JP4484109B2 - 非対称流体軸受 - Google Patents

Description

本発明は、主に地震の早期発見のため地下の構造や状態を監視、観測するために人工的に弾性波を発生し、地中に送信するための精密制御定常震源（Accurately Controlled Routine Operated Seismic Source, ＡＣＲＯＳＳ）のように、大負荷で作動する機器や加振器のような大きな衝撃負荷を発生する機器のラジアル軸受として適切に使用可能な非対称流体軸受に関するものである。

地球科学分野において、地震の波を用い地下構造を解明するには、自然地震で発生する弾性波を用いるのが従来の方法であった。しかし発生時刻が不定期で、震源の位置も望ましいところになく、また、その位置も正確にはわからなかった。火薬爆発などのノウレス的な人工震源も用いられてきたが、この方法は定常的に使えるものではなかった。地下の状態変化を常時モニターすることが重要な課題となっており、この目的のために精密制御定常震源（ＡＣＲＯＳＳ）が開発された。

ＡＣＲＯＳＳによる地下構造の連続モニタリングシステムは、ＡＣＲＯＳＳによりサイン状の定常弾性波を２４時間３６５日地下に連続送信し、これを遠隔地に設置した受信機で常時受信することにより地下の監視、観測を行うものである。

連続弾性波発生に際しては、偏心質量を持つ回転体をデジタルサーボモータにより回転させ、偏心質量により遠心力を発生させる。現在使用されているＡＣＲＯＳＳは、回転周波数５０Hzでの信号振幅は２０tonfで、偏心質量は転がり軸受で支持する構造になっている。このような回転震源装置は、例えば特開平１０−１４２３４５号公報（特許文献１）等に記載されている。しかしながら、この装置はシャフトの回転による軸受摩擦がおよそ１５kWで、著しく大きい発熱を伴うため、各軸受に水冷管を設け、さらに潤滑管理を厳しくする等の対策を講じている。

その対策として、従来のＡＣＲＯＳＳで用いられている転がり軸受に代えて静圧流体軸受等の流体軸受とすることが考えられている。流体軸受を用いると加圧流体を供給する設備が必要となるものの、(1)軸受摩擦が小さく、発熱、潤滑管理の問題がなくなる (2)転がり軸受に見られる転動がないため、運転精度が高く、きれいな信号が得られる (3)滑り面間で固体接触を行わないため、運転中の負荷の繰り返しによるフレーキングの心配がなく長寿命である (4)軸受給気により本体の冷却が可能である、という各種の効果が期待できる。

そこで実際に、流体軸受を用いたＡＣＲＯＳＳの開発研究が本発明者等によりなされている。実際に製作した装置は２００kgf級の精密制御定常震源であり、図７に示すような構造のものであって、一部に切り欠き４１を設けた非対称シャフト４２をカップリング４３を介してモータ４４で回転させるに際して、上部ラジアル流体軸受４５と下部流体軸受４６とでラジアル方向を支持し、各流体軸受間にはスペーサ４７を配置している。

各ラジアル流体軸受はケーシング４８内に収納され、シャフト下端部はスラスト流体軸受５０で支持し、ケーシング４８の上下端部は各々上部プレート５１と下部プレート５２で閉じている。また、ケーシング４８はその周囲を固定用ボルト５３によってホルダー５４に固定支持され、ホルダー５４の下端を加震部材５５に固定し、ロードセル５６で監視しながらモータ４４の回転により非対称シャフトを精密制御して所定の回転をさせることによって生じる振動を加震部材５４に与え、地中に振動を与えて震源として利用するものである。このような流体軸受を用いることにより、所望の効果が得られている。
特開平１０−１４２３４５号公報

上記のような流体軸受を用いた精密制御定常震源においては、流体軸受を用いることによる種々の効果を奏することができるものであるが、通常の流体軸受は負荷容量に限界があり、現在運転している２０tonf級のＡＣＲＯＳＳと同程度のものを製造するのは困難であった。また、摩擦損失の少ない流体軸受であっても、更に摩擦損失の少ない、しかも安定して超寿命の流体軸受の開発が望まれている。

このような課題は、前記のような精密制御定常震源装置に限らず、大負荷で作動する機器や加振器のような大きな衝撃負荷を発生する機器においても、大きな負荷を受けるラジアル軸受では全て共通の課題として存在する。

そこで本発明は、従来の非対称負荷を支持する機械式ラジアル軸受の寿命を流体潤滑により長寿命化するとともに、一般的な流体軸受では支持することができないような大きな負荷でも安定して支持することができ、また、回転時における流体軸受の軸受損失を大幅に軽減させることができるとともに、小さな偏心で大きな負荷を支持できる非対称流体軸受を提供することにある。

そのために、本発明では、非対称負荷を与えるために片側の一部に切り欠き部を設ける回転軸の性質を利用し、その切り欠き部を軸受面の一部にも存在するように設け、回転することによって負荷が加わる側の軸受面面積を大きくし、反負荷側の軸受面積を小さくした非対称流体軸受を形成することによって、流体軸受の負荷の加わる側の軸受面積を反負荷側の軸受面積より大きくし、軸受面積を負荷方向に対し非対称とすることにより大きな負荷を支持でき、あわせて、回転時の軸受損失を低減することできる。

より具体的には、本発明の非対称流体軸受は、片側の一部に切り欠き部を設けることにより、回転時に非対称負荷を与える非対称シャフトを軸支するラジアル流体軸受において、前記非対称負荷を与える切り欠き部を前記流体軸受の軸受面内にも設け、切り欠きを設けない負荷側の軸受面より切り欠きを設ける反負荷側の軸受面を狭く形成したことを特徴とする。

また、本発明による他の非対称流体軸受は、前記切り欠きが、流体軸受の側方から該流体軸受の軸受面内に延びていることを特徴とする。

また、本発明による他の非対称流体軸受は、前記切り欠きは、流体軸受の中間部に形成したことを特徴とする。

また、本発明による他の非対称流体軸受は、前記非対称流体軸受が、精密制御定常震源に用いることを特徴とする。

本発明によると、以上の構成によれば、回転によって負荷の加わる側の流体軸受面積は、非対称負荷を発生させるために設ける回転軸の切り欠き部を単に軸受面内に拡張するのみで、負荷側の軸受面積を反負荷側の軸受面面積に比してより大きくすることができ、したがって負荷側と反負荷側との圧力の差によって支持力を発生する流体軸受は、反負荷側の圧力を発生する面積が小さことによる圧力の差がより大きくなり、高い負荷容量の流体軸受とすることができる。さらに、流体摩擦によって起こる軸受損失も反負荷側の軸受面面積の減少により低下させることができ、前記効果と相まって高負荷容量、低損失の流体軸受つすることができる。

本発明は、流体軸受の負荷容量を簡単な構成により増加させ、軸受損失を減少する課題を、片側の一部に切り欠き部を設けることにより、回転時に非対称負荷を与える非対称シャフトを軸支するラジアル流体軸受において、前記非対称負荷を与える切り欠き部を前記流体軸受の軸受面内にも設け、切り欠きを設けない負荷側の軸受面より切り欠きを設ける反負荷側の軸受面を狭く形成することにより実現する。

本発明による非対称流体軸受を前記精密制御定常震源（ＡＣＲＯＳＳ）に適用した例に基づいて説明する。図１は前記従来例として示したＡＣＲＯＳＳと同様の全体構成をなす装置を示しており、その概要は前記のとおりであるので、詳細な説明は省略するが、特に流体軸受部分の構成について述べると、この非対称シャフト１１には上方から順に第１切り欠き１２、第２切り欠き１３、第３切り欠き１４を形成しており、この非対称シャフト１１をカップリング１５を介してモータ１６で回転させるようにしている。この非対称シャフト１１は、その上部において第１切り欠き１２と第２切り欠き１３との間における、これらの切り欠きが設けられていない第１ランド部１７を中心として第１ラジアル流体軸受１８で支持され、その下部において第２切り欠き１３と第３切り欠き１４との間における、これらの切り欠きが設けられていない第２ランド部１９を中心として第２ラジアル流体軸受２０で支持されていると共に、各流体軸受間にはスペーサ２１を配置している。

各ラジアル流体軸受はケーシング２２内に収納され、非対称シャフト１１の下端部はスラスト流体軸受２３で支持している。また、ケーシング２２はその周囲を固定用ボルト２４によってホルダー２５に固定支持され、ホルダー２５の下端を加震部材２６に固定し、モータ１６の回転を精密制御し非対称シャフト１１を所定の回転数で回転をさせ、ロードセル２７で監視しながらその回転によって生じる振動を加震部材２６に与え、地中に振動を与えて震源として利用する点において、前記従来例と同様の構成をなしている。

本発明はこのようなＡＣＲＯＳＳにおいて、例えば上部の第１ラジアル流体軸受１８についてみると、第１切り欠き１２の下端部２８を第１ラジアル流体軸受１８の軸受面２９内まで下方に延長し、また第２切り欠き１３の上端部３０を軸受面２９内まで上方に延長しており、それによりこれらの切り欠きが形成されていない第１ランド部１７は従来のものより幅が狭くなっている。

下部の第２ラジアル流体軸受２０についても同様に、第２切り欠き１３の下端部３１を第２ラジアル流体軸受２０の軸受面３２内まで下方に延長し、また第３切り欠き１４の上端部３３を軸受面３２内まで上方に延長しており、それによりこれらの切り欠きが形成されていない第２ランド部１９は従来のものより幅が狭くなっている。

このようなラジアル流体軸受においては、非対称シャフト１１の回転時に負荷の小さなランド部が形成されている部分の軸受面積が狭く、反対側の切り欠きが設けられていない高負荷側の軸受面積が広い、非対称流体軸受が構成される。この非対称流体軸受において、第１ラジアル流体軸受１８部分を拡大し、模式的に示したのが図２であり、この構成は第２ラジアル流体軸受２０についても同様である。

図２において、非対称シャフト１１の図中左側の第１切り欠き１２が軸受面２９の内部にＬｃだけ延びており、第２切り欠き１３が同様に軸受面２９の内部にＬｃだけ延びていて、それにより低負荷側に形成される第１ランド部１７の表面としての軸受面の幅Ｌａは、その反対側の高負荷側の軸受面の幅Ｌｂより狭く形成されて、非対称流体軸受となっている。このように、非対称流体軸受の軸受面の幅の調整、即ち軸受面積の調整は、各切り欠きが軸受面に入り込む長さＬｃを調節することにより行うことができる。

この非対称流体軸受においては、環状に形成された流体供給路３４から複数個の孔３５により軸受面に圧力流体を供給するようにしている。この非対称流体軸受においては、負荷の状態に応じて切り欠きの深さ（Ｒ−Ｒｃ）、切り欠きが軸受面に入り込む長さ（Ｌｃ）、及び周方向の幅（切り欠き範囲の角度）を調節する。

図１及び図２に示す実施例においては、本発明による非対称流体軸受を形成するに際して、流体軸受の両側に配置される非対称シャフト形成用の切り欠きを延長することによって形成した例を示したが、それ以外に例えば図３に示すように、非対称シャフト３５における幅Ｌｄの流体軸受の中心部に、幅Ｌｅの切り欠き３６を設け、それによりこの切り欠き３６の両側に軸受面を形成している。このような軸受構成によっても、非対称シャフトを形成するための切り欠き３６を用いて、低負荷側が高負荷側より軸受面積の小さな、非対称軸受を構成することができ、各軸受面に給気孔３７から加圧流体を供給し、中央の排気孔３８から排気することによって所定の流体軸受の作動を行わせることができる。

図４は上記のような非対称流体軸受の軸方向圧力分布を模式的に示したもので、実線は負荷側の圧力分布、破線は反負荷側の圧力分布である。軸受反力は軸受面に作用する圧力に依存するから、反負荷側の軸受面積が小さく、圧力も低い非対称軸受の負荷容量は通常の対称形軸受に比べ飛躍的に向上する。また、軸受損失は軸受面積に比例するから、切り欠きを設けることにより、切り欠き面積に比例して軸受損失は減少する。

図５には従来の対称流体軸受と本発明の非対称流体軸受との偏心率に対する負荷容量の計算結果の比較を示す。この計算においては、本発明の非対称軸受として、給気構造はスロットル絞り形式で軸受面長さの半分が切り欠きになっている構造のものを用い、直径６０ｍｍ、軸受長さ1２０ｍｍ、給気圧力６ｋｇｆ／cm2、軸受すきま３０μｍである。非対称軸受の無回転状態では、軸受面積の差で生じる負荷容量分だけ切り欠きを設けた軸受面側に回転軸が偏って停止している。回転上昇により非対称構造を持つ回転軸に遠心力が働くため回転軸は、軸受中心を通り負荷側（切り欠きの無い側）に向かって移動していき、通常の対称軸受より偏心量を大きくとれるため大きな負荷を支持できることが分かる。

図６に従来の対称流体軸受と本発明の非対称流体軸受との偏心率に対する負荷容量の計算結果の比較を示す。計算における本発明の非対称軸受では、給気構造はスロットル絞り形式で軸受面長さの半分が切り欠きになっている構造で、直径６０ｍｍ、軸受長さ1２０ｍｍ、給気圧力６ｋｇｆ／cm2、軸受すきま３０μｍである。非対称軸受の無回転状態では、軸受面積の差で生じる負荷容量分だけ切り欠きを設けた軸受面側に回転軸が偏って停止している。回転上昇により非対称構造を持つ回転軸に遠心力が働くため回転軸は、軸受中心を通り負荷側（切り欠きのない側）に向かって移動していき、通常の対称軸受より偏心量を大きくとれるため大きな負荷を支持できることが分かる。

図６として示す表に２０tf級の精密制御定常震源について概略計算した本発明の非対称流体軸受と従来の対称流体軸受の負荷容量をほぼ同一としたときの軸受一個あたりの特性比較を示す。負荷容量を同一とすると、軸受流量で６０％の減少、軸受摩擦で４９％の減少であり、総動力でほぼ５０％低下できることがわかる。

上記実施例は本発明を精密制御定常震源に適用した例を示したが、それ以外に、大負荷で作動する機器や加振器のような大きな衝撃負荷を発生する機器のラジアル軸受として広範囲に用いることができる。

本発明による非対称流体軸受の実施例を適用した精密制御定常震源の断面図である。従来試作された流体軸受支持の２００kg級精密制御定常震源の構造。説明図である。 同実施例による非対称流体軸受の説明図である。 本発明による非対称流体軸受の他の実施例の説明図である。 本発明による非対称流体軸受の軸方向面内圧力の模式図である。 本発明の非対称流体軸受と従来の対称流体軸受の偏心率に対する負荷容量の比較を示すグラフである。 ２０tonf級ＡＣＲＯＳＳに、従来型軸受と本発明による非対称軸受を適用した際の比較結果を示す表である。 従来製作された２００kgf級精密制御定常震源の断面図である。

符号の説明

１１ 非対称シャフト
１２ 第１切り欠き
１３ 第２切り欠き
１４ 第３切り欠き
１５ カップリング
１６ モータ
１７ 第１ランド部
１８ 第１ラジアル流体軸受
１９ 第２ランド部
２０ 第２ラジアル流体軸受
２１ スペーサ
２２ ケーシング
２３ スラスト流体軸受
２４ 固定用ボルト
２５ ホルダー
２６ 加震部材
２７ ロードセル
２８ 第１切り欠き１２の下端部
２９ 軸受面
３０ 第２切り欠き１３の上端部
３１ 第２切り欠き１３の下端部
３２ 軸受面
３３ 第３切り欠き１３の上端部

Claims (4)

1. 片側の一部に切り欠き部を設けることにより、回転時に非対称負荷を与える非対称シャフトを軸支するラジアル流体軸受において、
   前記非対称負荷を与える切り欠き部を前記流体軸受の軸受面内にも設け、切り欠きを設けない負荷側の軸受面より切り欠きを設ける反負荷側の軸受面を狭く形成したことを特徴とする非対称流体軸受。
2. 前記切り欠きは、流体軸受の側方から該流体軸受の軸受面内に延びていることを特徴とする請求項１記載の非対称流体軸受。
3. 前記切り欠きは、流体軸受の中間部に形成したことを特徴とする請求項１記載の非対称流体軸受。
4. 前記非対称流体軸受は、精密制御定常震源に用いることを特徴とする請求項１記載の非対称流体軸受。