JP6422443B2 - すべり軸受装置 - Google Patents
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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。そのため、樹脂材料を用いたすべり軸受装置には、優れた耐摩耗性が求められる。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、ドライ条件で優れた摩擦摩耗特性が求められている。
特許文献１では樹脂コーティングした長尺の炭素繊維を軸芯に対してコイル状に巻回した材料からなるすべり軸受とすることで、ドライ運転時の耐摩耗性を向上させ、また、すべり軸受のすべり面に溝を施すことで異物の除去効果を向上させ、軸受としてのスラリー耐摩耗性を向上させている。
しかし、長尺の炭素繊維を軸芯に対してコイル状に巻回した材料自体は、異物によって繊維が切断されると繊維が脱落していくため、耐スラリー摩耗性が非常に低い。従って、すべり面に溝を施しても長寿命が期待できないことが課題である。
しかし、長尺の炭素繊維を軸芯に対してコイル状に巻回した材料自体は、異物によって繊維が切断されると繊維が脱落していくため、耐スラリー摩耗性が非常に低い。従って、すべり面に溝を施しても長寿命が期待できないことが課題である。
また、特許文献１では、ドライ条件での運転における摺動部の摩擦熱による高温化を回避するために、すべり軸受の冷却効果の向上に着眼して議論されているが、ドライ条件での運転におけるすべり軸受の耐摩擦摩耗特性の向上という観点での議論はみられない。
ドライ条件での運転においては、摩耗粉がすべり面に滞留することが、耐摩耗性の低下や、起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するときの、摺動部同士のなじみにくさの原因となる。従って、すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くすることは、耐摩耗性に優れた状態にし、摺動部同士をなじみやすくする「なじみ運転」の時間を短くすることにつながる。このことは、すべり軸受の冷却効果の観点からは、摺動部同士の「なじみ」が速やかに進むことにより、摩擦係数が低い状態となって軸受温度上昇を低く抑えることが期待できる。
一方、炭素繊維を含まない、あるいは炭素繊維を含むにしても細かい炭素繊維を強化剤として含む程度の樹脂材料の摺動部材は、スラリー中の耐摩耗性が良好なものがあるが、ドライ条件での摩擦摩耗特性の低下や、摺動部における摩擦熱による高温化をおさえることが課題である。
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、従来の長尺の炭素繊維を軸芯に対してコイル状に巻回した材料によるすべり軸受の欠点、即ち耐スラリー摩耗性が低いという欠点を解消し、異物が混入した水中での異物除去効果が高く耐摩耗性に優れ、しかもドライ条件（空気中）で摺動時の摩擦摩耗特性に優れ、摩擦熱による高温化を抑制する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。
また、本発明は、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用いられる場合、軸受すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くすることができ、かつ摩耗粉を除去する効果が得られ、さらに起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するなじみ運転の時間を短くすることにより軸受温度上昇を防止し、耐摩耗性に優れているすべり軸受装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、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用いられる場合、軸受すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くすることができ、かつ摩耗粉を除去する効果が得られ、さらに起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するなじみ運転の時間を短くすることにより軸受温度上昇を防止し、耐摩耗性に優れている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、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ポンプに使用するすべり軸受であって、軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、前記複数の溝は、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）が１５〜５０％になるように形成され、かつ隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍになるように形成されていることを特徴とする。
ここで、炭素繊維は、軸受すべり面の円周長さより短ければよく、具体的数値を記すと、炭素繊維の長さは１０μｍ〜１０ｍｍが好ましい。炭素繊維の直径は、５μｍ〜１５μｍが好ましい。また、炭素繊維の本数は複数本であればよいが、すべり軸受の軸受部分の全体の重量に対して５〜３０重量％の炭素繊維を含むように炭素繊維の本数を決定する。このように炭素繊維を選ぶことで、異物によって樹脂中のある炭素繊維が切断されて脱落しても、樹脂中には別の炭素繊維があるため、耐スラリー摩耗性が高い状態を維持できるので長寿命化が可能となる。
ここで、炭素繊維は、軸受すべり面の円周長さより短ければよく、具体的数値を記すと、炭素繊維の長さは１０μｍ〜１０ｍｍが好ましい。炭素繊維の直径は、５μｍ〜１５μｍが好ましい。また、炭素繊維の本数は複数本であればよいが、すべり軸受の軸受部分の全体の重量に対して５〜３０重量％の炭素繊維を含むように炭素繊維の本数を決定する。このように炭素繊維を選ぶことで、異物によって樹脂中のある炭素繊維が切断されて脱落しても、樹脂中には別の炭素繊維があるため、耐スラリー摩耗性が高い状態を維持できるので長寿命化が可能となる。
溝の面積率が１５％以上になると、軸受すべり面の摩耗量は概略比例的に減少していき、すなわち、溝の面積率が大きいほど異物混入水中での耐摩耗性は向上する傾向を示す。溝の面積率が１５％未満の場合、耐摩耗性の効果はあまり変わらないため、溝の面積率の下限値を１５％とする。溝の面積率が５０％を越える場合、軸を支えるすべり面面積が少な過ぎ、軸の挙動が不安定になるため、溝の面積率の上限値を５０％とする。このように溝の面積率を１５〜５０％とすることにより、溝による異物の除去効果およびすべり面に異物が入りにくくなる効果により耐摩耗性が向上する。
特許文献１では樹脂コーティングした長尺の炭素繊維を軸芯に対してコイル状に巻回した材料からなるすべり軸受では、ドライ運転時の摺動摩擦熱を冷却することに主眼が置かれていたので、伝熱のために、溝でない部分の面積の確保が必要となり、溝の面積率は１０〜２５％までが限界でそれより大きく溝の面積率を設けることはできなかった。
しかしながら、本発明では、軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に複数本の炭素繊維を含む複合材料として、ドライ運転時の摺動摩擦熱を冷却に主眼をおくよりも、摩擦係数を上昇させる原因となる異物や摩耗粉の除去を速やかに行えることに着眼したものである。そのため、溝の面積率を２５％より大きく５０％以下まで拡大して溝の面積率の拡大により異物や摩耗粉の除去を速やかに行えることが可能となり、ひいては摩耗量を減少させることができた。尚、溝の面積率をそこまで拡大しても軸の挙動は安定であった。
しかしながら、本発明では、軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に複数本の炭素繊維を含む複合材料として、ドライ運転時の摺動摩擦熱を冷却に主眼をおくよりも、摩擦係数を上昇させる原因となる異物や摩耗粉の除去を速やかに行えることに着眼したものである。そのため、溝の面積率を２５％より大きく５０％以下まで拡大して溝の面積率の拡大により異物や摩耗粉の除去を速やかに行えることが可能となり、ひいては摩耗量を減少させることができた。尚、溝の面積率をそこまで拡大しても軸の挙動は安定であった。
隣り合う溝間の距離（溝間距離）が１０ｍｍ未満では軸受摩耗率が大きいため、溝間距離の下限値を１０ｍｍとする。一方、溝間距離が小さいほど軸受温度上昇値（運転中の軸受最大温度から室温を引いた値）は小さくなる。したがって、ＰＶ（Ｐ：面圧、Ｖ：すべり速度）値が高く軸受温度上昇値の抑制を比較的優先する必要のある場合は、隣り合う溝間距離の下限値を更に５ｍｍとすることにより軸受温度上昇を低く抑えることができる。
軸受構造は軸受の背面にゴムなどの緩衝材（耐熱限界温度約１２０℃）を配置する場合があり、この緩衝材の耐熱限界温度以下で使用するため、軸受温度上昇値が８０℃以下（雰囲気温度４０℃を想定）とするには溝間距離が６０ｍｍ以下である必要がある。従って溝間距離の上限値を６０ｍｍとする。
このように、隣り合う溝間の距離を１０〜６０ｍｍとすることにより、すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くし、溝によって摩耗粉が除去される効果により、耐摩耗性に優れ、起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するなじみ運転の時間を短くする効果により軸受温度上昇を低く抑えることができる。
このように、隣り合う溝間の距離を１０〜６０ｍｍとすることにより、すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くし、溝によって摩耗粉が除去される効果により、耐摩耗性に優れ、起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するなじみ運転の時間を短くする効果により軸受温度上昇を低く抑えることができる。
溝幅は、軸受内径と１５〜５０％の範囲の溝の面積率と１０〜６０ｍｍの範囲の溝間距離との関係から決まる。あるいは、軸受温度上昇値の抑制を優先したい場合は隣り合う溝間距離を５ｍｍまで短くしてもよい。
本発明の好ましい態様によれば、前記樹脂材料は、ＰＡ，ＰＯＭ，ＰＢＴ，ＰＥＴ，ＰＰＥ，ＰＣ，ＵＨＭｗ−ＰＥ，ＰＴＦＥ，ＰＰＳ，ＰＩ，ＰＥＥＫ，ＰＡＲ，ＰＳＦ，ＰＥＩ，ＰＡＩ，ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むもの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、前記溝は、軸受すべり面から径方向への深さが１．０ｍｍ以上で且つ前記樹脂材料または複合材料の厚さの２／３以下になるように形成されていることを特徴とする。
前記溝は、軸受すべり面から径方向への溝深さが１ｍｍ以下の場合、スラリー粒子や摩耗粉が溝に詰まる恐れがあるため、溝深さの下限値を１ｍｍとする。溝深さは大きすぎると、軸受の強度的に問題が生じるため、溝深さの上限値を樹脂材料又は複合材料の厚さの２／３以下とする。ただし、軸受がセグメントタイプの場合、軸受パッドを軸受材料とは異なる材質の部品に取り付ける場合は、溝深さは特に規定されない。
前記溝は、軸受すべり面から径方向への溝深さが１ｍｍ以下の場合、スラリー粒子や摩耗粉が溝に詰まる恐れがあるため、溝深さの下限値を１ｍｍとする。溝深さは大きすぎると、軸受の強度的に問題が生じるため、溝深さの上限値を樹脂材料又は複合材料の厚さの２／３以下とする。ただし、軸受がセグメントタイプの場合、軸受パッドを軸受材料とは異なる材質の部品に取り付ける場合は、溝深さは特に規定されない。
本発明のポンプは、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ポンプであって、前記すべり軸受装置の軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、前記複数の溝は、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）が１５〜５０％になるように形成され、かつ隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍになるように形成されていることを特徴とする。
本発明の一実施形態によれば、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ポンプに使用するすべり軸受であって、軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、前記複数の溝は、隣り合う溝間の距離が５〜６０ｍｍになるように形成されている。
本発明の一実施形態によれば、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ポンプに使用するすべり軸受であって、軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、前記複数の溝は、隣り合う溝間の距離が５〜６０ｍｍになるように形成されている。
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）すべり軸受装置が土砂等の異物が混入した水中で用いられる場合、軸受すべり面から異物を除去する異物除去効果が高く、耐摩耗性に優れている。
（２）軸受部分は、長尺の炭素繊維ではなく、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料としたので、炭素繊維の脱落による軸受材料のスラリー摩耗量の増大は起こりにくくなると考えられる。そのため、耐スラリー摩耗性は向上する。
（３）軸受部分は、長尺の炭素繊維ではなく、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料としたが、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍになるようにしたので、軸受摩耗率と軸受温度上昇値が適切にコントロールできる。
（４）隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍになるようにしたので、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用いられる場合、軸受すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くすることができ、かつ摩耗粉を除去する効果が得られ、さらに起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するなじみ運転の時間を短くすることにより軸受温度上昇を防止し耐摩耗性に優れている。
（１）すべり軸受装置が土砂等の異物が混入した水中で用いられる場合、軸受すべり面から異物を除去する異物除去効果が高く、耐摩耗性に優れている。
（２）軸受部分は、長尺の炭素繊維ではなく、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料としたので、炭素繊維の脱落による軸受材料のスラリー摩耗量の増大は起こりにくくなると考えられる。そのため、耐スラリー摩耗性は向上する。
（３）軸受部分は、長尺の炭素繊維ではなく、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料としたが、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍになるようにしたので、軸受摩耗率と軸受温度上昇値が適切にコントロールできる。
（４）隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍになるようにしたので、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用いられる場合、軸受すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くすることができ、かつ摩耗粉を除去する効果が得られ、さらに起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するなじみ運転の時間を短くすることにより軸受温度上昇を防止し耐摩耗性に優れている。
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１０を参照して説明する。図１乃至図１０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を示す斜視図である。図１に示すように、すべり軸受装置１は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、円筒形状に成形されている。ここで、炭素繊維は、軸受すべり面の円周長さより短ければよく、具体的数値を記すと、炭素繊維の長さは１０μｍ〜１０ｍｍが好ましい。炭素繊維の直径は、５μｍ〜１５μｍが好ましい。また、炭素繊維の本数は複数本であればよいが、すべり軸受の軸受部分の全体の重量に対して５〜３０重量％の炭素繊維を含むように炭素繊維の本数を決定する。このように炭素繊維を選ぶことで、異物によって樹脂中のある炭素繊維が切断されて脱落しても、樹脂中には別の炭素繊維があるため、耐スラリー摩耗性が高い状態を維持できるので長寿命化が可能となる。
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。図１では、軸受すべり面ＢＳに形成された溝は図示を省略している。樹脂材料は、ＰＡ（ポリアミド），ＰＯＭ（ポリアセタール），ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート），ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート），ＰＰＥ（ポリフェニルン・エーテル），ＰＣ（ポリカーボネート），ＵＨＭｗ−ＰＥ（超高分子ポリエチレン），ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＰＩ（ポリイミド），ＰＥＥＫ（ポリ・エーテル・エーテル・テトン），ＰＡＲ（ポリアリレート），ＰＳＦ（ポリサルフォン），ＰＥＩ（ポリエーテルイミド），ＰＡＩ（ポリアミドイミド），ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）のうち少なくとも一種類を含むものである。
図１は、本発明に係るすべり軸受装置を示す斜視図である。図１に示すように、すべり軸受装置１は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、円筒形状に成形されている。ここで、炭素繊維は、軸受すべり面の円周長さより短ければよく、具体的数値を記すと、炭素繊維の長さは１０μｍ〜１０ｍｍが好ましい。炭素繊維の直径は、５μｍ〜１５μｍが好ましい。また、炭素繊維の本数は複数本であればよいが、すべり軸受の軸受部分の全体の重量に対して５〜３０重量％の炭素繊維を含むように炭素繊維の本数を決定する。このように炭素繊維を選ぶことで、異物によって樹脂中のある炭素繊維が切断されて脱落しても、樹脂中には別の炭素繊維があるため、耐スラリー摩耗性が高い状態を維持できるので長寿命化が可能となる。
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。図１では、軸受すべり面ＢＳに形成された溝は図示を省略している。樹脂材料は、ＰＡ（ポリアミド），ＰＯＭ（ポリアセタール），ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート），ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート），ＰＰＥ（ポリフェニルン・エーテル），ＰＣ（ポリカーボネート），ＵＨＭｗ−ＰＥ（超高分子ポリエチレン），ＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン），ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド），ＰＩ（ポリイミド），ＰＥＥＫ（ポリ・エーテル・エーテル・テトン），ＰＡＲ（ポリアリレート），ＰＳＦ（ポリサルフォン），ＰＥＩ（ポリエーテルイミド），ＰＡＩ（ポリアミドイミド），ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）のうち少なくとも一種類を含むものである。
図２は、図１に示すすべり軸受装置１のII-II線断面図である。図２に示すように、すべり軸受装置１の軸受すべり面ＢＳには、軸方向に貫通した複数の溝１ｇが形成されている。図２では、軸受すべり面ＢＳに複数の溝が形成されている場合を図示したが、溝は１本であってもよい。
本発明においては、すべり軸受装置１の軸受すべり面ＢＳに複数の溝１ｇが形成されている場合、前記複数の溝１ｇは、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）が１５〜５０％になるように形成されている。図２に示す例において説明すると、軸受すべり面の内径をｄとし、溝幅をｗとすると、軸受すべり面には等間隔に８個の溝１ｇが形成されており、すべり面の円周長さはπｄであり、溝の円周長さは８ｗである。図１に示すように、すべり軸受装置１の軸方向の長さをＤとすると、軸受すべり面のすべり面全体の面積はπｄ×Ｄであり、溝の占める全面積は８ｗ×Ｄである。したがって、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）は、（８ｗ／πｄ）×１００（％）と表すことができる。この式を溝の個数をｎ（ｎは正の整数）として、より一般化すると、（ｎｗ／πｄ）×１００（％）と表すことができる。本発明においては、複数の溝１ｇは、溝の面積率（（ｎｗ／πｄ）×１００（％））が１５〜５０％になるように形成されている。ここで、溝幅ｗとは円周上の長さで表す溝の幅をいう。
本発明においては、すべり軸受装置１の軸受すべり面ＢＳに複数の溝１ｇが形成されている場合、前記複数の溝１ｇは、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）が１５〜５０％になるように形成されている。図２に示す例において説明すると、軸受すべり面の内径をｄとし、溝幅をｗとすると、軸受すべり面には等間隔に８個の溝１ｇが形成されており、すべり面の円周長さはπｄであり、溝の円周長さは８ｗである。図１に示すように、すべり軸受装置１の軸方向の長さをＤとすると、軸受すべり面のすべり面全体の面積はπｄ×Ｄであり、溝の占める全面積は８ｗ×Ｄである。したがって、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）は、（８ｗ／πｄ）×１００（％）と表すことができる。この式を溝の個数をｎ（ｎは正の整数）として、より一般化すると、（ｎｗ／πｄ）×１００（％）と表すことができる。本発明においては、複数の溝１ｇは、溝の面積率（（ｎｗ／πｄ）×１００（％））が１５〜５０％になるように形成されている。ここで、溝幅ｗとは円周上の長さで表す溝の幅をいう。
また、本発明においては、前記複数の溝１ｇは、隣り合う溝間の距離（溝間距離（Ｌ））が１０〜６０ｍｍになるように形成されている。図２では便宜上、Ｌ（溝間距離）およびｗ（溝幅）をすべり面の円周上より半径方向内側に近接させて図示している。ここで、溝間距離Ｌとは溝と溝との間のすべり面の円周上の長さをいう。
図３は、図２のIII部拡大図である。図３の拡大図には、溝１ｇの深さ（ｄｐ）と樹脂材料又は複合材料の厚さ（Ｔ）が示されている。各溝１ｇは、軸受すべり面ＢＳから径方向への深さ（ｄｐ）が１．０ｍｍ以上、樹脂材料又は複合材料の厚さ（Ｔ）の２／３以下になるように形成されている。すなわち、１．０ｍｍ≦ｄｐ≦（２／３）Ｔである。ただし、軸受がセグメントタイプの場合、軸受パッドを軸受材料とは異なる材質の部品に取り付ける場合には、隣接する軸受パッド間に溝を形成することができるため、溝深さは特に規定されない。
次に、溝の面積率、溝間距離、溝幅および溝深さを上記範囲に設定した理由について説明する。
（１）溝の面積率
ＰＩ樹脂と炭素繊維との複合材からなる軸受である炭素繊維複合ＰＩ軸受を用いて試験を行った結果を図４および図５に示す。
試験は下記の条件で行った。
軸受平均面圧：０．０５ＭＰａ、周速度：５ｍ／ｓ、試験時間：８ｈ、雰囲気：スラリー中、異物濃度：２００ｐｐｍ
図４は、溝の面積率と耐摩耗性との関係を示すグラフであり、横軸は溝の面積率（％）を示し、縦軸はスラリー中の軸受の摩耗量（軸受内径変化量）［ｍｍ］を示す。図４に示すように、溝の面積率が１５％以上になると、摩耗量は概略比例的に減少していく。すなわち、溝の面積率が大きいほど耐摩耗性は向上する傾向を示す。溝の面積率が１５％未満の場合、耐摩耗性の効果はあまり変わらないため、溝の面積率の下限値を１５％とした。溝の面積率が５０％を越える場合、軸を支えるすべり面面積が少な過ぎ、軸の挙動が不安定になるため、溝の面積率の上限値を５０％とした。溝による異物の除去効果およびすべり面に異物が入りにくくなる効果により耐摩耗性が向上するが、溝の面積率が１５％未満の場合、その効果が小さくなり、耐摩耗性が向上しない。
（１）溝の面積率
ＰＩ樹脂と炭素繊維との複合材からなる軸受である炭素繊維複合ＰＩ軸受を用いて試験を行った結果を図４および図５に示す。
試験は下記の条件で行った。
軸受平均面圧：０．０５ＭＰａ、周速度：５ｍ／ｓ、試験時間：８ｈ、雰囲気：スラリー中、異物濃度：２００ｐｐｍ
図４は、溝の面積率と耐摩耗性との関係を示すグラフであり、横軸は溝の面積率（％）を示し、縦軸はスラリー中の軸受の摩耗量（軸受内径変化量）［ｍｍ］を示す。図４に示すように、溝の面積率が１５％以上になると、摩耗量は概略比例的に減少していく。すなわち、溝の面積率が大きいほど耐摩耗性は向上する傾向を示す。溝の面積率が１５％未満の場合、耐摩耗性の効果はあまり変わらないため、溝の面積率の下限値を１５％とした。溝の面積率が５０％を越える場合、軸を支えるすべり面面積が少な過ぎ、軸の挙動が不安定になるため、溝の面積率の上限値を５０％とした。溝による異物の除去効果およびすべり面に異物が入りにくくなる効果により耐摩耗性が向上するが、溝の面積率が１５％未満の場合、その効果が小さくなり、耐摩耗性が向上しない。
図５は、溝間距離と耐摩耗性との関係を示すグラフであり、横軸は溝間距離（ｍｍ）を示し、縦軸はスラリー中の軸受の摩耗量（軸受内径変化量）［ｍｍ］を示す。図５に示すように、軸受すべり面の円周長さに対する溝間距離を１０〜２５ｍｍの間で変化させても、スラリー中の軸受の摩耗量はばらついており、一定の傾向を示すことはない。すなわち、軸受すべり面の円周長さに対する溝間距離の割合は、スラリー中の耐摩耗性に対して相関がない。
図４および図５に示すように、試験結果から、樹脂材料または樹脂材料と炭素繊維の複合材料からなるすべり軸受においては、スラリー中の耐摩耗性には溝の面積率が影響を及ぼすことが確認された。
図４および図５に示すように、試験結果から、樹脂材料または樹脂材料と炭素繊維の複合材料からなるすべり軸受においては、スラリー中の耐摩耗性には溝の面積率が影響を及ぼすことが確認された。
（２）溝間距離
ＰＥＥＫ系材料製軸受を用いて試験を行った結果を図６および図７に示す。
試験は、下記の条件で行った。
軸受平均面圧：０．１ＭＰａ、周速度：４ｍ／ｓ、試験時間：２ｈ、雰囲気：大気中
図６は、溝間距離と軸受摩耗率との関係を示すグラフであり、横軸は溝間距離（ｍｍ）を示し、縦軸は大気中運転での軸受摩耗率（軸受内径変化率）（μｍ／ｈ）を示す。
図６に示すように、溝間距離（Ｌ）が１０ｍｍ未満では、軸受摩耗率（μｍ／ｈ）は１．２近傍またはそれ以上であり、軸受摩耗率が増加する。したがって、溝間距離（Ｌ）の下限値を１０ｍｍとする。溝間距離（Ｌ）が２０ｍｍ〜４６ｍｍの間では、軸受摩耗率（μｍ／ｈ）は０．８近傍またはそれ以下であり、軸受摩耗率が減少する。したがって、溝間距離（Ｌ）のより好ましい範囲は、２０〜４５ｍｍである。
また、図６は、溝間距離と定常運転時の摩擦係数との関係も示している。図６に示すように、溝間距離（Ｌ）を３〜４６ｍｍの間で変化させても、摩擦係数は概略一定である。したがって、溝間距離は、定常運転時の摩擦係数に対して相関がない。
ＰＥＥＫ系材料製軸受を用いて試験を行った結果を図６および図７に示す。
試験は、下記の条件で行った。
軸受平均面圧：０．１ＭＰａ、周速度：４ｍ／ｓ、試験時間：２ｈ、雰囲気：大気中
図６は、溝間距離と軸受摩耗率との関係を示すグラフであり、横軸は溝間距離（ｍｍ）を示し、縦軸は大気中運転での軸受摩耗率（軸受内径変化率）（μｍ／ｈ）を示す。
図６に示すように、溝間距離（Ｌ）が１０ｍｍ未満では、軸受摩耗率（μｍ／ｈ）は１．２近傍またはそれ以上であり、軸受摩耗率が増加する。したがって、溝間距離（Ｌ）の下限値を１０ｍｍとする。溝間距離（Ｌ）が２０ｍｍ〜４６ｍｍの間では、軸受摩耗率（μｍ／ｈ）は０．８近傍またはそれ以下であり、軸受摩耗率が減少する。したがって、溝間距離（Ｌ）のより好ましい範囲は、２０〜４５ｍｍである。
また、図６は、溝間距離と定常運転時の摩擦係数との関係も示している。図６に示すように、溝間距離（Ｌ）を３〜４６ｍｍの間で変化させても、摩擦係数は概略一定である。したがって、溝間距離は、定常運転時の摩擦係数に対して相関がない。
図７は、溝間距離と軸受温度上昇値（℃）との関係を示すグラフであり、横軸は溝間距離（ｍｍ）を示し、縦軸は大気中運転での軸受温度上昇値（運転中の軸受最大温度から室温（雰囲気温度）を引いた値）（℃）を示す。図７に示すように、溝間距離（Ｌ）が小さいほど軸受温度上昇値は小さくなり、溝間距離が増加するにつれて軸受温度上昇値はほぼ直線的に増加していく。本発明のすべり軸受装置は、軸受の背面にゴム材からなる緩衝材を配置する場合があり、このゴム材からなる緩衝材は耐熱限界温度が１２０℃である。したがって、すべり軸受装置を耐熱限界温度（１２０℃）以下で使用する必要がある。すべり軸受装置の使用環境の雰囲気温度は４０℃を想定しているため、軸受温度上昇値を８０℃以下とする必要がある。図７に示すように、軸受温度上昇値を８０℃以下とするためには、溝間距離（Ｌ）の上限値を６０ｍｍとする。なお、図７には、溝間距離と起動直後の摩擦係数との関係も示されているが、摩擦係数は溝間距離を変化させても概略一定であり、溝間距離は、起動直後の摩擦係数に対して相関がない。
図６および図７の結果をまとめると、図６に示す溝間距離と軸受摩耗率との関係から溝間距離の下限値は１０ｍｍであり、図７に示す溝間距離と軸受温度上昇値との関係から溝間距離の上限値は６０ｍｍである。したがって、隣り合う溝間の距離（溝間距離）は、１０〜６０ｍｍとする。そして、溝間距離のより好ましい範囲は、図６において軸受摩耗率が小さい値を示す２０〜４６ｍｍである。図７に示すように、溝間距離が４６ｍｍであるとき、軸受温度上昇値は約６５℃である。したがって、たとえ軸受の雰囲気温度が５０℃に上昇するような苛酷な使用環境であっても軸受温度は１１５℃に留まり、緩衝材に悪影響を与えることはない。
なお、ＰＶ（Ｐ：面圧、Ｖ：すべり速度）値が高く軸受温度上昇値の抑制を優先したい場合は、隣り合う溝間距離を５ｍｍまで短くすることにより、軸受温度上昇を低く抑えてもよい。
なお、ＰＶ（Ｐ：面圧、Ｖ：すべり速度）値が高く軸受温度上昇値の抑制を優先したい場合は、隣り合う溝間距離を５ｍｍまで短くすることにより、軸受温度上昇を低く抑えてもよい。
大気中運転においては、摩耗粉がすべり面に滞留することが、耐摩耗性の低下、なじみにくさの原因となる。従って、溝間距離を１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍとすることにより、すべり面に摩耗粉が滞留する時間を短くし、溝によって摩耗粉が除去される効果により耐摩耗性に優れ、起動直後の摩擦係数が高い状態で運転するなじみ運転時間を短くする効果により、軸受温度上昇を低く抑えることができる。
図６および図７に示すように、試験結果から、樹脂材料または樹脂材料と炭素繊維の複合材料からなるすべり軸受においては、大気中の摩耗特性および軸受温度上昇には溝間距離が影響を及ぼすことが確認された。
図６および図７に示すように、試験結果から、樹脂材料または樹脂材料と炭素繊維の複合材料からなるすべり軸受においては、大気中の摩耗特性および軸受温度上昇には溝間距離が影響を及ぼすことが確認された。
（３）溝幅
溝幅は、軸受内径と１５〜５０％の範囲の溝の面積率と１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍの範囲の溝間距離との関係から決まる。
（４）溝深さ
前記溝１ｇは、軸受すべり面から径方向への溝深さ（ｄｐ）が１ｍｍ以下の場合、スラリー粒子や摩耗粉が溝に詰まる恐れがあるため、溝深さ（ｄｐ）の下限値を１ｍｍとした。溝深さ（ｄｐ）は特に上限はないが、大きすぎると軸受の強度的に問題が生じるため、溝深さ（ｄｐ）の上限値を樹脂材料又は複合材料の厚さ（Ｔ）の２／３以下とした。ただし、軸受がセグメントタイプの場合、軸受パッドを軸受材料とは異なる材質の部品に取り付ける場合には、隣接する軸受パッド間に溝を形成することができるため、溝深さは特に規定されない。
溝幅は、軸受内径と１５〜５０％の範囲の溝の面積率と１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍの範囲の溝間距離との関係から決まる。
（４）溝深さ
前記溝１ｇは、軸受すべり面から径方向への溝深さ（ｄｐ）が１ｍｍ以下の場合、スラリー粒子や摩耗粉が溝に詰まる恐れがあるため、溝深さ（ｄｐ）の下限値を１ｍｍとした。溝深さ（ｄｐ）は特に上限はないが、大きすぎると軸受の強度的に問題が生じるため、溝深さ（ｄｐ）の上限値を樹脂材料又は複合材料の厚さ（Ｔ）の２／３以下とした。ただし、軸受がセグメントタイプの場合、軸受パッドを軸受材料とは異なる材質の部品に取り付ける場合には、隣接する軸受パッド間に溝を形成することができるため、溝深さは特に規定されない。
次に、図２に示すすべり軸受装置と異なる断面形状を有するすべり軸受装置の例を図８Ａ〜図８Ｇに示す。図８Ａ〜図８Ｄは、すべり軸受装置１の縦断面図であり、図２に相当する図である。図８Ｅ〜図８Ｇは、すべり軸受装置１の水平断面図である。
図８Ａ，図８Ｂに示すすべり軸受装置１は、溝１ｇの溝幅（ｗ）が均一ではなく大、小（図８Ａ）および大、中、小（図８Ｂ）の組み合わせからなっている。図８Ｃ，図８Ｄに示すすべり軸受装置１は、溝幅（ｗ）が均一ではなく、溝の位置もずらして配置している。
図８Ｅ，図８Ｆ，図８Ｇに示すすべり軸受装置１は、軸方向に貫通している貫通溝１ｇの形状が直線形状ではなく、中央部に段差をもった直線形状（図８Ｅ）、波状の形状（図８Ｆ）、やまがた状（図８Ｇ）である。図８Ｅ，図８Ｆ，図８Ｇの溝の場合、溝間距離が１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍの範囲になるように自由に配置できる。この場合の溝間距離はすべり方向（周方向）と平行な距離で、隣り合う溝の近接縁を結ぶ距離である。この隣り合う溝の近接縁を結ぶ距離が複数ある場合や、溝間距離が複数ある場合は、平均距離を選ぶものとする。
図８Ａ，図８Ｂに示すすべり軸受装置１は、溝１ｇの溝幅（ｗ）が均一ではなく大、小（図８Ａ）および大、中、小（図８Ｂ）の組み合わせからなっている。図８Ｃ，図８Ｄに示すすべり軸受装置１は、溝幅（ｗ）が均一ではなく、溝の位置もずらして配置している。
図８Ｅ，図８Ｆ，図８Ｇに示すすべり軸受装置１は、軸方向に貫通している貫通溝１ｇの形状が直線形状ではなく、中央部に段差をもった直線形状（図８Ｅ）、波状の形状（図８Ｆ）、やまがた状（図８Ｇ）である。図８Ｅ，図８Ｆ，図８Ｇの溝の場合、溝間距離が１０〜６０ｍｍあるいは５〜６０ｍｍの範囲になるように自由に配置できる。この場合の溝間距離はすべり方向（周方向）と平行な距離で、隣り合う溝の近接縁を結ぶ距離である。この隣り合う溝の近接縁を結ぶ距離が複数ある場合や、溝間距離が複数ある場合は、平均距離を選ぶものとする。
図９は、本実施形態に係るすべり軸受装置を備えた、排水機場で用いられるポンプの例である立形斜流ポンプを示す断面図である。
図９に示すように、立形斜流ポンプは、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続される吊り下げ管２９と、吊り下げ管２９の下端に接続され、後述するインペラ２２を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続され、水を吸い込むための吸い込みベル２７と、を備えている。
図９に示すように、立形斜流ポンプは、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続される吊り下げ管２９と、吊り下げ管２９の下端に接続され、後述するインペラ２２を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続され、水を吸い込むための吸い込みベル２７と、を備えている。
立形斜流ポンプの、吊り下げ管２９、吐出ボウル２８及び吸い込みベル２７の径方向略中心部には、軸継手２６によって互いに接続された軸１０，１０´が配置されている。軸１０，１０´は、上部軸受３２及び下部軸受３３によって支持されている。軸１０，１０´の一端側（吸い込みベル２７側）には、水をポンプ内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。軸１０，１０´の他端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔から立形斜流ポンプの外部へ通じ、インペラ２２を回転させる図示しない駆動用モータへ接続される。
軸１０，１０´と吐出エルボ３０に設けられた孔との間にはフローティングシール３４が設けられており、これにより立形斜流ポンプが扱う水が立形斜流ポンプの外部に流出することが防止される。
軸１０，１０´と吐出エルボ３０に設けられた孔との間にはフローティングシール３４が設けられており、これにより立形斜流ポンプが扱う水が立形斜流ポンプの外部に流出することが防止される。
駆動用モータは、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられ、駆動用モータの回転は軸１０，１０´に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。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、吊下げ管２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。
図９に示す立形斜流ポンプは、ポンプ起動時にはポンプ内部に流体が無い状態、即ちドライ条件で運転される。また、起動後の定常運転時においては、ポンプ内部に異物が混入した水が存在する状態で運転される。
図１０は、本実施形態に係る軸受３２，３３に適用されたすべり軸受装置の拡大図である。図１０に示すように、軸１０，１０´には、その外周に軸受の相手材料であるステンレス鋼、焼結金属又は表面改質された金属からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１の外周側には、樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）と非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプの吊り下げ管２９等へ繋がる支持部材１３に固定されている。
本発明者らは、図９に示す構造の立形斜流ポンプの軸受３２，３３に、本発明に係るすべり軸受装置を配置し、ポンプ起動時の大気中でのドライ運転、起動後の異物が混入したスラリ水を排水する定常運転を行った。その結果、軸受の摩耗や摩擦が抑えられ、スラリ水中の異物や、摩耗粉の除去が速やかに排出されるようになっているので、過酷な条件であるにもかかわらず良好な運転ができた。
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。
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利用可能である。
１ すべり軸受装置
１ｇ 溝
１０，１０´ 軸
１１ スリーブ
１２ 軸受ケース
１２ａ つば部
１３ 支持部材
２２ インペラ
２６ 軸継手
２７ 吸い込みベル
２８ 吐出ボウル
２９ 吊り下げ管
３０ 吐出エルボ
３２ 上部軸受
３３ 下部軸受
３４ フローティングシール
ｗ 溝幅
Ｌ 溝間距離
ｄｐ 溝深さ
ＢＳ 軸受すべり面
１ｇ 溝
１０，１０´ 軸
１１ スリーブ
１２ 軸受ケース
１２ａ つば部
１３ 支持部材
２２ インペラ
２６ 軸継手
２７ 吸い込みベル
２８ 吐出ボウル
２９ 吊り下げ管
３０ 吐出エルボ
３２ 上部軸受
３３ 下部軸受
３４ フローティングシール
ｗ 溝幅
Ｌ 溝間距離
ｄｐ 溝深さ
ＢＳ 軸受すべり面
Claims (5)
- 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ポンプに使用するすべり軸受であって、
軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、
前記複数の溝は、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）が１５〜５０％になるように形成され、かつ隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍになるように形成されていることを特徴とするすべり軸受装置。 - 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ポンプに使用するすべり軸受であって、
軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、
前記複数の溝は、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）が１５〜５０％になるように形成され、かつ隣り合う溝間の距離が５〜６０ｍｍになるように形成されていることを特徴とするすべり軸受装置。 - 前記樹脂材料は、ＰＡ，ＰＯＭ，ＰＢＴ，ＰＥＴ，ＰＰＥ，ＰＣ，ＵＨＭｗ−ＰＥ，ＰＴＦＥ，ＰＰＳ，ＰＩ，ＰＥＥＫ，ＰＡＲ，ＰＳＦ，ＰＥＩ，ＰＡＩ，ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものであることを特徴とする請求項１または２に記載のすべり軸受装置。
- 前記溝は、軸受すべり面から径方向への深さが１．０ｍｍ以上で且つ前記樹脂材料または複合材料の厚さの２／３以下になるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のすべり軸受装置。
- 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ポンプであって、
前記すべり軸受装置の軸受部分は、炭素繊維を含まない樹脂材料または炭素繊維を含まない樹脂材料に軸受すべり面の円周長さより短い長さの炭素繊維を複数本含む複合材料からなり、軸受すべり面には軸方向に貫通した複数の溝が設けられ、
前記複数の溝は、軸受すべり面のすべり面全体の面積に対して溝の占める全面積の割合（溝の面積率）が１５〜５０％になるように形成され、かつ隣り合う溝間の距離が１０〜６０ｍｍになるように形成されていることを特徴とするポンプ。
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