JP4299271B2

JP4299271B2 - 滑り軸受け装着機械の保守方法

Info

Publication number: JP4299271B2
Application number: JP2005173612A
Authority: JP
Inventors: 雅彦川畑; 義憲佐々木
Original assignee: トライボテックス株式会社
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: JP2006349404A

Description

本発明は、ディーゼル機関（ディーゼルエンジン）における滑り軸受け装着機械の保守・点検を合理的に行なうのに好適なディーゼル機関の滑り軸受け部位の保守（保全）方法に係る。ディーゼル機関（ディーゼルエンジン）における滑り軸受け（クランク軸受け）を例にとり説明するが、他の滑り軸受け装着機械の保守にも本発明は適用可能である。

ディーゼル内燃機関のクランク系軸受け（滑り軸受け）部位におけるクランクピン軸受けや主軸受けのメタルは、摩耗・損傷が激しく、定期保守点検（期間は通常２年程度）に際して、交換・棄却する必要が多かった。クランク系軸受けは、荷重が衝撃的であり且つ衝撃角位置も絶えず変動することが多いためである。

摩耗・損傷したまま長期運転することは、内燃機関の運転効率上望ましくない。このため、メタル交換の最適時期（メタル耐用期間）が予め予測できることが望ましく、さらには、メタル耐用期間も長い方が望ましい。

しかし、滑り軸受けのメタル耐用期間を簡便に予測することができ、さらには、それを利用して滑り軸受け部位を備えた機械（滑り軸受け装着機械）の保守（保全）をする方法に係る先行技術文献は、本発明者らが知る限りにおいては存在しない。

本発明の課題は、上記にかんがみて、滑り軸受けのメタル耐用期間を簡便に予測できる方法、及びそれに基づいた滑り軸受け部位を備えた機械の保守（保全）方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意開発に努力をする過程で、滑り軸受けメタルの摩耗の原因が、燃料燃焼の際発生する硫黄酸化物と、該硫黄酸化物（機関腐食の原因となる。）を中和するために潤滑油中に含まれるカルシウム系中和剤との反応により生成する硫酸カルシウムの結晶粒子に基づくことを見出して、下記構成の滑り軸受けメタルの耐用期間予測方法に想到した。

本発明の滑り軸受けメタルの耐用期間予測方法は、滑り軸受け部位に使用するディーゼル機関用潤滑油（JIS K 2215：３種）について、硫酸カルシウム又はその含有スラッジの無添加試験液および変量添加した少なくとも２組の添加試験液を用意し、滑り軸受けメタル対応材料であるブロック試験片の上をジャーナル対応材料で形成したディスク試験片を滑らせながら、両者の接触部位に前記各試験液を循環供給して摩耗試験を行い、該摩耗試験の際における硫酸カルシウム濃度とブロック試験片の摩耗率（メタル摩耗率）との関係を増加関係式（通常、指数関係式となる。）として求め、該増加関係式（指数関係式）を用いて滑り軸受け耐用期間（限界稼動時間）を予測することを特徴とする。

また、本発明の滑り軸受け装着機械の保守方法は、上記発明と同様にして、硫酸カルシウム濃度とブロック試験片の摩耗率（メタル摩耗率）との関係を増加関係式（指数関係式）として求め、潤滑油のカルシウム濃度を定期的に検出して、潤滑油のカルシウム濃度を、対応摩耗度が所定値以下となる濃度に維持しながら前記滑り軸受け部位を備えた機械の運転を行なうことを特徴とする。

カルシウム濃度を所定値以下に抑制することにより、滑り軸受けの摩耗・損傷の低減が期待でき、当然、保守のための点検回数を低減させることができ、さらには、滑り軸受けメタルの耐用期間も延長することが可能となる。

上記各発明において、上記滑り軸受け部位として、内燃機関のクランクピンの軸受け部位に適用することが望ましい。クランクピンがクランク作動時に摩耗損傷を受け易く、該部位を基準として耐用期間（限界稼動時間）を予測することが内燃機関の保守・点検時期に適合するためである。

なお、上記各発明は、潤滑油の種類が異質であって、生成する摩耗原因粒子が硫酸カルシウムでない場合は、下記構成となる。

滑り軸受けメタルの耐用期間予測方法に係る発明は、滑り軸受け部位に使用する潤滑油について、摩耗原因粒子の無添加試験液および変量添加した少なくとも２組の添加試験液を用意し、滑り軸受け対応材料であるブロック試験片の上をジャーナル対応材料で形成したディスク試験片を滑らせながら、両者の接触部位に前記各試験液を循環供給して摩耗試験を行い、該摩耗試験の際における摩耗原因粒子濃度とブロック試験片の摩耗率（メタル摩耗率）との関係を増加関係式（指数関係式）として求め、該増加関係式（指数関係式）を用いて滑り軸受けの耐用期間（限界稼動時間）を予測することを特徴とする。

以下、本発明を詳細に説明する。以下の説明で「ｐｐｍ」は、特に断らない限り「質量ｐｐｍ」を意味する。ここでは、滑り軸受け部位として、ディーゼル機関における摩耗や損傷が発生し易いクランクピンの軸受け部位を例に採り説明するが、これに限られるものではない。

すなわち、ディーゼル機関における主軸メタル軸受けは勿論、他の硫黄酸化物を発生する内燃機関等にも本発明は適用可能である。

それらの滑り軸受け部位に使用する潤滑油は、通常、陸用内燃機関用潤滑油におけるディーゼル機関用（JIS K 2215：３種）を使用する。

これらの潤滑油には、通常、カルシウム系中和剤が添加されている（例えば、Ｃａ換算で８０００〜１００００ｐｐｍ)。ディーゼル機関において燃料として使用する重油や軽油には硫黄が含まれており、燃焼により硫黄酸化物が発生し、該硫黄酸化物は機関内部（金属）の腐食を促進させる。この硫黄酸化物と反応して腐食作用を消滅させるために上記カルシウム系中和剤が添加される。なお、カルシウム系中和剤としては、リン酸カルシウム（カルシウムホスフェート）、ホスホン酸カルシウム（カルシウムホスホネート）等を挙げることができる。

そして、本発明者らは、滑り軸受けにおける摩耗・損傷の原因が、硫酸カルシウムであることを、知見した。

すなわち、運転中のディーゼル機関（発電所等における発電機）の油清浄機から採取したスラッジを、発光分析法によりＣａ濃度（硫酸カルシウム濃度）を測定した。

ここで、発光分光分析法とは、下記方法によるものである。

潤滑油中のサブミクロンオーダ以上の固形物を分離抽出し、発光分光分析装置により各種金属元素及びその含有量を測定する方法である。

すなわち、上記で調製した試料を、プラズマ放電により励起させたアルゴンガス有に導入して、そのとき生ずる金属特有の発光スペクトルを回折格子で分光し、その波長と強さを検出する。そして、含有金属元素とその含有量を測定することにより、潤滑油中の金属元素とその含有量の測定が可能となる。なお、図１に発光分析装置の原理図を示す。

上記でＣａ濃度を測定したスラッジを、それぞれ、潤滑油（JIS K 2215：陸用内燃機関用潤滑油３種）に対して、カルシウム濃度換算で、０、１０、２０、５０ｐｐｍとなるような量を予測添加混合して、スラッジ無添加試料を１組、スラッジ変量試料を複数組調製した。

それらの各試料について、ブロック試験片（メタル軸受け対応材料）に対してディスク試験片（クランク軸対応材料）上を滑らせながら、両者の接触部位に各試験液（潤滑油）を循環供給して摩耗試験を行なう。ここで、後述の試験結果を示す図３において、Ｃａ濃度が設定濃度に対応しないのは、スラッジは不均一系であるため攪拌混合した直後のものを使用してもＣａ濃度にバラツキが発生するためである。

本発明で使用する摩耗試験の原理図（システム図）を図２に示す。

本システムは、基本的に摩耗試験装置１２と、攪拌槽（潤滑油槽）１４と、攪拌槽１４と摩耗試験装置１２との間で潤滑油を循環させる循環回路１６（往路１６ａ、復路１６ｂ）とを備えたものである。

カバー１８ａを備えた摩耗試験槽１８内に、ディスク保持軸（回転軸）２０と、ブロック保持盤２２が配されている。ディスク保持軸２０は、荷重負荷装置（図示せず）により下方へ移動可能とされている。また、ブロック保持盤２２の下方には、ブロック試験片が受けた荷重を測定可能にロードセル２４が配されている。循環回路１６の往路１６ａには、ポンプ２６を備え、潤滑油を摩耗試験装置１２に供給可能とされ、同復路１６ｂは、摩耗試験槽１８の底部から自重落下により潤滑油を攪拌槽１４に戻し可能とされている。当然、攪拌槽１４は、攪拌モータ２６とプロペラ形の攪拌機２８とを備えている。

そして、ブロック保持盤２２にブロック試験片（軸受けメタル材料対応）３０を保持する。また、ディスク試験片（クランクピン材料対応）３２をディスク保持軸１４に保持すると共に下方へ押し下げて、ディスク試験片３２をブロック試験片３０に対して所定荷重となるように調節する。

この状態で、良好な潤滑状態である摩擦係数を示す滑り速度になる回転速度で、ディスク試験片２２を回転させ、且つ、所定流量で油を循環させながら摩擦試験を行なう。

ここで、ディスク試験片及びブロック試験片は、それぞれ、下記の材料を使用した。

ディスク試験片・・・炭素鋼鍛工品「ＳＦ５４０」（JIS G 3201)
ブロック試験片・・・ホワイトメタル「ＷＪ２」（JIS H 5401)
そして、荷重を負荷後、所定時間（１５分）で摩耗試験（ディスク試験片を回転）を行った後、攪拌槽１４から潤滑油を採取して、前述の発光分光分析法により、Ｃａ濃度を測定して求めた。

他方、試験後に、ブロック試験片の重量を測定して、摩耗質量（ｍｇ）をブロック試験片（ホワイトメタル）の密度（約７．３ｍｇ/ｍｍ³）で割って摩耗体積（ｍｍ³）を求めた。さらに、該摩耗体積を実測滑り合計距離で割って摩耗率を求めた。それらの結果を表１に示す。

そして、Ｃａ濃度と摩耗率の関係を、半（片）対数グラフにプロットすると共に、回帰法により指数関係式（回帰式）（本実施形態では被べき数：ｅ）を求めた。その結果は、図３に示す。なお、材料により指数関係式以外の増加関係式となる可能性もある。

当該図３に示す指数関係式（対数グラフ）を利用しての、耐用期間の予測は、下記の如く行った。

先ず、クランクメタルの摩耗した面積を、実機からサンプリングした摩耗メタルから求めた。その結果は、平均摩耗面積：５８３ｃｍ²であった。

そして、上記で対数グラフから任意の各カルシウム濃度（１０・２０・５０・１００（ｐｐｍ））における摩耗率を求め、該摩耗率から、下記式に基づいて、限界滑り距離を求める。

限界滑り距離＝オーバレイ厚み×平均摩耗面積／摩耗率
こうして求めた限界滑り距離から、限界回転数を下記式により求める。

限界回転数（回）＝限界滑り距離（ｍ）／クランクピン周長
さらに、各限界回転数から限界稼動時間を下記式により求める。

限界稼動時間（年）＝限界回転数／（年間稼動時間×時間当たり回転数）
上記各式において、軸受けメタル（ホワイトメタル）厚み：２０μm
平均摩耗面積：５８３ｃｍ²
クランクピン周長：１．２９４ｍ（Ｄ＝４１０ｍｍ）
として、求めた結果を表２に示す。

表２の結果から、通常の点検周期が、２年であるので、Ｃａ濃度を１０ｐｐｍ以下で管理（保守）することが望ましいことが分かる。なお、点検周期を長くしたい場合には、Ｃａ濃度（硫酸カルシウム濃度）を低く押さえて運転することも可能である。

なお、ディーゼル機関においては、潤滑油も燃料と同時に燃えるため、常に補給するものであり、多目に潤滑油を補給すれば、Ｃａ濃度を低く抑えることが可能である。

例えば、出力1万ｋｗAのディーゼル機関発電機の場合、例えば、２００Ｌ／dayの潤滑油の補給が必要である。

上記ではディーゼル内燃機関における滑り軸受けメタルが硫酸カルシウムにより摩耗促進される場合を例に採り説明したが、本発明は、硫酸カルシウム以外の摩耗原因粒子が潤滑油中に発生する場合についても本発明は適用可能である。ここで摩耗原因粒子としては、滑り軸受けメタルの摩耗により発生する摩耗粉、さらには、高温雰囲気下で使用された場合に発生し易い金属酸化物粉等を挙げることができる。

本発明において使用する発光分光分析（ＳＯＡＰ）装置の原理図（モデル図）同じく摩耗試験装置の原理図（モデル図）同じく摩耗試験におけるＣａ濃度と摩耗率の関係を示す片対数グラフ図

符号の説明

１２摩耗試験装置
１４攪拌槽（潤滑油槽）
１６循環回路
１８摩耗試験槽
２０ディスク保持軸
２２ブロック保持盤
３０ブロック試験片（軸受けメタル対応材）

Claims

滑り軸受け部位に使用する陸用内燃機関用潤滑油（JIS K 2215）について、硫酸カルシウムの無添加試験液および変量添加した少なくとも２組の添加試験液を用意し、滑り軸受けメタル対応材料であるブロック試験片の上をジャーナル対応材料で形成したディスク試験片を滑らせながら、両者の接触部位に前記各試験液を循環供給して摩耗試験を行い、該摩耗試験の際における硫酸カルシウム濃度とブロック試験片の摩耗率（メタル摩耗率）との関係を増加関係式として求め、該増加関係式を用いて滑り軸受け耐用期間（限界稼動時間）を予測することを特徴とする滑り軸受けメタル耐用期間の予測方法。
前記増加関係式が指数関係式であることを特徴とする請求項１記載の滑り軸受けメタル耐用期間の予測方法。
前記滑り軸受け部位が内燃機関のクランクピンの軸受け部位であることを特徴とする請求項１又は２記載の滑り軸受けメタル耐用期間の予測方法。
滑り軸受け部位に使用する陸用内燃機関用潤滑油（JIS K 2215）について、硫酸カルシウムの無添加試験液および変量添加した少なくとも２組の添加試験液を用意し、滑り軸受けメタル対応材料であるブロック試験片の上をジャーナル対応材料で形成したディスク試験片を滑らせながら、両者の接触部位に前記各試験液を循環供給して摩耗試験を行い、該摩耗試験の際における硫酸カルシウム濃度とブロック試験片の摩耗率（メタル摩耗率）との関係を増加関係式として求め、該増加関係式を用いて硫酸カルシウム濃度における滑り軸受け耐用期間（限界稼動時間）を予測し、所定の限界稼動時間以上となるように潤滑油の硫酸カルシウム濃度を調節しながら前記滑り軸受け部位を備えた機械の運転を行なうことを特徴とする滑り軸受け装着機械の保守方法。
前記増加関係式が指数関係式であることを特徴とする請求項４記載の滑り軸受け装着機械の保守方法。
前記滑り軸受け部位が内燃機関のクランクピンの軸受け部位であることを特徴とする請求項５記載の滑り軸受け装着機械の保守方法。
滑り軸受け部位に使用する潤滑油について、摩耗原因粒子の無添加試験液および変量添加した少なくとも２組の添加試験液を用意し、滑り軸受け対応材料であるブロック試験片の上をジャーナル対応材料で形成したディスク試験片を滑らせながら、両者の接触部位に前記各試験液を循環供給して摩耗試験を行い、該摩耗試験の際における摩耗原因粒子濃度とブロック試験片の摩耗率（メタル摩耗率）との関係を増加関係式として求め、該増加関係式を用いて滑り軸受けの耐用期間（限界稼動時間）を予測することを特徴とする滑り軸受けメタル耐用期間の予測方法。
前記増加関係式が指数関係式であることを特徴とする請求項７記載の滑り軸受けメタル耐用期間の予測方法。
滑り軸受け部位に使用する陸用内燃機関用潤滑油（JIS K 2215）について、摩耗原因粒子の無添加試験液および変量添加した少なくとも２組の添加試験液を用意し、滑り軸受け対応材料であるブロック試験片の上をジャーナル対応材料で形成したディスク試験片を滑らせながら、両者の接触部位に前記各試験液を循環供給して摩耗試験を行い、該摩耗試験の際における摩耗原因粒子濃度とブロック試験片の摩耗率（メタル摩耗率）との関係を増加関係式として求め、該増加関係式を用いて所定の耐用期間（限界稼動時間）以上となるように潤滑油の摩耗原因粒子の濃度を調節しながら前記滑り軸受け部位を備えた機械の運転を行なうことを特徴とする滑り軸受け装着機械の保守方法。
前記増加関係式が指数関係式であることを特徴とする請求項９記載の滑り軸受け装着機械の保守方法。