JP4063327B2 - 章動機械の支持ベアリング - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、章動運動（nutating motion）をするように駆動される機械要素の運動を支持し、拘束する機械内のベアリングに関する。
背景技術
この明細書において、固定されたフレームに対する機械要素の章動運動は、固定されたフレームの静止した軸と交差し、該静止軸を中心とする錐面を描く軸を有する、要素の運動と定義される。一般的な場合、章動要素は、固定されたフレームに対し、その軸を中心とする、正味の（net）回転運動を有する。章動運動の一つの特殊な場合は、章動要素が正味の回転運動をしない。
章動機械には広範な用途がある。これには、慣性（inertial）負荷の伝達、高圧縮力の伝達、及び特徴的な錐運動が要求される場合が含まれる。慣性力の伝達をする用途には、振動スクリーンや突固め機（compactor）のための駆動機構、振動流体及び粉体混合機、振動グラインディングミル（grinding mills：粉砕機）が含まれる。章動機械は、静止した軸を中心とする、章動要素の軸の回転の振幅の結果、大きな慣性力を発生する。章動要素の表面速度及び全運動エネルギーは、等価な慣性力を発生する偏心機械に比べ、比較的小さい。高圧縮力伝達の用途には、材料（materials）を２つの互に接近する面間で圧縮して破壊（breakage）を生じさせる、高圧力ロールクラッシャー（rolls crushers）と類似のコミニューション（comminution：粉末化）装置が含まれる。
章動機械は、高強度コミニューションプロセスに特に好適であると考えられて来た。この用途において、チャンバー（chamber）が章動運動をするように駆動され、自由な（固定されていない）粉砕媒体（grinding media）と粉砕されるべき固体の粒子が入れられたチャンバー内に遠心加速の場を形成する。粉砕媒体内の動き及び力により、固体の粒子が次第に、章動チャンバーの遠心加速により決定される速さで破壊される。高強度コミニューション機械の一つの特性は、チャンバーに章動運動をさせるように拘束するベアリング面に極めて大きな面負荷が掛かることである。この結果、接触面が適切な割合を持つように形成されていないと、接触面におけるスリップ速度が大きいために、過度のパワー損失や摩耗が生じたりする。ここに記載された章動機械の形状を適用すれば、パワーの損失を小さくすることができ、機械効率の良い機械が得られる。
従来の章動ベアリングは、ベアリング面におけるパワー損失及び摩耗が大きかった。本発明は、この制約をなくす、簡単で効率的な手段を提供する。
図１は、従来の支持ベアリングの一例を示す。これは現在、章動機械において用いられているものであり、本発明はこの種の機械に適用可能である。図は、オーストラリア特許出願568949号に記載された章動機械の支持ベアリングを示す。要素１０１は、相補的ベアリング面の対１０６及び１０８、並びに１０７及び１０９によって拘束されて、静止軸１０４を中心として章動運動をするように駆動される。この例においては、相補的ベアリング面の対１０６及び１０８、並びに１０７及び１０９は経路長が等しい比を有するように制限されていない。この結果、ベアリング面には、接触面において大きなスリップが生じ、過度の摩耗及びパワー損失が生じる。図１は、それぞれ、要素１０１及びフレーム部材１０５に、付加的な相補的球面状ベアリング面１１０及び１１１が設けられている。これらは、密に係合しており、球面１１０及び１１１の中心が一致しているために、要素１０１の位置を制限する。ベアリング面１１０及び１１１の重要な役割は、静止軸１０４を含む如何なる面内においても、静止軸１０４に直交する方向の反作用力を、要素１０１から部材１０５に伝達することである。図１の章動要素１０１の半径１３０は、フレーム部材１０５の対応する、隣接する半径よりも小さく、従って、これらの面においては、接触や負荷の伝達が起こらない。
発明の開示
本発明の支持ベアリングは、章動軸を有する章動要素のためのものであって、
上記章動軸が、該章動軸に対し、章動対称の点において交差する静止軸を中心として章動運動をするように、該ベアリングにより拘束され、
上記支持ベアリングが２対のベアリング面を有し、
各対が静止支持部材上に形成された静止ベアリング面と上記章動要素上に形成された章動ベアリング面とを有し、
各静止ベアリング面は、上記静止軸及び上記章動軸を含む面内において、対応する上記章動ベアリング面と接触し、
各対のベアリング面は、対応する上記面上に、円形の相補的な接触経路を描き、
ベアリング面の対の各々における相補的接触経路は、上記静止ベアリング面内の平均経路長の、対応する上記章動ベアリング面内の平均経路長に対する比が略等しい
ことを特徴とする。
実施に当り、接触ゾーンの平均線上で測られた、静止ベアリング面内の経路長の、章動要素上の対応する面内の経路長に対する比が、０．８％の差以内に対応すべきであり、０．４％の差以内に対応するのが好ましい。これらの数値よりも大きな数値であると、接触面においてスリップが多くなり、過度の摩耗及びパワー損失が生じる。
本発明の一実施の形態において、静止フレーム部材に対する、章動要素の、その章動軸を中心とする正味の回転を抑制する手段が設けてある。この実施の形態において、相補的接触経路の対の各々における、経路長の比が略１に等しい値に維持される。章動要素が回転運動しないことは、章動機械のすべての用途における要求ではない。例えば、慣性振動駆動機構への応用においては、ベアリング面において摩耗を少なくし、摩耗を均一にするために、章動要素の回転クリープ（creep）が幾らか起こることが望ましい場合がある。
本発明の他の実施の形態においては、章動要素の章動軸を中心とする回転を抑制しない。この実施の形態においては、相補的接触経路の対の各々の経路長の比が、１とは異なっていても良い。但し、全ての接触経路対について、上に定義したように、上記の比を略一定に保つ必要がある。章動要素は、その章動軸を中心として、正味の回転をする。その回転の量は、ベアリング接触経路長の比の、１からの隔たりに直接比例する。すべての接触経路比が等しければ、章動要素は、フレーム部材上で、ベアリング接触面において、スリップすることなく、転動する。ベアリング接触経路比が等しくなければ、すべての接触面において、スリップが生じ、これに伴い、摩耗及びパワー消費が起こる。
ここに記載した本発明の実施の形態において、部分球面形状の相補的ベアリング面は、粗い径方向クリアランスを有し、静止支持部材及び章動要素上に設けられ、章動対称の点を中心として対称的であって、これにより章動要素の、運動を制限している。
本発明の一つの実施の形態では、支持ベアリングは、静止軸及び章動要素の章動軸を含む径方向面内において、整合する凹状及び凸状の輪郭を有する第１の対の接触ベアリング面と、略錐面状の整合する輪郭を有する第２の対の接触ベアリング面とを含み、上記凹状及び凸状の輪郭はそれらの接触領域において密に（closely)整合する曲率を有する。
本発明の他の実施の形態では、支持ベアリング面は、静止軸及び章動要素の対称軸を含む径方向（radial）面内において、整合する凹状及び凸状の輪郭を有する、隣接する２つの対の接触ベアリング面と、略錐面状の整合する輪郭を有する第３の対の接触ベアリング面を含む。
上記の実施の形態において、略錐面状のベアリング面は、錐面の頂角が大きい場合を含み、極端な場合には、１８０度である。この場合、平坦な面である。
【図面の簡単な説明】
その範囲に入る他の形態があり得るが、本発明の好ましい実施の形態について添付の図面を参照して説明する。添付の図面のうち、
図１は、上記した、従来の章動機械の静止軸を含む面での断面図、
図２は、本発明の一実施の形態の高強度コミニューション機械の、静止軸を含む面での断面図、
図３は、図２の機械の一部をなす支持ベアリングの拡大図、
図４は、ベアリング面が単一の点で接触する、図３に示されたベアリングの一部を含む整合する凹状及び凸状のベアリング面の拡大図、
図５は、ベアリング面が２点で接触する、図３に示された整合する凹状及び凸状のベアリング面の他の実施の形態を示す図、
図６は、整合する錐面状ベアリング面の他の形状の、図３に示された支持ベアリングの他の実施の形態を示す図、
図７は図３に示された支持ベアリングの他の実施の形態を示す図である。
明細書及び図面において同様の部分には同様の参照符号が付されている。
発明の実施の形態
図２に示された実施の形態は、高強度コミニューション機械である。これは、相対的に静止した回転軸４を有する。この回転軸４は、章動対称点（point of nutation symmetry）３において軸４と交差する章動軸２に対し夾角１２をなす。高強度コミニューション機械は、さらに、章動アセンブリ１を含む。これは、軸２を中心として対称な粉砕チャンバー１３及び供給通路１４、排出グレート（discharge grate）１５、粉砕チャンバー１３に相対的に静止した回転軸４を中心とする章動運動をさせるように粉砕チャンバー１３を駆動する入力駆動軸１６を含む。高強度コミニューション機械はさらに、フレーム部材５を含む支持手段を含む。フレーム部材５は、粉砕チャンバーを支持し、その動作により生じる力及びモーメントを適切な基礎（foundation）に伝達する。この実施の形態では、章動の対称軸２を中心とする章動アセンブリ１の回転は、章動アセンブリ１に固定された章動笠歯車（bevel gear）１７、フレーム部材５に取り付けられ、章動笠歯車１７と噛み合う固定笠歯車（bevel gear）１８を含むねじれ抑制機構（tortional restraint mechanism）により防止される。章動供給通路１４は、その上端において、フレーム部材５と接続し、従って供給開口１９と接続している。
図２に示す機械の動作において、入力駆動軸１６は回転運動するよう駆動される。この回転運動は、中間駆動機構（図示しない）によって、粉砕チャンバー１３の章動運動に変換される。固体供給粒子２０が供給開口１９に供給され、そこから重力により供給通路１４を通り粉砕チャンバー１３至る。供給粒子は自由な固体の粉砕媒体２１と相互作用して、破壊（break down）され、次第により小さな細粒（fractions）となる。供給粒子２０の小さな細粒はグレート開口１５を介して粉砕チャンバー１３から排出される。
図２の章動アセンブリ１は、図３及び図４に示す章動ベアリングの面６及び８、並びに７及び９における連続した転動接触により、回転軸４を中心として所望の章動運動をするように、配置され、拘束されている。章動アセンブリ１は、相補的なベアリング面６及び８、並びに７及び９において、重心２３から偏心して支持されており、静止したベアリング面８及び９が、章動対称の点３に対して対称的に、静止軸４の反対側に配置されている。
ベアリングの形状は、対応する相補的なベアリング面７及び９が、静止軸４に直交する方向の反作用力を、章動要素の対称軸２及び静止軸４を含む面内において、要素１から部材５に伝達することができるように、形成されている。
発明の使用法及び動作を添付の図面を参照して説明する。
図２の章動アセンブリ１は、章動アセンブリ１及びフレーム部材５の、２対の接触ベアリング面間の連続的転動接触により、回転軸４を中心として、所望の章動運動をするように、配置され、拘束されている。環状章動ベアリング面７が、フレーム部材５の対向する固定された環状ベアリング面９上を転動し、章動錐面状ベアリング面６が、フレーム部材５の対向する固定された錐面状ベアリング面８上を転動することにより、章動アセンブリ１の章動運動の拘束が得られる。ベアリング面６及び８は、整列誤差を許容するため、錐面状ベアリング面を、大きな半径の凸状輪郭に近似させ、中高に形成（crowned）しても良い。
図２及び図３に示す実施の形態においては、（章動アセンブリ１は、軸２を中心とする回転をしないように拘束されるが、）相補的ベアリング面の対７及び９、並びに６及び８により発生される接触経路の組の各々が共通の、しかし他方の対とは異なる経路長を有し、従って、面がスリップすることなく転動し、従って摩擦によるパワー損失が小さく、摩耗が少ない。２対の相補的接触経路は類似のサイズに限定されず、対応する経路において、経路長が異なっていても良い。但し、各ベアリング面対内の経路長が等しいことが条件である。本発明の幾つかの実施の形態においては、対称軸２を中心とする章動アセンブリ１の回転を許容しても良い。その場合、２対の相補的ベアリング面７及び９、並びに６及び８により発生される接触経路対内において経路長が等しいことは必須ではない。接触経路長が整合しないと、接触面に作用する摩擦力により、章動アセンブリ１が、その対称軸２を中心とする回転運動をするよう駆動される。接触面７及び６の、面９及び８に対する回転クリープは、接触面における摩耗を均一にする働きがある。接触面におけるクリープを許容し得る用途においては、静止ベアリング面９及び８の接触経路長の、それぞれ対応する章動ベアリング面７及び６に対する比を等しくすることにより、即ち、
Ｌ９／Ｌ７＝ｓｉｎ（角２９）／ｓｉｎ（角２９＋角１２）＝Ｌ８／Ｌ６＝ｓｉｎ（角２８）／ｓｉｎ（角２８＋角１２）
が満たされるようにすることにより、接触面におけるスリップ及びパワー損失、ベアリング面６、７、８及び９の摩耗を小さくすることができる。但し、上記の式において、Ｌ７はベアリング面７などにおいて発生する接触面長である。上記の条件は、固定ベアリング面８及び９の接触ゾーンが、それぞれ、静止軸４と一致する軸を有し、頂点が章動対称の点３にあり、章動対称の点３に対して、静止軸４の反対側に配置され、半錐角２８及び２９が等しい仮想の直立した円錐面２５及び２６上にあるときに満足される。図２の実施の形態におけるように、フレーム部材５に対する、章動アセンブリ１の回転クリープが許容されない場合には、接触経路長の比に関し上記の関係の特定の場合に該当し、
Ｌ７＝Ｌ９、及び
Ｌ６＝Ｌ８
である。この条件は、仮想の直立した円錐面２５及び２６の半錐角２８及び２９が以下に定義される値を持つときに満足される。
角２８＝角２９＝９０度−０．５×角１２
静止軸４を中心として章動する章動アセンブリ１の動的な（dynamic）効果は、章動アセンブリ１の重心に作用し、静止軸４の径方向に働く、遠心加速効果から生じる、慣性反作用力２２として表すことができる。図２に示すように、動的力２２は、章動アセンブリ１からフレーム部材５に、相補的ベアリング面７及び９、並びに６及び８において、伝達される。ベアリング面７及び９、並びに６及び８からの力２２の偏心性のために、ベアリング面８及び９に加えられる反作用力の形で、力２２のほかに、偶力のモーメント（moment couple）が伝達される。相補的なベアリング面７及び９は、図４に示すように、曲率半径が密に整合した径方向断面における凹状及び凸状の輪郭を有する。このような形状を有する結果、ベアリング面７及び９の接触点が、図４に示すように、静止軸４に対し、大幅な径方向距離範囲にわたって変化する可能性がある。静止軸４に対し章動アセンブリ１が径方向に少し変位すると、接触点における、ベアリング面に対する法線方向のベクトル２４の傾斜角が大きく変わる。ベクトル２４は、結果として生じ、ベアリング面７及び９において章動アセンブリ１からフレーム部材５に伝達される反作用力の方向に対応する。ベクトル２４の傾斜角が変化し得るので、慣性力２２が凸状のベアリング面９においてフレーム部材５に略全部伝達され、力２２の偏心性のために生じるモーメント力は錐面状ベアリング面８で主として伝達される。慣性力２２の大きさは、粉砕チャンバー１３の寿命とともに、侵食的摩耗（erosive wear）によりその重量がかわるので、これに伴い次第に変わる。従って、ベアリング面７及び９における接触ゾーンが、章動アセンブリ１の小さな径方向変位により連続的に調整され、結果として生じる、この接触点における力反作用と面法線ベクトル２４とが一致する状態を維持する。
図５は、図３に示された本発明の他の実施の形態を示す。この実施の形態では、凹状及び凸状のベアリング面が２点で接触し、この点で図３における一点での接触とは異なる。この実施の形態では、章動子（nutator）が２つの凹状ベアリング面７Ａ及び７Ｂを有し、これらの面が相補的な凸状のベアリング面９と転動接触する。章動子１からフレーム５への力の伝達は、力ベクトル２４Ａ及び２４Ｂで示されるように、ベアリング面の接触点で起こる。これら２つの反作用力を合成した効果は結果として生じる力ベクトル２４で示されている。図５から明らかなように力ベクトル２４の傾斜は、図４に示されたベアリングについて説明したように、章動アセンブリ１の径方向の変位を要することなく、力の成分２４Ａ及び２４Ｂの変化によって、大きな範囲にわたって変わる。
章動アセンブリ１のベアリング面１０は、略球面形状のものであって、フレーム部材５の相補的な面１１と係合し、図２及び図３の面に対し垂直な方向において、章動対称の点３を中心として、章動アセンブリを中心に配置し、この方向に、章動アセンブリ１からフレーム部材５に、反作用力を伝達する。軸２及び４を含む、図２及び図３の面内に章動アセンブリ１の配置は、ベアリング対６及び８、並びに７及び９の係合によりなされる。チャンバー１３が静止軸４を中心として章動運動するとき、パワーが章動アセンブリ１から、チャンバー１３内の自由な粉砕媒体２１に伝達される。パワーの伝達は、自由な粉砕媒体２１及びチャンバー１３の壁の間の力反作用として表れる。この力反作用は静止軸４の径方向に、かつ静止軸１を中心として、図２及び図３の面から変位した面内の方向に向けられている。パワー反作用力の、図２及び図３の面からの変位のために、この面に直交する力の成分が、ベアリング面７及び９において、フレーム部材５に伝達されない。それぞれ章動アセンブリ１及びフレーム部材５の、章動対称の点３を中心とする略球面状の相補的なベアリング面１０及び１１はこの目的で設けられている。相補的ベアリング面１０及び１１に、略径方向クリアランスが設けられ、これにより、これらの面の接触を起こすことなく、図２及び図３の面内における、章動アセンブリ１の小さな径方向変位を許容している。
図６に示される本発明の他の実施の形態においては、１対の相補的なベアリング面が改変され、２対のベアリング面７及び９、並びに６及び８の間での、慣性力２２の負荷の分担の割合を変えている。図６に示された実施の形態では、略錐面状のベアリング面６及び８の頂点が章動対称の点３からずれている。錐面状ベアリング面６及び８の角度を適切に選択することにより、これらの接触面において章動アセンブリ１からフレーム部材５に伝達される慣性力２２の割合を制御して、機械の負荷容量が最大になるようにすることができる。この実施の形態におけるように、ベアリング面６及び８を傾斜させると、その輪郭が仮想の錐面２５からずれるが、それらの接触ゾーンの平均点（mean point）は略隣接する面２５内に位置する。この実施の形態の効果は、所与の値の力２２に対し、ベアリング面７及び９における力反作用の径方向成分が減ること、及び静止軸４に対する力ベクトル２４の傾斜角が小さくなることである。この結果、ベアリング面７に与えられる負荷の偏心が減少し、その結果、曲げ効果（bending effect）による、この面の領域におけるストレスのレベルが低下する。
図７は、図３の支持ベアリングの他の実施の形態を示す。章動アセンブリ１に章動運動をさせるための拘束を与えるため、環状ベアリング面７が設けられ、このベアリング面７が、フレーム部材５の、対向する固定環状ベアリング面９上を転動し、章動錐面状ベアリング面６が、フレーム部材５の、対向する固定錐面のまたは平坦なベアリング面８上を転動する。ベアリング面７及び９は、図の面内で、略等しい曲率半径を有するベアリング面と略線接触して、係合している。ベアリング反作用力の加わる点２４は、ベアリング面７の周囲で変化し、これにより、反作用力の角度方向を、力の加わる点において、面法線ベクトルに合致させる。このベアリングは、章動アセンブリ１上のベアリング面６及び７の位置による形状的制約のため、章動アセンブリの正味の回転運動が許容される場合にのみ適切である。摩耗及びパワー消費は、静止ベアリング面８及び９内の接触経路長の、章動アセンブリ１の対応する面６及び７内のそれらに対する比を略等しくすることにより、最小になる。この条件は、静止軸４に対する、平均接触線２５及び２６の傾斜角を略等しくすることにより満足される。
このように、比較的簡単で、コンパクトで、パワー損失が小さく、ベアリング面が次第に摩耗しても、高い信頼性でかつ効率的に動作することができる章動機械のための支持ベアリングが提供される。

Claims (15)

1. 章動軸を有する章動要素のための支持ベアリングであって、上記章動軸が、該章動軸に対し、章動対称の点において交差する静止軸を中心として章動運動をするように、該ベアリングにより拘束され、
   上記支持ベアリングが２対のベアリング面を有し、
   各対が静止支持部材上に形成された静止ベアリング面と上記章動要素上に形成された章動ベアリング面とを有し、
   各静止ベアリング面は、上記静止軸及び上記章動軸を含む面内において、対応する上記章動ベアリング面と接触し、
   各対のベアリング面は、対応する上記面上に、円形の相補的な接触経路を描き、
   ベアリング面の対の各々における相補的接触経路は、上記静止ベアリング面内の平均経路長の、対応する上記章動ベアリング面内の平均経路長に対する比が等しい
   ことを特徴とする支持ベアリング。
2. 上記各対の静止ベアリング面は、上記章動対称の点に関して反対の側に、上記静止軸を中心として対称的に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の章動要素のための支持ベアリング。
3. 上記静止ベアリング面内の平均経路長の、対応する上記章動ベアリング面内の平均経路長に対する比が、各対の接触経路について、１：１であることを特徴とする請求項１又は２に記載の章動要素のための支持ベアリング。
4. 上記静止軸を中心とする、上記章動要素の回転を防止するように構成されたねじれ抑制手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の支持ベアリング。
5. 上記ねじれ抑制手段は、上記章動要素に取り付けられた笠歯車要素を有し、これらは、上記静止支持部材に取り付けられた、対応する笠歯車要素にそれぞれ係合し、上記笠歯車要素は、上記章動軸及び上記静止軸にそれぞれ同軸的であることを特徴とする請求項４に記載の支持ベアリング。
6. 上記笠歯車要素の錐体傾斜面（pitch面）の頂点は上記章動対称の点において交差することを特徴とする請求項５に記載の支持ベアリング。
7. 上記錐体傾斜面の半錐角は、９０度から、上記静止軸及び上記章動軸間の夾角の半分を引いたものに等しいことを特徴とする請求項６に記載の支持ベアリング。
8. 一対のベアリング面は、整合する凹状及び凸状の輪郭を有し、他方の対のベアリング面は整合する錐面状の輪郭を有することを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の支持ベアリング。
9. 一対のベアリング面は、上記静止支持部材及び上記章動要素の一方の２つの隣接する、凹状の面を有し、該凹状の面は、上記静止支持部材及び上記章動要素の他方の凸状の面に対して接触経路を描き、上記２つの隣接する凹状の面及び上記凸状の面の間に接触点が２つあり、他方の対のベアリング面は、整合する、錐面状の輪郭を有することを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の支持ベアリング。
10. 上記２つの隣接する凹状の面は、上記章動要素上にあり、上記凸状の面は上記静止支持部材上にあることを特徴とする請求項９に記載の支持ベアリング。
11. 錐面状の上記一対のベアリング面の頂点は、上記章動対称の点に位置していることを特徴とする請求項８ないし１０の何れかに記載の支持ベアリング。
12. 上記章動対称の点を中心として対称な凹状、球面形状の、静止反作用面を有し、該反作用面は、対応する、上記章動要素上の凸状の、球面状の面に対し作用することを特徴とする請求項１ないし１１の何れかに記載の支持ベアリング。
13. 上記ベアリング面上の上記相補的接触経路は、上記章動対称の点に頂点を有し、上記静止軸から測った半錐角が等しい２つの仮想錐面上に、又はこれらに隣接していることを特徴とする請求項１ないし１２の何れかに記載の支持ベアリング。
14. 上記静止軸から測った上記半錐角は、９０度から上記静止軸及び上記章動軸の間の夾角の半分を引いたものに等しいことを特徴とする請求項１３に記載の支持ベアリング。
15. 章動コミニューション機械に用いられた請求項１ないし１４の何れかに記載の支持ベアリング。

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