JP3536545B2 - スラスト軸受 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は立軸水車発電機など
の荷重を支えるスラスト軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術】立形水車発電機などの高荷重・高周速の
回転体を支えるスラスト軸受装置は、通常、図２に示す
機構により構成される。図２で回転軸６にシャフトカラ
ー７が取り付けられ、その下部には回転板８が設けられ
ている。さらに回転板８の下部には、複数の静止板５が
回転軸６のまわりに放射状に取り付けられ、回転板８を
支えている。静止板５は、取付部材９を介し支持装置１
０により固定されている。油槽１１内には油を注入し潤
滑を行っている。また、油槽内には、半径方向の荷重を
支える静止板１２を複数設けている。

【０００３】大容量の水車発電機では、軸受荷重が３０
００〜４０００トン，周速４０〜５０ｍ／ｓに達し、そ
の軸受損失は３０００〜４０００ｋＷにも達し単位面積
当たりの発生損失が非常に大きくなる。このため、水車
発電機では、損失の低減が課題となる。

【０００４】従来技術では、摺動部材２には錫，鉛など
の軟質合金を裏金４に溶着して使用している。摩擦損失
の低減方策は、軸受パッドの面積を縮小し、単位面積当
たりの荷重を増加した、いわゆる小形高面圧軸受装置が
考えられる。

【０００５】しかし、従来技術による小形高面圧軸受装
置は、起動停止時などの低速運転時には、静止板に形成
される油膜が十分でないため、摺動面同士が直接接触
し、摩擦熱により過熱され、摺動面が溶融し、加熱が著
しい場合は焼き付き現象へ発展し、回転急停止に至るこ
とがある。

【０００６】したがって、摺動面の溶融，焼き付き対応
は、製作加工技術の向上，支持方式の改善，冷却方式の
改善などが検討されてきた。しかし、小形高面圧の合金
面パッドではこのような製作加工技術，潤滑冷却技術面
での対応には限界があった。このため、摺動部材の素材
として、非金属系の複合材が使用されつつある。特に近
年では、熱可塑性高分子組成物のポリテトラフルオロエ
チレン（以下PTFEと称す。）を中心とし、これらに各種
無機繊維のガラス，カーボンなどを添加した多種の樹脂
複合組成が使用される。

【０００７】例えば、樹脂シートを金属板に熱融着し、
積層一体化した技術（特開平6− 228329号公報），Ｐ
ＴＦＥの厚板複合樹脂板を金属板に締結の技術（特開平
7−27133 号公報），ポリエーテルエーテルケトン（以
下ＰＥＥＫと称す。）複合組成物を金属板に多孔質層を
構成し、含浸した技術（特公平1−108413 号公報）ある
いは各種の特定した樹脂シートを金属板に液体接着剤を
塗布し、接合させる技術などがある。

【０００８】一方、従来の小形高面圧軸受装置では、運
転起動時の摩擦係数低減のため、オイルリフタ装置を併
設する場合が多い。しかし、これらの油圧ポンプを使用
する方法は、有効であるが、高圧に耐える油圧装置，複
雑な配管，運転制御系の設置が必須であり、かつ高価格
などが欠点とされる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術のよう
に、スラスト軸受装置の高面圧・小形化による軸受損失
の低減化と構造の簡素化ならびにメンテナンスの簡素化
を図るために、樹脂複合組成物を摺動部材とする軸受パ
ッドが考案されている。しかしこれらの技術ではいずれ
も接着または接合した樹脂組成物のシートに関する厚さ
の適正値の明示が無く、同様に裏金材厚さとの関係も不
明確である。そのため摺動部材の油膜圧力による変形や
裏金材の熱変形により摺動部材と回転板とが局部接触
し、焼き付きを生じる恐れがある。

【００１０】本発明は上述の点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、樹脂複合組成物を摺動部材と
し、その摺動部材及び裏金材の変形が生じても焼き付き
等の支障をきたさないスラスト軸受を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、低摩擦係
数，耐摩耗性，耐熱性に優れており摺動部材として最適
なＰＥＥＫ系組成物を摺動部材とし、裏金の厚さを１０
０とした場合、摺動部材の厚さを２〜１０の範囲にて、
摺動部材の油膜圧力による圧縮たわみ(凹たわみ)と裏金
材内の温度勾配による熱たわみ（凸たわみ）を打ち消
し、回転板と平坦に接触させることで小形高面圧軸受を
実現できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図３は図２に示す構成の装置で、
図１に示す供試パッド（投影面寸法，長さ１２０mm，幅
１２０mm，負荷面圧１０kg／cm² ）それぞれの運転起動
時の起動摩擦係数を比較した。図３は事例として、樹脂
系は主成分がＰＴＦＥ，ＰＥＥＫ、合金系としてＳｎ−
Ｐｂ系（ホワイトメタル）を比較した。図３のように樹
脂系は合金系に対し起動トルク損失は低下するが、特に
比較的硬質のＰＥＥＫ系が最も小さい。

【００１３】従来のパッドでは、摺動部材が回転により
加熱された場合、裏金材背面温度との温度差が現れるの
でパッド内部には温度勾配が発生する。ＰＥＥＫ系摺動
部材の熱伝達率（０.２２kcal／mhr℃）はＳｎ−Ｐｂ系
合金の熱伝達率（３９kcal／mhr℃)に比べ、格段に小さ
く、接合面の遮熱現象と相まって、パッド内部に形成さ
れる温度勾配は合金系に比較してほぼ半減する。一方パ
ッド全体の剛性では、裏金材の曲げ剛性に対して樹脂層
の曲げ剛性はごく小さいので、発生した温度勾配に対し
て、摺動面には凸型のたわみが自然に誘発される。ま
た、凸型のたわみは、荷重によっても誘発される。この
凸型のたわみの形成は荷重の集中つまり片当たりを招く
ので運転耐久性は極度に低下する。

【００１４】そこで発明者らは、ＰＥＥＫ系組成物摺動
部材自体に不均一接触圧力が負荷された場合の圧縮たわ
み現象を追求した。通常パッド面の回転負荷による温度
分布は摺動部材側が高く、裏金背面で低くなっている。
この現象により軸受パッドは、図４（ａ）のように、回
転板側に凸に変形する。また、油膜圧力による圧縮圧力
分布は投影面中央部で大きく周辺部は小さく、山形状の
圧力分布を示すことが周知とされる。この現象によって
摺動部材は、図４（ｂ）のように凹に変形する。したが
って、図４（ｃ）のように低剛性のＰＥＥＫ系パッドの
表面形状は上記の温度勾配、および荷重による凸形たわ
みと、油膜圧力による凹形たわみとが重合した状態でパ
ッド面の平面度が保たれることになる。

【００１５】図５は、熱・荷重による凸変形と油膜圧力
による凹変形の合成変形を示している。Ｔを小にすると
油膜圧力による凹型変形は小さくなるが、裏金に熱が伝
わりやすくなり、Ｔを大にすればＰＥＥＫ系組成物の熱
絶縁効果により裏金の凸型変形は抑制されるが、油膜圧
力による凹型変形が増大することを示している。この他
にも、Ｔを大にすることは、接合面における曲げモーメ
ントの発生，パッド全体の剛性の低下，製作コスト大、
などの理由からもおのずとＴ／Ｂの制限値は決定され
る。したがって、温度勾配による凸形たわみ，圧縮によ
る凹形たわみの双方を打ち消すために効果的なＴ／Ｂ比
は、Ｂを１００とした場合２〜１０の範囲に特定化さ
れ、このことにより前述の目的が達成される。

【００１６】図１は本発明によるスラスト軸受パッドで
ＰＥＥＫ系組成物を摺動部材に使用したパッドの斜視図
である。

【００１７】摺動部材１はＰＥＥＫ系組成物で、接合層
２を含めた摺動部材厚さＴは１.５mmである。なお裏金
厚さＢは、２８mmとした。また接合層２は裏金面への金
属粒子による焼結接合面で、前記組成物が含浸される。

【００１８】したがって、本実施例のＴ／Ｂは０.０５
に相当する。また、他の実施例では厚さ比Ｔ／Ｂはパッ
ド寸法，負荷条件などそれぞれの対象条件に対して０.
０２〜０.１０の範囲に設定される。なお本実施例のパ
ッド寸法は、長さ１２０mm，幅１２０mmである。

【００１９】

【発明の効果】本発明に係るスラスト軸受装置の請求項
によればＰＥＥＫ系組成物を摺動部材とするパッドで、
摺動部材厚さならびに裏金厚さ比の特定により、運転起
動時のトルク損失を低減並びに抑制することができる。
その結果、運転信頼性および耐久信頼性の向上が可能に
なる。さらに、摺動面の平坦度が確保されることにより
油膜厚さを薄くすることも可能になり、低粘度潤滑油の
使用が可能となる。それにより大容量発電電動機の場
合、発生損失は１０００ｋＷ程度、低減可能となる。

【００２０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスラスト軸受パッド形状の説明図。

【図２】従来のスラスト軸受の断面図。

【図３】本発明のパッド（ＰＥＥＫ系）の性能の説明
図。

【図４】本発明の凹凸変形打ち消し作用の説明図。

【図５】本発明のスラスト軸受パッドの平坦度の説明
図。

【符号の説明】

１…軸受パッドの摺動部材（ＰＥＥＫ系）、２…軸受パ
ッドの摺動部材（合金系）、３…軸受パッドの接合層、
４…軸受パッドの裏金、５…軸受パッド、６…回転軸、
７…シャフトカラー、８…回転板、９…取付部材、１０
…支持装置、１１…油槽、１２…半径方向軸受パッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡 潔 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平６−228329（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−108413（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−27133（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−302620（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−63131（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16C 17/00 - 17/26 F16C 33/00 - 33/28

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱可塑性高分子組成物のポリエーテルエー
   テルケトンを主成分とした樹脂複合組成物を摺動部材と
   する軸受パッドを有するスラスト軸受において、 前記摺動部材が熱と荷重により回転板側に凸に変形する
   たわみと、回転板による油膜圧力により支点部側に前記
   摺動部材が凹に変形するたわみとを打ち消すように、裏
   金の厚さを１００とした場合、前記摺動部材の厚さを２
   〜１０としたことを特徴とするスラスト軸受。