JP4336747B2 - プロペラシャフトベアリング - Google Patents

Description

本発明は船舶用のプロペラシャフトベアリングに関する。

近年の船舶はシャフトを仲介して外部プロペラ（スクリュー）を回転させるエンジンを利用する列形推進システムを有している。

船舶のサイズと要求される性能に応じてエンジンの馬力、プロペラのサイズと数、並びにプロペラシャフトのサイズと数が算出される。馬力をエンジンからプロペラに伝達するためにはそれぞれのシャフトはベアリング装置で支持される必要がある。ベアリングでシャフトを支持する船尾内部構造はスターンチューブとして知られる。プロペラシャフトはシャフト支持ベアリング装置が提供された船体外部のブラケットで補完的に支持される。そのため、シャフトは一般的に最低径１５０ｍｍを有しており、ベアリングの最低壁厚は１５ｍｍである。

非金属/水潤滑システムでも可能であるが、伝統的には特に船舶用としてシャフト支持ベアリングはホワイトメタル/オイル潤滑システムを基本としてきた。

オイル潤滑システムにおいてはスターンチューブ用としてシールシステムが存在する。このシールは２つの機能を有している。１つはシャフト/ベアリングに必要なオイル潤滑剤の減少を防止するためであり、１つは水がスターンチューブに侵入することを防止するためである。

オイルシールは水中に混在する異物によりダメージを受けることは一般的に認識されている。そのダメージは場合によってはオイル損失を招き、ベアリングにダメージを与える。さらにオイルシールのダメージによる水の侵入もベアリングにダメージを与える。

ホワイトメタルベアリングにおいてはオイル損失は過熱を招き、シャフトやベアリングに対して修復不能なダメージを与える。同様に水の侵入は潤滑システムに重要な悪影響を及ぼし、シャフトとベアリングに対して修復不能なダメージを与える。

ホワイトメタル/オイル潤滑システムの代用として非金属ベアリング/オイル潤滑システムが存在する。このタイプの典型例は石綿繊維補強フェノール樹脂ベアリング材料“ＷＡ８ＯＨ”であり、レイルコ社が製造する。この樹脂ベアリングはオイル潤滑剤の損失と水の侵入に対して耐久性が高い。

非金属ベアリングは伝統的にホワイトメタルベアリング用に確立されたデザインで製造されており、金属ベアリングの代用となっている。しかし、設計段階で非金属ベアリングはシャフトとベアリングとの間の運転クリアランス計算の追加ステップを必要とする。この追加計算はオイル中あるいは水中での非金属材料の膨張性を考慮に入れるために必要であり、運転クリアランスは増大する。

非金属ベアリング材料の膨張程度はベアリングの半径厚によるが、１.５％程度にもなり得る。その結果、１ｍｍから３ｍｍ程度の運転クリアランスが必要となり得る。大きな運転クレアランスはシャフトの大きなずれを発生させ、摩擦を増加させてベアリングを過熱させる。

よって、本発明の１目的はそれら諸問題の少なくとも一部を軽減させるプロペラシャフトベアリングの提供である。

本発明によれば、内層と、内層を覆う外層とを含んだ円筒スリーブを含んだプロペラシャフトベアリングが提供される。この内層は熱硬化性樹脂を含んだベアリング材料で製造され、外層も熱硬化性樹脂を含んだ材料で製造され、水中でベアリング材料よりも低い膨張特性を有したものである。

本発明のベアリングは現存の金属ベアリング及び非金属ベアリングの代用として使用できる。内側ベアリング層は必要な磨耗抵抗性及び低摩擦特性を有している。外層は内層を支持し、低膨張特性を有している。よってベアリングが全体として経験する膨張量を大きく減少させる。その結果、ベアリングは小さな運転クリアランスで製造でき、シャフトのずれを低減させ、摩擦や過熱を抑える。

有利には、内層は熱硬化性樹脂と補強材料とを含んでいる。この材料の組み合わせは必要とされるベアリング特性を提供し、潤滑剤の減少と水による潤滑材の汚染に対して耐久性を提供する。

補強材料は、種子や靭皮からの植物セルロース繊維、セルロースビスコース繊維、ポリエステル、ポリアミド、ポルアクリロニトリル、アラミド、ポリベンゾキシゾール、ＰＴＦＥ繊維、炭素繊維、及びそれらの組み合わせから選択される繊維材料を含むことができる。好適には、繊維材料はパラアラミド繊維を４０％から１００％、セルロース繊維を０％から３０％、ポリアクリロニトリル繊維を０％から５０％含んでいる。この組み合わせは特に良好な特性を提供する。繊維材料は少量のガラス繊維を含むことができ、ベアリング層の強度を増し、シャフトに対する研磨作用を提供する。

有利には、繊維材料は糸材、織布または不織布を含み、好適には糸、特に樹脂が含浸された糸材を含む。有利にはこの補強材料は重量で内層の１５％から６０％、好適には３０％から６０％含まれる。

熱硬化性樹脂はフェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂またはエポキシ系樹脂を含むことができるが、好適にはフェノール系樹脂である。熱硬化性樹脂は重量で内層の２５％から６０％、好適には３０％から５０％含まれる。

内層は充填材を含むことができる。充填材は重量で内層の０％から６５％、好適には０％から３０％含まれる。内層はさらに潤滑剤を含むことができる。潤滑剤は重量で内層の０％から３５％、好適には１０％から１５％含まれる。

外層は熱硬化性樹脂と補強材料とを含むことができる。

外層の補強材料はガラス繊維、炭素繊維、種子や靭皮からの植物性繊維、セルロースビスコース繊維、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリベンゾキシゾール、あるいはそれらの組み合わせの繊維を含むことができる。好適には外層の繊維材料はガラス繊維を４０％から１００％、セルロースを０％から３０％、ポリアクリロニトロルを０％から５０％含むことができる。

外層の繊維材料は糸材、織布または不織布を含むことができ、好適には糸材である。

有利には外層の繊維材料は重量で外層の４０％から１００％、好適には７０％含まれる。

有利には外層の熱硬化性樹脂はフェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、あるいはエポキシ系樹脂を含むことができ、好適にはフェノール系樹脂である。有利には熱硬化製樹脂は重量で外層の２０％から６０％、好適には３０％含まれる。

外層は充填材を含むことができる。有利には充填材は重量で外層の０％から６５％、好適には０％から３０％含まれる。

内層は水中で０.５％から１.５％の膨張特性を有することができる。外層は０.５％以下の膨張特性を有することができ、好適には０.２％以下の膨張特性である。

内層は５ｍｍから１５ｍｍの厚みであり、好適には約１０ｍｍである。外層は３０ｍｍ以上の厚みを有することができる。

有利にはプロペラシャフトベアリングはオイル、水またはギリコール系の液体潤滑剤を含んでいる。

本発明の実施例を添付図面を利用して解説する。

本発明のプロペラシャフトベアリングは、使用中に船舶のスターンチューブ（図示せず）内にフィットされる円筒状スリーブ２を含んでいる。本発明のベアリングは１体または複数体で成るスリーブ部材でよい。図示（図２）の例ではベアリングは端部同士が接触する３体のスリーブ部材２a、２b、２cに分割されている。第１部材２aの直径は第２部材２bの直径よりも少々大きく、第２部材の直径は第３部材２cの直径よりも少々大きい。このことは単にベアリングをスターンチューブに挿入するためである。

円筒体はスリーブ２を通過して延びる。円筒体の内側表面は内部を通過するプロペラシャフト（図示せず）に対するベアリング面８を提供する。２本の精密なオイル溝１０がベアリング面８の両側に削加工されており、液体潤滑剤をベアリング内に通流させる。１体スクリューの船舶の場合にはオイル道１０は一般的に図示のごとくに対極的に提供される。２体スクリューの場合にはオイル溝は一般的にスリーブの水平径の３０°上方の角度で提供される。潤滑剤はオイル系、水系あるいはグリコール系でよい。キー溝１２はベアリングの外部面に提供される。これでキーをスターンチューブ内に係合させ、設置時の整合を助け、ベアリングの回転を防止する。

ベアリングの内径は１５０ｍｍから１００ｍｍ以上でよい。その長さは直径の１.５倍から２.５倍が普通である。

ベアリングは内層１４と内層を囲む外層１６とを含んだ複合構造である。内層１４は非金属ベアリング材料製であり、低摩擦特性を有しており、外層１６は非金属材料であり、ベアリング材料よりも低い膨張特性を有している。

内層１４のベアリング材料は熱硬化性樹脂と樹脂に入れられる補強材料とを含んでいる。

補強材料は、種子や靭皮からの植物性セルロース繊維、セルロースビスコース繊維、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリベンゾキシゾール、ＰＴＦＥ繊維、炭素繊維及びそれらの組み合わせから選択される繊維材料を含む。例えば、繊維材料はパラアラミド繊維またはメタアラミド繊維を４０％から１００％、好適には約６５％、セルロース繊維（ビスコース）を０％から３０％、好適には約１８％、及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維を０％から５０％、好適に約１７％含む。

繊維材料は少量（７％以下）のガラス繊維をさらに含むこともできる。ガラスは研磨材であるが、少量の場合には有効である。なぜなら、プロペラシャフトの表面を研磨することで摩擦を減少させるからである。

繊維材料は好適には樹脂含浸糸材形態で供給される。これは芯材の回りに巻き付けられてスリーブを提供する。その結果、繊維はスリーブの周囲で巻き付けられる。必要であれば糸材を螺旋状に巻くこともできる。その場合には繊維は周囲方向と軸方向との両方向に延びる。

あるいは繊維材料は織布の形態で提供される。この場合には、繊維は周囲方向と軸方向とに延びる。あるいはニードルフェルトのような不織布の場合には周囲方向、径方向及び軸方向に延びる。

補強材料は重量で内層の１５％から６０％、好適には３０％から６０％含まれる。

熱硬化性樹脂は好適にはフェノール系樹脂であり、例えば、ホルムアルデヒドでのクレシル酸の多縮合体である。あるいはポリエステル系樹脂またはエポキシ系樹脂が使用できる。樹脂は一般的に重量で内層の２５％から６０％、好適には３０％から５０％含まれる。

内層１４はカオリン、チョークあるいはドロマイト等の充填材を含むことができる。充填材は典型的には重量で内層の９％から６５％、好適には０％から３０％含まれる。充填材の含有は内層の性能を大きく阻害することなくベアリングのコストを引き下げる。

内層１４の潤滑剤はベアリングとプロペラシャフトとの間の摩擦を減少させる。潤滑剤は、例えばグラファイト、ＰＴＦＥまたは二硫化モリブデン等の固形タイプでよい。または例えば、炭化水素系オイル、シリコン系オイルあるいはポリエステル系オイル等の液体タイプでよい。潤滑材料は典型的には重量で内層の０％から３５％、好適には１０％から１５％含まれる。

外層１６は熱硬化性樹脂と、樹脂内に入れられる補強材とを含む。補強材は繊維材料を含む。好適にはガラス繊維が含まれる。さらに、炭素繊維、種子や靭皮からの植物性セルロース繊維、セルロースビスコース繊維、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、パラアラミドまたはメタアラミドあるいはポリベンゾキシゾール、またはそれらの混合物である。好適には繊維材料は４０％から１００％のガラス繊維、０％から３０％のセルロース繊維、０％から５０％のポリアクリロニトリル繊維を含む。

繊維材料は好適には樹脂含浸糸剤の形態である。これは芯材の回りに巻き付けられてスリーブを提供する。繊維はスリーブの周囲方向に延びる。必要であれば糸材を螺旋状に巻くこともできる。その場合には繊維は周囲方向と軸方向との両方向に延びる。

あるいは繊維材料は織布の形態で提供される。この場合には繊維は周囲方向と軸方向に延びる。あるいはニードルフェルトのような不織布の場合には繊維は周囲方向、径方向及び軸方向に延びる。

この熱硬化性樹脂は好適にはフェノール系樹脂であるが、ポリエステル系樹脂またはエポキシ系樹脂でも構わない。

外層１６の繊維材料は重量で外層の１５％から８０％、好適には約７０％含まれる。熱硬化性樹脂は重量で外層の２０％から６０％、好適には約３０％含まれる。

外層１６はカオリン、チョーク、あるいはドロマイト等の充填材を含むこともできる。充填材は典型的には重量で外層の０％から６５％、好適には０％から３０％含まれる。

内層１４は一般的に５ｍｍから１５ｍｍの厚みを有し、好適には約１０ｍｍの厚みを有する。外層１６は一般的に３０ｍｍ以上で、８０ｍｍ以上までの厚みを有する。内層は一般的に水中で補強繊維層に対して垂直方向で０.５％から１.５％の膨張特性を有する。外層は同一方向に０.５％以下、好適には０.２％以下の膨張特性を有する。

例えば、１０ｍｍの厚みで１％の膨張特性を有した内層と、５０ｍｍの厚みで０.１％の膨張特性を有した５００ｍｍベアリングの場合には、スリーブの厚みは水中で０.１５ｍｍ増加するだけである。５００ｍｍシャフトは最低運動クリアランス０.９ｍｍを必要とするが、ベアリングの膨張に対処するにはこれは約１.４ｍｍ程度への増加を必要とするだけである。

内層と外層の実施例は次のごときものである。

その他の組成でも有効であろう。

異なる樹脂材料が内層と外層とに利用できるが、それらは互いに性質が類似するか、両立性であることが望ましい。そのことによって同時的に硬化し、両層間で望ましい接着状態を提供し、強力な積層間せん断力が提供される。

図１はプロペラシャフトベアリングの端面図である。 図２は図１のＩＩ-ＩＩ線の断面図である。 図３は図２のＩＩＩ-ＩＩＩ線の断面図である。

Claims (25)

1. 船舶の推進システム用のプロペラシャフトベアリングであって、内層と、該内層を囲む外層とを有した円筒スリーブを含んでおり、該内層は熱硬化性樹脂を含み、０．５％から１．５％の水中膨張率を有したベアリング材料で製造されており、該外層は熱硬化性樹脂を含み、０．５％未満の水中膨張率を有した材料で製造されていることを特徴とするベアリング。
2. 内層は熱硬化性樹脂と補強材料とを含んでいることを特徴とする請求項１記載のベアリング。
3. 補強材料は、種子や靭皮からの植物性セルロース繊維、セルロースビスコース繊維、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリベンゾキシゾール、ＰＴＦＥ繊維、炭素繊維、及びそれらの組み合わせで成る群から選択される繊維材料を含んでいることを特徴とする請求項２記載のベアリング。
4. 繊維材料は４０％から１００％のアラミド繊維、０％から３０％のセルロース繊維、及び０％から５０％のポリアクリロニトリル繊維のブレンドを含んでいることを特徴とする請求項３記載のベアリング。
5. 繊維材料は糸材、織布または不織布を含んでいることを特徴とする請求項３または４記載のベアリング。
6. 補強材料は重量で内層の１５％から６０％含まれていることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のベアリング。
7. 熱硬化性樹脂はフェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、あるいはエポキシ系樹脂を含んでいることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載のベアリング。
8. 熱硬化性樹脂は重量で内層の２５％から６０％含まれていることを特徴とする請求項２から７のいずれかに記載のベアリング。
9. 内層は充填材を含んでいることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のベアリング。
10. 充填材は重量で内層の０％から６５％含まれていることを特徴とする請求項９記載のベアリング。
11. 内層は潤滑材料を含んでいることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のベアリング。
12. 潤滑材料は重量で内層の０％から３５％含まれていることを特徴とする請求項１１記載のベアリング。
13. 内層は５ｍｍから１５ｍｍの厚みを有していることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のベアリング。
14. 外層は熱硬化性樹脂と補強材料とを含んでいることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のベアリング。
15. 外層の補強材料は、ガラス繊維、炭素繊維、種子や靭皮からの植物性セルロース繊維、セルロースビスコース繊維、ポリエステル、ポリアミド、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリベンゾキシゾール、及びそれらの組み合わせで成る群から選択される繊維材料を含んでいることを特徴とする請求項１４記載のベアリング。
16. 外層の繊維材料は４０％から１００％のガラス繊維、０％から３０％のセルロース繊維、及び０％から５０％のポリアクリロニトリル繊維のブレンドを含んでいることを特徴とする請求項１５記載のベアリング。
17. 外層の繊維材料は糸材、織布または不織布を含んでいることを特徴とする請求項１５または１６に記載のベアリング。
18. 外層の繊維材料は重量で外層の１５％から８０％含まれていることを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載のベアリング。
19. 外層の熱硬化性樹脂はフェノール系樹脂、ポリエステル系樹脂、あるいはエポキシ系樹脂を含んでいることを特徴とする請求項１４から１８のいずれかに記載のベアリング。
20. 外層の熱硬化性樹脂は重量で外層の２０％から６０％含まれていることを特徴とする請求項１４から１９のいずれかに記載のベアリング。
21. 外層は充填材を含んでいることを特徴とする請求項１から２０のいずれかに記載のベアリング。
22. 外層の充填材は重量で外層の０％から６５％含まれていることを特徴とする請求項２１記載のベアリング。
23. 外層は水中で０.５％以下の膨張性を有していることを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載のベアリング。
24. 外層は３０ｍｍ以上の厚みを有していることを特徴とする請求項１から２３のいずれかに記載のベアリング。
25. オイル系、水系またはグリコール系の液体潤滑剤を含んでいることを特徴とする請求項１から２４のいずれかに記載のベアリング。

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