JP4178918B2

JP4178918B2 - フランジカップリング

Info

Publication number: JP4178918B2
Application number: JP2002327670A
Authority: JP
Inventors: 和幸山口; 亨之高木; 清一松村; 直人引田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: JP2004162766A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフランジカップリングに係り、特に原子力用ポンプ等の大型の回転軸の締結に好適なフランジカップリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフランジカップリングの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のカップリングは原子炉再循環ポンプに用いられており、縦軸型のモータの下側に配置された縦軸型のポンプの軸とモータ軸とを接続している。モータ軸とフランジ部材との嵌め合いは隙間嵌めであり、モータ軸とフランジ部材が相対的に軸方向に移動可能になっている。駆動トルクは滑りキーを用いて伝達される。ポンプ軸とフランジ部材は、ボルトにより剛に結合されている。
【０００３】
組立時には、ポンプ軸及びフランジ部材は自重により降下しており、フランジ部材に固定したスペーサプラグとモータ軸との間には上下方向に２〜３ｍｍの隙間が形成されている。運転時にはポンプ軸に上向きの軸方向荷重が作用してポンプ軸が上昇し、モータ軸の下端とスペーサプラグが接触する。これにより、ポンプ軸の軸方向荷重がモータ軸に伝達される。モータ軸に伝達された軸方向荷重は、モータ軸の軸受で支持される。
【特許文献１】
特開平５−１８４６８号公報(図３)
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に記載のカップリングでは、モータ軸とカップリングの外筒カバーとの間に半径方向隙間があるので、モータ軸に対して外筒カバー位置が同心にならないまたは傾いてしまうおそれがある。また、モータ軸に対して外筒カバーが傾くと、軸方向荷重を受ける接触面が片当たりして過大な局所応力になりへたり（塑性変形）が発生するおそれがある。このへたりは、心ずれや角度ずれの増加を引き起こす。さらに、ポンプ軸の軸方向荷重がカップリングに曲げモーメントとして作用し、スライド接触部の端部のへたりや軸方向に移動時のかじりとして現われ、心ずれや角度ずれを増大させるおそれがある。心ずれや角度ずれは軸振動の増加につながるので、これを回避するために多大な労力を費やす必要がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は原子力ポンプ等で用いられるフランジカップリングの信頼性を向上させることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、フランジカップリングが第１の軸に嵌合される第１のカップリング部材と、第２の軸に結合して前記第１のカップリング部材と締結される第２のカップリング部材とを有する。そして、この構成において第１の特徴は、第１の軸における第２のカップリング部材側の端部が球面形状を有し、第２のカップリング部材に保持され第１の軸の端部と接触する面が凹んだ球面を有する受圧部材を備えることにある。
【０００７】
また第２の特徴は、第１の軸に保持されこの第１の軸の取付け部外径よりも大径の外径を有するリングと、前記第２のカップリング部材に保持されこのリングに当接する受圧部材とを備えることにある。
【０００８】
上記特徴において、第１のフランジ部材と第１の軸とを第１の滑りキーを用いて軸方向に相対的に移動可能にするのがよく、第１の滑りキーが嵌合するキー溝を第１のフランジ部材に、第１の滑りキー部におけるキーとキー溝間の隙間よりも小さくするのが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るフランジカップリングの一実施例の縦断面図である。フランジカップリングは、上側軸２に嵌合する第１のカップリング部材１ａと、下側軸に嵌合する第２のカップリング部材１ｂとを有し、それぞれのカップリング部材１ａ，１ｂのフランジ部３０ａ，３０ｂにおいて、ボルト２１およびナット２２で締結されている。
【００１１】
上側軸２はカップリング部材１ａに、半径方向の隙間３を形成して嵌合しており、上側軸２とカップリング部材１ａは相対的に軸方向に移動可能になっている。また、上側軸２の外周部には、第１のカップリング部材１ａがこの上側軸２に対して周方向に移動するのを防止する滑りキー４用のキー溝１３が形成されている。同様に、第１のカップリング部材１ａの内周側にもこの滑りキー４位置に対応してキー溝５が形成されている。キー４は溝１３に固定される。
【００１２】
第２のカップリング部材１ｂの内側には、一方の面が上側軸２に接触し、他方の面がだい２のカップリング部材１ｂに接触するスペーサプラグ（受圧部材）６が保持されている。スペーサプラグ６は中央部に凹み４１を有し、この凹みの周縁部７は傾斜したテーパー構造となっている。この周縁部７のテーパー形状は、上側軸２の端部に形成した面取り部２ａの形状に合致するように形成されている。上側軸２の面取り部２ａからスペーサプラグ６の周縁部７に、上側軸２の荷重が負荷されるので、周縁部７は受圧面となる。
【００１３】
このように構成した本実施例のフランジカップリングの作用および機能について、以下に説明する。図示しない駆動源で発生した駆動トルクは、上側軸２に固定した滑りキー４を介して、カップリング部材１ａに伝達される。それとともに、上側軸２に関係する軸方向荷重はカップリング部材１ｂに保持されたスペーサプラグ６の受圧面７に伝達される。本実施例では、受圧面７をテーパ形状にしたので、軸方向荷重が発生すると上側軸２の中心がスペーサプラグ６の中心に移動する調心力が発生して、上側軸２とカップリング部材１ａとの心ずれを減少させる。
【００１４】
テーパ面７の軸直角方向からの傾き角度をθとすると、この傾き角度θが９０°に近くなれば受圧面７の面圧が非常に大きくなる。その場合、受圧面７にへたりが発生しやすくなる。保守性を向上させるために、縦型軸では軸方向荷重が無いと自重により下側軸とカップリング部材１ｂを下降するようにしている。すなわち、軸方向荷重をＦ、受圧面７の摩擦係数をμ、下側軸２０の自重をｍとすると、（式１）の関係が成立するように各値を設定する。
【００１５】
θ≦arctan（ｍ／μＦ) (式１)
ところで、カップリング部材１ａと上側軸２との軸心が角度ずれを発生すると、軸方向荷重の受圧面７と、上側軸２がカップリング部材１ａの端部に対向する面であるスライド接触部の上端部９に片当たりが発生する。それにより、局所的に大きな接触応力が発生する。そこで、上側軸２の軸端部８とスライド接触部の上端部９を局所的に硬化させる。この硬化処理には、浸炭焼き入れや窒化処理などを用いる。この硬化処理により、軸方向荷重の受圧面７やスライド接触部の上端部９に片当たりが発生しても、へたりが発生しにくく、心ずれや角度ずれを低減できる。
【００１６】
また、カップリング部材１ａのカップリング部材１ｂとの締結部とは反対端部の内径側を、円弧形状とした。この円弧形状により、カップリング部材１ａでは、軸方向に距離ｄ１だけ、半径方向に距離ｄ２だけ上側軸２との接触を回避する部分３０ｃが形成される。距離ｄ１、ｄ２の大きさは、上側軸２の直径Ｄの３％以上（ｄ１，ｄ２≧０．０３Ｄ）とした。上側軸２がカップリング部材１ａに対して相対的に移動するときに、スライド接触部の上端部３０ｃ、９ではかじりが発生しにくくなり、心ずれや角度ずれを低減できる。この回避部３０ｃの形状は、面取りのようなテーパー形状でも直線でもよい。
【００１７】
滑りキー４とキー溝５間の半径方向隙間１２を、カップリング部材１ａと上側軸２との間の半径方向隙間３より小さくした。滑りキー４とカップリング部材１ａのキー溝５間の半径方向隙間１２は、上側軸２とカップリング部材１が軸方向に滑らかに移動可能である範囲において、なるべく小さくする。本実施例では、この半径方向隙間１２を、２５μｍ以下としている。半径方向隙間１２が小さいので、上側軸２のカップリング部材１ａに対する心ずれや角度ずれを抑制できる。上側軸２とカップリング部材１ａとの接触面積に比べ、滑りキー４とキー溝５と接触面積は小さい。そのため、半径方向隙間１２を小さくしても、上側軸２の軸方向の滑らかな動きを妨げるおそれがほとんどない。
【００１８】
なお、上記実施例では、滑りキー４を軸に固定したが、滑りキー４をカップリング部材１ａに固定し、滑りキー４と軸のキー溝１３間に半径方向隙間が形成されるようにしてもよい。また、本実施例では上側軸２とスペーサプラグ６の両方の受圧面７をテーパ形状としたが、上側軸２とスペーサプラグ６の受圧面のいずれか一方だけテーパ形状としてもよい。さらに、スペーサプラグ６をカップリング部材１ａと別部材としたが、スペーサプラグ６を使用せずにカップリング部材１ｂと上側軸２を直接接触させてもよい。また、上側軸２を局所的に硬化させたが、この他にスペーサプラグ６の受圧面７やカップリング部材１ａのカップリング部材１ｂとの締結部とは反対端側の内周面を硬化させてもよい。
【００１９】
図２に、本発明に係るフランジカップリングの他の実施例を示す。本実施例が上記実施例と相違するのは、上側軸２の下端に高硬度の球面形状を有する受圧部材１０を接着または固定し、この高硬度の受圧部材１０を凹んだ球面７ａが形成された受圧部材６ａで支持するようにしたことにある。これにより、軸方向荷重による上側軸２のへたりと、上側軸２に対するカップリング部材１ａの心ずれを減少させる。接触面に片当たりが発生しにくいので、局所応力によるへたりも防止できる。本実施例では、上側軸２の下端に別部材の受圧部材１０を設けたが、上側軸２の下端面を球面にしても同じ効果が得られる。
【００２０】
図３に、本発明に係るフランジカップリングのさらに他の実施例を示す。本実施例では、第２のカップリング部材に保持されるスペーサプラグ６の、上側軸２を支持する受圧面７ｂを、環状の突起とした点が上記各実施例と相違する。本実施例によっても、へたりや心ずれを防止できる。
【００２１】
図４に、本発明のさらに他の実施例を示す。上側軸２の端部近傍につば１１を取り付けている。つば１１は、上側軸２に形成した溝２ｃに嵌合される。上側軸２が嵌合するカップリング部材１ｃの内径は、つば１１に対応する部分２４が他の部分よりも大径になっている。一方、カップリング部材１ｂに保持されるスペーサプラグ６ｃには、上側軸２の軸端部を収容できるように凹み２３が形成されている。つば１１がスペーサプラグ６の凹み２３の縁部７ｃに接触することにより軸方向荷重が支持される。
【００２２】
図３と図４に示した実施例の構造では、受圧面７ｂ、７ｃにおける軸方向荷重の作用半径が大きい。したがって、受圧面７ｂ、７ｃにおける角度ずれを抑制するモーメントも大きくなり、上側軸２のカップリング部材１ａに対する角度ずれを抑制きる。なお、図３の実施例において環状の突起を上側軸２に設けてもよく、環状の突起の接触面を球面やテーパ形状としてもよい。
【００２３】
図５に、本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例では、スペーサプラグ６の厚さを上記実施例のものよりも薄くしている。スペーサプラグ６は段付きの円板で、このスペーサプラグ６の大径部を保持するために第２のカップリング部材１ｄの内径側は、第１のカップリング部材１ａとの連結部側が他の部分よりも大径になっている。スペーサプラグ６とカップリング部材１ｂとの接触部半径は、スペーサプラグ６と上側軸２との接触部半径より大きい。
【００２４】
このため軸方向荷重が作用すると、図５に誇張して示すようにスペーサプラグ６が弾性変形して、上側軸２側の受圧面７ｄは外周側のみが接触する。これにより、図３及び図４の実施例に示したのと同様の理由で、上側軸２のカップリング部材１ａに対する角度ずれを抑制できる。また、スペーサプラグ６が弾性変形するので、受圧面７に過度の面圧が発生するのが防止され、受圧面７がへたって上側軸２がカップリング部材１ａに対して角度ずれするのを抑制できる。
【００２５】
なお、上記各実施例は単独でも、組み合わせても使用できる。また、上記各実施例では縦軸の場合を例にとり説明したが、横軸の場合でも適用できる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、フランジカップリングの内部に収容される受圧部材が軸を調心するようにしたので、軸方向荷重の発生時には軸とカップリング部材の中心を一致させる方向に力が作用し、軸に対するフランジの心ずれを減少できる。これにより、フランジカップリングの信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るカップリングの一実施例の縦断面図である。
【図２】本発明に係るカップリングの他の実施例の縦断面図である。
【図３】本発明の係るカップリングのさらに他の実施例の縦断面図である。
【図４】本発明に係るカップリングのさらに他の実施例の縦断面図である。
【図５】本発明に係るカップリングのさらに他の実施例の縦断面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…カップリング部材、２…上側軸、３…半径方向隙間、４…滑りキー、５…キー溝、６…スペーサプラグ（受圧部材）、７…受圧面、８…局所硬化部、９…局所硬化部、１０…受圧部材、１１…つば、１２…半径方向隙間、１３…キー溝。

Claims

第１の軸に嵌合される第１のカップリング部材と、第２の軸に結合して前記第１のカップリング部材と締結される第２のカップリング部材とを有するフランジカップリングにおいて、前記第１の軸における前記第２のカップリング部材側の端部が球面形状を有し、前記第２のカップリング部材に保持され前記第１の軸の端部と接触する面が凹んだ球面を有する受圧部材を備えたことを特徴とするフランジカップリング。
第１の軸に結合される第１のカップリング部材と、第２の軸に結合される第２のカップリング部材とを有するフランジカップリングにおいて、第１の軸に保持されこの第１の軸の取付け部外径よりも大径の外径を有するリングと、前記第２のカップリング部材に保持されこのリングに当接する受圧部材とを備えたことを特徴とするフランジカップリング。
前記第１のフランジ部材と第１の軸とを第１の滑りキーを用いて軸方向に相対的に移動可能にしたことを特徴とする請求項１または２記載のフランジカップリング。
前記第１の滑りキーが嵌合するキー溝を前記第１のフランジ部材に形成し、第１の滑りキー部におけるキーとキー溝間の隙間を、第１のフランジ部材の内径と第１の軸の外径との隙間よりも小さくしたことを特徴とする請求項３に記載のフランジカップリング。
前記受圧部材が第１の軸に当接する面と第１の軸が受圧部材に当接する面の少なくともいずれかを、局所的に硬化させたことを特徴とする請求項１記載のフランジカップリング。
前記第１の軸の端部の硬度を前記受圧部材の硬度よりも高硬度としたことを特徴とする請求項１記載のフランジカップリング。
前記受圧部材を軸方向に移動可能にしたことを特徴とする請求項１または２記載のフランジカップリング。