JP2018105364A - 軸・軸受構造および先行待機運転ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】摺動性等に優れ、かつ、被摺動部材の偏摩耗を抑制することができる軸・軸受構造を提供する。【解決手段】被摺動部材と、摺動部材とを備え、上記摺動部材が、摺動部材基部と、上記摺動部材基部の表面に散在して固定されるとともに、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、を備え、上記摺接粒子は、上記摺動部材基部の表面から突出しており、上記摺接粒子の平均粒子径が１５０μｍ以上である軸・軸受構造。【選択図】図９

Description

本発明は、軸および軸受を有する軸・軸受構造、特に、先行待機運転ポンプに好適に利用できる軸・軸受構造に関する。

排水ポンプの一種として、先行待機運転ポンプが知られている。先行待機運転ポンプは、例えばゲリラ豪雨のような急激な水量の増加に対応すべく、予め無水状態で全速運転（先行待機運転）することや、気水混合状態での排水を行うことが可能となっている。このような先行待機運転ポンプに適用できる摺動部材が、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載の摺動部材は、被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材であって、摺動部材基部と、上記摺動部材基部の表面に散在して固定されるとともに、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、を備え、上記摺接粒子が、上記摺動部材基部の表面から突出しているという構成を備えている。

特開２０１６−２１１７２７号公報（２０１６年１２月１５日公開）

特許文献１に記載の摺動部材は、摺動する相手材との摩擦係数を改善し、基体の材料選択性を高めたものであり、特許文献１に記載の発明の従来技術が有していた課題を解決したものである。

一方、ポンプ内部を硬度の高い固体物と水とが混合したスラリー液（例えば土砂を含む水）が通過し、何らかの要因でスラリー液が摺接面に侵入した場合は別の問題が生じ得る。

特許文献１に記載の摺動部材では、通常は、摺動部材が備える摺接粒子が被摺動部材の内側表面全体に対して均一に摺動した状態、すなわち、摺接面が被摺動部材の内側表面と線接触した状態で摺動が行われる。しかし、上記固体物が被摺動部材の端部に損傷を与えた場合、摺接粒子が、被摺動部材の内側表面との均一な摺接状態を保てずに、被摺動部材の軸方向の端部の内側表面と接触した状態、いわゆる点接触が生じてしまう場合がある。点接触が生じると、それが常態化して被摺動部材の偏摩耗が生じ、異常な振動を発生させ、ポンプの運転継続が困難になる恐れがある。

また、特許文献１に記載の、摺接粒子を固定する摺動部材基部と、スラリー液とが激しく接触することによって摺動部材基部の摩耗が生じ、特許文献１に記載の摺動部材の運転可能時間に影響を与える可能性がある。これらの課題は、特許文献１に記載の発明では見出されていなかった新たな課題である。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、スラリー液が摺接面および／または摺接粒子間に侵入した場合であっても、被摺動部材および摺動部材基部の摩耗を効果的に抑制することができる軸・軸受構造を提供することにある。

本願発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、摺接粒子の平均粒子径を所定の大きさとすることによって摺動部材基部の摩耗を抑制することができること、および、摺動部材基部の表面において摺接粒子を所定の位置に配置することによって被摺動部材の摩耗を抑制することができることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本願発明は、以下の発明を包含する。

＜１＞被摺動部材と、上記被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材とを備える軸・軸受構造であって、上記摺動部材は、摺動部材基部と、上記摺動部材基部の表面に散在して固定されるとともに、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、を備え、上記摺接粒子は、上記摺動部材基部の表面から突出しており、上記摺接粒子の平均粒子径が１５０μｍ以上であることを特徴とする軸・軸受構造。

＜２＞上記摺動部材基部の表面の垂直方向から見たときの、上記摺接粒子が占める面積の割合である面密度が２０〜７０％であることを特徴とする＜１＞に記載の軸・軸受構造。

＜３＞上記摺動部材基部の表面の垂直方向から見たときに、上記摺接粒子が千鳥状に配置されていることを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載の軸・軸受構造。

＜４＞上記摺接粒子が、上記摺動部材基部にロウ付けされていることを特徴とする＜１＞から＜３＞のいずれか１つに記載の軸・軸受構造。

＜５＞上記摺接粒子は、硬さが珪砂の硬さ以上であることを特徴とする＜１＞から＜４＞のいずれか１つに記載の軸・軸受構造。

＜６＞上記摺接粒子は、ダイヤモンド粒子、ダイヤモンドライクカーボン粒子、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン粒子、アルミナ粒子、炭化ホウ素粒子、炭化ケイ素粒子、炭化タングステン粒子、窒化ケイ素粒子および炭化モリブデン粒子のうちの少なくとも１種以上を含むことを特徴とする＜１＞から＜５＞のいずれか１つに記載の軸・軸受構造。

＜７＞上記摺接粒子の先端は、上記摺動部材基部を中心とする同一円周上に存在することを特徴とする＜１＞から＜６＞のいずれか１つに記載の軸・軸受構造。

＜８＞＜１＞から＜７＞のいずれか１つに記載の軸・軸受構造を備えることを特徴とする先行待機運転ポンプ。

本発明の一態様によれば、摺動性が良く、基体の材料選択の幅が広く、被摺動部材の偏摩耗を抑制し、先行待機運転ポンプの運転を安定的に継続することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における軸・軸受構造の、軸方向に垂直な断面を示す断面概略図である。 本発明の実施形態における軸・軸受構造の、軸部材の摺接粒子が、基体上に電着された状態を示す断面図である。 実施例に示した、１００時間のドライ試験を経た軸部材の摺接粒子（ダイヤモンド粒子）を外面側からレーザー顕微鏡で観察した結果を示す図である。 基体の表面の垂直方向から見たときに、摺接粒子が、上記表面に同じピッチで配置されている軸部材の一例を示す模式図である。 基体の表面の垂直方向から見たときに、摺接粒子が千鳥状に配置されている軸部材の一態様を示す模式図である。 基体の表面の垂直方向から見たときに、摺接粒子が千鳥状に配置されている軸部材の別の一態様を示す模式図である。 基体表面にニッケル電着して固定した平均粒子径１５０．１μｍの単結晶ダイヤモンドの、軸方向に垂直な断面を示す模式図である。 基体表面にニッケル電着して固定した平均粒子径５２．５μｍの単結晶ダイヤモンドの、軸方向に垂直な断面を示す模式図である。 実施例１で用いた軸スリーブ、および、比較例１で用いた軸スリーブの突出し高さおよび面密度の変化をグラフ化した図である。 実施例１で用いた軸スリーブの突出し高さの結果および試験時間から、最小二乗法によって求めた検量線である。

〔１．軸・軸受構造〕
本発明の一態様に係る軸・軸受構造は、被摺動部材と、上記被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材とを備える軸・軸受構造であって、上記摺動部材は、摺動部材基部と、上記摺動部材基部の表面に散在して固定されるとともに、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、を備え、上記摺接粒子は、上記摺動部材基部の表面から突出しており、上記摺接粒子の平均粒子径が１５０μｍ以上であることを特徴としている。

上記構成によれば、被摺動部材は、摺接粒子の先端部と摺接し、摺動部材基部の表面とは摺接しない。これにより、摺動部材は、摩擦係数が低く、摩擦による熱の発生が抑えられ、耐久性に優れた部材となる。

また、摺接粒子が摺動部材基部の外表面上に散在しているため、摺接粒子間に摺接粒子が存在しない領域（粒子間領域）が形成される。そのため、摺動部材基部が温度の上昇によって熱膨張するとき、摺動部材基部の外表面上に固定されている摺接粒子は、該熱膨張に付随して移動することができる。換言すれば、摺接粒子は、摺動部材基部の熱膨張に付随して移動する。したがって、摺動部材基部と摺接粒子との熱膨張係数を合わせる必要が無く、摺動部材基部の材料の選択性が広い。

なお、スラリー液が粒子間領域に侵入することによって、スラリー液が被摺動部材と接触する機会を減少させることが可能となる。それゆえ、被摺動部材の摩耗の抑制を期待することができる。

さらに、上記摺接粒子の平均粒子径が１５０μｍ以上であり、比較的大きいため、スラリー液が摺動部材と被摺動部材との間に侵入した場合に、スラリー液の移動に対して上記摺接粒子が障壁となりやすい。それゆえ、スラリー液が粒子間領域を移動する速度を低下させることができ、スラリー液中の固体物が摺動部材基部と接触する頻度、および、摺動部材基部に与える力を低減することができるため、摺動部材基部の摩耗を抑制することができる。したがって、摺動部材基部における摺接粒子の固定能を長期に渡って維持することができる。

＜摺動部材の構成＞
まず、被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材として、スラリー液を排出可能なポンプに用いられる回転機構における軸・軸受構造の軸部材について説明する。

本発明の一態様に係る軸・軸受構造１Ａにおける、摺動部材としての軸部材１０の構成を、図１〜６に基づいて説明する。図１は、本発明の一態様に係る軸・軸受構造１Ａの、軸方向に垂直な断面を示す断面概略図である。

図１に示すように、軸・軸受構造１Ａは、摺動部材としての軸部材１０と、被摺動部材としての軸受部材１１とからなっている。軸部材１０は、円筒形状の軸スリーブである。なお、軸部材１０は、軸スリーブに限定されるものではなく、軸であってもよい。

軸部材１０は、図１に示すように、少なくとも、円筒形状の基体１０ａと、基体１０ａの外表面上に散在して固定された摺接粒子１０ｂとを備える。また、摺接粒子１０ｂが基体１０ａの外表面上に散在しているため、摺接粒子１０ｂ間に摺接粒子１０ｂが存在しない領域（以下、粒子間領域）１２が形成されている。なお、図１においては、基体１０ａの外表面全体に散在する摺接粒子１０ｂのうち、一部のみを図示している。

軸部材１０は、基体１０ａの外表面上に、摺接粒子１０ｂを固定するための固定部材（図１では図示せず）を備えていてもよい。つまり、軸部材１０の基部は、基体１０ａのみからなっていてもよいし、基体１０ａおよび固定部材からなっていてもよい。軸部材１０の基部が基体１０ａのみからなる場合は、軸部材１０の基部の表面は、基体１０ａの外表面となる。また、軸部材１０の基部が基体１０ａおよび固定部材からなる場合は、軸部材１０の基部の表面は、固定部材の外表面となる。

固定部材としては、例えば、電着による摺接粒子１０ｂの固定に用いるニッケル膜等の金属膜、ロウ付けによる摺接粒子１０ｂの固定に用いるロウ材等を挙げることができる。

さらに、軸部材１０は、粒子間領域１２に、摺接粒子１０ｂと同一材料の粒子であって、摺接粒子１０ｂよりも粒子径の小さい粒子を備えていてもよい。該粒子は、軸部材１０を製造する際に、摺接粒子１０ｂの原材料となる粉体の粒度分布に起因して不可避的に備えられる粒子である。

基体１０ａは、一般的に用いられる材質によって形成されており、例えば、Ｃｏ系、Ｎｉ系の硬質合金等から成る。基体１０ａの硬さはＨｖ６００ｋｇ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、Ｈｖ８００ｋｇ／ｍｍ^２以上であることがより好ましく、Ｈｖ１０００ｋｇ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。スラリー液に含まれる固体物の主成分である珪砂の硬さがＨｖ１０００ｋｇ／ｍｍ^２程度であるので、その値に近い硬度、あるいはそれ以上の硬度を有することにより、上記固体物による基体１０ａの損傷を軽減または抑制することができる。また、基体１０ａの表面粗さＲａは、１．０μｍ以下であることが好ましい。

一方、基体１０ａへの摺接粒子１０ｂの固定が上記固定部材によって行われる場合は、基体１０ａを上記固定部材がコートするため、硬さがＨｖ６００ｋｇ／ｍｍ^２未満である基体１０ａも好ましく用いることができる。

摺接粒子１０ｂは、基体１０ａの表面から突出し、かつ軸受部材１１に摺接し、軸受部材１１を荷重支持している。本発明の一態様に係る軸・軸受構造１Ａは、スラリー液をも排出対象とする先行待機運転ポンプに用いられるため、摺接粒子１０ｂの硬さは、珪砂の硬さ以上であることが好ましい。

摺接粒子１０ｂは、ダイヤモンド粒子、ダイヤモンドライクカーボン粒子（Diamond-like Carbon粒子（以下、ＤＬＣ粒子という））、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン粒子、アルミナ粒子、炭化ホウ素粒子、炭化ケイ素粒子、炭化タングステン粒子、窒化ケイ素粒子および炭化モリブデン粒子のうちの少なくとも１種以上を含む構成としてもよい。

上記構成によれば、上記各粒子の摩擦係数が低いので、上記各粒子のうちの少なくとも１種以上を摺接粒子として含む摺動部材は、被摺動部材との間に水等の潤滑剤が存在しない無潤滑条件下においても円滑に摺動することができる。さらに、摩擦係数が低いことにより、摩擦による熱の発生が抑えられ、材料の耐久性が向上する。

ここで、上記ダイヤモンド粒子には、ダイヤモンドの単結晶粒子、ダイヤモンド焼結体を粉砕した粒子も含まれる。また、上記ＤＬＣ粒子には、バインダーを使用してＤＬＣ粉末を造粒したもの、およびＤＬＣ粉末の焼結体を粉砕した粒子も含まれる。

摺接粒子１０ｂは、基体１０ａの外表面上に固定されていればよく、固定方法は特に限定されるものではない。例えば、電着、ロウ付け、スパークプラズマ焼結（Spark Plasma Sintering）（以下、ＳＰＳという）などの方法を用いることができる。

摺接粒子１０ｂは、基体１０ａの外表面上に１粒子の厚さで散在している。すなわち、基体１０ａ上に固定された摺接粒子１０ｂの粒子の上に、別の摺接粒子１０ｂが固定されていることはほとんど無い。基体１０ａの外表面上において、２つ以上の異なる摺接粒子１０ｂが隣接している箇所があってもよい。ただし、隣接する異なる摺接粒子１０ｂ間は接合されていない。

図２は、軸部材１０の摺接粒子１０ｂが、基体１０ａ上に電着された状態を示す断面図である。電着は周知の方法によって行うことができる。例えば、まず、基体１０ａの外表面上に、摺接粒子１０ｂの粉末を配置することによって摺接粒子１０ｂを付着させる。その後、ニッケル液中で通電することにより、基体１０ａの表面にニッケルメッキが施される。これによって、摺接粒子１０ｂの一部分が固定部材であるニッケルメッキ膜２０に埋め込まれ、基体１０ａ上に固定される。

上記固定方法がロウ付けである場合、例えば、まず、基体１０ａの外表面上に、摺接粒子１０ｂの粉末を配置することによって摺接粒子１０ｂを付着させる。次に、摺接粒子１０ｂをニッケルメッキ等によって点付固定する。その後、Ni-Cr-B-SiまたはCu-Ag-In-Ti等からなるロウ材粉末のペーストを塗布し、ロウ材の融点以上に加熱することにより、摺接粒子１０ｂの一部分がロウ材に埋め込まれ、基体１０ａ上に固定される。

また、上記固定方法がＳＰＳである場合、例えば、まず、基体１０ａの外表面上に、摺接粒子１０ｂの粉末を配置することによって摺接粒子１０ｂを付着させる。その後、従来公知のＳＰＳ装置にて、例えば９５℃、３０ＭＰａの条件下で加圧成形を行い、基体１０ａ上に保持されなかった他の摺接粒子１０ｂを降圧後に除去することによって、摺接粒子１０ｂを基体１０ａ上に固定することができる。

固定方法が電着である場合、摺接粒子１０ｂを十分に固定し、安定した摺動を行うためには、摺接粒子１０ｂの平均粒子径の５０％以上がニッケルメッキ膜に埋め込まれることが好ましい。一方、ロウ付けの場合は、摺接粒子１０ｂの平均粒子径の２０％以上６０％未満に相当する部分をロウ材に埋め込むことによって、摺接粒子１０ｂを基体１０ａ上に十分に固定することができる。

すなわち、ロウ付けは、摺接粒子１０ｂのうち、基体１０ａ上への固定のために用いられる部分を少なくしつつ、摺接粒子１０ｂを基体１０ａ上に強く固定することができるため好ましい。そこで、本発明の一態様に係る軸・軸受構造は、上記摺接粒子が、上記摺動部材基部にロウ付けされている構成としてもよい。当該構成によれば、高価な摺接粒子の使用量を少なくしつつ、所望の摺動性を得ることができる。

このように、摺接粒子１０ｂが固定部材に埋め込まれる深さは、固定部材の種類によって異なるため、使用する固定部材の種類に応じて適宜変更すればよい。

各摺接粒子１０ｂの先端、つまり、軸受部材１１側の端部は、軸部材１０の軸方向から見たときに、軸部材１０の軸を中心とした同一円周上にあることが好ましい。すなわち、各摺接粒子１０ｂの先端によって、図１に示すように、軸部材１０の軸を中心とした円周面である摺接面１３が形成されることが好ましい。該摺接面１３は、軸部材１０が回転するときに、被摺動部材である軸受部材１１と摺接する。

上記構成によれば、軸部材１０が回転する際に、軸受部材１１と摺接するのは摺接粒子１０ｂのみとなる。したがって、軸部材１０は、摩擦係数が低く、摩擦による熱の発生が抑えられたものとなるため、耐久性が向上したものとなる。

さらに、摺接粒子１０ｂ間には、図１および図３に示すように、粒子間領域１２が形成されている。図３は、後述する実施例に示した、１００時間のドライ試験を経た軸部材１０の摺接粒子１０ｂ（ダイヤモンド粒子）を外面側からレーザー顕微鏡で観察した結果を示す図である。粒子間領域１２は、上述したように摺動部材基部の材料の選択性を広くする。また、スラリー液中の固体物を保持し、当該固体物による摺動部材基部および被摺動部材の損傷を防止すること等に重要な役割を果たす。

本発明の一態様に係る軸・軸受構造は、摺接粒子１０ｂの平均粒子径が１５０μｍ以上である。平均粒子径は、レーザー回折式粒子径分布測定装置：株式会社島津製作所、ＳＡＬＤ−２１００により計測される値である。上述のように、摺接粒子１０ｂの先端が、軸部材１０の軸方向から見たときに、軸部材１０の軸を中心とした同一円周上にあるようにするためには、通常、基体１０ａの表面に固定した摺接粒子１０ｂの先端を後述する方法によって加工し、基体１０ａの表面から摺接粒子１０ｂの先端までの高さ（つまり、基体１０ａの表面から摺接面１３までの高さ）を揃えるが、本明細書における「摺接粒子の平均粒子径」とは、上記加工を行う前の摺接粒子の平均粒子径を意味する。

スラリー液中に含まれる固体物は、硬さがＨｖ１０００ｋｇ／ｍｍ^２程度であるので、スラリー液の移動速度が速いほど、上記固体物が軸部材１０の基部に接触した場合、当該基部に与える力が大きくなり、当該基部を摩耗させやすくなる。

一方、本発明の一態様に係る軸・軸受構造は、上記平均粒子径が１５０μｍ以上と比較的大きいため、軸部材１０と軸受部材１１との間に侵入し、粒子間領域１２を移動するスラリー液が摺接粒子１０ｂに接触しやすい。スラリー液が摺接粒子１０ｂに接触すると、スラリー液の移動速度が低下するため、軸部材１０の基部に与える衝撃を和らげることができ、軸部材１０の基部の摩耗を十分に抑制することができる。その結果、軸部材１０の基部において、摺接粒子１０ｂの固定代を大きく確保することができるため、摺接粒子１０ｂを安定的に固定し、長期間使用することができる。

例えば、後述する実施例１では、平均粒子径が１５０．１μｍである摺接粒子を用いた場合、平均粒子径が５２．５μｍである摺接粒子を用いた場合よりも、軸・軸受構造の運転時間の経過に伴う突出し高さの増加率が抑制される傾向が確認されている。したがって、摺接粒子１０ｂの平均粒子径が１５０μｍ以上であるという構成を備えることによって、スラリー液が粒子間領域を移動する速度を低下させることができ、スラリー液中の固体物が摺動部材基部と接触する頻度、および、摺動部材基部に与える力を低減することができる。そのため、摺動部材基部の摩耗を抑制し、上記軸・軸受構造を備えた先行待機運転ポンプにスラリー液が侵入した場合でも安定した運転を継続することができると言える。

摺接粒子１０ｂの平均粒子径は、１５０μｍ以上であればよい。一方、通常は、摺接粒子１０ｂの平均粒子径を１００としたとき、先端から３０％程度を研削するが、摺接粒子１０ｂの平均粒子径が大きい場合、摺接粒子１０ｂの研削量（先端を加工する量）を多くして、摺接面１３の面積を大きくすることができる。そのため、摺接粒子１０ｂの平均粒子径は２００μｍ以上であることが好ましく、２５０μｍ以上であることがさらに好ましい。

しかし、摺接粒子１０ｂが大きくなりすぎると、研削による加工が困難となる傾向があるため、摺接粒子１０ｂの平均粒子径は４００μｍ以下が好ましく、より好ましくは３００μｍ以下である。

基体１０ａの表面（基体１０ａが固定部材を備える場合は、固定部材の表面）から摺接粒子１０ｂの先端までの平均高さは、スラリー液の移動速度を低下させるため、２０μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上であることがより好ましく、４０μｍ以上であることがさらに好ましい。

また、上記平均高さは、大きくなりすぎると摺接粒子１０ｂの固定強度が小さくなる傾向があるため、１５０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましく、６０μｍ以下であることがさらに好ましい。

基体１０ａの表面の垂直方向から見たときの、摺接粒子１０ｂが占める面積の割合である面密度は、２０〜７０％であることが好ましい。つまり、本発明の一態様に係る軸・軸受構造は、上記摺動部材基部の表面の垂直方向から見たときの、上記摺接粒子が占める面積の割合である面密度が２０〜７０％である構成としてもよい。ここで、面密度が大きいことは、摺接粒子１０ｂ間の間隔が狭いことを意味し、反対に面密度が小さいことは、摺接粒子１０ｂ間の間隔が広いことを意味する。

面密度を２０〜７０％とすることにより、各摺接粒子に加わる負荷を適度に保ち、かつ、ポンプの排出対象となるスラリー液を粒子間領域１２へと逃がしやすくなる。また、スラリー液中の固体物を粒子間領域１２にとどめやすくなるため、当該固体物が軸受部材１１に与える力を低減することができ、軸受部材１１の摩耗を抑制することができる。

面密度が２０％未満である場合、粒子間領域１２が広くなるため、上記固体物を粒子間領域１２にとどめにくくなる。そのため、面密度を３０％以上、４０％以上、または５０％以上とすることがより好ましい。また、面密度が７０％を超える場合には、摺接粒子の間隔が狭くなり、粒子間領域１２に水を貯えにくくなる、もしくは貯えられた水が排出されにくくなる。そのため、より好ましくは６０％以下とする。

摺接粒子１０ｂは、基体１０ａの表面の垂直方向から見たときに、千鳥状に配置されていることが好ましい。つまり、本発明の一態様に係る軸・軸受構造は、上記摺動部材基部の表面の垂直方向から見たときに、上記摺接粒子が千鳥状に配置されている構成としてもよい。

図４は、基体１０ａの表面の垂直方向から見たときに、摺接粒子１０ｂが、上記表面に同じピッチで配置されている軸部材１０の一例を示す模式図である。図中、摺接粒子１０ｂは簡略化のため、円形として表記している。

図４に示すように摺接粒子１０ｂが配置されている場合、粒子間領域１２は軸方向（図中に矢印で示した方向）に直線的に連通した状態になり得る。上述のように、摺接粒子１０ｂの平均粒子径は１５０μｍ以上であるため、粒子間領域１２に入ったスラリー液に対しては、摺接粒子１０ｂが障壁となり、スラリー液の移動速度を低減することができる。

一方、図４に示す配置の場合、軸方向に、粒子間領域１２が直線的に連通した、スラリー液が流れやすい流路が存在することになるため、上記障壁によって低減したスラリー液の移動速度が、軸・軸受構造１Ａの摺動等によって再度上昇することが起こり得る。しかしながら、上記移動速度の上昇は、スラリー液中の固体物が軸受部材１１に接触して衝撃を与え、軸受部材１１を摩耗させる要因となり得るため、好ましくない。

図５は、摺接粒子１０ｂが、基体１０ａの表面の垂直方向から見たときに、千鳥状に配置されている一態様を示す模式図である。換言すれば、図５は、基体１０ａの表面の垂直方向から見たときに、軸方向に垂直な方向（図中のｘ方向）に隣り合う摺接粒子１０ｂの中心同士を結んだ直線の中心から、軸方向の端部まで垂線を下したときに、当該垂線が、少なくとも１つ以上の摺接粒子１０ｂを横切るように、摺接粒子１０ｂが配置されている軸部材１０の一例を示す模式図である。

図５において、例えば、軸方向の一端部（図５に示す上側の短辺）に隣接し、ｘ方向に隣り合う２つの摺接粒子１０ｂの中心ａと中心ｂとを結んだ直線の中心から、軸方向の他端部まで下した垂線は、他端部（図５に示す下側の短辺）に至るまでの間に、少なくとも１つ以上の他の摺接粒子１０ｂを横切っている。同様に、中心ｂと中心ｃとを結んだ直線の中心から、軸方向の他端部まで下した垂線も、他端部に至るまでの間に、少なくとも１つ以上の他の摺接粒子１０ｂを横切っている。

図５に示すように摺接粒子１０ｂが配置されている場合、粒子間領域１２におけるスラリー液の進路は、軸方向（図中に矢印で示した方向）に直線的とはならない。それゆえ、スラリー液が粒子間領域１２を移動する速度を一層低減させることができ、スラリー液中の固体物を粒子間領域１２にとどめやすい。

このように、本願明細書において、「千鳥状」とは、粒子間領域１２が軸方向に直線的に連通した状態（例えば図４に示す状態）にはないことを意味する。つまり、スラリー液の移動方向（軸の回転方向。図４、５に示すｙ方向）と、粒子間領域１２とが平行にならない状態であれば、「千鳥状」に該当する。

図６は、基体１０ａの表面の垂直方向から見たときに、摺接粒子１０ｂが千鳥状に配置されている軸部材１０の別の一態様を示す模式図である。図６に示すように摺接粒子１０ｂが配置されている場合、摺接粒子１０ｂはピッチをずらした状態で交互に配置されるため、粒子間領域１２におけるスラリー液の進路は、軸方向（図中に矢印で示した方向）に直線的とはならず、クランク状となる。それゆえ、スラリー液が粒子間領域１２を移動する速度を一層低減させることができ、スラリー液中の固体物を粒子間領域１２にとどめやすい。

スラリー液中の固体物が粒子間領域１２に留まりやすくなれば、当該固体物が軸受部材１１に与える力を低減することができるため、軸受部材１１の摩耗を抑制することができ、軸部材１０と軸受部材１１とが線接触した状態を保つことができる。

したがって、図５および６に示す軸部材１０は、図４に示す軸部材１０よりも、軸受部材１１の偏摩耗を抑制し、先行待機運転ポンプの運転をより安定的に継続することができる。

図６では、軸部材１０の最上部に摺接粒子１０ｂが等間隔に４つ配置され、次列に、上記最上部に配置された、隣接した摺接粒子１０ｂ間のピッチ（中心間の距離）の半分の位置に、交互に摺接粒子１０ｂが３つ配置され、以後同様の配置が繰り返されている。スラリー液の移動速度低減の観点からは、図６のように摺接粒子１０ｂが配置されていることがより好ましい。

ただし、図６に示す配置に限られるものではなく、上述したように、例えば図５に示す態様等のごとく、スラリー液の移動方向（軸の回転方向。図４、５に示すｙ方向）と、粒子間領域１２とが平行にならないように摺接粒子１０ｂが配置されている形態は、好ましい形態であるといえる。

＜摺接粒子の加工方法＞
本実施の形態における、基体１０ａ上に固定された摺接粒子１０ｂの加工方法について以下に説明する。

基体１０ａ上に上述の方法により固定された摺接粒子１０ｂの粒子先端が、同一円周上にあるように加工する。すなわち、基体１０ａの回転中心軸から、最外にある粒子先端までの距離を等しくして、摺接粒子１０ｂの粒子先端が同一円周上にあるようにする。この加工方法としては、ダイヤモンドや、炭化珪素等の砥石で削る、放電加工する、といった方法を用いることができる。当業者においては、本実施の形態における摺接粒子１０ｂのような高硬度な材料を研削する方法として、適当なものを選択すればよい。

＜被摺動部材＞
次に、本発明の一態様に係る軸・軸受構造において、以上説明した軸部材（摺動部材）に対して相対的に摺動する軸受部材（被摺動部材）について、図１を参照して説明する。本実施形態において、軸受部材１１は、図１に示すように、内部に軸部材１０が収容される円筒形状を有しており、軸部材１０を軸支する。

軸受部材１１の材質は、例えば、硬質のセラミックスや超硬合金等から成り、セラミックスまたはサーメットであることが好ましい。これにより、被摺動部材としての耐久性を向上させることができる。軸受部材１１の内側表面は、表面の凹凸が、摺動部材である軸部材１０における摺接粒子間の領域深さに達しないことが好ましいが、表面粗さＲａが１．０μｍ以下であれば摩擦等にそれほど影響はないため問題はない。なお、軸受部材１１の表面に、摩擦係数を低く、または耐摩耗性を向上するための焼結体や膜を形成するような加工がされていても良い。

スラリー液に含まれる固体物は、摺動部材基部のみならず、軸受部材１１をも摩耗させ得る。対策としては、＜摺動部材の構成＞の項で述べたように、軸部材１０において、基体１０ａの表面の垂直方向から見たときに、摺接粒子１０ｂを千鳥状に配置することが挙げられる。

これは、軸部材１０の構成によって軸受部材１１の摩耗を抑制するものであるが、軸受部材１１の構成によって、上記固体物による軸受部材１１の摩耗を抑制することも可能である。以下、この点について説明する。

軸部材１０は軸受部材１１に収容され、軸支されているが、例えば、上記固体物が軸受部材１１の端部に損傷を与えた場合、摺接面１３が、軸方向の全域に渡って軸受部材１１の内側表面と均一に摺接している状態（線接触）を保つことができなくなり、軸部材１０と軸受部材１１とが互いに平行な状態を維持することが困難になる。このとき、傾いた軸部材１０では、軸受部材１１の軸方向の端部の内側表面と均一に摺接していた摺接粒子１０ｂが、摺接状態を保てずに当該端部の内側表面と接触した状態、いわゆる点接触の状態が生じてしまう。

点接触が生じると、その部分に集中して摺接粒子１０ｂが接触し続けることにより、点接触が生じた箇所を起点として軸受部材１１の内側表面において、部分的に摩耗が進行し、軸受部材１１が偏摩耗してしまう。例えば、図１が、軸・軸受構造１Ａの、軸受部材１１の軸方向の端部における軸方向に垂直な断面であるとすると、軸受部材１１の軸方向の端部１１ａのいずれかの部分に摺接粒子１０ｂが接触し、接触した部分を起点として、軸受部材１１の内側表面において、軸方向に偏摩耗が生じる。軸受部材１１が偏摩耗し、異常振動が発生した場合、先行待機運転ポンプの運転継続が困難になる恐れがある。

スラリー液に含まれる固体物による上記端部１１ａの損傷は、摺接粒子１０ｂと上記端部１１ａとが、上記固体物を間に挟んで接触したときに生じやすい。それゆえ、一実施形態において、軸受部材１１の内側表面（図１において、摺接粒子１０ｂと向かい合う面）の強度を、上記固体物の１．５倍以上の硬さとすることが好ましい。これによって、上記偏摩耗を効果的に防止することができる。

また、他の実施形態として、例えば、上記内側表面を、上記強度を有する材料で構成することが挙げられる。ただし、軸部材１０が傾いた場合、摺接粒子１０ｂが接触するのは軸受部材１１の端部であるため、軸受部材１１の内側表面全体の強度を高める必要はなく、軸受部材１１の軸方向の長さに対して、軸方向の端部から４％程度の内側表面の強度を高めることが好ましい。

上記強度を有する材料としては、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長）ダイヤモンド等を挙げることができる。上記強度を高める方法としては、例えば、ＣＶＤダイヤモンドコーティング等の方法を挙げることができる。

また、他の実施形態において、軸受部材１１の端部１１ａに、硬質材からなるガイドリングを設けることも可能である。これによって、軸部材１０が傾いた場合であっても、摺接粒子１０ｂは上記ガイドリングと接触し、軸受部材１１に直接接触することがないため、軸受部材１１の摩耗を防ぐことができる。

上記硬質材としては、例えば、超硬合金、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、Ｂ４Ｃ（ボロンカーバイド）焼結体等を挙げることができる。また、上記ガイドリングを設ける方法としては、例えば、焼結体のリングを軸受部材１１の両端部に設置する方法を挙げることができる。

〔２．先行待機運転ポンプ〕
本発明の一態様に係る先行待機運転ポンプは、以上説明した軸・軸受構造を備える。それゆえ、被摺動部材の偏摩耗が抑制され、安定した運転が可能で、耐久性に優れた先行待機運転ポンプを提供することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

〔実施例１および比較例１：スラリー摩耗試験〕
基体としてのφ８５ｍｍ×９７ｍｍ×８．５ｍｍｔのＳＵＳ３０４材の表面に、平均粒子径１５０．１μｍの単結晶ダイヤモンド（以下、「ダイヤモンドＡ」と称する）、または、平均粒子径５２．５μｍの単結晶ダイヤモンド（以下、「ダイヤモンドＢ」と称する）をニッケル電着して固定し、軸スリーブを作製した。

次に、ダイヤモンドＡおよびダイヤモンドＢに対して研削加工を行い、ダイヤモンドＡおよびダイヤモンドＢの粒子先端の高さを揃えるように加工した。すなわち、この加工によって、ダイヤモンドＡおよびダイヤモンドＢの粒子先端を、上記基体を中心とする同一円周上に存在するようにした。

図７，８は、それぞれ、初期状態のダイヤモンドＡおよびダイヤモンドＢの、軸方向に垂直な断面を示す模式図である。図中、１０ｂは摺接粒子（図７ではダイヤモンドＡ、図８ではダイヤモンドＢにそれぞれ該当する）、２０はニッケルメッキ膜である。

ダイヤモンドＡおよびダイヤモンドＢの粒子間の領域の深さ、つまり、ニッケルメッキ膜の表面と上記ダイヤモンド粒子の先端（すなわち、摺接面）との高さの差（突出し高さ）はダイヤモンドＡが２０．１μｍ、ダイヤモンドＢが４．５μｍであった。

軸スリーブの外径は、ダイヤモンドＡを用いた場合（以下、「軸スリーブＡ」と称する）が８４．９７５ｍｍであり、ダイヤモンドＢを用いた場合（以下、「軸スリーブＢ」と称する）が８４．９５ｍｍであった。なお、「軸スリーブの外径」とは、図１の摺接面１３を基体１０ａの外周に沿ってつなげたときの円周である。

上記ニッケルメッキ膜２０の表面の垂直方向から見たときの、上記単結晶ダイヤモンドが占める面積の割合である面密度は、軸スリーブＡが２６．５％、軸スリーブＢが９．７％であった。

その後、軸スリーブＡ、Ｂを、それぞれ、内径が８５．５０８ｍｍ、外径がΦ１２１ｍｍ、幅４０ｍｍの軸受（材質：窒化ケイ素、ビッカース硬さ：１５００Ｈｖ）に装着し、それぞれ軸・軸受構造Ａ、軸・軸受構造Ｂとした。スラリー液は、平均粒子径５μｍの珪砂と、平均粒子径３０μｍの珪砂とを、重量比５０：５０で混合して得た珪砂を、水に３０００ｐｐｍとなるように加え、撹拌することによって調製した。珪砂の平均粒子径も、上述したレーザー回折式粒子径分布測定装置：株式会社島津製作所、ＳＡＬＤ−２１００により計測される値である。

次に、軸・軸受構造Ａ、軸・軸受構造Ｂを、周速８ｍ/ｓｅｃの条件で運転し、装置下部のプロペラを回転した。これによって、上記スラリー液を、軸スリーブＡと軸受との間、および、軸スリーブＢと軸受との間にそれぞれ常時導入して、軸・軸受構造Ａを２５０時間、軸・軸受構造Ｂを３４．５時間運転した（スラリー摩耗試験）。なお、スラリー液を導入しないこと以外は同じ条件で、軸・軸受構造Ａを１００時間運転した試験（ドライ試験）も行った。

運転開始から所定時間経過後に、軸スリーブの外径、上記突出し高さ、ダイヤモンドＡ，Ｂの表面粗さ（Ｒａ）、面密度をそれぞれ測定した。軸・軸受構造Ａについては、軸受の内径も測定した。軸スリーブの外径および軸受の内径は３次元測定器を用いて測定し、突出し高さ、表面粗さおよび面密度はレーザー顕微鏡にてそれぞれ測定した。軸・軸受構造Ａ、軸・軸受構造Ｂのスラリー摩耗試験の結果をそれぞれ表１、表２に示し、ドライ試験の結果を表３に示す。表１に示す結果が実施例１、表２に示す結果が比較例１に該当する。

表１および表３に示すように、軸スリーブの外径は、スラリー摩耗試験に２５０時間供した後も、ドライ試験の場合と同様に殆ど変化していなかった。つまり、摺接粒子であるダイヤモンド粒子は、スラリー中の固体物によって摩耗されることがほぼないと言えることが分かった。なお、軸・軸受構造Ｂについては軸スリーブの外径は測定していないが、表１の結果に鑑みると、同様に殆ど変化していないと考えられる。

ダイヤモンド粒子の表面粗さは、表１に示すように、軸・軸受構造Ａでは、試験開始時よりも値が大きくなっているが、２５０時間経過後であっても規定値（０．５μｍ以下）内の値を示した。

突出し高さは、表３に示すように、ドライ試験では１００時間で０．２μｍの増加であったのに対し、表１に示すように、軸・軸受構造Ａでは１００時間で８．２μｍ増加し、２５０時間では１９μｍ増加した。また、軸・軸受構造Ｂでは、３４．５時間で１２．５μｍの増加が見られ、軸・軸受構造Ａよりも増加率が高かった。面密度も、軸・軸受構造Ｂの方が、軸・軸受構造Ａよりも増加率が高かった。

図３は、１００時間のドライ試験を経たダイヤモンドＡを外面側からレーザー顕微鏡で観察した結果を示すものである。なお、実施例１および比較例１において、レーザー顕微鏡としては、キーエンス製のVK-9700を用いた。

図示しないが、ダイヤモンドＡ（摺接粒子１０ｂ）は、２５０時間のスラリー摩耗試験に供した後であっても、ニッケルメッキ膜２０中、８０μｍの深さに埋め込まれた状態になっていた。すなわち、平均粒子径が１５０．１μｍである摺接粒子１０ｂを用いたことによって、２５０時間という長時間、スラリー液が存在した状態であっても、摺動部材基部の摩耗が十分に抑制されたことが分かった。

図９は、表１および表２に示した軸スリーブＡおよび軸スリーブＢの突出し高さおよび面密度の変化をグラフ化した図である。図９に示すように、平均粒子径が１５０．１
μｍであるダイヤモンドＡを用いた軸スリーブＡでは、平均粒子径が５２．５μｍであるダイヤモンドＢを用いた軸スリーブＢと比較して、突出し高さおよび面密度の増加率が低いことが分かる。すなわち、軸スリーブＡの方が、軸スリーブＢよりも摺動部材基部の摩耗に対する抑制効果が高いことが明らかとなった。図１０は、表１に示した軸スリーブＡの突出し高さの結果および試験時間（図中、延べ運転時間と記載）から、最小二乗法によって求めた検量線である。

本発明は、先行待機運転ポンプに好適に利用することができる。

１Ａ 軸・軸受構造
１０ 軸部材
１０ａ 基体
１０ｂ 摺接粒子
１１ 軸受部材
１１ａ 軸受部材の軸方向の端部
１２ 粒子間領域
１３ 摺接面
２０ ニッケルメッキ膜

Claims (8)

1. 被摺動部材と、上記被摺動部材に対して相対的に摺動する摺動部材とを備える軸・軸受構造であって、
   上記摺動部材は、
   摺動部材基部と、
   上記摺動部材基部の表面に散在して固定されるとともに、上記被摺動部材に摺接する摺接粒子と、を備え、
   上記摺接粒子は、上記摺動部材基部の表面から突出しており、
   上記摺接粒子の平均粒子径が１５０μｍ以上であることを特徴とする軸・軸受構造。
2. 上記摺動部材基部の表面の垂直方向から見たときの、上記摺接粒子が占める面積の割合である面密度が２０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の軸・軸受構造。
3. 上記摺動部材基部の表面の垂直方向から見たときに、上記摺接粒子が千鳥状に配置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・軸受構造。
4. 上記摺接粒子が、上記摺動部材基部にロウ付け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１項に記載の軸・軸受構造。
5. 上記摺接粒子は、硬さが珪砂の硬さ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の軸・軸受構造。
6. 上記摺接粒子は、ダイヤモンド粒子、ダイヤモンドライクカーボン粒子、立方晶窒化ホウ素、ガラス状カーボン粒子、アルミナ粒子、炭化ホウ素粒子、炭化ケイ素粒子、炭化タングステン粒子、窒化ケイ素粒子および炭化モリブデン粒子のうちの少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の軸・軸受構造。
7. 上記摺接粒子の先端は、上記摺動部材基部を中心とする同一円周上に存在することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の軸・軸受構造。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の軸・軸受構造を備えることを特徴とする先行待機運転ポンプ。