JP5761560B2

JP5761560B2 - スラスト支持装置

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Publication number: JP5761560B2
Application number: JP2011084204A
Authority: JP
Inventors: 山根　正明; 正明山根
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: JP2012219866A

Description

本発明は、スクリュー圧縮機、水中ポンプ、燃料ポンプ等のスラストを支持するスラスト支持装置に関する。

水噴射式スクリュー圧縮機において、軸受部にも潤滑油を使用しないものが既に提案されている（例えば、特許文献１，２）。
また、水又は水のような低粘度液で潤滑してスラストを支持するスラスト軸受として、例えば特許文献３〜８が既に提案されている。

特開２００２−３１００７９号公報、「水潤滑式スクリュー圧縮機」特表２００４−５３１６６６号公報、「水噴射式スクリュー圧縮機」特開平６−２８８４１１号公報、「スラスト軸受装置」特許第３９６３９９４号公報、「水潤滑軸受又は水潤滑シール及び流体機械」特開平１１−３５１２４２号公報、「低粘度液潤滑軸受」特開昭６１−９９７１８号公報、「スラスト軸受」特開２００２−２０６５２２号公報、「スラスト軸受」特開２０１１−７２４３号公報、「水潤滑用スラスト軸受の構造」

上述した従来の水噴射式スクリュー圧縮機、及びスラスト軸受は、以下の３種に大別することができる。
（１）摺動面にセラミック材、カーボン、ＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）、フェノール樹脂、軟質金属、等を用いたもの（特許文献１〜３）。
（２）摺動面に耐摩耗性の高い材料やコーティングを用いたもの（特許文献４）。
（３）摺動面に凹凸や動圧を発生させる溝を設けたもの（特許文献５〜８）。

しかし、ＰＥＥＫ、フェノール樹脂などの樹脂材料は、摺動面同士が直接接触する境界潤滑領域で使用するため、摩擦係数が比較的高く（例えば０．１以上）、かつ低強度、低ヤング率、及び膨潤性により変形や摩耗が生じやすいため寿命が短い問題点がある。

また、セラミック材やカーボンは、水中での摺動特性には優れているが、同様に境界潤滑領域で使用するため、摩擦係数が比較的高く（例えば０．１以上）、相手面となる材料の耐摩耗性が問題点となる。

さらに、摺動面に耐摩耗性の高い材料やコーティングを用いた場合（特許文献４）や摺動部に微細な凹凸を付与した場合（特許文献５）も、境界潤滑領域で使用するため、摩擦係数が比較的高く（例えば０．１〜０．４）、耐摩耗性が問題となる。
特に微細な凹凸を付与した場合、摩耗によって凹凸が減少することや摩耗粉が凹部に堆積し、動圧効果が発揮されない状態に陥る可能性がある。

また、摺動面に動圧を発生させる溝を設けた場合（特許文献６〜８）には、流体潤滑領域では摩擦係数が低く（例えば０．０１以下）、摩耗が生じないが、起動・停止時に境界潤滑領域となり、摩擦係数が比較的高く（例えば０．１以上）、耐摩耗性が問題となる。

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、潤滑に低粘度液（例えば水）を用いても起動・停止時における摩擦係数を大幅に低減することができ、運転中の全速度範囲における摩擦・摩耗を大幅に低減することができるスラスト支持装置を提供することにある。

本発明によれば、回転軸に直交する摺動面を有し前記回転軸に固定されたカラーと、固定部材に固定され該摺動面に沿って相対的に回転するスラスト軸受とを備え、前記回転軸のスラスト荷重を支持するスラスト支持装置であって、
前記スラスト軸受は、前記摺動面と平行なランド部と、前記摺動面に対し傾斜し相対的回転によりカラーとの間の潤滑液に動圧を発生させるテーパ部とを有し、
前記摺動面の平均面粗さと前記ランド部の平均面粗さから算出される合成面粗さが、使用回転速度域において摺動面とランド部との間に形成される潤滑液の膜厚さより小さく設定されており、
前記固定部材に設けられ前記スラスト軸受の半径方向内側に前記潤滑液を供給する貫通穴を備え、前記潤滑液は前記カラーと前記スラスト軸受の対向面に供給され、遠心力により外方に排出される、ことを特徴とするスラスト支持装置が提供される。

カラーの摺動面とスラスト軸受のランド部との間に発生する潤滑液の動圧は、起動・停止時には小さいので、その間が直接接触する境界潤滑領域となる可能性がある。

しかし、本発明の構成によれば、カラーの摺動面の平均面粗さとスラスト軸受のランド部の平均面粗さから算出される合成面粗さが、使用回転速度域において摺動面とランド部との間に形成される潤滑液の膜厚さより小さく設定されているので、その間を起動・停止時においても流体潤滑に近い状態に保つことができる。

また、この設定は、カラーが樹脂を含浸したカーボン材である場合、その表面粗さは一般に金属面より粗いが、カラーより硬く、かつ平均面粗さがカラーに対して同等以下の金属面であるランド部を用いて、摩擦係数が０．０２以下になるまで使用回転速度域において慣らし運転によりなじませることにより、容易に達成することができる。

従って、本発明の構成によれば、潤滑に低粘度液（例えば水）を用いても起動・停止時における摩擦係数を大幅に低減することができ、運転中の全速度範囲における摩擦・摩耗量を大幅に低減することができる。

本発明によるスラスト支持装置の実施形態図である。図１のＡ−Ａ矢視図とそのＢ−Ｂ矢視図である。使用した試験装置の部分断面図である。スラスト荷重（横軸）と水膜厚さ（縦軸）との関係図である。試験前後における表面粗さの比較図である。スラスト荷重を徐々に増加させた場合の摩擦係数の変化を示す図である。起動・停止の繰返し数と摩耗量との関係図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。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１は、本発明によるスラスト支持装置の実施形態図である。なお、この図は主要部を断面で示している。
この図において、本発明のスラスト支持装置１０は、カラー１２とスラスト軸受１４とを備える。
この例において、スラスト軸受１４は、固定部材４にボルト等で固定されており、カラー１２は、回転軸１に固定された中空円形の回転円板３の表面（図で右側面）にボルト等で固定されている。

カラー１２は、回転軸１に直交する摺動面１１を有し、スラスト軸受１４は、カラー１２の摺動面１１に沿って相対的に回転する。以下、カラー１２の摺動面１１を「カラー摺動面」と呼ぶ。

カラー１２とスラスト軸受１４の対向面には、潤滑液が供給され、潤滑液で潤滑しながら回転軸１のスラスト荷重２を支持するようになっている。
潤滑液は、好ましくは潤滑水であるが、その他の液体（エマルジョン液、潤滑油）でもよい。また、スラスト支持装置１０を潤滑液中で使用するのが好ましいが、カラー１２とスラスト軸受１４の対向面に向けて潤滑液を連続的又は断続的に供給してもよい。

図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ矢視図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
図２（Ａ）（Ｂ）に示すように、スラスト軸受１４は、摺動面１１（カラー摺動面）に対向する対向面１５に、複数のランド部１６、複数のテーパ部１７、及び複数の溝１８を有する。以下、スラスト軸受１４のランド部１６を「軸受ランド部」と呼ぶ。

この例でスラスト軸受１４は、固定部材４（図１参照）に固定された中空円板（中空円形の固定円板）であり、中央に回転軸１（図１参照）が貫通する貫通孔を有する。しかしスラスト軸受１４は、固定部材４に固定された円形の固定円板であってもよい。

この例において、ランド部１６（軸受ランド部）、テーパ部１７、溝１８の順で、周方向に等間隔（６０°毎）に６つずつ６組設けられている。しかし、本発明は等間隔に限定されず、不等間隔でもよい。また、軸受ランド部１６、テーパ部１７、及び溝１８は２組以上であればよい。

複数（この例で６）のテーパ部１７は、カラー摺動面１１に対向し、カラー摺動面１１の相対的な回転方向５（この例で回転軸１の回転方向）に沿ってカラー摺動面１１との隙間がテーパ状に狭くなっている。この例でテーパ部１７の周方向角度は約４０°（図中θ１）である。またテーパ部１７の軸方向距離（図中のＣ）は、約０．０２ｍｍである。なおテーパ部１７の角度と長さは、任意であり、使用回転速度域においてカラー摺動面１１との間の潤滑液に動圧を発生させ、流体潤滑状態が得られるように設定するのがよい。

複数（この例で６）の軸受ランド部１６は、各テーパ部１７に連結して位置し、カラー摺動面１１との隙間が一定になっている。この例で軸受ランド部１６の周方向角度は約２０°（図中θ２）である。なお軸受ランド部１６の大きさは、任意であり、カラー摺動面１１との間に発生する液圧によりスラスト荷重を支持する所望の負荷容量が得られるように設定するのがよい。

複数（この例で６）の溝１８は、テーパ部１７の隙間が最大の位置とランド部１８の間に設けられ、半径方向内端から外端まで延びる。
溝１８は、この例において、内方端から外方端まで直線的に延びる半径溝である。
なお、溝１８はこの例に限定されず、例えばスパイラル形状であってもよい。

図１において、カラー１２は、樹脂を含浸したカーボン材であることが好ましい。

表１は、後述する実施例で使用したカーボン材Ａ，Ｂ，Ｃの特性比較表である。
この表において、Ａは、本発明で使用した樹脂含浸カーボン材（東洋炭素株式会社製の型式ＫＣ−６７３）、Ｂは、炭素黒鉛質のカーボン材、Ｃは、Ａと同様の樹脂含浸カーボン材である。
この表から、カーボン材Ａは、カーボン材Ｂ，Ｃと比較して、硬さが２０％以上硬く、曲げ強さが３５％以上強く、圧縮強さが６５％以上強いことがわかる。

上述したカーボン材Ａ，Ｂ，Ｃの平均面粗さＲａは、通常の機械加工後において、それぞれＡは０．１〜０．２μｍ、Ｂは０．７〜１．４μｍ、Ｃは２．４〜２．８μｍであり、カーボン材Ａは、カーボン材Ｂ，Ｃと比較して、最大でも１／３以下である。

また、後述する実施例において、スラスト軸受１４の素材として、耐腐食性を有する析出効果系のステンレス材（ＳＵＳ６３０）を用いた。
また、軸受ランド部１６に、固溶化熱処理と析出効果熱処理（Ｈ９００）を施し、軸受ランド部１６をカーボン材Ａより硬く、かつ平均面粗さをカーボン材Ａと同等以下の金属面に形成した。
後述する実施例における軸受ランド部１６のロックウェル硬さはＨＲＣ４２であり、軸受ランド部１６の平均面粗さＲａは、０．１〜０．１５μｍであった。

本発明のスラスト支持装置１０は、カラー摺動面１１の平均面粗さＲａと軸受ランド部１６の平均面粗さＲａから算出される合成面粗さσが、使用回転速度域においてカラー摺動面１１と軸受ランド部１６との間に形成される潤滑液の膜厚さＨより小さく設定されている。

さらに、合成面粗さσの３倍が潤滑液の膜厚さＨより小さいことが好ましい。
合成面粗さσは、近似的に平均面粗さＲａから以下の式で算出できる。

σ_１／Ｒａ_１＝（π／２）^０．５≒１．２５・・・（１）
σ_２／Ｒａ_２＝（π／２）^０．５≒１．２５・・・（２）
σ＝（σ_１ ^２＋σ_２ ^２）^０．５・・・（３）
ここで、σ_ｎ（ｎ＝１，２）は自乗平均平方根粗さ、σは合成粗さである。

また、本発明では、カラー１２と軸受ランド部１６は、摩擦係数が０．０２以下になるまで使用回転速度域において慣らし運転によりなじませてある。
この慣らし運転によるなじみにより、カラー１２と軸受ランド部１６の両方の平均面粗さＲａをより小さくすることができ、合成面粗さσが使用回転速度域においてカラー摺動面１１と軸受ランド部１６との間に形成される潤滑液の膜厚さＨより小さくなり、その間を起動・停止時においても流体潤滑状態に近い状態に保つことができることが後述する実施例により確認された。

以下、本発明の実施例を説明する。
図３は、使用した試験装置の部分断面図である。なお、この図は主要部を断面で示している。この試験装置は、図１に示したスラスト支持装置１０を模擬したものである。
カラー１２は、回転軸１に固定された中空円形の回転円板３の表面（図で右側面）に固定（例えば、あて板とボルト等の固定手段２０ａで固定）し、回転軸１をモータ（図示せず）で軸線を中心に回転駆動した。
スラスト軸受１４は、固定部材４に固定（例えば、ボルト等の固定手段２０ｂで固定）し、固定部材４を介してスラスト荷重２を負荷した。
潤滑液として潤滑水を用い、固定部材４に設けた貫通穴からスラスト支持装置１０の内側に潤滑水を供給した。この潤滑水は、図に破線の矢印で示す経路を経て、カラー１２とスラスト軸受１４の対向面に供給され、遠心力により、スラスト支持装置１０の外方に排出される。

図４は、図３の試験装置におけるスラスト荷重（横軸）と水膜厚さ（縦軸）との関係図である。なお図中の４本の曲線は、回転軸１の回転速度（５４００、３７５０、６７５、５００ｒｐｍ）に対応している。
この図における５００〜５４００ｒｐｍの回転速度は、スラスト支持装置１０の使用回転速度域に相当する。また、スラスト荷重４ｋＮ（約４００ｋｇｆ）はスラスト支持装置１０の定格面圧０．６７ＭＰａに相当する。
図４から、使用回転速度域においてカラー摺動面１１と軸受ランド部１６との間に形成される潤滑液の膜厚さは、最低回転速度（５００ｒｐｍ）において、１．０〜４．５μｍの範囲にあることがわかる。

一般的に、潤滑液の膜厚さＨが軸受の合成面粗さσの３倍を超える場合に流体潤滑状態となる。従って、図４から最低回転速度（５００ｒｐｍ）において、合成面粗さσが０．３〜１．５μｍの範囲にあれば流体潤滑状態となることが予想される。

図５は、試験前後における表面粗さの比較図であり、（Ａ）は軸受ランド部１６の表面粗さ、（Ｂ）はカラー摺動面の表面粗さである。なお図５（Ａ）（Ｂ）において、軸受ランド部１６はステンレス材（ＳＵＳ６３０）であり、図中のＡ，Ｂ，Ｃは、対向するカーボン材を示している。

図５（Ａ）に示すように、軸受ランド部１６の平均面粗さＲａは、試験前に０．１０〜０．１５μｍの範囲であった。
しかし、対向するカーボン材がＣの場合、最低回転速度（５００ｒｐｍ）における試験後の平均面粗さＲａが、約０．３４μｍまで大幅に増大している。これは、カーボン材Ｃの構成材の一部が軸受ランド部１６に付着し、軸受ランド部１６の平均面粗さＲａを悪化させたためと考えられる。

また図５（Ｂ）に示すように、カーボン材Ａ，Ｂ，Ｃの平均面粗さＲａは、試験前にカーボン材Ａが０．１〜０．２μｍ、カーボン材Ｂが１．３〜１．４μｍ、カーボン材Ｃが２．７〜２．８μｍの範囲であった。
一方、試験後の平均面粗さＲａは、カーボン材Ａが試験前とほぼ同一であるのに対し、カーボン材Ｂ，Ｃでは、大幅に小さくなっている。これは、試験によりカーボン材Ｂ，Ｃの凸部が摩耗し、凹凸高さが低くなったためと考えられる。

上述した結果から、カーボン材Ｃは、軸受ランド部１６の平均面粗さＲａを悪化させるため、本発明のカラー１２には不適当であることがわかる。
また、この例において、カーボン材Ａの平均面粗さＲａは０．１〜０．２μｍ、軸受ランド部１６の平均面粗さＲａは０．１０〜０．１５μｍであるので、合成面粗さσは近似的に０．１８〜０．３１μｍとなる。
従って、カーボン材Ａの場合、合成面粗さσの３倍（０．５４〜０．９３μｍ）が潤滑液の膜厚さＨ（１．０〜４．５μｍ）より実質的に小さくなっており、流体潤滑状態となることが予想される。

図６は、スラスト荷重２を徐々に増加させた場合の摩擦係数μの変化を示す図である。この図において、（Ａ）は回転速度５００ｒｐｍでスラスト荷重が０．４ｋＮ〜６．５ｋＮの範囲の場合、（Ｂ）は回転速度２０００ｒｐｍでスラスト荷重が０．４ｋＮ〜１９ｋＮの範囲の場合であり、図中の各曲線は、カーボン材Ａ，Ｂ，Ｃである場合を示している。
この図において、摩擦係数μが０．１を超える範囲は、摺動面が直接接触する境界潤滑領域であり、０．１以下、０．０１以上の範囲は混合潤滑領域であり、０．０１未満の範囲は流体潤滑領域である。

図６（Ａ）（Ｂ）において、スラスト荷重２が小さい範囲（０．４ｋＮ〜１．０ｋＮ）では、いずれのカーボン材でも摩擦係数μが０．１を超える境界潤滑領域になっている。この境界潤滑領域では、カラー１２と軸受ランド部１６が起動・停止時に直接接触する可能性があり、硬さの低いカラー１２が摩耗する可能性がある。

図６（Ａ）において、スラスト荷重２を徐々に増加させると、カーボン材Ａ，Ｂでは徐々に摩擦係数μが低下するが、カーボン材Ｃでは一旦は下降するが、その後、５ｋＮ付近から急激に上昇した。
同様に図６（Ｂ）において、スラスト荷重２を徐々に増加させると、カーボン材Ａでは徐々に摩擦係数μが低下し０．０１以下に達するが、カーボン材Ｂ，Ｃは一旦は下降するが、その後、３ｋＮ付近から急激に上昇した。

上述した結果から、カーボン材Ａは、使用回転速度域（この例では、５００ｒｐｍと２０００ｒｐｍ）において、スラスト荷重を最小の０．４ｋＮから徐々に増加させる慣らし運転によりなじませることにより、摩擦係数μを０．０１以下まで低下させることができることがわかる。
また、この慣らし運転による「なじみ」により、その後は、カラー摺動面１１の平均面粗さとスラスト軸受１４のランド部の平均面粗さから算出される合成面粗さσが、使用回転速度域において摺動面とランド部との間に形成される潤滑液の膜厚さより小さく設定されるので、その間を起動・停止時においても流体潤滑状態に保つことができる。

一方、カーボン材Ｂ，Ｃは、使用回転速度域において慣らし運転を行った場合でも、スラスト荷重を最小の０．４ｋＮから徐々に増加させると、摩擦係数が途中から急増するため、本発明のカラー１２には不適当であることがわかる。

図７は、起動・停止の繰返し数と摩耗量との関係図である。この図における２本の線は、カーボン材Ａ，Ｂの場合を示している。なお、この試験は、上述した慣らし運転後に実施した。
起動・停止の条件は、回転速度を最低回転速度（５００ｒｐｍ）、スラスト荷重を定格（４００ｋｇｆ）、面圧を定格面圧（０．６７ＭＰａ）とした。
この図から、カーボン材Ａの場合、繰返し数１０００サイクル以降は、摩耗量が増加せず、そのまま長期間使用できることがわかる。また、カーボン材Ｂの場合は、繰返し数３０００サイクルまでは摩耗量が増加するが、それ以降は、摩耗量が増加せず、そのまま長期間使用できることがわかる。

上述したように、本発明の構成によれば、カラー摺動面１１の平均面粗さとスラスト軸受１４の軸受ランド部１６の平均面粗さから算出される合成面粗さσが、使用回転速度域においてカラー摺動面１１と軸受ランド部１６との間に形成される潤滑液（例えば潤滑水）の膜厚さより小さく設定されているので、その間を起動・停止時においても流体潤滑に近い状態に保つことができる。

また、この設定は、カラー１２が樹脂を含浸したカーボン材である場合、その表面粗さは一般に金属面より粗いが、カラー１２より硬く、かつ平均面粗さがカラー１２に対して同等以下の金属面である軸受ランド部１６を用いて、カラー１２と軸受ランド部１６を、摩擦係数が０．０２以下になるまで使用回転速度域において慣らし運転によりなじませることにより、容易に達成することができる。

従って、起動・停止時は、軸受の軸受ランド部１６とカーボン材が接触するが、摩擦係数が小さいため、流体潤滑状態に近く、摩耗がほとんど発生しない。また回転速度が高くなるにつれて、テーパ部１７のくさび効果により潤滑膜ができ、流体潤滑状態となるため、さらに摩擦係数が小さくなる。

なお、スラスト軸受１４は、上述したテーパランド型に限定されず、外周部に壁を設けて潤滑液を漏れにくくしたダム付のテーパランド型であってもよい。
ダム付とは、軸受である。

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、２スラスト荷重、
３回転円板、４固定部材、
１０スラスト支持装置、
１１摺動面（カラー摺動面）、
１２カラー、１４スラスト軸受、
１５対向面、
１６ランド部（軸受ランド部）、
１７テーパ部、１８溝

Claims

回転軸に直交する摺動面を有し前記回転軸に固定されたカラーと、固定部材に固定され該摺動面に沿って相対的に回転するスラスト軸受とを備え、前記回転軸のスラスト荷重を支持するスラスト支持装置であって、
前記スラスト軸受は、前記摺動面と平行なランド部と、前記摺動面に対し傾斜し相対的回転によりカラーとの間の潤滑液に動圧を発生させるテーパ部とを有し、
前記摺動面の平均面粗さと前記ランド部の平均面粗さから算出される合成面粗さが、使用回転速度域において摺動面とランド部との間に形成される潤滑液の膜厚さより小さく設定されており、
前記固定部材に設けられ前記スラスト軸受の半径方向内側に前記潤滑液を供給する貫通穴を備え、前記潤滑液は前記カラーと前記スラスト軸受の対向面に供給され、遠心力により外方に排出される、ことを特徴とするスラスト支持装置。
前記合成面粗さの３倍が前記潤滑液の膜厚さより小さい、ことを特徴とする請求項１に記載のスラスト支持装置。
前記カラーは、樹脂を含浸したカーボン材であり、
前記ランド部は、前記カラーより硬く、かつ平均面粗さが前記カラーに対して同等以下の金属面であり、
前記カラーと前記ランド部は、摩擦係数が０．０２以下になるまで前記使用回転速度域において慣らし運転によりなじませてある、ことを特徴とする請求項１に記載のスラスト支持装置。