JP7465779B2

JP7465779B2 - ポンプの軸受診断装置及びその方法

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Publication number: JP7465779B2
Application number: JP2020170711A
Authority: JP
Inventors: 祐治兼森
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-10-08
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2040-10-08
Also published as: JP2022062591A

Description

本発明は、ポンプの軸受診断装置及びその方法に関する。

ポンプにおいて、回転軸を支持する軸受の摺接部材が過度に摩耗又は部分的に損傷（割れ欠け）した場合、回転軸に振れ回りが発生するため、ポンプケーシングが振動し、ポンプ床が劣化する。特許文献１には、このような軸受の摩耗や破損を診断するポンプの軸受診断装置が開示されている。この軸受診断装置は、圧力タンクから給気管を介してポンプケーシング内の回転軸と軸受との間に空気を供給し、給気管の空気圧の変化勾配に基づいて軸受の異常を判定する。

特開２００９－７４５３０号公報

特許文献１の診断装置では、樹脂製の摺接部材を用いた軸受の異常は、高精度に判定できない。具体的には、樹脂製の摺接部材の内周面には軸方向に延びる凹溝が形成され、摺接部材と回転軸との焼き付き防止、及び揚水に含まれるスラリーの噛み込み防止が図られている。凹溝が摺接部材の軸方向に貫通している場合、供給した空気が吹き抜けて異常判定を行えないため、摺接部材には非貫通の凹溝を形成し、空気の吹き抜けを防止することが考えられる。

しかし、空気は圧縮性を有するため、摺接部材と回転軸との間では、壁に衝突して圧縮された空気と非圧縮の空気とが入り交じり、空気の流れが複雑になる。この複雑な空気流が抵抗になるため、摺接部材と回転軸の間に供給する空気量は、摺接部材と回転軸の間の隙間寸法のみに依存しない。その結果、特許文献１の診断装置では、摺接部材と回転軸の間の隙間、つまり軸受の異常を高精度に判定できない。

本発明は、非金属製の摺接部材を備える軸受の異常を高精度に計測することを課題とする。

本発明の一態様は、全水運転と気中運転に移行可能なポンプのポンプケーシング内に配置され、モータによって回転される回転軸を支持する軸受の診断装置であって、前記軸受は環状で非金属製の摺接部材を有し、前記摺接部材の内周面には、径方向外向きに窪むとともに軸方向に延び、軸方向の外端が壁部によって塞がれた非貫通の凹溝が形成されており、前記診断装置は、前記摺接部材と前記回転軸の間に非圧縮性の液体を供給する液体供給機構と、前記液体供給機構によって供給した液体量を計測する流量計と、前記流量計によって計測した液体量に基づいて前記軸受の異常の有無を診断する診断部とを備え、更に、前記全水運転と前記気中運転のいずれの状態であるかを検出するための検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて前記気中運転に移行したと判断すると、前記液体供給機構によって前記液体を供給させ、前記診断部によって前記軸受を診断させる制御部と
を備える、ポンプの軸受診断装置を提供する。

本発明の他の態様は、全水運転と気中運転に移行可能なポンプのポンプケーシング内に配置され、モータによって回転される回転軸を支持する軸受の診断方法であって、前記軸受は環状で非金属製の摺接部材を有し、前記摺接部材の内周面には、径方向外向きに窪むとともに軸方向に延び、軸方向の外端が壁部によって塞がれた非貫通の凹溝が形成されており、検出部の検出結果に基づいて前記気中運転に移行したと判断すると、液体供給機構によって前記摺接部材と前記回転軸の間に非圧縮性の液体を供給し、流量計によって供給した液体量を計測し、診断部によって前記流量計が計測した液体量に基づいて前記軸受の異常の有無を診断する、ポンプの軸受診断方法を提供する。

本態様では、摺接部材に非貫通の凹溝が形成されているため、液体供給機構によって供給した液体が凹溝内を通り抜けることはない。また、液体供給機構は非圧縮性の液体を供給するため、摺接部材と回転軸の間で供給した液体の流れが複雑になることはない。そのため、液体供給機構が供給する液体量は、回転軸と摺接部材の間の隙間寸法のみに依存する。よって、液体量が少ないことを示す場合には摺接部材の摩耗や破損が許容範囲内であると判定でき、液体量が多いことを示す場合には摺接部材の摩耗や破損が許容範囲を超えていると判定できる。つまり、流量計が計測した液体量に基づいて、軸受の異常を高精度に判定できる。

本発明では、非金属製の摺接部材を備える軸受の異常を高精度に計測できる。

本発明の第１実施形態に係るポンプの軸受診断装置を示す概略図。図１のII部分の拡大図。図２の軸受の断面図。図３のIV－IV線断面図。図４と同じ位置で切断した軸受の分解斜視図。第２実施形態に係るポンプの軸受診断装置を示す概略図。実際の隙間、第１実施形態の軸受診断装置で判定した隙間、及び従来の軸受診断装置で判定した隙間を示すグラフ。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る軸受診断装置４０を適用したポンプ１０を示す。軸受診断装置４０は、軸受３０と回転軸２４の間に非圧縮性の液体を供給し、これらの隙間寸法を判定し、軸受３０の異常の有無を診断する。

まず、軸受診断装置４０を配置するポンプ１０について説明する。

図１に示すポンプ１０は、排水機場の吸水槽１に配置され、吸水槽１に流入した雨水等の液体を下流側へ排出する立軸ポンプである。図１を参照すると、ポンプ１０は、ポンプケーシング１２、回転軸２４、及び羽根車２６を備える。

ポンプケーシング１２は、ポンプ床２に形成された貫通孔２ａに上方から差し込まれ、ポンプ床２に固定されている。ポンプケーシング１２は、吸水槽１内に配置された揚水管１３と、ポンプ床２上に配置された吐出管１９とを備える。

揚水管１３は、揚水管本体１４、ベーンケース１５、及びベルマウス１７を備え、これらが上側から下側へ順に接続された筒体である。そのうち、ベーンケース１５の内部には、ベーンケース１５と同軸で筒状の軸受ケーシング１６が設けられている。ベルマウス１７の下端は、吸水槽１内の水を吸い込む吸込口１８である。

吐出管１９は、軸線が９０度湾曲した吐出エルボ（曲がり管）２０を備え、揚水管１３の上端に接続されている。吐出エルボ２０の下部には、ポンプ床２に固定するためのベースプレート２１が設けられている。但し、ベースプレート２１は揚水管本体１４の上端側に設けてもよい。

回転軸２４は、吐出管１９を貫通して揚水管１３の軸線Ａに沿って配置されている。回転軸２４は、ポンプケーシング１２の内部に配置された内側部２４ａと、ポンプケーシング１２の外部に配置された外側部２４ｂとを備える。内側部２４ａの下端は、軸受ケーシング１６を貫通し、軸受ケーシング１６と吸込口１８との間に配置されている。外側部２４ｂは、吐出管１９から外部へ突出し、駆動モータ２８に機械的に接続されている。回転軸２４のうち吐出エルボ２０を貫通した部分は、軸封装置によって水密にシールされている。

羽根車２６は、軸受ケーシング１６の下側に配置され、内側部２４ａの下端に取り付けられている。駆動モータ２８によって回転軸２４が回転されると、羽根車２６は、回転軸２４と一体に回転し、ポンプケーシング１２内を通して吸水槽１内の液体を下流側へ排出する。

ポンプケーシング１２の内部には、回転軸２４を回転可能に支持する水中軸受３０が取り付けられている。水中軸受３０の数は、揚水管１３の全長によって定められており、本実施形態では２個用いられている。上側に位置する水中軸受３０は、揚水管本体１４内に設けられたホルダ１４ａ内に配置されている。下側に位置する水中軸受３０は、軸受ケーシング１６内に設けられたホルダ１６ａ内に配置されている。

図２を参照すると、水中軸受３０は、回転軸２４の外周面に摺接する円筒状の摺接部材３３を備える。この摺接部材３３が過度に摩耗又は損傷（割れ欠け）すると、回転軸２４に振れ回りが発生するため、摺接部材３３を交換する必要がある。本実施形態の軸受診断装置４０は、このような水中軸受３０の異常の有無を診断する。

次に、水中軸受３０の構成について具体的に説明する。

図２を参照すると、水中軸受３０は、ホルダ１４ａ，１６ａの内側に取り付けられたカバーケース３１、カバーケース３１の内側に取り付けられたシェル３２、及びシェル３２の内側に取り付けられた摺接部材３３を備える。これらは、揚水管１３の軸線Ａを中心とする円筒状を呈する。

カバーケース３１は、上端にフランジ部３１ａを備え、下端に保持部３１ｂを備える。フランジ部３１ａは、径方向外向きに突出しており、ホルダ１４ａ，１６ａの端面に取り付けられる。保持部３１ｂは、径方向内向きに突出しており、シェル３２の下端を保持する。カバーケース３１には、外周面から内周面にかけて貫通し、後述する給水配管４７の接続部４８Ａ，４８Ｂが接続される連通孔３１ｃが設けられている。

図３から図５を参照すると、シェル３２は、内周面３２ａの直径が上端から下端まで一様な円筒状である。シェル３２の外周には、軸方向の中央に径方向外向きに突出した突出部３２ｂが形成されている。

突出部３２ｂには、カバーケース３１に固定するためのネジ孔３２ｃと、連通孔３１ｃに連通する連通孔３２ｄとが設けられている。また、シェル３２には、摺接部材３３を取り付けるための挿通孔３２ｅが設けられている。

ネジ孔３２ｃは、突出部３２ｂの外周面から内周面３２ａに向けて延び、内周面３２ａ側の端が塞がれた非貫通の孔である。ネジ孔３２ｃは、周方向に等間隔をあけて複数（本実施形態では６箇所）設けられている。カバーケース３１の挿通孔（図２参照）を通してネジ孔３２ｃにネジを締め付けることで、カバーケース３１内にシェル３２が取り付けられる。

連通孔３２ｄは、突出部３２ｂの外周面から内周面３２ａまで貫通した孔である。連通孔３２ｄは、周方向に等間隔をあけて複数（本実施形態では３箇所）設けられている。連通孔３２ｄは、ネジ孔３２ｃに対して突出部３２ｂの周方向の異なる位置に設けられている。複数の連通孔３２ｄのうち、１つが連通孔３１ｃを介して給水配管４７に連通され、その他はカバーケース３１によって塞がれる。

挿通孔３２ｅは、外周面から内周面３２ａにかけて貫通した孔である。挿通孔３２ｅは、周方向に等間隔をあけて複数（本実施形態では６箇所）設けられている。本実施形態では４つの摺接部材３３を取り付けるために、複数の挿通孔３２ｅが軸方向に間隔をあけて４列設けられている。

摺接部材３３は、軸方向に隣り合うように４個取り付けられている。これらの摺接部材３３はいずれも円環状を呈している。以下の説明では、軸方向の中間部分に位置する２個を第１摺接部材３３Ａと言い、軸方向の両端に位置する２個を第２摺接部材３３Ｂと言うことがある。

摺接部材３３Ａ，３３Ｂは、いずれも非金属製であり、例えばＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ゴムによって形成されている。但し、第１摺接部材３３Ａと第２摺接部材３３Ｂは、耐摩耗性が異なる材料によって形成されている。より具体的には、第１摺接部材３３Ａは、第２摺接部材３３Ｂよりも摺動性が良好な材料によって形成され、第２摺接部材３３Ｂは、第１摺接部材３３Ａよりも耐摩耗性に優れた材料によって形成されている。

摺接部材３３Ａ，３３Ｂそれぞれの内周面３３ａの直径は、回転軸２４の外径よりも大きく、回転軸２４に振れ回りが発生しないように可能な限り小さく設定されている。非金属製の摺接部材３３Ａ，３３Ｂは吸水により膨潤し、その膨潤量は形成材料によって異なる。第１摺接部材３３Ａの内径と第２摺接部材３３Ｂの内径とは、形成材料によって異なる膨潤量に応じて異なる寸法に設定し、水中軸受３０全体としての軸受特性を向上させることが好ましい。

摺接部材３３Ａ，３３Ｂそれぞれの外周面３３ｂの直径は、シェル３２の内周面３２ａの直径よりも小さく、シェル３２内への挿入を実現可能な範囲で可能な限り大きく設定されている。これにより摺接部材３３Ａ，３３Ｂは、シェル３２内に端部から順次挿入して配置される。

摺接部材３３Ａ，３３Ｂの外周面３３ｂには、シェル３２の挿通孔３２ｅに対応するネジ孔３３ｃがそれぞれ設けられている。ネジ孔３３ｃは、外周面３３ｂから内周面３３ａに向けて延び、内周面３３ａ側の端が塞がれた非貫通の孔である。ネジ孔３３ｃは、周方向に等間隔をあけて複数（本実施形態では６箇所）設けられている。挿通孔３２ｅを通してネジ孔３３ｃにネジを締め付けることで、シェル３２内に摺接部材３３Ａ，３３Ｂが取り付けられる。

図４に最も明瞭に示すように、一対の第１摺接部材３３Ａは、シェル３２に対して軸方向に間隙をあけて取り付けられている。一対の第２摺接部材３３Ｂのうち、一方は上側の第１摺接部材３３Ａの上に隣接して配置され、他方は下側の第１摺接部材３３Ａの下に隣接して配置されている。一対の第１摺接部材３３Ａの間隙によって、シェル３２内には液体が流入可能な流路３５が形成されている。軸方向における流路３５の幅は、連通孔３２ｄの直径よりも大きい。

図３及び図５を参照すると、摺接部材３３Ａ，３３Ｂの内周面３３ａには、円弧状をなすように径方向外向きに窪むとともに、軸方向に延びる凹溝３４Ａ，３４Ｂがそれぞれ形成されている。凹溝３４Ａ，３４Ｂはそれぞれ、周方向に等間隔をあけて複数（本実施形態では１６個）設けられている。個々の第１摺接部材３３Ａに形成された複数の凹溝３４Ａは第１凹溝群を構成し、個々の第２摺接部材３３Ｂに形成された複数の凹溝３４Ｂは第２凹溝群を構成する。

第１凹溝群を構成する個々の凹溝３４Ａと第２凹溝群を構成する個々の凹溝３４Ｂとは、周方向の異なる位置に配置されている。つまり、第１摺接部材３３Ａの凹溝３４Ａと第２摺接部材３３Ｂの凹溝３４Ｂとは、不連続状態で配置されている。第１摺接部材３３Ａの凹溝３４Ａと第２摺接部材３３Ｂの凹溝３４Ｂとは、摺接部材３３Ａ，３３Ｂの内周面３３ａと回転軸２４の外周面との間の隙間を介して連通している。

より具体的には、第１摺接部材３３Ａの凹溝３４Ａは、第１摺接部材３３Ａの軸方向の第１端３３ｄから第２端３３ｅまで貫通した溝である。流路３５側（第１端３３ｄ側）に位置する凹溝３４Ａの内端は流路３５で開口している。流路３５とは反対側（第２端３３ｅ側）に位置する凹溝３４Ａの外端は、第２摺接部材３３Ｂの第１端３３ｄ（壁部）によって塞がれている。つまり、第１摺接部材３３Ａの凹溝３４Ａは、第２摺接部材３３Ｂによって非貫通状態となっている。

第２摺接部材３３Ｂの凹溝３４Ｂは、第２摺接部材３３Ｂの軸方向の第１端３３ｄから第２端３３ｅに向けて延び、第２端３３ｅ側の端が塞がれた非貫通の溝である。流路３５側に位置する凹溝３４Ｂの内端は、第１端３３ｄで開口しているが、第１摺接部材３３Ａの第２端３３ｅによって塞がれている。流路３５とは反対側に位置する凹溝３４Ｂの外端は、第２摺接部材３３Ｂの第２端３３ｅに対して間隔をあけて位置している。つまり、第２摺接部材３３Ｂの凹溝３４Ｂの外端は、第２端３３ｅの一部を構成する壁部によって塞がれている。

次に、水中軸受３０を診断する軸受診断装置４０の構成について具体的に説明する。

図１を参照すると、軸受診断装置４０は、液体供給機構４２、流量計５３，５４、及び診断装置（診断部）５５を備える。軸受診断装置４０と駆動モータ２８は、１つの制御装置５７によって制御される。ポンプ１０が気中運転に移行すると、制御装置５７は、水中軸受３０に非圧縮性の液体を供給し、診断装置５５によって水中軸受３０の異常の有無を診断させる。

液体供給機構４２は、摺接部材３３と回転軸２４の間に非圧縮性の液体を供給するために設けられている。ここで、非圧縮性の液体とは、物理的に厳密な意味での非圧縮性に限らず、気体と液体を比較したときに相対的に圧縮され難いという物性を意図しており、例えば水を用いることができる。

液体供給機構４２は、水を貯留するタンク４３と、タンク４３内と水中軸受３０内を接続する給水配管４７と、給水配管に介設された切換弁５０とを備え、自重（自然落下）によって水を水中軸受３０に供給する。

タンク４３は、上側の水中軸受３０よりも高いポンプ床２上に配置されている。常に定量の水を貯留するために、タンク４３はボールタップバルブ４４を介して水源に接続されている。

給水配管４７は、タンク４３の底に接続された主配管４７ａと、上側の水中軸受３０に接続するための第１分岐管４７ｂと、下側の水中軸受３０に接続するための第２分岐管４７ｃとを備える。第１分岐管４７ｂの一端は主配管４７ａに分岐接続され、第１分岐管４７ｂの他端はポンプケーシング１２の接続部４８Ａに接続されている。第２分岐管４７ｃの一端は主配管４７ａに分岐接続され、第２分岐管４７ｃの他端はポンプケーシング１２の接続部４８Ｂに接続されている。

接続部４８Ａは揚水管本体１４に設けられた配管であり、一端が第１分岐管４７ｂに接続され、他端が水中軸受３０のカバーケース３１の連通孔３１ｃに接続されている（図２参照）。接続部４８Ｂはベーンケース１５に設けられた配管であり、一端が第２分岐管４７ｃに接続され、他端が水中軸受３０のカバーケース３１の連通孔３１ｃに接続されている。

切換弁５０は、タンク４３内と水中軸受３０内を連通させた開状態と、タンク４３内と水中軸受３０内の連通を遮断した閉状態とに切換可能な電磁弁からなり、主配管４７ａに介設されている。主配管４７ａのうち切換弁５０の下流側には、タンク４３側から水中軸受３０側への通水を許容し、逆向きの通水を阻止する逆止弁５１が介設されている。

流量計は、タンク４３から水中軸受３０に供給した液体量を計測するために設けられている。本実施形態では２種全３個の流量計５３，５４が用いられている。

２個の流量計５３は、第１分岐管４７ｂと第２分岐管４７ｃにそれぞれ介設されている。第１分岐管４７ｂの流量計５３は、液体供給機構４２によって上側の水中軸受３０に供給した液体量を計測する。第２分岐管４７ｃの流量計５３は、液体供給機構４２によって下側の水中軸受３０に供給した液体量を計測する。

残りの１個の流量計５４は、タンク４３に取り付けられている。流量計５４は、タンク４３内の水位を検出するためのレベル計であり、タンク４３から供給された液体の総量を計測する。

診断装置５５は、単一又は複数のマイクロコンピュータ、及びその他の電子デバイスにより構成されている。診断装置５５には、２個の流量計５３、及びタンク４３の流量計５４がそれぞれ電気的に接続され、これらの検出結果が入力される。また、診断装置５５は、制御装置５７に電気的に接続され、診断結果を制御装置５７に出力する。

具体的には、診断装置５５は、個々の流量計５３が計測した液体量に基づいて、摺接部材３３と回転軸２４の隙間を判定し、水中軸受３０それぞれの異常の有無を判定する。計測した液体量が定められた閾値よりも少ないことを示す場合、診断装置５５は、摺接部材３３の摩耗が少なく摺接部材３３と回転軸２４の隙間が小さいこと、及び摺接部材３３に割れ欠けが生じていないことを判定できる。計測した液体量が定められた閾値よりも多いことを示す場合、診断装置５５は、摩耗によって摺接部材３３と回転軸２４の隙間が拡大していること、又は摺接部材３３に割れ欠けが生じていることを判定できる。

また、診断装置５５は、流量計５４の検出結果に基づいて、ポンプ１０全体（つまり本実施形態では２個）の水中軸受３０の隙間の平均的な増加状況を判定する。診断装置５５には、流量計５４から定められた時間Ｔ当たりの水位の低下量Ｈが入力される。水位の低下量Ｈが定められた閾値よりも少ないことを示す場合、診断装置５５は、全ての水中軸受３０の摺接部材３３と回転軸２４の隙間が小さいこと、及び全ての水中軸受３０の摺接部材３３に割れ欠けが生じていないことを判定できる。水位の低下量Ｈが定められた閾値よりも多いことを示す場合、診断装置５５は、いずれかの水中軸受３０の摺接部材３３と回転軸２４の隙間が拡大していること、又はいずれかの水中軸受３０の摺接部材３３に割れ欠けが生じていることを判定できる。

制御装置５７は、単一又は複数のマイクロコンピュータ、及びその他の電子デバイスにより構成されている。但し、制御装置５７と診断装置５５は、単一のマイクロコンピュータによって構成されてもよい。

制御装置５７には、駆動モータ２８、切換弁５０、及び診断装置５５が電気的に接続されている。制御装置５７は、ポンプ１０が気中運転になると、閉状態の切換弁５０を開状態に切り換え、タンク４３内の液体を水中軸受３０に供給する。続いて、診断装置５５から入力された診断結果が、水中軸受３０に異常があることを示す場合、その状況を出力する。ここで、出力とは、排水機場の定められた表示部への表示、排水機場とは異なる場所にある監視センターへの異常結果の送信等が含まれる。

ポンプ１０の運転状態を判断するために、制御装置５７には、吸水槽１内の水位を検出する水位計５９と、駆動モータ２８の電力を計測する電力計５８とが、電気的に接続されている。

ここで、ポンプ１０の運転状態には、全水運転、気水混合運転、エアロック運転及び気中運転があり、これらの運転状態は吸水槽１内の水位によって変移する。全水運転とは、ポンプ１０の定常の排水運転状態であり、空気を含むことなく水のみを排出している状態である。気水混合運転とは、吸込口１８から吸い込んだ水と空気を一緒に排出する状態である。エアロック運転とは、気水混合運転よりも多くの空気が吸い込まれることで、揚水管１３内に水柱を保持し、排出は行われない状態である。気中運転とは、ポンプケーシング１２の内部に水が存在しない空転状態である。この気中運転は、エアロック運転中に多量の空気が吸い込まれ、揚水管１３内の水柱が脱落することで、行われる。

制御装置５７は、水位計５９から入力された検出結果と予め記憶された水位データとに基づいて、運転状態を概ね推定できるが、水位計５９の検出結果だけではエアロック運転と気中運転の判定は困難である。制御装置５７によるポンプ１０の運転状態の正確な判定を実現するために、制御装置５７に駆動モータ２８の電力計５８が接続されている。

詳しくは、駆動モータ２８の電力（出力電流）は、負荷の大きさによって異なり、負荷が小さい場合よりも負荷が大きい場合の方が増加する。この種のポンプ１０では、前述した運転状態に応じて排出する水量が異なるため、羽根車２６及び回転軸２４を介して駆動モータ２８に加わる負荷も異なる。特に、水柱を保持したエアロック運転と、水による負荷が無い気中運転とは、駆動モータ２８の負荷が全く異なる。よって、概ね無負荷状態を示す閾値を設定（記憶）することで、制御装置５７は、電力計５８の検出結果に基づいてポンプ１０の運転状態を正確に判定できる。

次に、制御装置５７によるポンプ１０の診断方法について具体的に説明する。

ポンプ１０は、気象情報に基づいてオペレータによって始動され、吸水槽１内の水位に応じて気中運転、気水混合運転及び全水運転の順で移行する。排水により吸水槽１内の水位が最低水位よりも下がると、再び気水混合運転に移行した後、エアロック運転に移行する。通常ではこのエアロック運転が維持され、吸水槽１内の水が増えると、再び気水混合運転を経て全水運転に移行する。但し、エアロック運転中に何らかの要因で多量の空気が吸い込まれると、気中運転に移行する。

制御装置５７は、水位計５９の検出結果と電力計５８の検出結果とに基づいて、ポンプ１０が気中運転に移行したと判断すると、切換弁５０を閉状態から開状態に切り換え、タンク４３から液体を水中軸受３０に供給する。一方、制御装置５７は、水位計５９の検出結果と電力計５８の検出結果とに基づいて、気中運転から気水混合運転に移行したと判断すると、切換弁５０を開状態から閉状態に切り換え、タンク４３から水中軸受３０への液体供給を停止する。

閉状態の切換弁５０が開状態になると、２種３個の流量計５３，５４が、液体量を計測し、その検出結果を診断装置５５に出力する。この際、水中軸受３０で液体は、流路３５内に流入した後、隙間面積が大きい第１摺接部材３３の凹溝３４Ａを通って上下に流れる。続いて、第２摺接部材３３Ｂの第１端３３ｄに衝突することで、内周面３３ａと回転軸２４の外周面の間を通って、第２摺接部材３３Ｂの凹溝３４Ｂに流入する。続いて、第２摺接部材３３の第２端３３ｅに衝突することで、内周面３３ａと回転軸２４の外周面の間を通って、シェル３２の外側に流出する。このように、凹溝３４Ａ，３４Ｂを通した液体の通り抜けを防止できる。また、非圧縮性の液体は、壁部への衝突によって圧縮されることはない。そのため、摺接部材３３と回転軸２４の間の隙間に相当する液体量を、流量計５３，５４によって正確に計測できる。

続いて、診断装置５５は、入力された２個の流量計５３の検出結果に基づいて、２個の水中軸受３０の隙間判定を個別に行う。また、診断装置５５は、入力された１個の流量計５３の検出結果に基づいて、２個の水中軸受３０の総合的な隙間判定を行う。その後、診断装置５５は、その判定結果を制御装置５７に出力する。

その後、制御装置５７は、個々の水中軸受３０の経年変化を記録し、余寿命を演算する。そして、摺接部材３３の摩耗又は損傷が交換を必要とするレベルであることを示す場合、制御装置５７は、水中軸受３０に異常が発生したと判定し、その判定結果を出力する。この異常判定結果を確認したオペレータは、水中軸受３０の交換準備を行う。

このように構成したポンプ１０の軸受診断装置４０は、以下の特徴を有する。

摺接部材３３に非貫通の凹溝３４Ａ，３４Ｂが形成されているため、液体供給機構４２によって供給した液体が凹溝３４Ａ，３４Ｂ内を通り抜けることはない。また、液体供給機構４２は非圧縮性の液体を供給するため、摺接部材３３と回転軸２４の間で供給した液体の流れが複雑になることはない。そのため、液体供給機構４２が供給する液体量は、回転軸２４と摺接部材３３の間の隙間寸法のみに依存する。よって、液体量が少ないことを示す場合には摺接部材３３の摩耗や破損が許容範囲内であると判定でき、液体量が多いことを示す場合には摺接部材３３の摩耗や破損が許容範囲を超えていると判定できる。つまり、流量計５３又は５４が計測した液体量に基づいて、水中軸受３０の異常を高精度に判定できる。

第１凹溝群の個々の凹溝３４Ａと第２凹溝群の個々の凹溝３４Ｂとが周方向の異なる位置に配置されている。そのため、液体供給機構４２によって供給した液体が、凹溝３４Ａ，３４Ｂ内を通り抜けることを確実に防止できる。よって、計測した液体量に基づいて水中軸受３０の異常を高精度に判定できる。

第１凹溝群（第１凹溝３４Ａ）と第２凹溝群（第２凹溝３４Ｂ）が異なる摺接部材３３Ａ，３４Ｂに形成される。そのため、第１凹溝群の個々の凹溝３４Ａと第２凹溝群の個々の凹溝３４Ｂとを周方向の異なる位置に確実に配置できるうえ、摺接部材３３の生産性を向上できる。

水中軸受３０よりも高い位置に配置されたタンク４３を備えるため、水中軸受３０に非圧縮性の液体を自重（自然落下）によって供給できる。よって、液体を供給するための電動ポンプは不要であるため、軸受診断装置４０の構成を簡素化できる。

（第２実施形態）
図６は第２実施形態の軸受診断装置４０を適用したポンプ１０を示す。第２実施形態の軸受診断装置４０は、主配管４７ａのうち逆止弁５１の下流側に電動ポンプ６１を介設し、図１に示す電力計５８及び水位計５９を無くした点で、第１実施形態の軸受診断装置４０と相違する。

電動ポンプ６１は、タンク４３内の液体を所定の吐出圧で水中軸受３０内に強制供給する。電動ポンプ６１の吐出圧は、全水運転時のポンプケーシング１２内の圧力よりも高い。全水運転時のポンプケーシング１２内の圧力は、その他の運転時のポンプケーシング１２内の圧力よりも高い。つまり、ポンプケーシング１２内の圧力は全水運転時が最も高く、その圧力よりも高圧で電動ポンプ６１は液体を吐出可能である。よって、電動ポンプ６１は、ポンプ１０の運転状態に拘わらず、水中軸受３０に液体を供給できる。その結果、制御装置５７は、ポンプ１０の運転状態の確認が不要のため、第２実施形態では電力計５８と水位計５９も不要である。

第２実施形態の制御装置５７は、定められた運転時間毎に、水中軸受３０の異常診断を行う。この異常診断は、ポンプ１０の運転状態が、全水運転、気水混合運転、エアロック運転及び気中運転のいずれであるかに拘わらず実行される。

具体的には、制御装置５７は、異常診断の実行時間になると、切換弁５０を閉状態から開状態に切り換え、電動ポンプ６１を始動させる。これにより、タンク４３内の液体が水中軸受３０に所定圧力で強制供給される。続いて、第１実施形態と同様に、２種３個の流量計５３，５４が液体量を計測し、その検出結果を診断装置５５に出力する。続いて、診断装置５５が、入力された流量計５３，５４の検出結果に基づいて、個々の水中軸受３０の隙間判定と２個の水中軸受３０の総合的な隙間判定とを行い、その判定結果を制御装置５７に出力する。その後、制御装置５７は、個々の水中軸受３０の経年変化を記録し、余寿命を演算し、水中軸受３０に異常が発生したと判定した場合には判定結果を出力する。

このように構成した第２実施形態の軸受診断装置４０は、第１実施形態と同様に、流量計５３又は５４が計測した液体量に基づいて水中軸受３０の異常を高精度に判定できる。

また、タンク４３内の液体を供給する電動ポンプ６１を備えるため、ポンプケーシング１２内の圧力に拘わらず、水中軸受３０に非圧縮性の液体を確実に供給できる。よって、ポンプ１０の運転状態に拘わらず、水中軸受３０の異常の有無を判定できる。

（実験例）
図７は、図４に示すように凹溝３４Ａ，３４Ｂを形成した摺接部材３３を備える水中軸受３０に空気と水を供給した場合の結果を示すグラフである。横軸は機械式マイクロメータによるすきま計測値、縦軸は空気マイクロメータ（ＢＤ）及び水漏れ計測値を示す。図７において、実線が水を供給した場合の実験結果であり、破線が空気を供給した場合の実験結果である。

空気マイクロメータの場合、凹溝３４Ａ，３４Ｂがあるすきまが設計値の２倍以上になると、それ以上は計測誤差が大きくなっている。空気マイクロメータはすきまの投影面積を測り、この投影面積からすきまを計算している。従って、摺接部材３３の凹溝３４Ａ，３４Ｂで投影面積が広くなるため、すきまが大きく計測された。凹溝３４Ａ，３４Ｂが形成された複雑な形状の摺接部材３３の内周面３３ａに空気マイクロメータを適用すれば、空気の圧縮性により計測誤差が大きくなる。

摺接部材３３の内周面３３ａに凹溝３４Ａ，３４Ｂを付けた形状で校正係数を求めれば、設計すきまでは通常の平滑面軸受の試験結果に相当する精度が得られる。但し、樹脂の投影断面積が大きくなるため、計測可能範囲は１．２ｍｍ程度に狭くなり、すきまが広い場合の計測誤差は大きい。

従って、これらの結果より、平滑面軸受のようにパソコンを使用した気温や水位を考慮した精密計測は意味がなく、空気マイクロメータは簡易型診断しかできない。凹溝３４Ａ，３４Ｂが無い円環状すきまの場合、空気など圧縮性流体を用いて軸受すきまを計測できる。しかし、内周面に凹溝３４Ａ，３４Ｂが形成された摺接部材３３の場合、流れは複雑になり水などの非圧縮性流体が適していると言える。

なお、本発明のポンプ１０の軸受診断装置４０及びその方法は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、第１摺接部材３３Ａと第２摺接部材３３Ｂを一体に形成し、周方向の異なる位置に凹溝３４Ａと凹溝３４Ｂが形成された１個の摺接部材を用いてもよい。

第１摺接部材３３Ａと第２摺接部材３３Ｂの数、及び／又は、複数の凹溝３４Ａを備える第１凹溝群と複数の凹溝３４Ｂを備える第２凹溝群の数は、それぞれ１つであってもよいし、それぞれ３以上であってもよい。

凹溝は、周方向の位置が異なる２種に限られず、非貫通の１種だけであってもよいし、３種以上であってもよい。

ポンプケーシング１２に用いる水中軸受３０の数と分岐管の数は、それぞれ１個であってもよいし、それぞれ３個以上であってもよい。

給水配管４７に介設した流量計５３及びタンク４３に取り付けた流量計５４のうち、いずれか一方を無くしてもよい。

軸受診断装置４０を用いるポンプ１０は、垂直方向に延びる回転軸２４を備える立軸ポンプに限られず、水平方向に延びる回転軸を備える横軸ポンプであってもよく、液体を排出するポンプであればいずれの形式であっても良い。

１…吸水槽
２…ポンプ床
２ａ…貫通孔
１０…ポンプ
１２…ポンプケーシング
１３…揚水管
１４…揚水管本体
１４ａ…ホルダ
１５…ベーンケース
１６…軸受ケーシング
１６ａ…ホルダ
１７…ベルマウス
１８…吸込口
１９…吐出管
２０…吐出エルボ
２１…ベースプレート
２４…回転軸
２４ａ…内側部
２４ｂ…外側部
２６…羽根車
２８…駆動モータ
３０…水中軸受
３１…カバーケース
３１ａ…フランジ部
３１ｂ…保持部
３１ｃ…連通孔
３２…シェル
３２ａ…内周面
３２ｂ…突出部
３２ｃ…ネジ孔
３２ｄ…連通孔
３２ｅ…挿通孔
３３，３３Ａ，３３Ｂ…摺接部材
３３ａ…内周面
３３ｂ…外周面
３３ｃ…ネジ孔
３３ｄ…第１端
３３ｅ…第２端
３４Ａ，３４Ｂ…凹溝
３５…流路
４０…軸受診断装置
４２…液体供給機構
４３…タンク
４４…ボールタップバルブ
４７…給水配管
４７ａ…主配管
４７ｂ…第１分岐管
４７ｃ…第２分岐管
４８Ａ，４８Ｂ…接続部
５０…切換弁
５１…逆止弁
５３…流量計
５４…流量計
５５…診断装置（診断部）
５７…制御装置
５８…電力計
５９…水位計
６１…電動ポンプ

Claims

全水運転と気中運転に移行可能なポンプのポンプケーシング内に配置され、モータによって回転される回転軸を支持する軸受の診断装置であって、
前記軸受は環状で非金属製の摺接部材を有し、前記摺接部材の内周面には、径方向外向きに窪むとともに軸方向に延び、軸方向の外端が壁部によって塞がれた非貫通の凹溝が形成されており、
前記診断装置は、
前記摺接部材と前記回転軸の間に非圧縮性の液体を供給する液体供給機構と、
前記液体供給機構によって供給した液体量を計測する流量計と、
前記流量計によって計測した液体量に基づいて前記軸受の異常の有無を診断する診断部と
を備え、更に、
前記全水運転と前記気中運転のいずれの状態であるかを検出するための検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記気中運転に移行したと判断すると、前記液体供給機構によって前記液体を供給させ、前記診断部によって前記軸受を診断させる制御部と
を備える、ポンプの軸受診断装置。
前記検出部は、吸水槽内の水位を検出する水位計と、前記モータの電力を計測する電力計とを有する、請求項１に記載のポンプの軸受診断装置。
前記摺接部材は、周方向に間隔をあけて設けられた複数の前記凹溝からなる第１凹溝群と、前記第１凹溝群に対して前記摺接部材の軸方向に隣接して設けられ、周方向に間隔をあけて設けられた複数の前記凹溝からなる第２凹溝群とを有し、
前記第１凹溝群の個々の前記凹溝と前記第２凹溝群の個々の前記凹溝とは、前記摺接部材の周方向の異なる位置に配置されている、
請求項１又は２に記載のポンプの軸受診断装置。
前記液体供給機構は、
前記軸受よりも高い位置に配置され、前記液体を貯留するタンクと、
前記タンク内と前記軸受内を接続する配管と、
前記配管に介設され、前記タンク内と前記軸受内を連通させた開状態と、前記タンク内と前記軸受内の連通を遮断した閉状態とに切換可能な弁と
を備え、前記液体を自重によって前記軸受に供給可能である、
請求項１から３のいずれか１項に記載のポンプの軸受診断装置。
前記液体供給機構は、
前記液体を貯留するタンクと、
前記タンク内と前記軸受内を接続する配管と、
前記配管に介設され、前記タンク内の前記液体を前記軸受内に供給する電動ポンプと
を備える、
請求項１から３のいずれか１項に記載のポンプの軸受診断装置。
全水運転と気中運転に移行可能なポンプのポンプケーシング内に配置され、モータによって回転される回転軸を支持する軸受の診断方法であって、
前記軸受は環状で非金属製の摺接部材を有し、前記摺接部材の内周面には、径方向外向きに窪むとともに軸方向に延び、軸方向の外端が壁部によって塞がれた非貫通の凹溝が形成されており、
検出部の検出結果に基づいて前記気中運転に移行したと判断すると、
液体供給機構によって前記摺接部材と前記回転軸の間に非圧縮性の液体を供給し、
流量計によって供給した液体量を計測し、
診断部によって前記流量計が計測した液体量に基づいて前記軸受の異常の有無を診断する、
ポンプの軸受診断方法。