JP5440792B2 - 縦型バランス計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動抑制機能を備えた縦型バランス計測装置に関する。

図１は、従来の縦型バランス計測装置の模式図である。この図において、１は被検査物である回転軸、２は空気軸受、３は軸受マウント、４はマウント支持バネ、５は原点センサ、６は変位センサ、７は信号処理装置である。
回転軸１は、図で上端に羽根車１ａを有し、その一部に原点マーキングＭが設けられ、これを原点センサ５で検出して羽根車１ａの回転位置（方位）と回転速度を検出する。

縦型バランス計測装置は、回転軸１の軸心を鉛直に保持して、軸受マウント３に設けられた空気軸受２で回転可能に支持し、さらに軸受マウント３をマウント支持バネ４で支持する構造となっている。回転軸１が回転することで発生する振動は、軸受マウント３を介してマウント支持バネ４に伝わり、これを変位させる。この変位を変位センサ６（ピックアップ）で検出し、信号処理装置７で演算することでアンバランの量と方位を求めるようになっている。

なお、かかる縦型バランス計測装置は、例えば特許文献１に開示されている。

特公平０４−４０６５０号公報、「つりあい試験方法および装置」

図２は、本発明が対象とする回転軸１の説明図である。なおこの図は、小型車両用過給機に組み込まれ他端にコンプレッサインペラ８が取り付けられた状態を示している。

回転軸１は、同軸かつ順に間隔を隔てて配置されている羽根車１ａ、軸シール用のシール円板１ｂ、ラジアル支持用の第１円筒部１ｃ及び第２円筒部１ｄを有する。
羽根車１ａは、例えばタービンインペラであり、回転軸１に一体に形成されている。
シール円板１ｂは、羽根車１ａに向かう潤滑油を遠心力で飛散させ、かつ軸受ハウジングとの間で潤滑油の洩れをシールする。
第１円筒部１ｃ及び第２円筒部１ｄは、軸受ハウジングに設けられたラジアル軸受により支持される。
また、回転軸１に作用するスラストは、軸受ハウジングに設けられたスラスト軸受９により支持される。

図３（Ａ）は、従来の縦型バランス計測装置における軸受マウント３の構造図である。この図において、軸受マウント３は、図２の回転軸１に対応して、スラスト給気孔３ａ、ラジアル給気孔３ｂ，３ｃ、及び排気孔３ｄ，３ｅを有する。
スラスト給気孔３ａは、シール円板１ｂの下面に加圧空気を供給して上向きのスラスト力を発生させ、シール円板１ｂの下面にスラスト空気軸受を形成する。
ラジアル給気孔３ｂ，３ｃは、ラジアル支持用の第１円筒部１ｃ及び第２円筒部１ｄに加圧空気を供給して半径方向のラジアル力を発生させ、第１円筒部１ｃ及び第２円筒部１ｄとの間にラジアル空気軸受を形成する。
排気孔３ｄ，３ｅは、ラジアル給気孔３ｂ，３ｃから出た加圧空気がシール円板１ｂ側に回り込むのを防ぐために設けられている。

空気軸受２（ラジアル空気軸受）は給気口から加圧空気を供給し、軸との間に形成された圧力勾配で軸を保持するものである。
また、図１に示した従来の縦型バランス計測装置では、空気軸受２が剛であればあるほどマウント支持バネ４の変位量が大きくなるため、計測精度が良くなる。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ部の模式図である。この図に模式的に示すように、シール円板１ｂの下面に発生する圧力Ｐ１によりシール円板１ｂの下面にスラスト空気軸受が形成され、この圧力Ｐ１は、面積×圧力で定まるスラスト力が回転軸１の自重と一致する値となる。
また、ラジアル空気軸受と同様にスラスト空気軸受の場合も、供給する加圧空気の圧力Ｐ０を高くするほど空気軸受の軸受剛性を高めることができる。すなわち、図３（Ｂ）の状態から回転軸１を押し下げてスラスト給気孔３ａとの隙間を小さくするとシール円板１ｂの下面に発生する圧力Ｐ１が上昇し（圧力Ｐ０に近くなり）、シール円板１ｂに作用するスラスト力が増大する。逆に図３（Ｂ）の状態から回転軸１を押し上げてスラスト給気孔３ａとの隙間を大きくするとシール円板１ｂの下面に発生する圧力Ｐ１が低下し（外気圧に近くなり）、シール円板１ｂに作用するスラスト力が低下する。

上述したように、縦型バランス計測装置におけるスラスト空気軸受は、シール円板１ｂの下面に発生する圧力Ｐ１による上向きのスラスト力と回転軸１の自重との釣り合いによるものである。

しかし実際には、回転軸１は浮き上がり（スラスト給気孔３ａとの隙間）を大きくすることで重力とバランスするので、見かけ上弱いバネで支えられた状態となり、固有振動数が低くなる。このような状態で何らかの外乱があると回転軸１の下方への移動でスラスト給気孔３ａを塞ぎ、給気孔上流の配管内圧を上昇させ、これによってまた回転軸１を高く持ち上げ、この勢いで落下した回転軸１がスラスト給気孔３ａを塞ぐといった繰り返しに至る。

この自励振動は軸受（軸受マウント３の上面）と軸（シール円板１ｂの下面）を接触させるため、変位センサ６（ピックアップ）に衝撃力が入り、センシング精度を低下させる問題点があった。
またこの接触によってラジアル空気軸受、スラスト空気軸受ともに軸受摩耗を引き起こし、軸受隙間が大きくなり、さらに精度を低下させる非常に振動しやすい状態となる問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、縦型バランス計測装置に外乱が作用して、スラスト空気軸受の釣り合い位置から回転軸が上下動した場合でも、回転軸の自励振動を抑制して短時間に釣り合い位置に戻すことができる縦型バランス計測装置を提供することにある。

本発明によれば、羽根車、軸シール用のシール円板、ラジアル支持用の円筒部が同軸かつ順に間隔を隔てて配置されている回転軸をその軸心を鉛直に保持して回転させ、そのアンバランスの量と方位を求める縦型バランス計測装置であって、
前記シール円板の下面に向けてスラスト支持用の加圧空気を供給するスラスト給気孔を有する軸受マウントと、
前記スラスト給気孔に前記加圧空気を供給する加圧空気源と、
前記スラスト給気孔と前記加圧空気源との間に設けられた空気たまりと、を備える、ことを特徴とする縦型バランス計測装置が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記空気たまりの容積は、前記スラスト給気孔の全閉時に空気たまりの内圧がその最高圧に達するまでの遅延時間が、前記回転軸が上下動する固有周期の１／４を超えるように設定されている。

上記本発明の構成によれば、軸受マウントに設けられたスラスト給気孔と加圧空気源との間に空気たまりを有するので、スラスト空気軸受の隙間（シール円板の下面とスラスト給気孔との間隔）が狭くなっても、空気たまりの存在により空気たまり内の圧力は加圧空気源より低く維持されるので、スラスト給気孔内及びシール円板の下面の急激な圧力上昇を抑制できる。従って、スラスト空気軸受のみかけのバネ定数を低くでき、回転軸のジャンプが少なくなり、自励振動を抑制できる。

従って、縦型バランス計測装置に外乱が作用して、スラスト空気軸受の釣り合い位置から回転軸が上下動した場合でも、回転軸の自励振動を抑制して短時間に釣り合い位置に戻すことができ、軸受け寿命を延ばし、計測精度を向上させることができる。

従来の縦型バランス計測装置の模式図である。 本発明が対象とする回転軸の説明図である。 従来の縦型バランス計測装置における軸受マウントの構造図（Ａ）とそのＡ部の模式図（Ｂ）である。 本発明による縦型バランス計測装置の構成図である。 本発明の縦型バランス計測装置の作動説明図である。

本発明を実施するための実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図４は、本発明による縦型バランス計測装置の構成図である。
本発明の縦型バランス計測装置は、図２に示した回転軸１を検査対象とする。すなわち、本発明の縦型バランス計測装置が検査対象とする回転軸１は、羽根車１ａ、軸シール用のシール円板１ｂ、ラジアル支持用の円筒部１ｃ，１ｄが同軸かつ順に間隔を隔てて配置されている。
なお、この例において、ラジアル支持用の円筒部１ｃ，１ｄは、ラジアル支持用の第１円筒部１ｃと第２円筒部１ｄであるが、円筒部１ｃ，１ｄが一体であってもよい。

本発明の縦型バランス計測装置は、回転軸１をその軸心を鉛直に保持して回転させ、そのアンバランスの量と方位を求める縦型バランス計測装置であり、その全体構成は、図１の模式図と同じである。

本発明の縦型バランス計測装置は、回転軸１をその軸心を鉛直に保持して支持する軸受マウント１０を備える。
この場合、回転軸１は、羽根車１ａが上になるように、軸受マウント１０の軸線に沿って設けられた中心孔に上方から挿入する。

図４において、本発明の軸受マウント１０は、全体として軸線に沿って設けられた中心孔を有する中空円筒部材であり、その内部にスラスト給気孔１１ａ、ラジアル給気孔１１ｂ，１１ｃ、スラスト側排気孔１１ｄ、及びラジアル側排気孔１１ｅを有する。
なお、この図で軸受マウント１０の上端部にフランジを有するが、これは必須ではない。

スラスト給気孔１１ａは、軸受マウント１０の内部を通り、その上端から鉛直上向きに開口した孔であり、羽根車１ａの円形端面１ｅの下面に向けてスラスト支持用の加圧空気を供給する。スラスト給気孔１１ａは、軸受マウント１０の軸線を中心として周方向に均等に複数（例えば、４〜８個）が設けられている。

ラジアル給気孔１１ｂ，１１ｃは、軸受マウント１０の内部を通り、その内端から中心孔に半径方向内向きに開口した孔であり、ラジアル支持用の円筒部１ｃ，１ｄに向けて加圧空気を供給する。ラジアル給気孔１１ｂ，１１ｃは、軸受マウント１０の軸線を中心として周方向に均等に複数（例えば、４〜８個）が設けられている。

スラスト側排気孔１１ｄは、スラスト給気孔１１ａと上側のラジアル給気孔１１ｂの間に位置し、その間から加圧空気を排気する。なおこの例では、スラスト側排気孔１１ｄはスラスト給気孔１１ａと同じ位置（高さ）にあるが、スラスト給気孔１１ａより下側であってもよい。

ラジアル側排気孔１１ｅは、この例で、ラジアル支持用の第１円筒部１ｃと第２円筒部１ｄの間に位置し、その間から加圧空気を排気する。この例では、ラジアル側排気孔１１ｅは、第１円筒部１ｃと第２円筒部１ｄの中間位置にあり、上下のラジアル給気孔１１ｂ，１１ｃから供給される加圧空気により中心孔内の圧力が上昇しないように、十分大きく設定されている。

図４において、本発明の縦型バランス計測装置は、さらに加圧空気源１２、及び空気たまり１４を備える。

加圧空気源１２は、軸受マウント１０のスラスト給気孔１１ａに所定の圧力Ｐ０の加圧空気を供給する。所定の圧力Ｐ０は、加圧空気源１２から軸受マウント１０までの配管圧損を考慮してスラスト給気孔１１ａにおける加圧空気の圧力Ｐ１より十分高く設定されている。

空気たまり１４は、スラスト給気孔１１ａと加圧空気源１２との間に設けられた中空容器である。また加圧空気源１２と空気たまり１４、及び空気たまり１４とスラスト給気孔１１ａは、それぞれ配管１３、１５で連結されている。

なお、空気たまり１４とスラスト給気孔１１ａを連結する配管１５は、軸受マウント１０の振動に影響を与えないように、剛性の低いフレキシブルチューブである。
同様に、ラジアル給気孔１１ｂ，１１ｃにも、図示しないそれぞれ独立したフレキシブルチューブを介して、空圧源から加圧空気が供給される。

また、各給気孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃに供給する加圧空気の圧力はそれぞれ独立して制御できるようになっている。

本発明において空気たまり１４の容積は、以下のように設定されている。
回転軸１が上下動する固有周期を予め計測又は計算する。固有周期は、スラスト給気孔１１ａにおける加圧空気の圧力Ｐ１により変化するが、そのうち最大となる固有周期を以下Ｔとする。
空気たまり１４の容積は、スラスト給気孔１１ａの全閉時に空気たまり１４の内圧がその最高圧に達するまでの遅延時間Ｔ２が、固有周期Ｔの１／４を超えるように設定するのがよい。空気たまり１４の最高圧は、加圧空気源１２の圧力Ｐ０又はこれに近い圧力である。
さらに、空気たまり１４の容積は、スラスト給気孔１１ａの全開時に空気たまり１４の内圧がその最低圧に達するまでの遅延時間Ｔ３が、固有周期Ｔの１／４を超えるように設定するのがよい。空気たまり１４の最低圧は、大気圧又はこれに近い圧力である。

図５は、本発明の縦型バランス計測装置の作動説明図である。この図において、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は本発明の例である。

従来例（Ａ）では、加圧空気源とスラスト給気孔３ａとが直接剛性の低いフレキシブルチューブで連結されていた。このフレキシブルチューブは内径が小さいため、圧力損失は比較的大きい。そのため、スラスト給気孔３ａにおける圧力をＰ１とすると、加圧空気源からスラスト給気孔３ａまでの圧力分布は、模式的に図５（Ａ）の実線で示すようになる。

図５（Ａ）の実線の状態において、スラスト給気孔３ａが全閉となると、フレキシブルチューブ内の空気流れがなくなるため、スラスト給気孔３ａ内の圧力は加圧空気源の圧力Ｐ０まで破線で示すように上昇する。また逆に、スラスト給気孔３ａが全開となると、大気開放されて、スラスト給気孔３ａ内の圧力は大気圧０まで下降する。
従って、従来例（Ａ）では、外乱が作用して、スラスト空気軸受の釣り合い位置から回転軸１が上下動した場合に、スラスト給気孔３ａ内の圧力Ｐ１は、加圧空気源の圧力Ｐ０と大気圧０の間で、上下動することになる。

また、従来例（Ａ）では、フレキシブルチューブの内容積が小さいため、上記圧力変化における遅れは小さい。そのため、回転軸１の上下動に対応して元の位置に戻そうとする力が強く作用するため、上下動を繰り返す自励振動が発生しやすかった。

これに対し、本発明の例（Ｂ）では、加圧空気源１２とスラスト給気孔１１ａとの間に空気たまり１４を有するので、空気たまり１４における圧力をＰ２とすると、加圧空気源１２からスラスト給気孔３ａまでの圧力分布は、模式的に図５（Ｂ）の実線で示すようになる。

図５（Ｂ）の実線の状態において、スラスト給気孔１１ａが全閉となると、フレキシブルチューブ内の空気流れがなくなるため、スラスト給気孔１１ａ内の圧力は空気たまり１４の圧力Ｐ２まで破線で示すように上昇する。また逆に、スラスト給気孔１１ａが全開となると、大気開放されて、スラスト給気孔１１ａ内の圧力は大気圧０まで下降する。
従って、本発明の例（Ｂ）では、外乱が作用して、スラスト空気軸受の釣り合い位置から回転軸１が上下動した場合に、スラスト給気孔１１ａ内の圧力は、空気たまり１４の圧力Ｐ２と大気圧０の間で、上下動することになり、従来例（Ａ）と比較すると、圧力の変動幅が小さくなる。

さらに、上述のように、空気たまり１４の容積は、スラスト給気孔１１ａの全閉時に空気たまり１４内が最高圧に達するまでの遅延時間Ｔ２が、固有周期Ｔの１／４を超えるように設定しているので、上記圧力変化における遅れを固有周期Ｔの１／４以上にすることができる。
そのため、スラスト給気孔１１ａ内及びシール円板１ｂの下面の急激な圧力上昇を抑制できる。従って、スラスト空気軸受のみかけのバネ定数を低くでき、回転軸１のジャンプが少なくなり、自励振動を抑制できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 回転軸、１ａ 羽根車、１ｂ シール円板、
１ｃ 第１円筒部、１ｄ 第２円筒部、
２ 空気軸受、３ 軸受マウント、
３ａ スラスト給気孔、３ｂ，３ｃ ラジアル給気孔、
３ｄ，３ｅ 排気孔、４ マウント支持バネ、
５ 原点センサ、６ 変位センサ、７ 信号処理装置、
８ コンプレッサインペラ、９ スラスト軸受、
１０ 軸受マウント、１１ａ スラスト給気孔、
１１ｂ，１１ｃ ラジアル給気孔、
１１ｄ スラスト側排気孔、１１ｅ ラジアル側排気孔、
１２ 加圧空気源、１３ 配管、
１４ 空気たまり、１５ 配管（フレキシブルチューブ）

Claims (2)

1. 羽根車、軸シール用のシール円板、ラジアル支持用の円筒部が同軸かつ順に間隔を隔てて配置されている回転軸をその軸心を鉛直に保持して回転させ、そのアンバランスの量と方位を求める縦型バランス計測装置であって、
   前記シール円板の下面に向けてスラスト支持用の加圧空気を供給するスラスト給気孔を有する軸受マウントと、
   前記スラスト給気孔に前記加圧空気を供給する加圧空気源と、
   前記スラスト給気孔と前記加圧空気源との間に設けられた空気たまりと、を備える、ことを特徴とする縦型バランス計測装置。
2. 前記空気たまりの容積は、前記スラスト給気孔の全閉時に空気たまりの内圧がその最高圧に達するまでの遅延時間が、前記回転軸が上下動する固有周期の１／４を超えるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の縦型バランス計測装置。