(57)【要約】【課題】  多段圧延機やローラレベラの控えロール用ころ軸受に適用される。中空ころを用いながら、軸受の寿命が転動面上の疲労剥離寿命となり、交換の目安が設定し易いころ軸受を提供する。【解決手段】  転動体に中空のころ３を用いた多段圧延機またはローラレベラの控えロール用ころ軸受において、ころ平均径をＤａ、ころ内径をｄｗとした場合に、０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７、とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転動体に中空のころを用いた鉄鋼設備控えロール用ころ軸受において、ころ平均径をＤａ、ころ内径をｄｗとした場合に、０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７、であることを特徴とするころ軸受。
【請求項２】
請求項１において、前記鉄鋼設備が多段圧延機であるころ軸受。
【請求項３】
請求項１において、前記鉄鋼設備がローラレベラであるころ軸受。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転動体に中空のころを用いた多段圧延機やローラレベラ等の控えロール用ころ軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば製鉄所の圧延機ロールネック用軸受等のように高負荷容量が求められ、保持器が必要な回転速度で運転されることが望まれる軸受では、高負荷容量化のために転動体を中空とし、保持器に設けられたピン状の柱を転動体の中空孔内に通し、転動体を保持する形式のものが用いられる。また、他の各種の目的で中空ころを用いる場合がある。
【０００３】
中空ころに関する提案は種々なされている。例えば、ころに作用する遠心力や慣性力を低減することができる中空ころ形状の提案（特許文献１）や、形状精度が厳密に均一でなくても円滑に回転し、騒音、振動、摩耗等が少なく、長寿命のころがり軸受の提案（特許文献２）などがある。また、軸受等において、各部の寸法関係を適正化する設計の工夫は種々なされている。
【特許文献１】特開２００２−２５０２４４号公報
【特許文献２】特開平５−６０１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、軸受寿命の観点から、中空ころの必要強度が論じられては来なかった。
中空ころに大きな転動体荷重が使用するときに、その必要強度が足りなければ、中空ころは損傷する。損傷が転動面上の疲労剥離であれば、通常の転がり軸受が想定している寿命であるが、中空ころでは、その中空孔の内径が大き過ぎると、転動面上の疲労剥離寿命以前に中空ころ内径面を起点とした割れが生じることがある。
【０００５】
軸受は消耗部品であるため、交換の目安が設定し易いことが必要である。よって寿命計算方法が確立されている転動面上の疲労剥離寿命で、その中空ころの寿命に至るものとすることが望ましい。転動面上の疲労剥離寿命による転がり軸受の定格寿命の計算方法は、ＪＩＳ規格のＢ１５１８で規定されている。
【０００６】
この発明の目的は、中空ころを用いながら、軸受の寿命が内径面からの割れ寿命ではなく、転動面上の疲労剥離寿命となり、交換の目安が設定し易いころ軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明のころ軸受は、転動体に中空のころを用いた鉄鋼設備控えロール用ころ軸受において、ころ平均径をＤａ、ころ内径をｄｗとした場合に、
０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７
であることを特徴とする。
前記鉄鋼設備は、例えば多段圧延機またはローラレベラである。
上式によるころ平均径Ｄａところ内径ｄｗの関係とすると、軸受の寿命が、中空ころの内径面からの割れの寿命ではなく、転動面上の疲労剥離寿命となる。そのため、ＪＩＳ規格等の規格で確立された寿命計算方法が採用できて、寿命予測がつけ易く、メンテナンスの段取りが容易となる。
また、上式の寸法関係とすると、中空ころの内径ｄｗをできるだけ大きくできる範囲が判明する。そのため、ピンタイプの保持器を用いるものでは、中空ころに挿通させる保持器のピンの強度をできるだけ大きくすることが可能になる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明のころ軸受は、転動体に中空のころを用いた多段圧延機控えロール用ころ軸受において、ころ平均径をＤａ、ころ内径をｄｗとした場合に、０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７であるため、軸受の寿命が、中空ころの内径面からの割れの寿命ではなく、転動面上の疲労剥離寿命となる。そのため確立された寿命計算方法が採用できて、寿命予測が行い易く、メンテナンスの段取りが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この実施形態は総ころ形式の円筒ころ軸受に適用した例である。このころ軸受は、多段圧延機控えロール用ころ軸受であって、内輪１と外輪２の軌道面１ａ，２ａ間に、転動体となる複数の中空ころ３を介在させてある。中空ころ３は、軸方向に貫通した中空孔４を中心部に有するころである。内輪１は鍔無しであり、外輪２は両側に鍔２ｂを有するものとされている。中空ころ３の材質は、軸受用焼入れ鋼等の鋼製であり、内外輪１，２も同じく鋼製である。
【００１０】
中空ころ３は、図２に示すころ平均径をＤａ、ころ内径をｄｗとした場合に、次式(1) を充足する寸法関係に設定してある。
０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７
【００１１】
図３は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、保持器付きの円筒ころ軸受に適用した例である。この実施形態は、図１，図２に示す第１の実施形態において、中空ころ３を保持する保持器５が設けてある。保持器５は、２個のリング状の保持器分割体５Ａ，５Ｂからなり、一方の保持器分割体５Ａに、隣合う中空ころ３の間に介在する柱部６が設けられている。両保持器分割体５Ａ，５Ｂは、柱部６を貫通した連結ピン７によって相互に固定されている。その他の構成は図１，図２に示す第１の実施形態と同様である。
【００１２】
図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、ピンタイプの保持器８を有するころ軸受であり、各中空ころ３の中空孔４を貫通するピン９が、保持器８に設けられている。保持器８は、一対のリング部材８ａ，８ａと、このリング部材８ａ，８ａ間に固定された周方向複数箇所のピン９とでなる。中空ころ３の寸法関係は、第１の実施形態で述べた「０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７」を充足する関係とされる。この実施形態は、独立した軌道輪となる内輪および外輪を有しないものであり、この軸受を設置する機器の軸またはハウジング等に直接に中空ころ３の軌道面が形成される。なお、第１の実施形態において、図４に示すピンタイプの保持器８を用いても良い。
【００１３】
つぎに、これらの各実施形態において、ころ平均径Ｄａ（図２）ところ内径ｄｗの関係を上記のように規定した理由を説明する。
中空ころ３の内径面に発生する応力は、式(1) で定まる。
σ＝Ｐ／Ａ×（１−２ｅ／ｄｗ／Ｋ）／〔π（１＋Ｋ）〕    …(1) 
Ａ＝Ｌ×ｈ
Ｋ＝１＋ｒ／ｈ×log ｅ（（ｒ＋ｈ）／（ｒ−ｈ））
ｅ＝ｈ／２
ｇ＝（Ｄａ−ｄｗ）／２
ｒ＝（Ｄａ＋ｄｗ）／２
よって、σ＝Ｐ／Ｌ×ｆ（Ｄａ，ｄｗ）    …(2) 
【００１４】
ただし、
σ：内径面の最大引張り応力（ｋｇｆ／ｍｍ2 ）
Ｐ：負荷荷重（ｋｇｆ）
Ａ：断面積（ｍｍ2 ）
Ｋ：断面係数（ｍｍ4 ）
ｄｗ：ころ内径（ｍｍ）
Ｄａ：ころ外径（ｍｍ）
Ｌ：ころ長さ（ｍｍ）
Ｒ：内輪軌道半径（ｍｍ）
【００１５】
また、ころ転動面上の軌道輪との接触面圧は式(3) で求まる。
Ｐmax ＝６２．４×（Ｐ×Σρ／Ｌ）1/2   …(3) 
Ｐ＝（Ｐmax ／６２．４）2 ×Ｌ／Σρ
よって、式(2) は、式(4) で表すことができる。
ρ＝Ｐ／Ｌ×ｆ（Ｄａ，ｄｗ）＝（Ｐmax ／62.4）2 ／Σρ×ｆ（Ｄａ，ｄｗ）  …(4)       
【００１６】
ここで、内輪ところ間側のＰmax の方が、外輪ところ間側よりも大きくなるので、
Σρ＝１／Ｒ＋２／Ｄａ  …(5) 
【００１７】
また多段圧延機において、中空ころを用いる軸受は、一般的に次のものとなっている。  ころ径Ｄａは、φ３０〜φ６０程度であり、ころＰＣＤ（ピッチ円直径）の１／１０以上で１／４以下が通常であり、ころＰＣＤはφ３００〜φ５００が通常である（単位はいずれもmm）。
ころ径がφ３０では、ＰＣＤをφ３００〜φ５００と考えると、その面圧のバラツキは５％程度、ころ径φ６０ではＰＣＤをφ３００〜φ５００と考えると、その面圧のバラツキは１０％程度となる。
よって、式(5) をΣρ＝２／Ｄａとし、安全率で１０％を考慮すれば良いこととなる。      
【００１８】
すると、(4) 式は、
ρ＝Ｐmax ×ｇ（Ｄａ，ｄｗ）となり、Ｐmax ，およびρの基準値が決まれば、Ｄａとｄｗの関係式が求まることがわかる。
つまり、Ｐmax がＪＩＳ規格の計算寿命式を用いることができる範囲で、ρが中空ころの疲労限以下となるＤａとｄｗの関係式の範囲が最適であると考えられる。
【００１９】
荷重係数および安全係数について一般的に採用される値を、表１，表２に示す。
【００２０】
【表１】
2006226357.tif 000003
【００２１】
【表２】
2006226357.tif 000004
【００２２】
一般的に汎用箇所では、荷重係数を１．２〜１．５加味したＰｏ（静等価荷重（Ｎ（ｋｇｆ））に対して、安全係数Ｓｏは、Ｓｏ≧１．５（Ｐmax ＝３２７０ＭＰａ）が基準とされている。
よって、荷重係数を考慮しない条件では、Ｓｏ≧１．８（＝１．２×１．５）〜２．２５（＝１．５×１．５）となり、下限値Ｓｏ≒１．８のときのＰmax ＝３０００ＭＰａを基準とすれば良い（Ｓｏ＝１のとき、Ｐmax ＝４０００ＭＰａ、Ｓｏ＝１．８ではＰmax ＝３０００ＭＰａ）。
複雑な計算となるため、ｄｗ／Ｄａを横軸に、Ｐmax ＝３０００ＭＰａのときの発生応力を縦軸に、何点か計算してプロットする（図５）。
【００２３】
回転曲げ試験結果では、
ρ＝６３３ＭＰａで、２．５×１０8 回で、供試体全個数（個数ｎ＝４）割れ無し、
ρ＝７５９ＭＰａで、Ｌ10（寿命）＝１０7 回、
であった。
【００２４】
これより、疲労限はρ＝７５０ＭＰａ程度と考えられるが、一般的な基準を考えるために、先の１０％程度の安全率を考慮し、ρ＝６８０ＭＰａと考えるのが妥当である。
図５上で、ρ≦６８０ＭＰａとすると、ｄｗ／Ｄａ≦０．２７が得られる。
【００２５】
また、多段圧延機控えロール用ころ軸受に用いられる中空ころのころ径（外径）Ｄｗところ長さＬの比は、一般的に、１．１≦Ｌ／Ｄｗ≦２．５であり、この中空ころの保持に用いられるピンには曲げ疲労強度が１２０ＭＰａ程度のものが用いられることが多い。
ピンに発生する曲げ応力は、その長さと径に影響を受け、それらは、中空ころの内径ｄｗと長さＬにより決まる。しかしながら、ピンに作用する力Ｆは、その軸受の急加減速などの運転条件により決まる。
多段圧延機控えロール用ころ軸受においては、経験的に０．２０≦ｄｗ／Ｄｗとしている。
【００２６】
よって、０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７の関係とすることにより、軸受の寿命が、中空ころの内径面からの割れの寿命ではなく、転動面上の疲労剥離寿命となる。そのため確率された寿命計算方法が採用できて、寿命予測がつけ易く、メンテナンスの段取りが容易となる。
また、０．２０≦ｄｗ／Ｄａ≦０．２７の関係とすることにより、中空ころ３の内径ｄｗをできるだけ大きくできる範囲が判明する。そのため、例えば図４に示す実施形態等のようなピンタイプの保持器８を用いるものでは、保持器８の中空ころ３に挿通させるピン９の強度をできるだけ大きくすることが可能になる。
【００２７】
なお、ＪＩＳのＢ１５１８では、ラジアルころ軸受の基本定格寿命（Ｌ10）は、次の式から求めるものとされており、寿命計算式として、この式を用いることができる。
【００２８】
【数１】
2006226357.tif 000005
【００２９】
ここで、Ｃr は基本動ラジアル定格荷重、Ｐr は動等価ラジアル荷重である。これらのＣr ，Ｐr を求める計算式は、同じくＪＩＳのＢ１５１８で定められており、同規定中の式を用いることができるが、ここでは、Ｃr ，Ｐr を求める式の説明は省略する。
【００３０】
図６は、このころ軸受を用いる鉄鋼設備の一例を示す。この鉄鋼設備はクラスタミルまたはゼンジミアミルと呼ばれる多段圧延機であり、板材Ｗを圧延する上下の加圧用のワークロール１１の背後に複数の中間ロール１２を配置し、これら中間ロール１２を介して、軸方向に分割した複数の控えロール１３1 ，１３2 によりワークロール１１を支持する構造とされている。なお、クラスタミルには４段以上、例えば２０段式のものもあるが、その場合も最外部に控えロールが配される。これら控えロールは、バックアップロールと呼ばれるものである。
図６に示す控えロール１３1 ，１３2 等の多段圧延機の最外部等の控えロールに、図１ないし図４の各図の実施形態のころ軸受が用いられる。
【００３１】
図６は、このころ軸受を用いる鉄鋼設備の他の例を示す。この鉄鋼設備は、ローラレベラーであり、板材Ｗを、上下２列に配した多数のレベリングロール１５の間に通して繰り返し曲げることにより、板材Ｗの前工程までの加工で残ったひずみを除去するものである。各レベリングロール１５は、軸方向に分割した複数（例えば４個）の控えロール１６、つまりバックアップロールで支持されて、板材Ｗの通過中の撓みを抑えられている。上記控えロール１６に、図１ないし図４の各実施形態のころ軸受が用いられる。
【００３２】
なお、前記各実施形態は、円筒ころ軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は転動体が中空ころであれば良く、円すいころであっても、また球面ころであっても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかるころ軸受の断面図である。
【図２】その中空ころの側面図および正面図である。
【図３】この発明の他の実施形態にかかるころ軸受の断面図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態にかかるころ軸受の部分断面図である。
【図５】中空ころの内外径の割合と発生応力の関係を示すグラフである。
【図６】この発明のころ軸受を適用する多段圧延機の側面図である。
【図７】この発明のころ軸受を適用するローラレベラの側面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…内輪
２…外輪
３…中空ころ
４…中空孔
５，８…保持器
９…ピン
１１…ワークロール
１３1 ，１３2 …控えロール
１５…レベリングロール
１６…控えロール
Ｄａ…ころ平均径
ｄｗ…ころ内径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
2006226357.tif 000010
【図７】
2006226357.tif 000011
【図５】
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