JP4903474B2

JP4903474B2 - ポンプ装置用のすべり軸受装置およびポンプ装置

Info

Publication number: JP4903474B2
Application number: JP2006096211A
Authority: JP
Inventors: 裕紀原; 圭介永岡; 雅史井上
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007270931A

Description

本発明は、例えば無注水のドライ状態と水によって潤滑される注水状態との両方の状態で使用されるポンプ装置用のすべり軸受装置、および、このすべり軸受装置を備えた立軸ポンプ装置や立軸斜流ポンプ装置或いは横軸斜流ポンプ装置等のポンプ装置に関する。

従来、ポンプ装置に用いられるすべり軸受装置としては、例えば図６，図７に示すものがある（下記特許文献１参照）。ポンプ装置のケーシング内に固定部材８０が設けられ、固定部材８０には、金属製で円筒状の軸受ハウジング８１が固定されている。軸受ハウジング８１の中央に形成された貫通孔８３の内側には、円筒状の緩衝部材８４を介して、軸受体８５が設置されている。軸受体８５は、円筒状の軸受シェル８６と摺接部材８７とで構成されている。摺接部材８７は、セラミックスなどの高硬度材製であり、軸受シェル８６の内側に圧入固定されている。摺接部材８７の内周面とポンプ装置の回転軸８８の外周面とが摺接する。

尚、緩衝部材８４の材質としては、一般に、フッ素ゴムやＮＢＲ（ニトリルゴム）等が使用されている。一般的なフッ素ゴムやＮＢＲのデュロメータ硬さはＡ４０〜Ａ９０程度である。また、緩衝部材８４には、軸方向に沿って直線状の貫通孔９２が複数形成される場合があり、この場合、貫通孔９２によって緩衝部材８４のバネ定数が所定の値に調整される。

これによると、回転軸８８が所定の回転方向Ａに回転すると、回転軸８８の外周面が摺接部材８７の内周面に摺接する。
このようなすべり軸受装置９３を備えたポンプ装置として、例えば、先行待機運転を行う縦軸ポンプ装置がある。このような先行待機型の縦軸ポンプ装置の運転様式として、通常の揚水運転時においては、自揚水によってすべり軸受装置９３が潤滑および冷却される。また、ドライ運転時においては、すべり軸受装置９３は上記自揚水による潤滑および冷却が中断された状態になる。このドライ運転時においては、自揚水による潤滑作用が発揮されないため、すべり軸受装置９３に対する回転軸８８の摺動抵抗や磨耗量が増大することがある。
特開２００２−２６６７９２

しかしながら、上記の従来形式では、上記軸受体８５は緩衝用ゴム８４を介して軸受ハウジング８１に固定されるため、経年変化等によって回転軸８８と摺接部材８７との摩擦抵抗が増加すると、図８に示すように、ドライ運転時に回転軸８８が所定の回転方向Ａへ回転しながら軸受体８５の摺接部材８７の内周面に接触した際、上記回転軸８８は、回転方向Ａとは逆向きの反発力Ｂを受け、矢印Ｃで示すように摺接部材８７内で所定の回転方向Ａとは逆向きにジャンプし、再び上記摺接部材８７の内周面に衝突する。回転軸８８が摺接部材８７内で上記のようなジャンプと衝突とを繰り返すことにより、振動（以下、振れ回り振動と記載）が発生するといった問題があった。

尚、上記図８は、回転軸６２の振れ回り振動を解り易く説明するために、回転軸８８の外径に対して摺接部材８７の内径を極端に大きく誇張して描いた模式図であり、実際には、摺接部材８７の内径は回転軸８８の外径よりも僅かに大きく形成されており、回転軸８８の外周面と摺接部材８７の内周面との間に形成される隙間９４は微小なものである。

上記緩衝部材８４の材質であるフッ素ゴムやＮＢＲは反発弾性係数が高い（一般に反発弾性係数＝７０〜９５％程度）ため、摺接部材８７内での回転軸８８のジャンプと衝突とが加速され、上記振れ回り振動を緩衝部材８４で十分に吸収することは難しかった。

この対策として、図７に示すように、緩衝部材８４に貫通孔９２を形成することにより（或いはゴムの配合を調整することにより）、緩衝部材８４のバネ定数を小さくして、緩衝部材８４を径方向に変位し易くすることが考えられる。これによると、回転軸８８が摺接部材８７内でジャンプし摺接部材８７の内周面に衝突した際、緩衝部材８４が径方向に変位して逃げるため、回転軸８８がジャンプする現象を軽減でき、振れ回り振動が低減するといった効果が期待される。

しかしながら、上記のように緩衝部材８４に貫通孔９２を形成する等して緩衝部材８４を単に軟らかくした場合、振れ回り振動の低減は期待されるが、その反面、緩衝部材８４が径方向Ｒａに変位し易くなるため、回転軸８８が軸受体８５を押す力によって、軸受体８５が径方向Ｒａへ過大に変位し、回転軸８８の径方向Ｒａへのぶれが規定内よりも増大してしまうといった問題がある。

本発明は、回転軸の径方向へのぶれを大きくせずに、回転軸の振れ回り振動を低減することが可能なポンプ装置用のすべり軸受装置およびポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本第１発明は、無注水のドライ状態と水によって潤滑される注水状態との両方の状態で使用されるポンプ装置用のすべり軸受装置であって、
回転軸の外周面に摺接して回転軸を回転自在に保持する軸受体がハウジングに嵌め込まれ、
ハウジングと軸受体との間に緩衝部材が設けられ、
緩衝部材のデュロメータ硬さをＡ１５〜Ａ９５にし且つ反発弾性係数を６５％以下にして、回転軸の径方向へのぶれを大きくせずに回転軸の振れ回り振動を低減するものである。

これによると、回転軸が回転した場合、回転軸の外周面が軸受体に摺接し、これにより、回転軸がすべり軸受装置によって保持される。
緩衝部材はデュロメータ硬さがＡ１５〜Ａ９５で且つ反発弾性係数が６５％以下であるため、緩衝部材の硬さが一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの硬さとほぼ同等であるとともに、緩衝部材の反発弾性係数が一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの反発弾性係数よりも小さい。

このように、緩衝部材の反発弾性係数が一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの反発弾性係数よりも小さいことにより、回転軸が軸受体に衝突した際の衝突エネルギーの多くは、主に熱エネルギーとして緩衝部材に吸収される。これにより、軸受体が回転軸を押し戻すエネルギーが減少するため、回転軸が軸受体内でジャンプする現象が軽減され、振れ回り振動を低減することができる。すなわち、上記反発弾性係数が小さいことは、振動を減衰させる効果が大きいことを意味する。

また、上記のように緩衝部材の硬さが一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの硬さとほぼ同等であるため、軸受体が径方向へ過大に変位してしまうことは抑制され、これにより、回転軸の径方向へのぶれを規定内に保つことができる。

また、本第２発明は、緩衝部材はデュロメータ硬さがＡ２５〜Ａ８５で且つ反発弾性係数が５０％以下であるものである。
これによると、振れ回り振動を低減する効果と回転軸の径方向へのぶれを低減する効果とがより一層向上する。

また、本第３発明は、軸受体は回転軸に摺接自在な筒状の軸受側摺接部材を有し、
軸受側摺接部材が回転軸に外嵌されているものである。
これによると、回転軸が回転した場合、回転軸の外周面が軸受体の軸受側摺接部材に摺接し、これにより、回転軸がすべり軸受装置によって保持される。

また、本第４発明は、軸受体は回転軸に摺接自在な軸受側摺接部材を有し、
軸受側摺接部材は、周方向に所定間隔をあけて配置された複数のセグメントからなるものである。

これによると、回転軸が回転した場合、回転軸の外周面が軸受体の各セグメントに摺接し、これにより、回転軸がすべり軸受装置によって保持される。
また、軸受側摺接部材を複数のセグメントで構成することにより、筒状の軸受側摺接部材を用いる場合と比べて、硬度の高い高価な材料の使用量を削減することができる。さらに、摺接面の加工工数を低減することも可能となる。

また、本第５発明は、上記第１発明から第４発明のいずれか１項に記載のポンプ装置用のすべり軸受装置を備えたことを特徴とするポンプ装置である。
これによると、回転軸の径方向へのぶれを規定内に保つことができるため、回転軸に設けられた羽根車がポンプケーシングに接触する等の不具合を防止することができる。

以上のように本発明によると、回転軸の径方向へのぶれを低減することと振れ回り振動を低減することを両立することができる。

以下、本発明における第１の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１に示すように、１は先行待機運転が行える立軸斜流ポンプ装置（ポンプ装置の一例）であり、ポンプケーシング２の下端に吸込口３が形成されている。ポンプケーシング２内には主軸である回転軸４が挿通されており、回転軸４の下端に羽根車５が設けられている。上記回転軸４は上下複数のすべり軸受装置１１〜１３によって回転自在に支持されている。これらすべり軸受装置１１〜１３はそれぞれポンプケーシング２内の円筒状の固定部材６に設けられている。また、上記吸込口３に空気を吸気する吸気管１４が設けられ、この吸気管１４は気水切替装置（図示せず）によって開閉されるように構成されている。尚、上記立軸斜流ポンプ１は、羽根車５が回転して水を吸い上げる揚水運転と、羽根車５が回転しているが水を吸い上げないドライ運転の運転パターンが選定できるものである。

図２，図３に示すように、上記回転軸４は、軸本体４ａと、軸受箇所において軸本体４ａに外嵌された円筒状の軸側スリーブ４ｂと、軸側スリーブ４ｂの外周面に全周にわたって形成された軸側摺接部４ｃとで構成されており、固定部材６を貫通している。

上記すべり軸受装置１１は以下のように構成されている。
すべり軸受装置１１は、回転軸４を回転自在に保持する円筒状の軸受体１５と、軸受体１５の径方向外側に配置された金属製の円筒状のハウジング１６とを有している。軸受体１５はハウジング１６に嵌め込まれており、軸受体１５とハウジング１６との間には円筒状の緩衝部材１７が設けられている。

上記軸受体１５は、金属製の円筒状のシェル２１と、シェル２１の内周側に嵌め込まれて一体的に取付けられた円筒状の軸受側摺接部材２０とで構成されている。シェル２１は、円筒状の嵌め込み部２１ａと、嵌め込み部２１ａの上端から径方向外側へ張り出した鍔部２１ｂとで構成されている。また、軸受側摺接部材２０は、セラミック製や樹脂製であり、回転軸４に外嵌されており、内周面が回転軸４の軸側摺接部４ｃに摺接自在である。

また、ハウジング１６は、固定部材６の上部に設けられており、固定部材６の軸受挿通孔６ａに嵌め込まれる円筒部１６ａと、円筒部１６ａの上端から径方向外側へ張り出したフランジ部１６ｂとで構成されている。上記フランジ部１６ｂは、固定部材６の上端部と、軸受体１５の上方を覆うカバー部材２５との間に挟まれており、複数のボルト２６によってカバー部材２５と共に固定部材６の上端部に取付け固定されている。

また、シェル２１の鍔部２１ｂとカバー部材２５との間に一方の滑り板２２ａが介在し、さらに、上記鍔部２１ｂとハウジング１６との間に他方の滑り板２２ｂが介在している。

また、上記緩衝部材１７は、減衰性の高いゴムを材質としており、デュロメータ硬さがＡ１５〜Ａ９５で且つ反発弾性係数が６５％以下のものが用いられる。尚、上記硬さはＪＩＳＫ６２５３に規定されているものである。また、上記反発弾性係数はリュプケ式に基いて得られるものである。

以上がすべり軸受装置１１の構成であり、他のすべり軸受装置１２，１３も同様に構成されており、このうち、すべり軸受装置１２は上下反対に設けられている。
以下、上記構成における作用を説明する。

回転軸４が所定の回転方向Ａに回転した場合、回転軸４の軸側摺接部４ｃの外周面が軸受体１５の軸受側摺接部材２０の内周面に摺接し、これにより、回転軸４が各すべり軸受装置１１〜１３によって保持される。

緩衝部材１７はデュロメータ硬さがＡ１５〜Ａ９５で且つ反発弾性係数が６５％以下の減衰性の高いゴムであるため、緩衝部材１７の硬さが一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの硬さ（＝Ａ４０〜Ａ９０程度）とほぼ同等であるとともに、緩衝部材１７の反発弾性係数が一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの反発弾性係数（＝７０〜９５％程度）よりも小さい。

このように、緩衝部材１７の反発弾性係数が一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの反発弾性係数よりも小さいことにより、回転軸４が軸受体１５の軸受側摺接部材２０に衝突した際の衝突エネルギーの多くは、主に熱エネルギーとして緩衝部材１７に吸収される。これにより、軸受体１５が回転軸４を押し戻すエネルギーが減少するため、回転軸４が軸受体１５内でジャンプする現象は軽減され、緩衝部材１７が極端に硬い場合を除いて、振れ回り振動を低減することができる。

また、上記のように緩衝部材１７の硬さが一般的なフッ素ゴムやＮＢＲの硬さとほぼ同等であるため、軸受体１５が径方向Ｒａへ過大に変位してしまうことは抑制され、これにより、回転軸４の径方向Ｒａへのぶれを規定内に保つことができる。これにより、羽根車５がポンプケーシング２に接触する等の不具合を防止することができる。

下記表１は実験結果の一例であり、緩衝部材１７のゴムの様々な硬さと反発弾性係数とに対する回転軸４のぶれと振動の有無とを示している。また、図４は、下記表１の結果に基いて、緩衝部材１７の硬さと反発弾性係数との最適な範囲を示したグラフであり、このグラフの点線Ｉで囲まれた部分がデュロメータ硬さＡ１５〜Ａ９５で且つ反発弾性係数６５％以下の範囲を示している。

これによると、デュロメータ硬さＡ１５〜Ａ９５且つ反発弾性係数６５％以下の範囲では、軸ぶれが規定値内に収まるとともに、軸振動（振れ回り振動）の発生が抑制される効果が得られる。尚、硬さがＡ１５よりも低いと、緩衝部材１７が軟らか過ぎて、軸ぶれが規定値より増大してしまう。また、反発弾性係数が６５％より高くなると、軸振動（振れ回り振動）が発生してしまう。尚、反発弾性係数６５％以下であっても、デュロメータ硬さがＡ１００と極端に硬い場合には、軸振動が発生してしまう。

上記第１の実施の形態では、図３に示すように、軸受側摺接部材２０が円筒状に形成されているが、第２の実施の形態では、図５に示すように、軸受側摺接部材２０は周方向Ｒｂに所定間隔をあけて配置された複数のセグメント２０ａからなる。

これによると、回転軸４が回転した場合、回転軸４の軸側摺接部４ｃの外周面が軸受体１５の各セグメント２０ａに摺接し、これにより、回転軸４が各すべり軸受装置１１〜１３によって保持される。

また、軸受側摺接部材２０を複数のセグメント２０ａで構成することにより、上記第１の実施の形態で示した円筒状の軸受側摺接部材２０（図３参照）を用いる場合と比べて、硬度の高い高価な材料の使用量を削減することができる。さらに、摺接面の加工工数を低減することも可能となる。

上記各実施の形態では、緩衝部材１７として、図４のグラフの点線Ｉで示すように、デュロメータ硬さがＡ１５〜Ａ９５で且つ反発弾性係数が６５％以下の弾性体（ゴム等）を採用しているが、望ましくは、点線Ｊで示すように、デュロメータ硬さがＡ２０〜Ａ９０で且つ反発弾性係数が６０％以下の弾性体を使用するのがよく、さらに望ましくは、点線Ｋで示すように、デュロメータ硬さがＡ２５〜Ａ８５で且つ反発弾性係数が５０％以下の弾性体を使用するのがよい。これによると、振れ回り振動を低減する効果と回転軸４の径方向Ｒａへのぶれを低減する効果とがより一層向上する。

上記各実施の形態では、緩衝部材１７の材質としてゴムを使用しているが、ゴムに限定されるものではなく、ゴム以外の弾性体を使用してもよい。
上記各実施の形態では、図１に示すように、ポンプ装置の一例として立軸斜流ポンプ装置１を挙げたが、他の形式のポンプ装置であってもよい。

上記各実施の形態では、図２に示すように、回転軸４を軸本体４ａと軸側スリーブ４ｂと軸側摺接部４ｃとで構成しているが、軸本体４ａに軸側スリーブ４ｂと軸側摺接部４ｃとを設けず、回転軸４を軸本体４ａのみで構成し、軸本体４ａを直接軸受側摺接部材２０やセグメント２０ａに摺接させてもよい。

本発明の第１の実施の形態におけるすべり軸受装置を備えたポンプ装置の縦断面図である。同、すべり軸受装置の縦断面図である。図２におけるＸ−Ｘ矢視図である。同、すべり軸受装置の緩衝部材の硬度と反発弾性係数との最適な範囲を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態におけるすべり軸受装置の横断面図である。従来のすべり軸受装置の縦断面図である。同、すべり軸受装置の平面図の一部分である。同、振れ回り振動を説明するための回転軸と軸受体との横断面図である。

符号の説明

１立軸斜流ポンプ装置（ポンプ装置）
４回転軸
６固定部材
１１〜１３すべり軸受装置
１５軸受体
１６ハウジング
１７緩衝部材
２０軸受側摺接部材
２０ａセグメント
Ｒｂ周方向

Claims

無注水のドライ状態と水によって潤滑される注水状態との両方の状態で使用されるポンプ装置用のすべり軸受装置であって、
回転軸の外周面に摺接して回転軸を回転自在に保持する軸受体がハウジングに嵌め込まれ、
ハウジングと軸受体との間に緩衝部材が設けられ、
緩衝部材のデュロメータ硬さをＡ１５〜Ａ９５にし且つ反発弾性係数を６５％以下にして、回転軸の径方向へのぶれを大きくせずに回転軸の振れ回り振動を低減することを特徴とするポンプ装置用のすべり軸受装置。
緩衝部材はデュロメータ硬さがＡ２５〜Ａ８５で且つ反発弾性係数が５０％以下であることを特徴とする請求項１記載のポンプ装置用のすべり軸受装置。
軸受体は回転軸に摺接自在な筒状の軸受側摺接部材を有し、
軸受側摺接部材が回転軸に外嵌されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のポンプ装置用のすべり軸受装置。
軸受体は回転軸に摺接自在な軸受側摺接部材を有し、
軸受側摺接部材は、周方向に所定間隔をあけて配置された複数のセグメントからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のポンプ装置用のすべり軸受装置。
上記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のポンプ装置用のすべり軸受装置を備えたことを特徴とするポンプ装置。