を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれた立軸ポンプを示す模式図である。立軸ポンプは、海水や河川水などの液体を吸込水槽５から吐出水槽２１まで汲み上げるためのポンプである。図１に示す立軸ポンプは、本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれたポンプの一例であり、当該軸スリーブは他の構成のポンプにも適用可能である。

図１に示すように、立軸ポンプは、吸込ベルマウス１ａ及び吐出ボウル１ｂを有するインペラケーシング１と、インペラケーシング１を吸込水槽５内に吊り下げる揚水管３と、揚水管３の上端に接続された吐出エルボ管４と、インペラケーシング１内に収容された羽根車１０と、羽根車１０が固定された回転軸６とを備えている。

ポンプ据付床２２は、吸込水槽５の上部に接続されている。揚水管３は、ポンプ据付床２２に形成された挿通口２４を通して下方に延び、揚水管３の上端に設けられた据付用ベース２３を介してポンプ据付床２２に固定される。回転軸６は、吐出エルボ管４、揚水管３、及びインペラケーシング１内を通って鉛直方向に延びている。ポンプケーシング２は、インペラケーシング１、揚水管３、及び吐出エルボ管４により構成される。

吸込ベルマウス１ａは下方を向いて開口し、吸込ベルマウス１ａの上端は吐出ボウル１ｂの下端に接続されている。羽根車１０は回転軸６の下端に固定されており、羽根車１０と回転軸６とは一体的に回転する。この羽根車１０の上方（吐出側）には複数のガイドベーン１４が配置されている。これらのガイドベーン１４は吐出ボウル１ｂの内周面に固定されている。

回転軸６は吐出エルボ管４を貫通して上方に延び、駆動源１８に連結されている。駆動源１８は、ポンプ据付床２２に固定された架台１９上に固定されている。立軸ポンプの運転時には、羽根車１０は、吸込水槽５内の液面より下に位置している。

回転軸６は、外軸受１１及び水中軸受１２，１５により回転可能に支持されている。外軸受１１はボールベアリングなどの転がり軸受、または滑り軸受であり、水中軸受１２，１５は、滑り軸受である。外軸受１１は、ポンプケーシング２に配置されている。より具体的には、外軸受１１は吐出エルボ管４の上方に配置されている。

水中軸受１２は吐出ボウル１ｂ内に収容されており、羽根車１０の上方に配置されている。水中軸受１２を支持する支持部材７はボウルブッシュ１３の内面に固定されており、さらに、ボウルブッシュ１３はガイドベーン１４を介してインペラケーシング１に支持されている。水中軸受１５は、揚水管３内に配置されている。水中軸受１５は複数の支持部材３２に支持されており、これら支持部材３２は揚水管３の内面に固定されている。回転軸６には、本発明の一実施形態に係る軸スリーブ３５が固定されている。軸スリーブ３５と回転軸６は一体に回転する。

立軸ポンプは、吸込水槽５内の液体を吐出水槽２１まで移送する。すなわち、駆動源１８を運転することにより回転軸６を介して羽根車１０を回転させると、吸込水槽５内の液体が吸込ベルマウス１ａから吸い込まれ、吐出ボウル１ｂ、揚水管３、吐出エルボ管４、および吐出配管２０を通って吐出水槽２１に移送される。

吐出配管２０は、吐出エルボ管４から吐出水槽２１まで延びている。吐出水槽２１の液面は、吐出エルボ管４よりも上方に位置する。吐出配管２０の途中には、仕切弁２５が配置されており、この仕切弁２５は、立軸ポンプの通常運転時には開かれている。立軸ポンプの停止時には仕切弁２５が閉じられ、液体が吐出水槽２１から吐出配管２０を通じて吸込水槽５へ逆流することを防止する。仕切弁２５の代わりに、逆止弁を設けてもよい。また、吐出配管２０の吐出末端に、フラップ弁を配置してもよい。

図２は、図１に示す軸スリーブ３５及び水中軸受１５を示す拡大図である。軸スリーブ３５は円筒状であり、回転軸６の外周面に固定されている。水中軸受１５は、軸スリーブ３５と同じ高さに配置されており、軸スリーブ３５を介して回転軸６を支持する。より具体的には、回転軸６及び軸スリーブ３５が回転すると、軸スリーブ３５の外周面は水中軸受１５の内周面に滑り接触する。軸スリーブ３５の外周面と水中軸受１５の内周面との間には微小な隙間が形成されている。揚水管３（図１参照）内に存在する液体はこの隙間を通過することによって、軸スリーブ３５及び水中軸受１５を潤滑する。

軸スリーブ３５は、円筒状の基材４１と、基材４１の外周面に形成された皮膜４３と、皮膜４３の両縁部４３ａ，４３ｂにそれぞれ密着した２つの樹脂リング４５とを備えている。本実施形態では、軸スリーブ３５は鉛直に配置されているので、２つの樹脂リング４５の一方は皮膜４３の上側縁部４３ａに接触し、他方の樹脂リング４５は皮膜４３の下側縁部４３ｂに接触している。皮膜４３は水中軸受１５と同じ高さに位置しており、上側の樹脂リング４５は水中軸受１５よりも上方に、下側の樹脂リング４５は水中軸受１５よりも下方に位置する。立軸ポンプの運転中は、皮膜４３のみが水中軸受１５に接触し、樹脂リング４５及び基材４１は水中軸受１５には接触しない。

図３は、図２に示す軸スリーブ３５の拡大図である。基材４１は、ステンレス鋼などの金属から構成されている。本実施形態では、液体に対して耐腐食性を有するステンレス鋼が使用されている。皮膜４３は、基材４１の外周面の全周に亘って形成されている。より具体的には、基材４１の外周面には、その全周に亘って延びる環状の窪み５１が形成されており、皮膜４３は窪み５１内に溶射によって形成されている。皮膜４３を形成する溶射材としては、炭化物セラミックであるＷＣ（炭化タングステン）、Ｗ_２Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２（二炭化三クロム）、Ｃｒ_７Ｃ_３、Ｃｒ_２３Ｃ_６、ＮｂＣ（炭化ニオブ）、ＴｉＣ（炭化チタン）のうちの少なくとも１つを主成分とし、残りがＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅのうち少なくとも１つと、不可避不純物とからなる結合材を含有するものが挙げられる。ＷＣおよび／またはＣｒ_３Ｃ_２は、高い耐摩耗性を有する観点から好ましく使用される。溶射方法としては高速フレーム溶射が挙げられるが、サーメット材料が溶射できる減圧プラズマ溶射、爆発溶射などの他のタイプの溶射を使用してもよい。

樹脂リング４５は、皮膜４３と同様に、基材４１の外周面に形成されている。より具体的には、樹脂リング４５は、基材４１の外周面に形成された２つの環状の溝５５内に形成されている。これら環状の溝５５は窪み５１の両側(上側及び下側)に位置している。軸スリーブ３５と水中軸受１５との間の隙間を液体が滞りなく通過できるようにするために、樹脂リング４５の外周面と、皮膜４３の外周面は、同一面内にあることが好ましい。皮膜４３は、２つの樹脂リング４５の間に配置されている。樹脂リング４５は皮膜４３に密着しており、皮膜４３と樹脂リング４５との間には隙間は実質的に存在しない。樹脂リング４５の材料は、液体に対して耐食性を有している樹脂であれば、特に限定されない。

基材４１と皮膜４３との界面６０の両端部６０ａ，６０ｂは、２つの樹脂リング４５によって覆われており、かつ界面６０の全体は軸スリーブ３５の内部に位置している。言い換えれば、基材４１と皮膜４３との界面６０は、軸スリーブ３５の外部には露出していない。したがって、揚水管３内に存在する液体は、基材４１と皮膜４３との界面６０に接触しない。本実施形態によれば、基材４１と皮膜４３との界面６０で隙間腐食が起こりにくくなり、皮膜４３は剥がれにくくなる。結果として、軸スリーブ３５は設計寿命に達するまでその本来の性能を発揮することができ、軸スリーブ３５の信頼性が向上する。

樹脂リング４５の半径方向の厚さＷ１は、皮膜４３の半径方向の厚さＷ２よりも大きいことが好ましい。その理由は、軸スリーブ３５の外周面からの、基材４１と皮膜４３との界面６０の端部６０ａ，６０ｂまでの距離が長いほど、液体が界面６０の端部６０ａ，６０ｂに接触する可能性が低くなるからである。

本実施形態の軸スリーブ３５は、以下のようにして製造される。ステップ１では、図４に示すように、円筒状の基材４１を用意する。ステップ２では、図５に示すように、基材４１をその軸心を中心に回転させながら、切削工具（図示せず）を基材４１の外周面に押し付け、基材４１の外周面にその全周に亘って環状の窪み５１を形成する。より具体的には、窪み５１の底面５１ａと、この底面５１ａから基材４１の外周面まで延びる２つの傾斜面５１ｂが形成されるように、基材４１の外周面が切削される。基材４１の軸心と平行な底面５１ａに対する傾斜面５１ｂの角度は４５度とされる。この傾斜面５１ｂは、次のステップで実行される溶射において、溶射材を窪み５１の端部に確実に密着させるために形成される。一実施形態では、窪み５１は、傾斜面５１ｂに代えて、底面５１ａに垂直な側面を有してもよい。

ステップ３では、図６に示すように、基材４１の窪み５１に溶射材を溶射によって吹き付けて、窪み５１内に皮膜４３を形成する。このステップ３では、窪み５１が溶射材で完全に満たされるまで、溶射材が吹き付けられる。溶射材は、窪み５１の全体に対して垂直な方向から吹き付けられる。窪み５１の底面５１ａ及び傾斜面５１ｂの全体は、溶射材の噴流を受けることができるので、一旦窪み５１に吹き付けられた溶射材は後続の溶射材の圧力を受けて底面５１ａ及び傾斜面５１ｂの全体に強く密着することができる。すなわち、底面５１ａ及び傾斜面５１ｂの全体でアンカー効果が得られる。

ステップ４では、図７に示すように、研削などの表面加工を皮膜４３に施して、皮膜４３の外周面を滑らかにする。ステップ５では、図８に示すように、基材４１をその軸心を中心に回転させながら、切削工具（図示せず）を皮膜４３の両縁部及び基材４１の外周面に押し付け、皮膜４３の両縁部を削りながら、窪み５１の両側に位置する２つの環状の溝５５を基材４１の外周面に形成する。本実施形態では、上述した窪み５１の傾斜面５１ｂの全体が除去されるように環状の溝５５が形成される。環状の溝５５は、基材４１の露出面と、皮膜４３の縁部４３ａ，４３ｂによって構成される。

そして、ステップ６では、図９に示すように、流動状態の樹脂を環状の溝５５に流し込み、樹脂を固化させて樹脂リング４５を形成する。本実施形態の樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴムなどが使用できる。樹脂リング４５の材料の例としては、酢酸ビニル系樹脂（PVAc）、ポリビニルアルコール系樹脂（PVA）、エチレン酢酸ビニル系樹脂（EVA）、塩化ビニル系樹脂（PVC）、アクリル系樹脂（PA）、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂(PI)、セルロース系樹脂、ポリビニルピロリドン系樹脂（PVP）、ポリスチレン系樹脂（PS）、シアノアクリレート系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂、エポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂（ポリウレタン）、ポリウレア系樹脂、ポリアロマティック系樹脂、ユリア系樹脂（UF）、メラミン系樹脂、フェノール系樹脂、レゾルシノール系樹脂、エステル系樹脂（ポリエステル）、クロロブレンゴム（CR）、ニトリルゴム（NBR）、スチレンブタジエンゴム（SBR）、熱可塑性エラストマー（SBS,SIS等）、プチルゴム（IIR）、シリコーン、変性シリコン、シリル化ウレタン、ウレタンゴム、ポリサルファイド、アクリルゴムなどが挙げられる。

以上の製造工程を経て、本実施形態に係る軸スリーブ３５が製造される。本実施形態では、皮膜４３が溶射によって形成された後に、樹脂リング４５が形成される。このようなステップ順とすることにより、樹脂リング４５は皮膜４３の縁部４３ａ，４３ｂに隙間なく密着することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ａ吸込ベルマウス
１ｂ吐出ボウル
１インペラケーシング
３揚水管
４吐出エルボ管
５吸込水槽
６回転軸
１０羽根車
１１外軸受
１２，１５水中軸受
１３ボウルブッシュ
１４ガイドベーン
１８駆動源
１９架台
２０吐出配管
２１吐出水槽
２２ポンプ据付床
２３据付用ベース
２４挿通口
２５仕切弁
３２支持部材
３５軸スリーブ
４１基材
４３皮膜
４５樹脂リング
５１環状の窪み
５５環状の溝
６０界面

Claims

回転軸の外周面に固定される軸スリーブであって、
円筒状の基材と、
前記基材の外周面に溶射によって形成された皮膜と、
前記皮膜の両縁部にそれぞれ密着した２つの樹脂リングとを備え、
前記基材と前記皮膜との界面の両端部は前記樹脂リングで覆われていることを特徴とする軸スリーブ。
前記皮膜と前記基材との界面の全体は、前記軸スリーブの内部に位置していることを特徴とする請求項１に記載の軸スリーブ。
前記皮膜の外周面と前記樹脂リングの外周面は、同一面内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の軸スリーブ。
前記基材は、その外周面に形成された環状の窪みと、該環状の窪みの両側に位置する２つの環状の溝を有しており、
前記皮膜は前記環状の窪み内に形成されており、前記樹脂リングは前記環状の溝内に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸スリーブ。
回転軸と、
前記回転軸に固定された羽根車と、
前記回転軸を回転可能に支持する水中軸受と、
前記回転軸の外周面に固定され、前記水中軸受に摺接する軸スリーブとを備え、
前記軸スリーブは、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸スリーブであることを特徴とするポンプ。
円筒状の基材を用意し、
前記基材の外周面に、該外周面の全周に亘って環状の窪みを形成し、
前記環状の窪みに溶射材を溶射によって吹き付けて、前記環状の窪みに皮膜を形成し、
前記皮膜の両縁部を除去しながら、前記環状の窪みの両側に位置する２つの環状の溝を前記基材の外周面に形成し、
前記環状の溝内に樹脂リングを形成することを特徴とする軸スリーブの製造方法。