JP2021060122A - Slide bearing, slide bearing device and pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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、当該すべり軸受を備えたすべり軸受装置、及び当該すべり軸受装置を備えたポンプに関する。 The present invention relates to a slide bearing preferably used as a radial bearing of a rotating machine such as a pump, a slide bearing device provided with the slide bearing, and a pump provided with the slide bearing device.
ポンプ等に、樹脂材料を用いたすべり軸受を備えたすべり軸受装置を使用するときは、ポンプ等が取り扱う水に土砂等の異物が混入していることを想定し、異物の主成分である硬度の大きいSiO2が軸受のすべり面に侵入して樹脂材料を摩耗する現象を考慮しなければならない。すなわち、異物混入水中でのポンプ等の運転は、樹脂製のすべり軸受の摩耗量が増大し軸受寿命が短くなるという問題を考慮しなければならない。 When using a plain bearing device equipped with a plain bearing made of a resin material for a pump, etc., it is assumed that foreign matter such as earth and sand is mixed in the water handled by the pump, etc., and the hardness that is the main component of the foreign matter It is necessary to consider the phenomenon that the large SiO 2 invades the sliding surface of the bearing and wears the resin material. That is, when operating a pump or the like in water containing foreign matter, it is necessary to consider the problem that the amount of wear of the resin slide bearing increases and the bearing life is shortened.
したがって、すべり軸受装置のすべり軸受に用いられる樹脂材料には、SiO2等のスラリー中運転時での摩耗速度が小さいことが求められる。 Therefore, the resin material used for the slide bearing of the slide bearing device is required to have a low wear rate during operation in a slurry such as SiO 2.
一方で、立形ポンプ等においては、すべり軸受装置は、必ずしも軸受のすべり面が水中で運転されるばかりではなく、管理運転や先行待機運転のように大気中で運転される場合、すなわち、すべり軸受装置の軸受のすべり面が大気中に露出するドライ条件で運転される場合がある。すべり軸受装置がドライ条件で運転される場合、ポンプ等の回転軸との摩擦による発熱によって、軸受のすべり面の樹脂材料の温度が上昇し、樹脂材料の変形及び摩耗が発生するという問題がある。また、近年、ドライ条件で運転されるポンプは多種に及んでおり、すべり軸受が支える回転軸の回転速度(V)及び摺動面圧(P)の条件の範囲、並びにPV値(回転軸の回転速度×摺動面圧)の範囲がより高い値の条件へと広がってきており、このようなより過酷な条件において、上述のすべり軸受の樹脂材料の変形及び摩耗の発生がより顕著になるという問題がある。 On the other hand, in vertical pumps and the like, in a plain bearing device, not only the slide surface of the bearing is operated in water, but also when it is operated in the atmosphere such as a controlled operation or a preceding standby operation, that is, a slide. The bearing slide surface of the bearing device may be operated in dry conditions where it is exposed to the atmosphere. When the slide bearing device is operated under dry conditions, there is a problem that the temperature of the resin material on the slide surface of the bearing rises due to heat generated by friction with the rotating shaft of a pump or the like, causing deformation and wear of the resin material. .. In recent years, there are various types of pumps that are operated under dry conditions, and the range of conditions for the rotational speed (V) and sliding surface pressure (P) of the rotating shaft supported by the slide bearing, and the PV value (of the rotating shaft). The range of (rotational speed x sliding surface pressure) is expanding to higher value conditions, and under such more severe conditions, the above-mentioned deformation and wear of the resin material of the slide bearing become more remarkable. There is a problem.
したがって、すべり軸受装置のすべり軸受に用いられる樹脂材料には、上述のスラリー中運転時の摩耗速度が小さいことに加えて、ドライ条件の運転時に、摩擦係数が小さくて発熱が少ないこと、及び比較的高いPV値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であることも求められる。 Therefore, in addition to the low wear rate during operation in the slurry described above, the resin material used for the slide bearing of the slide bearing device has a small coefficient of friction and low heat generation during operation under dry conditions, and is compared. It is also required that the operation can be performed while suppressing heat generation even in the range of a target high PV value.
従来のすべり軸受装置としては、フッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物を含むすべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、前記すべり軸受のすべり面において、前記フッ素樹脂は2%以上10%以下の面積率を有し、前記炭素繊維は4%以上17%以下の面積率を有し、前記グラファイトは5%以上15%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(特許文献1)が知られている。特許文献1に記載のすべり軸受装置におけるすべり軸受は、グラファイトの面積率が5%以上となっていてグラファイトの含有率が高く、また、添加剤として窒化ホウ素を含んでいない。
また、芳香族ポリエーテルケトン、タルク、炭素繊維、及び不可避不純物を含むすべり軸受を備えたすべり軸受装置であって、前記すべり軸受に対する前記タルクの含有率は7質量%以上18質量%以下であり、前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は27%以上35%以下である、すべり軸受装置(特許文献2)が知られている。特許文献2に記載のすべり軸受装置におけるすべり軸受は、炭素繊維の面積率が27%以上と高い値を有しており、また、添加剤としてタルクを含んでいる。
The conventional plain bearing device is a plain bearing device including a plain bearing containing fluorine resin, aromatic polyetherketone, carbon fiber, graphite, and unavoidable impurities, and the plain contact surface of the plain bearing is made of the fluororesin. Has an area ratio of 2% or more and 10% or less, the carbon fiber has an area ratio of 4% or more and 17% or less, the graphite has an area ratio of 5% or more and 15% or less, and the aromatic. A plain bearing device (Patent Document 1) is known in which polyetherketone and the unavoidable impurities occupy the remaining area. The slide bearing in the slide bearing device described in
Further, it is a slide bearing device including a slide bearing containing aromatic polyetherketone, talc, carbon fiber, and unavoidable impurities, and the content of the talc in the slide bearing is 7% by mass or more and 18% by mass or less. A plain bearing device (Patent Document 2) is known in which the area ratio of the carbon fiber on the slide surface of the slide bearing is 27% or more and 35% or less. The plain bearing in the plain bearing device described in Patent Document 2 has a high carbon fiber area ratio of 27% or more, and contains talc as an additive.
本発明は、土砂等の異物を含む水(スラリー)中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れるすべり軸受を提供することを目的とする。また、本発明は、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れることに加えて、軸受のすべり面が大気中に露出するドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、かつ比較的高いPV値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であるすべり軸受を提供することも別の目的とする。さらに、当該すべり軸受を備えたすべり軸受装置及び当該すべり軸受装置を備えたポンプを提供することも別の目的とする。 An object of the present invention is to provide a slide bearing having excellent slurry wear resistance during operation in water (slurry) containing foreign matter such as earth and sand. Further, the present invention has excellent slurry wear resistance performance during operation in a slurry, and also has a small friction coefficient, low heat generation, and low heat generation in operation under dry conditions where the sliding surface of the bearing is exposed to the atmosphere. Another object of the present invention is to provide a slide bearing capable of suppressing heat generation and operating even in a relatively high PV value range. Another object of the present invention is to provide a slide bearing device provided with the slide bearing and a pump provided with the slide bearing device.
以上述べた課題を解決するために、本発明の一形態によれば、
すべり軸受であって、
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は5質量%以下(0質量%を含む)であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は30質量%以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は10%未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の5箇所について、光学顕微鏡(500倍)による観察視野:縦589μm×横442μmの部分を画像処理してHSB色空間においてBrightnessが75%以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受、が提供される。
In order to solve the above-mentioned problems, according to one embodiment of the present invention,
It is a plain bearing
The plain bearing is formed of a resin composition composed of aromatic polyetherketone, fluororesin, boron nitride, carbon fiber, graphite, and unavoidable impurities.
The content of the graphite with respect to the resin composition is 5% by mass or less (including 0% by mass), and the total content of the boron nitride, the carbon fibers, and the graphite is 30% by mass or less. ,
The area ratio of the carbon fibers on the sliding surface of the slide bearing is less than 10%, however, the area ratio of the carbon fibers is such that the area ratio of the carbon fibers is an optical microscope (for any five points of the sample piece cut out from the sliding surface of the slide bearing). Observation field by 500 times): An average area ratio obtained from the area of a region having a Brightness of 75% or more in the HSB color space by image processing a portion of 589 μm in length × 442 μm in width.
The plain bearings are provided.
本発明の別の形態によれば、
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、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は5質量%以下(0質量%を含む)であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は30質量%以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は10%未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の5箇所について、光学顕微鏡(500倍)による観察視野:縦589μm×横442μmの部分を画像処理してHSB色空間においてBrightnessが75%以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受装置、が提供される。
According to another embodiment of the invention
A plain bearing device equipped with a plain bearing.
The plain bearing is formed of a resin composition composed of aromatic polyetherketone, fluororesin, boron nitride, carbon fiber, graphite, and unavoidable impurities.
The content of the graphite with respect to the resin composition is 5% by mass or less (including 0% by mass), and the total content of the boron nitride, the carbon fibers, and the graphite is 30% by mass or less. ,
The area ratio of the carbon fibers on the sliding surface of the slide bearing is less than 10%, however, the area ratio of the carbon fibers is such that the area ratio of the carbon fibers is an optical microscope (for any five points of the sample piece cut out from the sliding surface of the slide bearing). Observation field by 500 times): An average area ratio obtained from the area of a region having a Brightness of 75% or more in the HSB color space by image processing a portion of 589 μm in length × 442 μm in width.
The plain bearing device is provided.
上記いずれの形態であっても、前記すべり軸受のすべり面が、大気と接触した状態及び土砂が混入した水と接触した状態のいずれでも運転可能に構成されていることが好ましい。 In any of the above forms, it is preferable that the sliding surface of the sliding bearing is configured to be operable in either a state of being in contact with the atmosphere or a state of being in contact with water mixed with earth and sand.
上記いずれの形態であっても、前記芳香族ポリエーテルケトンが、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、又はそれらの組み合わせであることが好ましい。 In any of the above forms, the aromatic polyetherketone is preferably a polyetherketone, a polyetheretherketone, a polyetherketoneketone, a polyetheretherketoneketone, or a combination thereof.
上記いずれの形態であっても、前記フッ素樹脂が、ポリテトラフロオロエチレン、テトラフロオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体、又はそれらの組み合わせであることが好ましい。 In any of the above forms, the fluororesin is a polytetrafluoroethylene, a tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, a tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer, or a tetrafluoroethylene / ethylene. It is preferably a polymer or a combination thereof.
本発明の別の形態によれば、上記すべり軸受を備えたポンプが提供される。 According to another embodiment of the present invention, a pump provided with the above-mentioned plain bearing is provided.
本発明によれば、水中ポンプのラジアル軸受用すべり軸受装置で使用されるすべり軸受であって、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れるすべり軸受装置を提供することができる。また、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れることに加えて、ドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、かつ比較的高いPV値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であるすべり軸受を提供することもできる。さらに、当該すべり軸受を備えたすべり軸受装置及び当該すべり軸受装置を備えたポンプを提供することもできる。 According to the present invention, it is possible to provide a plain bearing device used in a plain bearing device for a radial bearing of a submersible pump, which has excellent slurry wear resistance during operation in a slurry. In addition to being excellent in slurry wear resistance during operation in a slurry, heat generation is suppressed even in a relatively high PV value range with a small coefficient of friction and low heat generation during operation under dry conditions. It is also possible to provide a slide bearing that is operable. Further, it is also possible to provide a slide bearing device provided with the slide bearing and a pump provided with the slide bearing device.
図1は、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。図1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。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the entire
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。
At the substantially central portion in the radial direction of the
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。
The drive unit is installed on land so that maintenance and inspection can be easily performed. The rotation of the drive machine is transmitted to the
図2は、図1に示した軸受32,33に適用される軸受装置の拡大図である。図3は、図2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2に示すように、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は、例えば、ビッカース硬さ(Hv)を800以上2500以下とすることができる。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)1a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1参照)等へ繋がる支持部材13に固定されている。図3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、内周面(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。
FIG. 2 is an enlarged view of a bearing device applied to the
本実施形態に係るすべり軸受装置は、例えば、図2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3に示したすべり軸受1と同様の構造を有する。
The slide bearing device according to the present embodiment has, for example, the same structure as the slide bearing device shown in FIG. That is, the slide bearing device according to the present embodiment has a
本実施形態に係るすべり軸受1は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成される。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の内周面(すべり面)1aを構成している。
The
本実施形態に係るすべり軸受を形成する樹脂組成物において、前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は5質量%以下(0質量%を含む)であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は30質量%以下であり、前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は10%未満である。
グラファイトの含有率、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率、並びに炭素繊維の面積率を上記数値範囲内とする樹脂組成物を用いて形成したすべり軸受は、後述の実施例1及び2において示すように、スラリー中での摩耗速度が23μm/h以下、PV値:1.5MPa・m/sにおけるすべり軸受の温度上昇値が120℃以下、かつPV値:1.0MPa・m/sにおけるすべり軸受の摩擦係数が0.1以下となり、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れ、かつドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、比較的高いPV値の範囲であっても発熱を抑え運転可能となる。
In the resin composition for forming the slide bearing according to the present embodiment, the graphite content with respect to the resin composition is 5% by mass or less (including 0% by mass), and the boron nitride, the carbon fiber, and the like. The total content of the graphite is 30% by mass or less, and the area ratio of the carbon fibers on the sliding surface of the slide bearing is less than 10%.
The plain bearings formed by using a resin composition in which the content of graphite, the total content of boron nitride, carbon fibers, and graphite and the area ratio of carbon fibers are within the above numerical ranges are described in Example 1 and the following. As shown in 2, the wear rate in the slurry is 23 μm / h or less, the temperature rise value of the slide bearing at the PV value: 1.5 MPa · m / s is 120 ° C. or less, and the PV value: 1.0 MPa · m / s. The friction coefficient of the slide bearing in s is 0.1 or less, the slurry wear resistance performance during operation in a slurry is excellent, and the friction coefficient is small and heat generation is small in operation under dry conditions, and the PV value is relatively high. Even within the range, heat generation can be suppressed and operation becomes possible.
フッ素樹脂は、スラリー中での摩耗速度、及び1.0MPa・m/s未満のPV値での摩擦係数を低減させる効果を有しているが、1.0MPa・m/s以上のPV値でのすべり軸受の温度上昇が大きくなる傾向がある。窒化ホウ素は、高温における潤滑効果を有している。グラファイトは、固体潤滑剤として機能するが、高温において潤滑効果が低下する傾向がある。炭素繊維は、強度を増加させ、線膨張係数を低減させる効果を有している。本発明は、樹脂成分(芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂)、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの組成を最適化した樹脂組成物からすべり軸受を形成することにより、スラリー中での運転時における耐スラリー摩耗性能に優れ、かつドライ条件の運転において、摩擦係数が小さくて発熱が少なく、比較的高いPV値の範囲であっても発熱を抑え運転可能であるすべり軸受を提供することができる。 Fluororesin has the effect of reducing the wear rate in the slurry and the friction coefficient at a PV value of less than 1.0 MPa · m / s, but at a PV value of 1.0 MPa · m / s or more. The temperature rise of the slide bearing tends to be large. Boron nitride has a lubricating effect at high temperatures. Graphite functions as a solid lubricant, but tends to have a reduced lubricating effect at high temperatures. Carbon fibers have the effect of increasing strength and reducing the coefficient of linear expansion. The present invention forms a plain bearing from a resin composition with an optimized composition of resin components (aromatic polyetherketone, fluororesin), boron nitride, carbon fibers, and graphite during operation in a slurry. It is possible to provide a plain bearing which is excellent in slurry wear resistance, has a small friction coefficient and generates little heat in operation under dry conditions, and can suppress heat generation even in a relatively high PV value range.
樹脂組成物に対する、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率は、30質量%以下であり、28量%以下、26量%以下、23量%以下、又は20質量%以下とすることもできる。窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率は、5量%以上、10量%以上、15量%以上、18質量%以上、又は20量%以上とすることができる。 The total content of boron nitride, carbon fiber, and graphite with respect to the resin composition shall be 30% by mass or less, 28% by mass or less, 26% by mass or less, 23% by mass or less, or 20% by mass or less. You can also. The total content of boron nitride, carbon fiber, and graphite can be 5% or more, 10% or more, 15% or more, 18% by mass or more, or 20% or more.
樹脂組成物に対するグラファイトの含有率は、5質量%以下(0質量%を含む)であり、3質量%以上5質量%以下とすることもできる。 The content of graphite in the resin composition is 5% by mass or less (including 0% by mass), and may be 3% by mass or more and 5% by mass or less.
グラファイトの平均粒径は、3μmより大きく15μm以下であることが好ましい。 The average particle size of graphite is preferably larger than 3 μm and 15 μm or less.
すべり軸受のすべり面における炭素繊維の面積率は、10%未満であり、9.5%以下、9%以下、8%以下、又は7%以下とすることもできる。また、炭素繊維の面積率は、1%以上、2%以上、3%以上、又は4%以上とすることもできる。 The area ratio of carbon fibers on the sliding surface of the slide bearing is less than 10%, and may be 9.5% or less, 9% or less, 8% or less, or 7% or less. Further, the area ratio of the carbon fibers may be 1% or more, 2% or more, 3% or more, or 4% or more.
樹脂組成物に対する炭素繊維の含有率は、特に限定されないが、3質量%以上12質量以下、4質量%以上11質量%以下、又は5質量%以上10質量%以下とすることができる。 The content of carbon fibers in the resin composition is not particularly limited, but may be 3% by mass or more and 12% by mass or less, 4% by mass or more and 11% by mass or less, or 5% by mass or more and 10% by mass or less.
炭素繊維は短繊維から構成されていることが好ましい。
軸受のすべり面1aにおいて観察される炭素繊維の直径は、5μm以上10μm以下が好ましく、5.5μm以上9μm以下がより好ましく、6μm以上8μm以下が最も好ましい。炭素繊維の直径は、光学顕微鏡(デジタルマイクロスコープ VHX−7000(Keyence社製)、対物レンズ VHX−E500(500〜2500倍))を用いて、上述の画像解析プログラムを使用して画像解析を行うことより測定することができる。
また、軸受のすべり面1aにおいて観察される炭素繊維の長さは、5μm以上1000μm以下が好ましく、6μm以上500μm以下がより好ましく、7μm以上200μm以下が最も好ましい。炭素繊維の長さは、光学顕微鏡(デジタルマイクロスコープ VHX−7000(Keyence社製)、対物レンズ VHX−E500(500〜2500倍))を用いて、上述の画像解析プログラムを使用して画像解析を行うことより測定することができる。
軸受のすべり面1aにおいて観察される炭素繊維のアスペクト比(長さ/直径)は、2以上100以下が好ましく、10以上100以下がより好ましく、30以上100以下が最も好ましい。
The carbon fibers are preferably composed of short fibers.
The diameter of the carbon fibers observed on the sliding
The length of the carbon fibers observed on the sliding
The aspect ratio (length / diameter) of the carbon fibers observed on the sliding
樹脂組成物に対する窒化ホウ素の含有率は、特に限定されないが、13質量%以上22質量以下、14質量%以上21質量%以下、又は15質量%以上20質量%以下とすることができる。 The content of boron nitride in the resin composition is not particularly limited, but may be 13% by mass or more and 22% by mass or less, 14% by mass or more and 21% by mass or less, or 15% by mass or more and 20% by mass or less.
窒化ホウ素としては、特に限定されず、六方晶窒化ホウ素(h−BN)、立方晶窒化ホウ素(c−BN)、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、六方晶窒化ホウ素が好ましい。
窒化ホウ素の平均粒径は、4μmより大きく20μm以下であることが好ましい。
The boron nitride is not particularly limited, and examples thereof include hexagonal boron nitride (h-BN), cubic boron nitride (c-BN), and combinations thereof, but hexagonal boron nitride is preferable.
The average particle size of boron nitride is preferably larger than 4 μm and 20 μm or less.
芳香族ポリエーテルケトンとしては、特に限定されず、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、ポリエーテルエーテルケトンが好ましい。 The aromatic polyetherketone is not particularly limited, and includes polyetherketone (PEK), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK), polyetheretherketoneketone (PEEKK), and combinations thereof. Although mentioned, polyetheretherketone is preferable.
フッ素樹脂としては、特に限定されず、ポリテトラフロオロエチレン(PTFE)、テトラフロオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、ポリテトラフロオロエチレンが好ましい。
樹脂組成物に対するフッ素樹脂の含有率は、特に限定されないが、10質量%以上20質量未満、12質量%以上18質量%以下、又は13質量%以上17質量%以下とすることができる。特に、フッ素樹脂の含有率を20質量%未満とすることにより、樹脂組成物からすべり軸受を成形する際の成形性を向上させることができる。
The fluororesin is not particularly limited, and is polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetra. Fluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE) and combinations thereof can be mentioned, but polytetrafluoroethylene is preferable.
The content of the fluororesin in the resin composition is not particularly limited, but may be 10% by mass or more and less than 20% by mass, 12% by mass or more and 18% by mass or less, or 13% by mass or more and 17% by mass or less. In particular, by setting the content of the fluororesin to less than 20% by mass, the moldability when molding the slide bearing from the resin composition can be improved.
(窒化ホウ素の含有率の測定方法)
窒化ホウ素の含有率は、以下の方法により測定することができる。
すなわち、成形したすべり軸受を100g測り取り、800℃において焼成を行い、炭素繊維、フッ素樹脂などの成分を分解・揮発させ、窒化ホウ素を灰分として回収し、灰分の質量を測定する。そして、すべり軸受の質量(100g)に対する灰分(窒化ホウ素)の質量の割合を算出し、窒化ホウ素の含有率とする。
(Measuring method of boron nitride content)
The content of boron nitride can be measured by the following method.
That is, 100 g of the molded slide bearing is weighed and fired at 800 ° C. to decompose and volatilize components such as carbon fiber and fluororesin, boron nitride is recovered as ash, and the mass of ash is measured. Then, the ratio of the mass of the ash (boron nitride) to the mass (100 g) of the slide bearing is calculated and used as the boron nitride content.
(炭素繊維の面積率の測定方法)
炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の5箇所について、光学顕微鏡(500倍)による観察視野:縦589μm×横442μmの部分を画像処理してHSB色空間においてBrightnessが75%以上の領域の面積から求める平均面積率である。このような炭素繊維の面積率の測定方法の具体例を以下に述べる。
成形したすべり軸受のすべり面から縦5mm×横5mmの正方形の試料片を切り出し、試料片の表面を研磨する。当該試料片の研磨した表面においてランダムに5箇所を選定し、それぞれの箇所について光学顕微鏡(デジタルマイクロスコープ VHX−7000(Keyence社製)、対物レンズ VHX−E500(500〜2500倍))を用いて縦589μm×横442μmの平面の撮影を行う。平面の撮影時の条件としては、倍率:500倍、落射照明:同軸落射、画素(ピクセル):2880×2160、を採用する。撮影した縦589μm×横442μmの平面を観察部分とし、画像解析により炭素繊維の部分の同定を行う。観察部分の面積全体に対する炭素繊維の面積の占める割合を算出し、5箇所における算出値の平均を求め炭素繊維の面積率とする。ここで、すべり軸受表面の観察部分の画像解析は、画像解析プログラム:Image J(「Analyze particles」コマンドで実施)を用いて行うことができ、画像解析条件は、測定プログラムColor Thresholdにおいて、画素「Hue 0〜225、Saturation 0〜225、Brightness 170〜225」に設定し、他はデフォルト設定にする。この画像解析プログラムを使用して、炭素繊維の画素特性(明るさ、色)と同じ画素特性を有する部分を抽出することにより行う。上記の画像解析プログラム(Image J)において、Brightness
170〜225の領域を抽出しており、これはHSB色空間においてBrightnessが75%以上の領域を抽出していることを意味している。
(Measuring method of carbon fiber area ratio)
The area ratio of carbon fibers is determined in the HSB color space by image processing the observation field of view with an optical microscope (500 times): 589 μm in length × 442 μm in width for any 5 points of the sample piece cut out from the slide surface of the slide bearing. It is an average area ratio obtained from the area of an area where Brightness is 75% or more. A specific example of such a method for measuring the area ratio of carbon fibers will be described below.
A square sample piece of 5 mm in length × 5 mm in width is cut out from the sliding surface of the molded slide bearing, and the surface of the sample piece is polished. Five points were randomly selected on the polished surface of the sample piece, and each part was used with an optical microscope (digital microscope VHX-7000 (manufactured by Keyence), objective lens VHX-E500 (500 to 2500 times)). An image is taken on a plane of 589 μm in length × 442 μm in width. As conditions for shooting a flat surface, a magnification of 500 times, epi-illumination: coaxial epi-illumination, and pixels: 2880 × 2160 are adopted. The photographed plane of 589 μm in length × 442 μm in width is used as the observation portion, and the carbon fiber portion is identified by image analysis. The ratio of the carbon fiber area to the total area of the observation portion is calculated, and the average of the calculated values at the five locations is calculated and used as the carbon fiber area ratio. Here, the image analysis of the observed portion of the surface of the sliding bearing can be performed by using the image analysis program: Image J (implemented by the "Analyze parameters" command), and the image analysis condition is set to the pixel "Color Threshold" in the measurement program Color Threshold. Set to "Hue 0-225, Saturation 0-225, Brightness 170-225", and set the others to the default settings. This image analysis program is used to extract a portion having the same pixel characteristics as the pixel characteristics (brightness, color) of the carbon fiber. Brightness in the above image analysis program (Image J)
The region of 170 to 225 is extracted, which means that the region of Brightness of 75% or more is extracted in the HSB color space.
なお、各すべり軸受について、上記の方法により炭素繊維の面積率を直接測定することができるが、それとは異なり、例えば、以下のように、炭素繊維の体積率(体積%)に基づいて炭素繊維の面積率を算出することもできる。
体積率(体積%)と面積率との関係に関して、佐藤 直子ら, “材料組織の形態評価の変遷と展望”, 鉄と鋼, Vol.100 (2014), No.10, p.1182-1190や、足立 吉隆,“コンピュータ支援3D計量形態学”, Vo. 61 (2011), No. 2, p.78-84に記載されているように、複相組織において、複数の観察面上から求めた平均面積率と体積率の間には、平均面積率と体積率とが等しいとの関係式が成立することが知られている。したがって、すべり軸受における炭素繊維の体積率(体積%)の値を、炭素繊維の面積率の値として用いることができる。ここで、すべり軸受における炭素繊維の体積率(体積%)は、例えば、後述の実
施例に示すように、すべり軸受に含まれる各成分の含有率(質量%)及び比重に基づいて算出することもできる。
For each plain bearing, the area ratio of carbon fibers can be directly measured by the above method, but unlike that, for example, the carbon fibers are based on the volume ratio (volume%) of the carbon fibers as shown below. It is also possible to calculate the area ratio of.
Regarding the relationship between volume fraction (volume%) and area fraction, Naoko Sato et al., “Transition and Prospects of Morphological Evaluation of Material Structure”, Iron and Steel, Vol.100 (2014), No.10, p.1182-1190 And, as described in Yoshitaka Adachi, “Computer Assisted 3D Metric Morphology”, Vo. 61 (2011), No. 2, p.78-84, it is obtained from multiple observational surfaces in a multiphase structure. It is known that the relational expression that the average area fraction and the volume fraction are equal is established between the average area ratio and the volume fraction. Therefore, the value of the volume fraction (volume%) of the carbon fibers in the slide bearing can be used as the value of the area fraction of the carbon fibers. Here, the volume fraction (volume%) of the carbon fibers in the slide bearing is calculated based on, for example, the content ratio (mass%) and the specific gravity of each component contained in the slide bearing, as shown in Examples described later. You can also.
本発明においては、芳香族ポリエーテルケトンの粉末、フッ素樹脂の粉末、窒化ホウ素の粉末、炭素繊維、及びグラファイトの粉末をドライブレンドして樹脂組成物を調製し、この樹脂組成物を圧縮成形した後、表面加工を施すことによりすべり軸受を製造することができる。また、このすべり軸受を使用してすべり軸受装置を製造することができ、さらに、このすべり軸受装置を使用してポンプを製造することができる。 In the present invention, a resin composition was prepared by dry blending a powder of aromatic polyetherketone, a powder of fluororesin, a powder of boron nitride, a carbon fiber, and a powder of graphite, and the resin composition was compression-molded. After that, a slide bearing can be manufactured by subjecting it to surface processing. In addition, the plain bearing device can be used to manufacture a plain bearing device, and further, the plain bearing device can be used to manufacture a pump.
以下、本発明について実施例により具体的に説明するが、本発明は実施例に記載の内容に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited to the contents described in the Examples.
(実施例1)
実施例1では、各成分の含有率(質量%)が表1に示す値となるように、芳香族ポリエーテルケトン(ポリエーテルエーテルケトン)の粉末、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン)の粉末、窒化ホウ素(平均粒径4μm)の粉末、炭素繊維(直径約6μm、長さ約100μm)、及びグラファイト(粒径1〜20μm)の粉末(本発明例No.1〜3ではグラファイトを配合せず)をドライブレンドしてペレットを製造した。得られたペレットを金型に入れ、加圧、加熱し、1次加工の成形を行った後、2次加工の機械加工により詳細な形状を付与し、すべり軸受を製造した。そして、得られたすべり軸受について、後述するスラリー中での摩耗速度の評価を行った。結果を表1及び図4に示す。
(Example 1)
In Example 1, a powder of aromatic polyetherketone (polyetheretherketone), a powder of fluororesin (polytetrafluoroethylene), so that the content (% by mass) of each component becomes the value shown in Table 1. Powder of boron nitride (average particle size 4 μm), carbon fiber (diameter about 6 μm, length about 100 μm), and graphite (
また、表1に示した各成分の含有率(質量%)及び各成分の比重(芳香族ポリエーテルケトン:1.3、フッ素樹脂:2.17、窒化ホウ素:2.3、炭素繊維:1.8、グラファイト:1.8)に基づいて、本発明例No.1〜4及び比較例No.1〜6のすべり軸受の炭素繊維の体積率(体積%)を算出した。結果を表1に示す。上述のように、複相組織において、平均面積率(%)は体積率(体積%)と等しいという関係が成り立つので、表1に示した炭素繊維の体積率(体積%)は、炭素繊維の平均面積率(%)と等しいこととなる。
The content (mass%) of each component shown in Table 1 and the specific gravity of each component (aromatic graphite ketone: 1.3, fluororesin: 2.17, boron nitride: 2.3, carbon fiber: 1). Based on 0.8, graphite: 1.8), Example No. 1 of the present invention. 1-4 and Comparative Example No. The volume fraction (volume%) of the carbon fibers of the
本発明例No.1〜4及び比較例No.1〜6のすべり軸受のスラリー中での摩耗速度は、下記手順に沿って測定した。
(スラリー中での摩耗速度)
まず、平均粒径が約5μmのケイ砂(主成分:Si02)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砂粒子を3000mg/Lの濃度となるように水中に投入し、スラリーを作成した。得られたスラリーの中に、すべり軸受を含む軸受装置(図2の回転軸10、スリーブ11、すべり軸受1、及び軸受ケース12(つば部12aを含む)からなる装置)を沈め、8時間にわたって25℃で維持されているスラリーの中でPV値0.6MPa・m/sの条件においてWC基超硬合金の初期表面粗さ(Ra)が3.2の平面に対して摺動させ、すべり軸受の摩耗速度(μm/h)を算出した。
Example No. of the present invention. 1-4 and Comparative Example No. The wear rates of the
(Abrasion rate in slurry)
First, the average particle diameter of about 5μm of quartz sand (principal component: Si0 2) and the average particle size of about 30μm silica sand 1: a concentration of 3000 mg / L to Including sand particles at a ratio of 1 As described above, the mixture was poured into water to prepare a slurry. A bearing device including a slide bearing (a device including a
表1及び図4の結果より、グラファイトの含有率が5質量%以下(0質量%を含む)であり、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率が30質量%以下であり、炭素繊維の体積率(体積%)が10%未満(すなわち、面積率が10%未満)である本発明例No.1〜4のすべり軸受は、スラリー中での摩耗速度が23μm/h以下と低いものとなった。
一方、グラファイトの含有率が5質量%以下であるものの、窒化ホウ素、炭素繊維、及びグラファイトの合計の含有率が30質量%を超えており、炭素繊維の体積率(体積%)が10%以上(すなわち、面積率が10%以上)である比較例No.1〜6のすべり軸受は、スラリー中での摩耗速度が28μm/h以上と高いものとなった。
以上より、本発明例No.1〜4のように、すべり軸受を形成する樹脂組成物の組成を特定のものとすることにより、スラリー中での摩耗速度を低減させて耐スラリー摩耗性を向上できることがわかった。
From the results of Table 1 and FIG. 4, the graphite content is 5% by mass or less (including 0% by mass), the total content of boron nitride, carbon fiber, and graphite is 30% by mass or less, and carbon. Example No. of the present invention in which the volume ratio (volume%) of the fibers is less than 10% (that is, the area ratio is less than 10%). The
On the other hand, although the graphite content is 5% by mass or less, the total content of boron nitride, carbon fibers, and graphite exceeds 30% by mass, and the volume ratio (volume%) of the carbon fibers is 10% or more. (That is, the area ratio is 10% or more). The
From the above, the present invention example No. It was found that by making the composition of the resin composition forming the slide bearing specific as in 1 to 4, the wear rate in the slurry can be reduced and the slurry wear resistance can be improved.
(実施例2)
表1に示した本発明例No.1のすべり軸受について、下記の限界PV値及び摩擦係数の評価を行った。結果を表2並びに図5及び6に示す。
(Example 2)
Example No. of the present invention shown in Table 1. The following limit PV value and friction coefficient were evaluated for the slide bearing No. 1. The results are shown in Table 2 and FIGS. 5 and 6.
(限界PV値)
上記(スラリー中での摩耗速度)と同様のすべり軸受を含む軸受装置を用いたドライ試験において、PV値:0.30、0.35、0.40、0.60、又は0.70MPa・m/sで2時間運転し、各PV値においてすべり軸受のすべり面から深さ5mmの位置の温度上昇値の測定を行った。そして、図5に示すグラフ(横軸:PV値、縦軸:温度上昇値)を作成し、近似直線を引くことによりPV値:1.5MPa・m/sにおける温度上昇値の推定値を算出した。
(Limited PV value)
In a dry test using a bearing device including a plain bearing similar to the above (wear rate in slurry), PV values: 0.30, 0.35, 0.40, 0.60, or 0.70 MPa · m The operation was performed at / s for 2 hours, and the temperature rise value at a depth of 5 mm from the slide surface of the slide bearing was measured at each PV value. Then, the graph shown in FIG. 5 (horizontal axis: PV value, vertical axis: temperature rise value) is created, and the estimated value of the temperature rise value at PV value: 1.5 MPa · m / s is calculated by drawing an approximate straight line. did.
(摩擦係数)
上記(スラリー中での摩耗速度)と同様のすべり軸受を含む軸受装置を用いて、PV値:0.30、0.35、0.40、0.60、又は0.70MPa・m/sで2時間、WC基超硬合金の初期表面粗さ(Ra)が3.2の面に対して潤滑油を用いずに摺動させ、2時間の間、0.5秒間隔で連続的に摩擦係数の測定を行った。2時間の運転中のうちの後半の1時間における摩擦係数の平均値を算出し、各PV値におけるすべり軸受の摩擦係数とした。そして、図6に示すグラフ(横軸:PV値、縦軸:摩擦係数)を作成し、近似直線を引くことによりPV値:1.0MPa・m/sにおける摩擦係数の推定値を算出した。
(Coefficient of friction)
Using a bearing device including a plain bearing similar to the above (wear rate in slurry), PV values: 0.30, 0.35, 0.40, 0.60, or 0.70 MPa · m / s. For 2 hours, slide the WC-based superhard alloy against a surface having an initial surface roughness (Ra) of 3.2 without using lubricating oil, and rub continuously at 0.5 second intervals for 2 hours. The coefficient was measured. The average value of the friction coefficient in the latter 1 hour of the operation for 2 hours was calculated and used as the friction coefficient of the slide bearing at each PV value. Then, a graph (horizontal axis: PV value, vertical axis: friction coefficient) shown in FIG. 6 was created, and an estimated value of the friction coefficient at a PV value of 1.0 MPa · m / s was calculated by drawing an approximate straight line.
図5の近似直線より、本発明例No.1のすべり軸受は、PV値:1.5MPa・m/sにおけるすべり軸受の温度上昇値が120℃以下であると推測でき、すべり軸受の温度上昇を抑制できることがわかる。
また、図6の近似直線より、本発明例No.1のすべり軸受は、PV値:1.0MPa・m/sにおけるすべり軸受の摩擦係数が0.1以下であると推測でき、摩擦を小さくできることがわかる。
したがって、本発明例No.1のすべり軸受は、耐スラリー摩耗性に優れると共に、限界PV値の評価が良好で、かつ摩擦が小さく良好であることがわかった。
From the approximate straight line of FIG. 5, the present invention example No. As for the slide bearing of No. 1, it can be estimated that the temperature rise value of the slide bearing at a PV value of 1.5 MPa · m / s is 120 ° C. or less, and it can be seen that the temperature rise of the slide bearing can be suppressed.
Further, from the approximate straight line of FIG. 6, the present invention example No. It can be estimated that the sliding bearing of No. 1 has a friction coefficient of 0.1 or less at a PV value of 1.0 MPa · m / s, and it can be seen that the friction can be reduced.
Therefore, the present invention example No. It was found that the slide bearing No. 1 was excellent in slurry wear resistance, had a good evaluation of the limit PV value, and had a small friction.
以上で説明したように、本発明の実施形態に係るすべり軸受装置のすべり軸受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、すべり軸受の摩耗を抑制し、且つすべり軸受の低摩擦性(潤滑性)を維持することができる。 As described above, in the case of a pump provided with the slide bearing of the slide bearing device according to the embodiment of the present invention as a radial bearing, underwater operation and atmospheric operation are repeated in a drainage pump station for treating foreign matter mixed water. Even so, it is possible to suppress wear of the slide bearing and maintain low friction (lubricity) of the slide bearing.
1…すべり軸受
1a…内周面(すべり面)
3…立軸ポンプ
10…回転軸
11…スリーブ
1 ...
3 ...
Claims (6)
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は5質量%以下(0質量%を含む)であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は30質量%以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は10%未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の5箇所について、光学顕微鏡(500倍)による観察視野:縦589μm×横442μmの部分を画像処理してHSB色空間においてBrightnessが75%以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受。 It is a plain bearing
The plain bearing is formed of a resin composition composed of aromatic polyetherketone, fluororesin, boron nitride, carbon fiber, graphite, and unavoidable impurities.
The content of the graphite with respect to the resin composition is 5% by mass or less (including 0% by mass), and the total content of the boron nitride, the carbon fibers, and the graphite is 30% by mass or less. ,
The area ratio of the carbon fibers on the sliding surface of the slide bearing is less than 10%, however, the area ratio of the carbon fibers is such that the area ratio of the carbon fibers is an optical microscope (for any five points of the sample piece cut out from the sliding surface of the slide bearing). Observation field by 500 times): An average area ratio obtained from the area of a region having a Brightness of 75% or more in the HSB color space by image processing a portion of 589 μm in length × 442 μm in width.
The plain bearing.
前記すべり軸受は、芳香族ポリエーテルケトン、フッ素樹脂、窒化ホウ素、炭素繊維、グラファイト、及び不可避不純物からなる樹脂組成物から形成されており、
前記樹脂組成物に対する、前記グラファイトの含有率は5質量%以下(0質量%を含む)であり、かつ前記窒化ホウ素、前記炭素繊維、及び前記グラファイトの合計の含有率は30質量%以下であり、
前記すべり軸受のすべり面における前記炭素繊維の面積率は10%未満であり、ただし、前記炭素繊維の面積率は、すべり軸受のすべり面から切り出した試料片の任意の5箇所について、光学顕微鏡(500倍)による観察視野:縦589μm×横442μmの部分を画像処理してHSB色空間においてBrightnessが75%以上の領域の面積から求める平均面積率である、
前記すべり軸受装置。 A plain bearing device equipped with a plain bearing.
The plain bearing is formed of a resin composition composed of aromatic polyetherketone, fluororesin, boron nitride, carbon fiber, graphite, and unavoidable impurities.
The content of the graphite with respect to the resin composition is 5% by mass or less (including 0% by mass), and the total content of the boron nitride, the carbon fibers, and the graphite is 30% by mass or less. ,
The area ratio of the carbon fibers on the sliding surface of the slide bearing is less than 10%, however, the area ratio of the carbon fibers is such that the area ratio of the carbon fibers is an optical microscope (for any five points of the sample piece cut out from the sliding surface of the slide bearing). Observation field by 500 times): An average area ratio obtained from the area of a region having a Brightness of 75% or more in the HSB color space by image processing a portion of 589 μm in length × 442 μm in width.
The plain bearing device.
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