JP2018105341A - 軸スリーブ、回転機械、および軸スリーブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基材からの皮膜の剥がれを防ぐことができる軸スリーブを提供する。【解決手段】軸スリーブ３５は、外周面に環状の窪み５１が形成された円筒状の基材４１と、高速フレーム溶射によって環状の窪み５１内に形成された皮膜４３とを備え、環状の窪みは、少なくとも、基材の軸心に平行な底面と、底面の両端から基材の外周面まで延びる２つの傾斜面によって構成され、底面に対する傾斜面の角度は１０度から３０度の範囲内である。【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸に取り付けられる軸スリーブに関し、特に海水などの液体を移送するポンプに組み込まれる軸スリーブに関する。また、本発明は、そのような軸スリーブが組み込まれたポンプやコンプレッサなどの回転機械に関する。さらに本発明は、軸スリーブの製造方法に関する。

排水ポンプに使用される水中軸受は潤滑油を不要とするため、設備の簡素化、保守の容易化などの点で有利であるが、水中軸受の摺動部には耐摩耗性に優れた材料を用いる必要がある。そこで、超硬合金の軸スリーブとＳｉＣの軸受を組み合わせたセラミック軸受が開発されている。

図８は、軸スリーブの従来の構造を模式的に示す断面図である。図８に示すように、軸スリーブ１００は、回転軸（図示せず）に固定される円筒状の基材１０１と、この基材１０１の外周面に溶射によって形成された皮膜１０２とを備える。基材１０１には、液体に対して優れた耐食性を有するステンレス鋼が使用される。皮膜１０２は、基材１０１の外周面に形成された窪み内に形成される。皮膜１０２を形成する溶射材としては、ＷＣ（炭化タングステン）、Ｃｒ_３Ｃ_２（二炭化三クロム）のうちの少なくとも１つを主成分とし、残りがＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅのうち少なくとも１つと、不可避不純物とからなる結合材を含有するものが挙げられる。

軸スリーブ１００が回転すると、皮膜１０２は、セラミックなどの硬質部材から構成される軸受に摺接し、回転軸および軸スリーブ１００は軸受によって回転可能に支持される。超硬合金からなる皮膜１０２は、優れた耐摩耗性及び耐食性を有し、ステンレス鋼からなる基材１０１を保護することができる。

特開２００１−８２４７９号公報

軸スリーブ１００の製造では、高速フレーム溶射によって皮膜１０２が形成される。すなわち、図９に示すように、溶射材は、基材１０１の外周面に形成された窪み１０５に高速で吹き付けられる。矢印で示すように、溶射材は、窪み１０５の全体に対して垂直な方向から吹き付けられる。高速の溶射材は、窪み１０５に強い衝撃力を伴って衝突し、窪み１０５の表面に食い込む。さらに、一旦吹き付けられた溶射材は、後続の溶射材によって圧縮される。このようにして、溶射材は窪み１０５の表面に強く付着する。このような現象はアンカー効果と呼ばれる。

窪み１０５の両端においてもアンカー効果が得られるように、窪み１０５の両端には傾斜面１０５ｂが形成されている。基材１０１の軸心Ｃと平行な窪み１０５の底面１０５ａに対する傾斜面１０５ｂの角度は４５°である。傾斜面１０５ｂは、溶射材の噴流を受けることができるので、窪み５１の全体でアンカー効果が得られる。

しかしながら、傾斜面１０５ｂに衝突する溶射材の力の向きは傾斜面１０５ｂに対して垂直ではない。結果として、傾斜面１０５ｂでのアンカー効果は、底面１０５ａでのアンカー効果よりも弱くなる。このため、傾斜面１０５ｂ上に形成された皮膜１０２が剥がれることがあった。

そこで、本発明は、基材からの皮膜の剥がれを防ぐことができる軸スリーブを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような軸スリーブを備えた回転機械を提供することを目的とする。さらに、本発明は、軸スリーブの製造方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様によれば、回転軸の外周面に固定される軸スリーブであって、外周面に環状の窪みが形成された円筒状の基材と、高速フレーム溶射によって前記環状の窪み内に形成された皮膜とを備え、前記環状の窪みは、少なくとも、前記基材の軸心に平行な底面と、前記底面の両端から前記基材の外周面まで延びる２つの傾斜面によって構成され、前記底面に対する前記傾斜面の角度は１０度から３０度の範囲内であることを特徴とする軸スリーブが提供される。

本発明の一態様によれば、回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する滑り軸受と、前記回転軸の外周面に固定され、前記滑り軸受に摺接する上記軸スリーブとを備えたことを特徴とする回転機械が提供される。

本発明の一態様によれば、円筒状の基材を用意し、前記基材の軸心に平行な底面と、前記底面の両端から前記基材の外周面まで延びる２つの傾斜面とから少なくとも構成される環状の窪みを前記基材の外周面に形成し、前記底面に対する前記傾斜面の角度は１０度から３０度までの範囲内であり、前記環状の窪みに溶射材を高速フレーム溶射によって吹き付けて、前記環状の窪みに皮膜を形成することを特徴とする軸スリーブの製造方法が提供される。

溶射材がターゲット面に対して垂直に衝突するとき、溶射材のアンカー効果は最大となる。本発明によれば、溶射材の進行方向に垂直な底面に対して１０度から３０度の角度で傾斜面が傾いているので、底面でのアンカー効果に近いアンカー効果が傾斜面でも得られる。よって、皮膜は傾斜面から剥がれにくく、信頼性の高い軸スリーブが得られる。

本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれた立軸ポンプを示す模式図である。 図１に示す軸スリーブ及び水中軸受を示す拡大図である。 図２に示す軸スリーブの拡大図である。 軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。 軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。 軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。 軸スリーブの製造方法の一工程を説明する図である。 軸スリーブの従来の構造を模式的に示す断面図である。 図８に示す基材に溶射材を高速フレーム溶射によって吹き付ける様子を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれた立軸ポンプを示す模式図である。立軸ポンプは、海水や河川水などの液体を吸込水槽５から吐出水槽２１まで汲み上げるためのポンプである。図１に示す立軸ポンプは、本発明の一実施形態に係る軸スリーブが組み込まれたポンプの一例であり、当該軸スリーブは他の構成のポンプにも適用可能である。さらに、本発明は、ポンプのみならず、コンプレッサやファンなどの他のタイプの回転機械にも適用可能である。

図１に示すように、立軸ポンプは、吸込ベルマウス１ａ及び吐出ボウル１ｂを有するインペラケーシング１と、インペラケーシング１を吸込水槽５内に吊り下げる揚水管３と、揚水管３の上端に接続された吐出エルボ管４と、インペラケーシング１内に収容された羽根車１０と、羽根車１０が固定された回転軸６とを備えている。

ポンプ据付床２２は、吸込水槽５の上部に接続されている。揚水管３は、ポンプ据付床２２に形成された挿通口２４を通して下方に延び、揚水管３の上端に設けられた据付用ベース２３を介してポンプ据付床２２に固定される。回転軸６は、吐出エルボ管４、揚水管３、及びインペラケーシング１内を通って鉛直方向に延びている。ポンプケーシング２は、インペラケーシング１、揚水管３、及び吐出エルボ管４により構成される。

吸込ベルマウス１ａは下方を向いて開口し、吸込ベルマウス１ａの上端は吐出ボウル１ｂの下端に接続されている。羽根車１０は回転軸６の下端に固定されており、羽根車１０と回転軸６とは一体的に回転する。この羽根車１０の上方（吐出側）には複数のガイドベーン１４が配置されている。これらのガイドベーン１４は吐出ボウル１ｂの内周面に固定されている。

回転軸６は吐出エルボ管４を貫通して上方に延び、駆動源１８に連結されている。駆動源１８は、ポンプ据付床２２に固定された架台１９上に固定されている。立軸ポンプの運転時には、羽根車１０は、吸込水槽５内の液面より下に位置している。

回転軸６は、外軸受１１及び水中軸受１２，１５により回転可能に支持されている。外軸受１１はボールベアリングなどの転がり軸受、または滑り軸受であり、水中軸受１２，１５は、滑り軸受である。外軸受１１は、ポンプケーシング２に配置されている。より具体的には、外軸受１１は吐出エルボ管４の上方に配置されている。

水中軸受１２は吐出ボウル１ｂ内に収容されており、羽根車１０の上方に配置されている。水中軸受１２を支持する支持部材７はボウルブッシュ１３の内面に固定されており、さらに、ボウルブッシュ１３はガイドベーン１４を介してインペラケーシング１に支持されている。水中軸受１５は、揚水管３内に配置されている。水中軸受１５は複数の支持部材３２に支持されており、これら支持部材３２は揚水管３の内面に固定されている。回転軸６には、本発明の一実施形態に係る軸スリーブ３５が固定されている。軸スリーブ３５と回転軸６は一体に回転する。

立軸ポンプは、吸込水槽５内の液体を吐出水槽２１まで移送する。すなわち、駆動源１８を運転することにより回転軸６を介して羽根車１０を回転させると、吸込水槽５内の液体が吸込ベルマウス１ａから吸い込まれ、吐出ボウル１ｂ、揚水管３、吐出エルボ管４、および吐出配管２０を通って吐出水槽２１に移送される。

吐出配管２０は、吐出エルボ管４から吐出水槽２１まで延びている。吐出水槽２１の液面は、吐出エルボ管４よりも上方に位置する。吐出配管２０の途中には、仕切弁２５が配置されており、この仕切弁２５は、立軸ポンプの通常運転時には開かれている。立軸ポンプの停止時には仕切弁２５が閉じられ、液体が吐出水槽２１から吐出配管２０を通じて吸込水槽５へ逆流することを防止する。仕切弁２５の代わりに、逆止弁を設けてもよい。また、吐出配管２０の吐出末端に、フラップ弁を配置してもよい。

図２は、図１に示す軸スリーブ３５及び水中軸受１５を示す拡大図である。軸スリーブ３５は円筒状であり、回転軸６の外周面に固定されている。水中軸受１５は、軸スリーブ３５と同じ高さに配置されており、軸スリーブ３５を介して回転軸６を支持する。より具体的には、回転軸６及び軸スリーブ３５が回転すると、軸スリーブ３５の外周面は水中軸受１５の内周面に滑り接触する。軸スリーブ３５の外周面と水中軸受１５の内周面との間には微小な隙間が形成されている。揚水管３（図１参照）内に存在する液体はこの隙間を通過することによって、軸スリーブ３５及び水中軸受１５を潤滑する。

軸スリーブ３５は、円筒状の基材４１と、基材４１の外周面に形成された皮膜４３とを備えている。本実施形態では、軸スリーブ３５は鉛直に配置されており、皮膜４３は水中軸受１５と同じ高さに位置している。立軸ポンプの運転中は、皮膜４３のみが水中軸受１５に接触し、基材４１は水中軸受１５には接触しない。

図３は、図２に示す軸スリーブ３５の拡大図である。基材４１は、ステンレス鋼などの金属から構成されている。本実施形態では、液体に対して耐腐食性を有するステンレス鋼が使用されている。皮膜４３は、基材４１の外周面の全周に亘って形成されている。より具体的には、基材４１の外周面には、その全周に亘って延びる環状の窪み５１が形成されており、皮膜４３は窪み５１内に溶射によって形成されている。皮膜４３を形成する溶射材としては、炭化物セラミックであるＷＣ（炭化タングステン）、Ｗ_２Ｃ、Ｃｒ_３Ｃ_２（二炭化三クロム）、Ｃｒ_７Ｃ_３、Ｃｒ_２３Ｃ_６、ＮｂＣ（炭化ニオブ）、ＴｉＣ（炭化チタン）のうちの少なくとも１つを主成分とし、残りがＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｆｅのうち少なくとも１つと、不可避不純物とからなる結合材を含有するものが挙げられる。ＷＣおよび／またはＣｒ_３Ｃ_２は、高い耐摩耗性を有する観点から好ましく使用される。溶射方法としては高速フレーム溶射が使用される。

基材４１の外周面に形成された環状の窪み５１は、基材４１の軸心Ｃと平行な底面５１ａと、この底面５１ａの両端から基材４１の外周面まで延びる２つの傾斜面５１ｂとから少なくとも構成される。窪み５１はテーパー状の断面を有する。底面５１ａに対する各傾斜面５１ｂの角度θは、１０度から３０度までの範囲内である。軸スリーブ３５と水中軸受１５との間の隙間を液体が滞りなく通過できるようにするために、基材４１の外周面と、皮膜４３の外周面は、同一面内にあることが好ましい。

本実施形態の軸スリーブ３５は、以下のようにして製造される。ステップ１では、図４に示すように、円筒状の基材４１を用意する。ステップ２では、図５に示すように、基材４１をその軸心Ｃを中心に回転させながら、切削工具（図示せず）を基材４１の外周面に押し付け、基材４１の外周面にその全周に亘って環状の窪み５１を形成する。より具体的には、窪み５１の底面５１ａと、この底面５１ａから基材４１の外周面まで延びる２つの傾斜面５１ｂが形成されるように、基材４１の外周面が切削される。基材４１の軸心Ｃと平行な底面５１ａに対する傾斜面５１ｂの角度θは１０度から３０度までの範囲内とされる。この傾斜面５１ｂは、次のステップで実行される高速フレーム溶射において、溶射材を窪み５１の端部に確実に密着させるために形成される。

ステップ３では、図６に示すように、基材４１の窪み５１に溶射材を高速フレーム溶射によって吹き付けて、窪み５１内に皮膜４３を形成する。このステップ３では、窪み５１が溶射材で完全に満たされるまで、溶射材が吹き付けられる。溶射材は、窪み５１の全体に対して垂直な方向（軸心Ｃに垂直な方向）から吹き付けられる。窪み５１の底面５１ａ及び傾斜面５１ｂの全体は、溶射材の噴流を受けることができるので、一旦窪み５１に吹き付けられた溶射材は後続の溶射材の圧力を受けて底面５１ａ及び傾斜面５１ｂの全体に強く密着することができる。すなわち、底面５１ａ及び傾斜面５１ｂの全体でアンカー効果が得られる。

高速フレーム溶射は、燃焼室の圧力を高めることにより高速の火炎を生成し、溶融または半溶融状態の溶射材を高速でターゲット面に吹き付ける溶射技術である。溶射材がターゲット面に対して垂直に衝突するとき、溶射材のアンカー効果は最大となる。本実施形態によれば、溶射材の進行方向に垂直な底面５１ａに対して１０度から３０度の角度で傾斜面５１ｂが傾いているので、底面５１ａでのアンカー効果に近いアンカー効果が傾斜面５１ｂでも得られる。よって、皮膜４３は傾斜面５１ｂから剥がれにくく、信頼性の高い軸スリーブ３５が得られる。さらに、傾斜面５１ｂでの溶射材の飛び散りが少なくなるという効果も得られる。

ステップ４では、図７に示すように、研削などの表面加工を皮膜４３に施して、皮膜４３の外周面を滑らかにする。以上の製造工程を経て、本実施形態に係る軸スリーブ３５が製造される。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ａ 吸込ベルマウス
１ｂ 吐出ボウル
１ インペラケーシング
３ 揚水管
４ 吐出エルボ管
５ 吸込水槽
６ 回転軸
１０ 羽根車
１１ 外軸受
１２，１５ 水中軸受
１３ ボウルブッシュ
１４ ガイドベーン
１８ 駆動源
１９ 架台
２０ 吐出配管
２１ 吐出水槽
２２ ポンプ据付床
２３ 据付用ベース
２４ 挿通口
２５ 仕切弁
３２ 支持部材
３５ 軸スリーブ
４１ 基材
４３ 皮膜
５１ 環状の窪み

Claims (3)

1. 回転軸の外周面に固定される軸スリーブであって、
   外周面に環状の窪みが形成された円筒状の基材と、
   高速フレーム溶射によって前記環状の窪み内に形成された皮膜とを備え、
   前記環状の窪みは、少なくとも、前記基材の軸心に平行な底面と、前記底面の両端から前記基材の外周面まで延びる２つの傾斜面によって構成され、
   前記底面に対する前記傾斜面の角度は１０度から３０度の範囲内であることを特徴とする軸スリーブ。
2. 回転軸と、
   前記回転軸を回転可能に支持する滑り軸受と、
   前記回転軸の外周面に固定され、前記滑り軸受に摺接する軸スリーブとを備え、
   前記軸スリーブは、請求項１に記載の軸スリーブであることを特徴とする回転機械。
3. 円筒状の基材を用意し、
   前記基材の軸心に平行な底面と、前記底面の両端から前記基材の外周面まで延びる２つの傾斜面とから少なくとも構成される環状の窪みを前記基材の外周面に形成し、前記底面に対する前記傾斜面の角度は１０度から３０度までの範囲内であり、
   前記環状の窪みに溶射材を高速フレーム溶射によって吹き付けて、前記環状の窪みに皮膜を形成することを特徴とする軸スリーブの製造方法。

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