JP5909392B2 - すべり軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂材料を用いたすべり軸受装置に係り、特にポンプ等の回転機械のラジアル軸受として好適に使用されるすべり軸受装置に関する。

樹脂材料を用いたすべり軸受装置は、樹脂の有する良好な潤滑性能のため、ターボ機械等の回転機械や事務機械に広く使用されている。樹脂材料を用いたすべり軸受装置を土砂等の異物が混入した水を取扱うためのポンプ等に使用する場合には、異物混入水が軸受すべり面に侵入してくることがあるが、土砂の主成分であるＳｉＯ_２は樹脂材料と比較して硬度が高いため、樹脂材料が摩耗する。従って、異物混入水中運転では樹脂製のすべり軸受装置の摩耗量は増大し軸受寿命が短くなるという問題がある。また、立形ポンプ等においては、すべり軸受装置は、軸受すべり面が水中で運転される場合ばかりでなく、先行待機運転のように大気中で運転される場合がある。このようにすべり軸受装置の軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で運転される場合には、ドライ条件で低摩擦な軸受装置が求められている。

特開２００１−１７３６６０号公報

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で低摩擦な軸受すべり面を有したすべり軸受装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明のすべり軸受装置は、回転機械に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使われるすべり軸受装置であって、軸受部分はフッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維および不可避不純物の複合材料により形成されており、前記軸受すべり面における各材料の面積率は、フッ素樹脂が２４〜３７％、芳香族ポリエーテルケトンが６０〜７１％、炭素繊維が３〜６％であることを特徴とする。
本発明によれば、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使われる場合、フッ素樹脂、カーボン繊維による低摩擦を確保でき、芳香族ポリエーテルケトン、カーボン繊維による耐摩耗性を確保することができる。
本発明によれば、これまで樹脂材料では実現できなかった(1)ドライ運転での低摩擦、耐摩耗性を確保することができ、(2)異物混入水中運転での耐スラリー摩耗を確保することができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記フッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡおよびＦＥＰの少なくとも１つであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記芳香族ポリエーテルケトンは、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫおよびＰＥＥＫＫの少なくとも１つであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記炭素繊維は、直径が５〜７μｍ、長さが５〜１０００μｍであることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記軸受すべり面に対して摺動する軸スリーブの摺動面は、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が２００以上であり、セラミックス、超硬合金、サーメットのいずれかで構成されることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記軸受すべり面が異物を混入した水中の条件で使われることを特徴とする。
本発明によれば、軸受すべり面が異物を混入した水中の条件で使われる場合、フッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトンを複合することにより軸受材料自体の耐摩耗性に優れている。

本発明の立形ポンプは、羽根車を支持する回転軸をすべり軸受装置で支持し、前記すべり軸受装置の軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で運転される立形ポンプにおいて、前記すべり軸受装置に請求項１乃至７のいずれか１項のすべり軸受装置を用いることを特徴とする。

本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）すべり軸受装置の軸受すべり面が水のない大気中雰囲気で用いられる場合、フッ素樹脂、カーボン繊維による低摩擦を確保でき、芳香族ポリエーテルケトン、カーボン繊維による耐摩耗性を確保することができる。
（２）すべり軸受装置の軸受すべり面が土砂等の異物が混入した水中で用いられる場合、フッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトンを複合することにより軸受材料自体の耐摩耗性に優れている。
（３）フッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、カーボン繊維のすべり面での面積率を所定の比率になるように複合することにより、ドライ運転での低摩擦、耐摩耗性を確保することができ、異物混入水中運転での耐スラリー摩耗を確保することができる。

図１は、本発明に係るすべり軸受装置の一例を示す斜視図である。 図２は、軸受すべり面を顕微鏡で撮影した画像を模式化した図である。 図３は、本発明のすべり軸受装置の使用状態の一例を示す図である。 図４は、本発明のすべり軸受装置が好適に使用される立形斜流ポンプを示す断面図である。

以下、本発明に係るすべり軸受装置の実施形態を図１乃至図４を参照して説明する。図１乃至図４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係るすべり軸受装置の一例を示す斜視図である。図１に示すすべり軸受装置１は、フッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維および不可避不純物の複合材料からなり、円筒形状に成形されている。円筒形状のすべり軸受装置１の内周面は軸受すべり面ＢＳを構成している。すなわち、すべり軸受装置１は、低摩擦と耐摩耗性を与えるフッ素樹脂と、強度が高く耐摩耗性を与える芳香族ポリエーテルケトンと、低摩擦を与えるカーボン繊維から成る材料を用いている。

前記フッ素樹脂は、ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン），ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体），ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(４．６フッ化)）のうち少なくとも一種類を含むものである。

前記芳香族ポリエーテルケトンは、ＰＥＫ（ポリエーテルケトン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン）およびＰＥＥＫＫ（ポリエーテルエーテルケトンケトン）のうち少なくとも１種類を含むものである。炭素繊維は短繊維から構成されている。

本発明者らは、低摩擦と耐摩耗性に影響を与える重要な要素として、軸受すべり面ＢＳにおける各材料の面積率であることに着目し、多数の試料（サンプル）を試作し、各材料の面積率を算出したものである。
表１は、試作したサンプル１〜１２について各材料の面積率（％）を算出した結果を示す。面積率はすべり面を顕微鏡で撮影し、観察部分を画像解析することにより求めたものである。
図２は、軸受すべり面を顕微鏡で撮影した画像を模式化した図である。図２中、白抜き部分は炭素繊維（カーボン繊維）、灰色部分は芳香族ポリエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、黒色部分はフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）である。
表１に示すサンプル１〜１２における各材料の面積率（％）をまとめると、炭素繊維の面積率は３〜６．２％、フッ素樹脂の面積率は２４〜３７％、芳香族ポリエーテルケトンの面積率は６０〜７１．２％である。
また、炭素繊維については、すべり面にある炭素繊維の直径と長さを測定したところ、直径は５〜７μｍ、長さは５〜１０００μｍである。

次に、フッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維の各々の材料が低摩擦および耐摩耗性に与える影響を調べるために、上記３つの材料の全てを含んだ本発明と、上記３つの材料のうち各１つの材料を含んでいない樹脂材料１，樹脂材料２，樹脂材料３とを試作し、試験を行った結果を示す。
表２は試験に使用した各材料のすべり面における各成分の面積率（％）を示し、表３は大気中すべり試験の結果を示し、表４は異物混入水中すべり試験の結果を示す。

表３および表４から以下のことが分かる。
樹脂材料１は、大気中における摩擦係数が０．２と小さく低摩擦である。しかしながら、異物混入水中における摩耗速度は８２．５（μｍ／ｈ）と大きく、異物混入水中では非常に耐摩耗性に劣る。
樹脂材料２は、大気中における摩擦係数が０．４５と大きく、大気中において高摩擦である。しかしながら、異物混入水中における摩耗速度は８．５（μｍ／ｈ）と小さく、異物混入水中では耐摩耗性に優れている。
樹脂材料３は、大気中における摩擦係数が０．５と大きく、大気中において高摩擦である。なお、大気中すべり試験を行っている際に、摩擦係数が大きいことに起因して異常振動が発生し試験を中止したため、摩耗速度は測定不能であった。しかしながら、異物混入水中における摩耗速度は２．９（μｍ／ｈ）と小さく、異物混入水中では耐摩耗性に優れている。
本発明の材料は、大気中における摩擦係数が０．２５と小さく低摩擦であり、摩耗速度も０．４５（μｍ／ｈ）と他の材料に比較して小さく耐摩耗性に優れている。また、異物混入水中における摩耗速度は６．８（μｍ／ｈ）と小さく耐摩耗性に優れている。
このように、大気中と異物混入水中の両方において試作した中で最も優れているのは本発明の材料である。本発明の材料における大気中および異物混入水中での結果は、それぞれの環境で優れている樹脂材料１、樹脂材料３と比較してもほぼ同程度の良好な結果が得られた。

図３は、本発明のすべり軸受装置の使用状態の一例を示す図である。回転軸１０には、その外周に軸受の相手材料であるスリーブ１１が嵌着されている。スリーブ１１は、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が２００〜２５００であり、セラミックス、超硬合金、サーメットのいずれかで構成されている。スリーブ１１の外周面は、上述したすべり軸受装置１のすべり面と摺動する。すべり軸受装置１は、その外周が金属の軸受ケース１２によりつば部１２ａを介して回転機械のケーシング１３に固定されている。

図４は、本発明のすべり軸受装置が好適に使用される立形斜流ポンプを示す断面図である。図４に示す立形斜流ポンプにおいては、駆動用モータ（図示せず）は保守点検が容易なように陸上に設けられ、駆動用モータの回転は軸継手を介して軸２５，２５’に伝達され、軸２５’の先端部に固定されたインペラ２２を回転することとなる。前記軸２５と軸２５’とは中間軸継手２６により接続されている。インペラ２２の回転によって、水は吸込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８および吊下げ管２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。軸２５，２５’は上部すべり軸受装置３２および下部すべり軸受装置３３によって支持されている。また軸２５が吐出エルボ３０を貫通する部分にはフローティングシール３４が設けられている。図４に示す構造の立形斜流ポンプにおいては、すべり軸受装置３２，３３は、ポンプ起動時には大気中で運転される。すなわち、すべり軸受装置３２，３３は軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で運転される。ポンプ起動後の定常運転時においては、すべり軸受装置３２，３３は土砂等の異物が混入した水中において運転される。このような過酷な条件で使用されるすべり軸受装置３２，３３に、大気中と異物混入水中の両方において優れた軸受特性を発揮する本発明のすべり軸受装置が好適に使用される。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ すべり軸受装置
１０ 回転軸
１１ スリーブ
１２ 軸受ケース
１２ａ つば部
１３ ケーシング
２２ インペラ
２５，２５’ 軸
２６ 中間軸継手
２７ 吸込みベル
２８ 吐出ボウル
２９ 吊下げ管
３０ 吐出エルボ
３２ 上部すべり軸受装置
３３ 下部すべり軸受装置
３４ フローティングシール
ＢＳ 軸受すべり面

Claims (7)

1. 回転機械に使用され、軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で使われるすべり軸受装置であって、軸受部分はフッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維および不可避不純物の複合材料により形成されており、
   前記軸受すべり面における各材料の面積率は、フッ素樹脂が２４〜３７％、芳香族ポリエーテルケトンが６０〜７１％、炭素繊維が３〜６％であることを特徴とするすべり軸受装置。
2. 前記フッ素樹脂は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡおよびＦＥＰの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載のすべり軸受装置。
3. 前記芳香族ポリエーテルケトンは、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫおよびＰＥＥＫＫの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載のすべり軸受装置。
4. 前記炭素繊維は、直径が５〜７μｍ、長さが５〜１０００μｍであることを特徴とする請求項１記載のすべり軸受装置。
5. 前記軸受すべり面に対して摺動する軸スリーブの摺動面は、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が２００以上であり、セラミックス、超硬合金、サーメットのいずれかで構成されることを特徴とする請求項１記載のすべり軸受装置。
6. 前記軸受すべり面が異物を混入した水中の条件で使われることを特徴とする請求項１記載のすべり軸受装置。
7. 羽根車を支持する回転軸をすべり軸受装置で支持し、前記すべり軸受装置の軸受すべり面が大気中に露出するドライ条件で運転される立形ポンプにおいて、
   前記すべり軸受装置に請求項１乃至６のいずれか１項のすべり軸受装置を用いることを特徴とする立形ポンプ。