JP2023543618A - 動圧軸受用シュー及び関連する製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、特に動圧軸受用のシュー（１０）に関し、当該シュー（１０）は、高分子材料部分（１）と、金属材料の支持ベース（２）と、を提供することを特徴とし、当該支持ベース（２）は、結合手段（３；６；７）を提供し、当該ベース（２）上に当該高分子部分（１）が鋳造されて、当該ベース（２）上に設けられた当該結合手段（３；６；７）も充填し、堅固な結合と、ベース（２）と相補的な形状を得る。本発明はまた、シュー（１０）の製造方法に関する。【選択図】図２

Description

本発明は、動圧軸受用シューに関する。

本発明はまた、当該軸受用シューの製造方法に関する。

より具体的には、本発明は、発電機、タービン、ポンプ、トランスミッション部品に使用される高分子被覆シューに関する。

現在知られているこのタイプの高分子被覆軸受は、実質的に、金属基材と塗膜高分子自体との間の機械的固着に基づいている。

本発明により提案される解決策は、例えば特許文献１に記載されているような動圧発電機軸受の分野にある。

特許文献１には、垂直回転軸線周りに回転する回転機械、特に流体力学発電機のロータ用軸受が記載されている。当該軸受は、滑り軸受として設計され、アキシャル軸受とラジアル軸受とを備えている。通常、これらの軸受は、ホワイトメタル（錫合金－ホワイトメタル又は「バビットメタル」）で被覆されている。

しかし、多くの場合、高分子被覆軸受が使用される。

既知のタイプのシューでは、主に、焼結青銅又は溶接金属網、あるいは軸受支持部に機械加工された一連の小さな溝が使用される。

通常、全ての既知のタイプのシューのための解決策では、当該中間層が作成されると、高温高圧の条件下で高分子層が押し込まれる。

これにより、金属と高分子材料との間に機械的な接続が作成される。

この技術は高度に複雑であることが特徴であり、これは最終製品のコストが高いことも意味する。

実際、既知のシューを得るための方法には最終製品を製造するための様々なステップが伴い、特殊な設備を使用する必要があるため、これも（上述のコスト増に加えて）潜在的な供給者を限定する。

既知の現在採用されている技術の更なる課題は、処理可能なサイズに必然的に限界があることである。

さらに、いったん部品を接続すると、接続を破壊しない限り、後から接続を切ることができない。

したがって、摩耗又は軸受の焼き付きによって滑り面が損傷しても、高分子層を交換することができない。

上述の課題に対処しようとする最近の解決策は、特許文献２に記載されているものである。この特許文献２では、高分子と金属部分とを切り離すことで、必要に応じて（例えば過度の摩耗による）後から取り外すこともできるシューを作成するという解決策を提案することにより、上述の課題を克服する試みがなされている。

しかし、特許文献２による解決策は、部分間の結合を確実にするために機械加工の公差を非常に精密にする必要があること、部品の総合公差を制御する可能性が減少すること（軸受のシューの公差は１００分の１ミリメートル程度である）等のいくつかの課題がある。

既知の特許文献の中で、特に、本発明により提案される具体的な解決策に関するものを挙げる。

特許文献３には動圧軸受が記載されており、この動圧軸受は、その円周上で実質的に均一な層状構造を有し、ベースと、中央領域に比べて縁部領域で薄くなった無鉛滑り層と、中央領域よりも縁部領域で厚くなった高分子塗膜とを備え、その結果、塗膜の表面レベルが軸線方向断面で見られるように実質的に平坦になっている。これにより、縁部領域に塗料の一種のリザーバが作成され、これは摩耗が生じる回転機械の初期始動段階で特に有用である。ここで軸受と軸とが互いに適応し、縁部の焼き付きに対する抵力を高め、軸受と軸との位置合わせを改善する。

一方、特許文献４には、支持金属が樹脂層に固定された複合軸受が記載されている。この複合軸受では、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が本質的にポリエーテルエーテルケトンから構成されるベース樹脂に添加され、その結果、樹脂層に対するポリテトラフルオロエチレンの割合が０．１～５０重量％となる。次いで、ポリテトラフルオロエチレンは、ベース樹脂中に粒子形態で分散される。

特許文献５には、金属支持シートと融合されたメッシュスクリーンワイヤによって形成されたマトリックスを含む低摩擦軸受用の材料が記載されている。ポリテトラフルオロエチレン又は他の高分子樹脂がスクリーン内部の隙間を充填し、それによって一緒に強固にブロックされて軸受材料に高い強度を与える。

特許文献６には、平軸受に使用するための複合材料が記載されており、金属支持体と、開放構造を有する少なくとも１つの補強材料と、を提供している。当該支持体と補強材料は、金属接続を介して接続されている。

特許文献２には、高分子部分と金属ベースとを備える流体力学発電機の軸受用シューが記載されており、これらが組み合わさって当該軸受用シューを構成している。高分子部分と金属部分とが分離されているため、軸受故障時のメンテナンスが簡素化及び高速化されている。

特に、特許文献２は、従来の高分子被覆軸受用シューに比べて簡素化された手法で設計され、熱機械抵抗が高い及び混合潤滑の摩耗が低いといった主な利点を高めながら生産コストを削減することができる、流体力学発電機用の軸受用静止シューを提案している。これは、高分子部分と金属ベースとを組み合わされて軸受シューを形成する流体力学発電機の軸受シューである。このシューは、高分子部分が別個の高分子板であり、金属ベースが支持板であり、高分子板が支持板に固定されているが、取り外し可能であることを特徴とする。

特許文献２によれば、高分子板は、高分子板のシートに完全に適合する静止板のシートによって静止板に固定されている。静止板は、シートと、厚さを減らした封止帯を形成する周囲の板から突出するオフセットと、の両方を提供する。高分子板と支持板は、同じ縁部輪郭を有するか、又は有していてもよい。再び特許文献２によれば、支持板と高分子板は、少なくとも１つのボルトで結合されてもよい。さらに、特許文献２で提案された解決策では、高分子板の縁部にロック手段が設けられてもよく、これは静止板のポケットの側壁と相互作用する。特に、当該ロック手段は、高分子板の縁部に沿って延在するキーとスロット付き継手とを備えてもよく、支持軸受の片側に取り外し可能な固定板が設けられてもよく、高分子板を内側に摺動させて片側から挿入し、閉じたときに高分子板をその摺動位置でポケットに固定することができる。固定板は、固定ねじで静止板に固定することができる。

特許文献２で報告された一例では、高分子部分は、少なくとも部分的にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で構成されている。

ＰＥＥＫは、強度の点で有利な特性を持つ材料であり、他の高分子よりも優れていることはよく知られている。また、高分子は、少なくとも部分的にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴ－ＦＥ）で構成することができる。

最後に、特許文献２によれば、高分子部分は、異なる高分子の組成物によって、並びに炭素繊維及び／又は黒鉛で構成される充填剤によって構成されてもよい。

特許文献２は、本明細書に記載の本発明に関連する主要な先行技術文献を構成する。

国際特許第２００４／００１２４１号 欧州特許出願公開第３２７６１９１号明細書 国際特許第２０１３／１７８２６６号 米国特許第６，３３２，７１６号明細書 米国特許第５，２２９，１９８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２６０４３１号明細書

本発明により提案される解決策は、生産方法を簡素化することによってコストを大幅に削減できる、革新的な方法で接合された高分子部分と金属ベースとからなる軸受シューを提案するものであり、この文脈に適合するものである。

加えて、本発明により提案される解決策により、シューの最も負荷のかかる地点における部品の降伏を増加させる、又は高分子層の下にセンサを導入してその挙動を監視する等、部品の動作をかなり改善することが可能となる。

これらの結果及び他の結果は、独立請求項１に記載の構成を備える動圧軸受用シューで得られる。

本発明によるシューの更なる構成は、従属請求項に記載されている。

本発明による軸受用シューの斜視図である。 図１のシューの拡大断面図である。 図１のシューの詳細図である。 本発明による軸受用シューの金属ベースの第２の実施形態の斜視図である。 本発明による軸受用シューの高分子部分の第２の実施形態の斜視図である。 図４及び図５に示す２つの要素の斜視図である。 図６のシューの詳細図である。 図５、図６及び図７の実施形態の軸受の圧力負荷の傾向を示す。 本発明によるシューの第３の実施形態の分解斜視図である。 本発明によるシューの第４の実施形態の金属ベースの斜視図である。 図１０のベースの断面図である。 本発明によるシューの第５の実施形態の金属ベースの斜視図である。 図１２のベースの断面図である。

ここで本発明を、非限定的な例示的な例として、その好ましい実施形態に従って、以下のような固定図面中の図を特に参照して説明する。

ここで図面中の図、特に最初に図１～３を参照すると、一般的に符号１０で示す軸受用静止シュー、特に高分子部分１と金属ベース２とを備える流体力学発電機軸受が示されている。

本発明によるシュー１０の実施形態では、高分子部分１は、支持板を構成する金属ベース２上に鋳造／成型された高分子板によって構成されると規定されている。

本発明による解決策は、金属ベース２上に炭素繊維又はグラファイトで強化されたポリエーテルエーテルケトン（以下、頭文字をとってＰＥＥＫとも示す）の１つ以上の層を鋳造（説明される好ましい実施形態では３Ｄ印刷であるが、この技術は決して本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない）することを提案する。ＰＥＥＫを使用することは、本発明の保護範囲を限定するものとして理解されるべきではない。例えば、高分子材料は、ポリエチレンテレフタレートＰＴＦＥ、又はそれらの混合物等の他の高分子によって構成されてもよい。実際、高分子要素は、例えば炭素繊維又はグラファイトを添加したＰＴＦＥ又はＰＥＥＫとＰＴＦＥとの混合物から作ることもできる。

金属ベース２の周囲を画定する側部の少なくとも１つに沿って金属ベース２が処理され、アンダーカット３が作成される（アンダーカット３の幾何学的形状は図３に詳細に示されている）。

アンダーカット３の構築により、高分子板がアンダーカット３内で自由に摺動できなくなるため、例えば特許文献２に記載されている技術を適用することは不可能である。

加えて、既知の技術の一部の解決策に固有のホットプレス技術を使用することは不可能である。

本発明によるシュー１のこの実施形態において、高分子部分１とベース２との間の結合のために設けられたアンダーカット３は、ミリメートルのオーダーの深さを有するため、熱によって上に押し付けられた高分子板を正確に固着させることは不可能である。

アンダーカット３、及びその分布は、以下にも見られるように、本発明によるシュー１０に設けることができる結合手段の一例に過ぎない。

本発明により提案される解決策により、金属ベース２に固着された高分子部分１を、ベース自体に直接固着させることができる。

この処理は、機械を使用して溶融高分子を金属表面上に堆積させ、これによってアンダーカットを充填し、次いで高分子部分１を金属ベース２上に固着させることによって実行することができる。

本発明により提案される解決策は、現在知られている解決策よりも大きな利点を提供し、特に以下の利点を提供する。

－高分子と金属支持体との間を確実に固着するために全体的又は部分的に（いずれにしても十分に）充填されるアンダーカット３を実行するための厳しい公差が要求されないため、材料の無駄が少なく、高分子と金属との間の結合のための精密な機械加工の必要性が明らかに低いことにより、高分子被覆ガイド及びスラスト軸受の製造コストを削減することができる。

－金属支持体に特別に作成されたシートに沿って切り込みを入れることで、高分子部分１と金属ベース２とを切り離すことが可能である。このようにして、金属ベース２、金属支持体が損傷し、又は交換が必要になった場合に、再使用して新しいシュー１０を作成することが可能である。

－金属ベース２内に更なる機械加工を施すことで、高分子部分１のベース２への固着と、軸受１０全体の動作の両方をさらに促進することが可能である。実際、動作中により高い圧力を受ける領域で高分子材料の厚みを増やすことで、材料自体、特にＰＥＥＫの降伏を利用して、各単一のシュー１０上の圧力をより良く分散させることが可能である。この利点は図面の図４～図８に例示されており、金属ベース２上にキャビティ４が設けられ、キャビティ４の中心に向かって段差が漸減している。図８は、本実施形態で得られる圧力緩和の効果を示している。

－ＰＥＥＫ部分１と金属ベース２との間のシュー１０内にセンサ５を導入し、その動作状態と健康状態の両方を監視することが可能である。このタイプの実施形態を図９に示す。

図１０及び図１１の観察に移ると、本発明によるシュー１０の更なる実施形態が示されている。この実施形態では、ベース要素２上に溝６が形成されており、この溝６で要素１の高分子材料が鋳造されるとき、要素１と要素２との間が結合される。

図１２及び図１３では、ベース要素２上に溝７が作られており、この溝７で要素１の高分子材料が鋳造されるとき、要素１と要素２との間が結合される。

本発明は、その好ましい実施形態に従って前述したが、添付の特許請求の範囲で定義されるように、その保護の範囲から逸脱することなく、当業者によって修正され得ることを理解されたい。

Claims (9)

1. 特に動圧軸受用のシュー（１０）であって、
   前記シュー（１０）は、高分子材料部分（１）と、金属材料の支持ベース（２）と、を提供することを特徴とし、
   前記支持ベース（２）は、結合手段（３；６；７）を提供し、
   前記ベース（２）上に高分子部分（１）が鋳造されて、前記ベース（２）上に設けられた前記結合手段（３；６；７）も充填し、堅固な結合と、前記ベース（２）と相補的な形状を得る、シュー（１０）。
2. 前記結合手段（３；６；７）は、前記ベース（２）の周囲及び／又は内部に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシュー（１０）。
3. 前記結合手段は、１つ以上のアンダーカット（３）によって、及び／又は溝若しくは中空（６；７）によって構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のシュー（１０）。
4. 前記高分子部分（１）は、炭素繊維又はグラファイトを添加した、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ＰＴＦＥ又はそれらの混合物で作られていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のシュー（１０）。
5. 金属ベース（２）は、鋼板、アルミニウム、銅又は他の金属若しくは金属合金で作られていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のシュー（１０）。
6. 前記高分子材料が注がれる金属ベース（２）の表面には、軸受がより高い圧力を受ける領域に対応して、少なくとも１つのキャビティ（４）が実現されていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のシュー（１０）。
7. 前記キャビティ（４）は、段差があることを特徴とする、請求項６に記載のシュー（１０）。
8. 金属ベース（２）と前記高分子部分（１）との間に、前記シュー（１０）の１つ以上のパラメータを測定するための１つ以上のセンサ（５）が設けられていることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のシュー（１０）。
9. 金属ベース（２）上に前記部分（１）の前記高分子材料が鋳造されることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のシュー（１０）の製造方法。
   

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