スラスト ベアリングは、シャフトに沿って作用する力を伝達し、その力を固定ハウジングまたは支持構造に伝達することにより、軸方向の動きを制御します。正確な機構は設計によって異なります。転動体ベアリングは軌道間にボールまたはローラーを使用しますが、流体膜ベアリングは加圧された潤滑膜上で回転するスラストカラーを支持します。したがって、スラストベアリングがどのように機能するかを理解するには、荷重の方向から始まり、次にベアリングのタイプ、内部形状、潤滑、および動作条件に進みます。
この区別は、軸方向の力が継続的かつ相当なものとなる可能性があるタービン、コンプレッサー、ポンプ、水力発電ユニット、船舶用ドライブトレインにおいて重要です。小型のスラスト ボール ベアリングと大型のティルティング パッド アセンブリは、同じ広範な目的を果たしますが、荷重の伝達方法は大きく異なります。以下のセクションでは、共通原理と、選択、動作、および故障診断に影響を与える相違点の両方について説明します。
スラストベアリング
スラストベアリング
スラストベアリング
スラスト ベアリングは、主にアキシアル荷重、つまりスラスト荷重を支持するように設計されています。アキシアル荷重はシャフトの中心線に平行に作用しますが、ラジアル荷重はシャフトの中心線に垂直に作用します。 NSK は、軸受荷重を説明するときにこれと同じ区別を使用します。回転を許可しながらシャフトの長さ方向の動きを抑制することにより、ベアリングはローターまたはシャフトの意図した軸方向の位置を維持するのに役立ちます。
この用語は、1 つの標準メカニズムではなく、複数の構造をカバーします。スラスト玉軸受、ローラースラスト軸受、固定プロファイル流体膜軸受、ティルティングパッドスラスト軸受はすべて軸力を管理しますが、接触形状と潤滑要件は異なります。そのため、動作原理を評価する前にベアリングのタイプを特定する必要があります。
力の方向が最も単純な区別です。ラジアルベアリングは主にシャフトを横切る方向の力に反応し、スラストベアリングは主にシャフトに沿った方向の力に反応します。専用のスラスト玉軸受はアキシアル荷重を対象としており、ラジアル軸受として扱うべきではありませんが、他のいくつかの軸受設計は複合荷重に対応できます。
システムレベルでは、軸力はシャフトまたはスラストカラーを通って入り、荷重支持要素を通過して、ベアリングハウジングと機械構造に到達します。制御されていない滑り接触が転がり接触または制御された潤滑インターフェースに置き換えられるため、回転は可能です。したがって、ベアリングは可動コンポーネントと固定コンポーネントの間の摩擦を制限しながら、軸方向の変位を抑制します。
転動体スラスト軸受では、ボールまたはローラーが成形された軌道の間を移動し、荷重をシャフト側のワッシャーからハウジング側のワッシャーに伝達します。単方向スラスト玉軸受は一方向にアキシアル荷重を伝達しますが、複方向バージョンはシャフトを両軸方向に配置できます。流体膜設計は異なる動作をします。相対運動により潤滑剤が収束ギャップに引き込まれ、膜内に圧力が蓄積され、その流体力学的圧力がスラスト カラーをサポートします。
さまざまなタイプのスラスト ベアリングを 1 つの機構にグループ化しないでください。転がり設計は制御された転がり接触に依存しますが、流体力学設計は潤滑膜の圧力に依存します。実際の荷重と速度の能力は、ベアリングのサイズ、形状、材質、潤滑、および製造元のデータによって異なります。
| タイプ | 荷重のかかり方 | 一般的な選択の考慮事項 |
|---|---|---|
| スラストボールベアリング | スラストワッシャーの間でボールが転がる | 標準設計ではアキシアル荷重のみ。単方向または双方向配置 |
| スラスト円筒ころ軸受 | 円筒ころは軸方向の力を伝達します | 高い軸方向剛性。速度制限を確認する必要があります |
| スラスト円すいころ軸受 | 円すいころは角度を付けて接触することで推力を分散します。 | 高いアキシアル荷重と剛性。配置はラジアルガイドのニーズに適合する必要があります |
| スラスト自動調心ころ軸受 | 自動調心ローラーが推力を伝達 | 位置ずれに対する耐性が向上。アキシアル荷重がかかるラジアル容量 |
| 固定プロファイル流体膜ベアリング | 成形された表面が流体力学的な膜を形成します | 適切なオイル供給と規定された動作条件が必要です |
| ティルティングパッドスラストベアリング | 個々のパッドが傾いてオイルウェッジを形成します | 油膜と熱挙動が重要となる要求の厳しい回転機器に使用されます |
NSK と SKF は主要なローリング スラスト ベアリング ファミリについて説明しており、Kingsbury は固定プロファイルとティルティング パッドの流体力学的設計を文書化しています。
転動体スラスト軸受には通常、シャフトワッシャー、ハウジングワッシャー、転動体、保持器が含まれています。流体膜アセンブリでは、コンポーネントセットには代わりに、スラストカラーまたはランナー、スラストパッド、支持リングまたはベースリング、ハウジング、およびオイル供給装置が含まれてもよい。 TOTEM はスラストパッドとティルティングパッドの設計をグループ化しています。 ホワイトメタルベアリング シリーズでは、Babbitt の作業面がより強力な背面構造によってサポートされています。
コンポーネントは、孤立した摩耗部品としてではなく、1 つの負荷経路として機能する必要があります。パッドのサポート、カラーの状態、ハウジングの形状、オイルの分布、嵌合精度はすべて、推力がどのように均一に伝達されるかに影響を与える可能性があります。したがって、カスタムの重回転機器の場合、 スラスト バビット ベアリングは シャフト システムおよび指定された動作条件とともに評価する必要があります。
流体潤滑は、多くの頑丈なスラスト ベアリングの決定的なメカニズムです。カラーが静止面に対して移動すると、オイルが収束する隙間に引き込まれます。このウェッジ内で圧力が発生し、安定した動作中に表面を分離しながら軸方向の荷重をサポートします。 Kingsbury は、固定プロファイル ベアリングとティルティング パッド ベアリングの両方を、ベアリングの幾何学的形状を使用して耐荷重流体力学膜を生成する設計として説明しています。
の場合 バビット裏地付きスラストパッド、作業面、バッキング、パッドの形状、サポート、および潤滑剤の供給はすべて膜形成に寄与します。バビット層は構造的サポート全体ではなく座面として機能するため、その状態を下にあるパッドやリングと合わせて考慮する必要があります。 TOTEM のスラストパッド設計は、軸方向のスラストをベアリングアセンブリに伝達する支持構造と潤滑膜で動作することを目的としています。
したがって、オイルは流体膜軸受の摩擦低減剤以上のものです。粘度、温度、供給条件、清浄度はフィルムの挙動と熱除去に影響を与えますが、負荷や速度の変化も動作状態を変化させます。 Kingsbury が発行した技術資料では、油膜の厚さ、温度、電力損失、負荷、および潤滑剤の特性を相互依存変数として扱っています。
ティルティング パッド スラスト ベアリングは、固定面をわずかに回転できるパッドに分割します。相対運動とパッド角度により、荷重がかかった各パッド上に収束するオイルウェッジが形成され、パッドと回転カラーの間に流体圧力が発生します。この制御されたパッドの動きにより、 ティルティング パッド ベアリングが 要求の厳しいタービン、コンプレッサー、ポンプ、モーター、ブロワー、海洋機器で広く使用されています。
傾いているからといって、ベアリングがすべてのアライメントや潤滑の問題を補正できるわけではありません。パッドの形状、サポート、オイルの供給、熱状態、および回転カラーは、意図した設計範囲内に留まらなければなりません。たとえば、指向性潤滑装置では、膜形成点の近くに低温のオイルを導入して、熱制御を向上させることができます。
スラストベアリングは、機械がシャフト軸に沿って大きな力を生成するあらゆる場所で使用されます。一般的な用途には、タービン、ポンプ、コンプレッサー、工作機械、水力発電装置、歯車システム、船舶用ドライブトレインなどがあります。正しいベアリング ファミリは、軸力がどのように生成されるか、および機械がどのように動作するかによって異なります。
タービンローターは、圧力分布とローター全体の配置によって軸方向の推力を発生させることができます。スラストベアリングは軸方向の位置を確立し、その荷重をケーシングまたは基礎に伝えます。同様に、TOTEM の蒸気タービン製品では、ローターの軸方向の位置を制御し、推力のバランスをとるために使用されるコンポーネントとしてスラスト ベアリングが特定されています。
インペラ、ピストン、またはその他の内部コンポーネント間の圧力差により、軸受配列が反応する必要がある軸方向の力が発生する可能性があります。機械のアーキテクチャに応じて、ソリューションでは転がり要素、流体膜スラスト軸受、またはラジアルとスラストの組み合わせの配置が使用される場合があります。選択では、始動時、通常の使用時、および設計外の条件間で負荷の大きさと方向がどのように変化するかを考慮する必要があります。
船舶のプロペラは、シャフトラインを通って最終的に船舶の構造に伝わる推力を生成します。で 船舶推進システムでは、軸受配置がこの荷重経路の一部を形成しますが、シャフト、パッド、ハウジング、潤滑部品、および基礎は互換性を維持する必要があります。 TOTEM では、この推進システム カテゴリにスラスト シャフト、スラスト パッド、ベース リング、ベアリング ハウジング、およびオイル供給部品をリストしています。
選択は、一般的なベアリング名ではなく、実際の運用ケースから始める必要があります。エンジニアは通常、アキシアル荷重の大きさと方向、ラジアル荷重または複合荷重、シャフト速度、デューティサイクル、アライメント動作、必要な剛性、潤滑方法、温度、汚染リスク、取り付けスペース、およびメンテナンスへのアクセスを確立する必要があります。 SKF と NSK も同様に、荷重の方向と各ベアリング ファミリの動作特性によってベアリングの選択を区別しています。
スラスト玉軸受は、その定格と取り付け配置が適切であれば、アキシアル荷重が支配的な用途に適しています。より大きな軸方向の剛性または負荷能力が必要な場合には、ローラー設計が好まれる場合がありますが、油膜の挙動と熱制御が設計の一部である大型の連続使用装置では、流体膜およびティルティングパッドシステムが関連します。カスタム機械の場合は、製造前に図面、シャフトまたはカラーの形状、回転方向、オイルのデータ、温度、荷重ケース、および検査要件を確認する必要があります。
有用な比較は、メカニズムと運用状況に基づいており、あるファミリーが普遍的に優れているという主張に基づくものではありません。回転要素ベアリングは個別の接触を通じて力を伝達します。流体膜ベアリングは、回転カラーと静止ベアリング表面の間に生成される流体圧力に依存しています。それらのメカニズムが異なると、エンジニアが監視および指定する必要がある内容が変わります。
| 決定要因 | 転動体軸受 | 流体膜軸受 / ティルティングパッド軸受 |
|---|---|---|
| プライマリインターフェース | 軌道上のボールまたはローラー | カラーと座面の間の油膜 |
| 潤滑の役割 | 転がり接触を保護し、摩擦を軽減します | 主要な耐荷重フィルムも形成します |
| 主な選択の焦点 | 定格、速度、負荷方向、取付方法 | 荷重、速度、オイルシステム、パッド形状、温度、アライメント |
| 一般的な産業用フィット | 幅広い機械用途 | 大型タービン、コンプレッサー、ポンプ、水力および海洋機器 |
| 典型的な懸念事項 | 接触応力、摩耗、過熱、位置ずれ | フィルムの損失、熱、表面の損傷、不均一なパッドの荷重 |
この違いは、スラスト ベアリングがどのように機能するかに対する一般的な答えが不完全である理由を説明しています。どちらのベアリング ファミリも軸方向の動きを抑制しますが、力を伝達する物理的メカニズムは根本的に異なります。最初にベアリング ファミリを特定すると、後の選択とトラブルシューティングがより確実になります。
油は荷重支持に直接関与するため、流体膜設計では潤滑の問題が特に深刻です。不十分な供給、不適切な粘度、過剰な温度、エアレーション、または汚染により、フィルムの挙動が変化し、表面相互作用のリスクが高まる可能性があります。温度上昇は、負荷の再配分、アライメントの変化、または冷却の問題を反映している可能性もあるため、診断は 1 つの症状だけに頼るべきではありません。
アライメントのずれ、サポートの不足、または合わせ面の誤差により、パッドまたは回転要素全体にわたる意図した荷重分布が変化する可能性があります。ベアリングの材質自体が本来の原因ではない場合でも、局所的な摩耗が発生する可能性があります。有用な診断順序は、 症状→動作状態→負荷経路→考えられる機構→検査証拠であり、速度、負荷、オイル状態、アライメント履歴、最近のメンテナンスを使用して原因を絞り込みます。
カスタムの高耐久ベアリングは、既存のシャフト ライン、カラー、ハウジング、オイル システム、および基礎と一致する必要があります。新しいユニットまたは交換ユニットが承認される前に、エンジニアリングレビューでは、一般的なカタログの説明に依存するのではなく、ベアリングがどのように動作するかを決定する条件をカバーする必要があります。
アキシアル荷重方向と使用荷重ケース
シャフト速度、デューティサイクル、起動および停止条件
スラストカラーまたはランナーの寸法と表面状態
パッドの形状、サポートの配置、ベースリングのフィット感
潤滑剤の種類、供給方法、温度、清浄度
アライメント、ハウジングサポート、予想される熱の動き
寸法、表面品質、バビット接合、嵌合界面の検査要件
普遍的な数値制限は、実際の設計を参照せずに仕様にコピーすべきではありません。メーカーの計算、機械図面、運転記録、およびプロジェクト要件が合格基準を決定する必要があります。既存のユニットが再生産される場合、直接の寸法データと検査データが、一般的な仮定よりも有用な証拠を提供する可能性があります。
では、スラストベアリングはどのように機能するのでしょうか?回転を維持しながら静止構造に推力を伝達することで軸方向のシャフトの動きを制御しますが、負荷を支える機構はベアリングの種類によって異なります。回転要素の設計ではボールまたはローラーが使用されますが、流体膜および傾斜パッド システムでは流体力学的圧力、パッドの形状、潤滑、および正確なサポートに依存します。したがって、信頼性の高い動作は、ベアリングの名前だけで選択するのではなく、ベアリングを実際の荷重ケース、速度、アライメント、オイル システム、嵌合形状、および検査要件に適合させることによってもたらされます。
スラストベアリングは、シャフトの回転を可能にしながら、シャフトに沿って作用する力を固定支持体に伝達します。回転設計ではボールまたはローラーが使用されますが、流体膜設計では流体潤滑剤の圧力で回転面がサポートされます。
ベアリングの種類により異なります。標準のスラスト玉軸受はアキシアル荷重を対象としていますが、一部のスラスト自動調心ころ軸受はアキシアル荷重も存在する場合にラジアル成分に対応できます。
主な違いは荷重の方向です。スラストベアリングは主にシャフト軸に平行な力を伝達しますが、ラジアルベアリングは主にシャフト軸に垂直な力を伝達します。一部のベアリング ファミリは複合荷重用に設計されています。
ティルティング パッドは個別の流体力学的オイル ウェッジを形成し、軸方向の荷重、速度、温度、および流体膜の挙動を一緒に管理する必要がある要求の厳しい回転機器に適しています。最終設計では、負荷、潤滑、熱条件、形状、ローター配置などのアプリケーション固有の計算が依然として必要です。
考えられる原因には、潤滑の問題、過剰または再配分された荷重、アライメントの変化、汚染、冷却の制限、表面の損傷などが含まれます。いくつかのメカニズムが同様の症状を引き起こす可能性があるため、温度を負荷、速度、オイルの状態、アライメント、および検査の証拠とともに評価する必要があります。
