(57)【要約】    【課題】  経年変化によって継手内にガタツキが発生し難く、回転トルクを確実に伝達でき、軸スラストを安定に受けることができ、立型ポンプに適用しても水通路部分を狭めることの少ないスリーブ型軸継手を提供する。    【解決手段】  軸方向スラストと回転トルクを同時に受ける２本の回転軸を締結するスリーブ型軸継手において、２本の回転軸７、１０の各々は円周方向全周に伸びる凹溝７Ａ、１０Ａを有し、凹溝には軸スラストを受ける分割構造のスプリットリング１３が嵌入され、スプリットリングにはリジットプレート１２がボルト締結され、回転軸外周の２つのリジットプレートの間には軸継手スリーブ１１が外装され、リジットプレート及び軸継手スリーブのテーパ面１１Ａ、１２Ａが相互に押接されて回転軸に予圧が付与され、回転軸及び軸継手スリーブは軸線方向のキー溝１５Ａにキー１５が嵌入されて回転軸と軸継手スリーブの間で回転トルクを伝達する。【選択図】  図１
2019167977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向スラストと回転トルクを同時に受ける上下又は左右の２本の回転軸を締結するスリーブ型軸継手において、
２本の回転軸（７、１０）の各々は円周方向全周に伸びる凹溝（７Ａ、１０Ａ）を有し、該凹溝（７Ａ、１０Ａ）には軸スラストを受ける分割構造のスプリットリング（１３）が嵌入され、該スプリットリング（１３）にはリジットプレート（１２）がボルト締結され、上記回転軸（７、１０）外周の２つのリジットプレート（１２）の間には軸継手スリーブ（１１）が外装され、リジットプレート（１２）及び軸継手スリーブ（１１）はテーパ面（１１Ａ、１２Ａ）を有し、該テーパ面（１１Ａ、１２Ａ）が相互に押接されて回転軸（７、１０）に予圧が付与されており、
回転軸（７、１０）及び軸継手スリーブ（１１）には軸線方向のキー溝（１５Ａ）が形成されており、該キー溝（１５Ａ）には回転軸（７、１０）と軸継手スリーブ（１１）の間で回転トルクを伝達するキー（１５）が嵌入されていることを特徴とする回転機械のスリーブ型軸継手。
【請求項２】
上記リジットプレート（１２）は一体構造又は分割構造となっている請求項１記載の回転機械のスリーブ型軸継手。
【請求項３】
上記リジットプレート（１２）のテーパ面（１２Ａ）の端部コーナー部分には集中応力を軽減するアール部分（１２Ｂ）が円周方向に設けられている請求項１又は２記載の回転機械のスリーブ型軸継手。
【請求項４】
上記スプリットリング（１３）には凹部（１３Ｃ）が形成されて上記リジットプレート（１２）の締結ボルト（１４）のボルト頭部が嵌り込んでいる請求項１記載の回転機械のスリーブ型軸継手。
【請求項５】
上記上記リジットプレート（１２）の締結ボルト（１４）がカバー（１７）によって覆われている請求項１記載の回転機械のスリーブ型軸継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転機械のスリーブ型軸継手に関し、特に経年変化によって継手内にガタツキが発生し難く、又回転トルクを確実に伝達できるとともに軸スラストを安定的に受けることができ、しかも立型ポンプに適用しても水通路部分を狭めることの少ないスリーブ型軸継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、揚水等に使用される立型ポンプが種々提案されている（特許文献１、特許文献２）。また、水中で使用される水中攪拌機も知られている。かかる立型ポンプや水中攪拌機など（以下、「回転機械」とも総称する）では２本以上の回転軸を締結し水中においてトルク伝達とともに軸スラストを受ける軸継手が採用されることがある。
【０００３】
図６は従来の一般的な立型ポンプの構造例を示す。立型ポンプにおいて、駆動機１によって回転トルクが与えられ、その回転トルクは伝達軸２を介して水中に位置する上側の回転軸７及び下側の回転軸１０に伝えられ、羽根車１３が回転することにより水が揚水される。
【０００４】
羽根車１３が回転すると、羽根車１３の翼の揚水作用の反力によって下向き方向の軸スラストが発生するとともに、羽根車や軸等の質量が下向き軸スラストとなる。また、下向きの軸スラスト以外にも、羽根車１３の揚水アンバランスによるラジアルスラストや羽根車に残存するアンバランスと回転による遠心力が、水中の回転軸７、１０にラジアルスラストとして作用することとなる。
【０００５】
この水中の回転軸は製造上の限界や組立上の理由により、図６に示されるように２本以上の回転軸７、１０に分割されることが多くなる結果、水中に位置する回転軸７、１０の継手８が必要となる場合が多い。
【０００６】
図７（ａ）はポンプ等の水中で用いられている従来型の軸継手の構造例を示す。上側の回転軸４０は、前述した駆動機による回転トルクと水を揚水するための軸スラスト並びに、ラジアルスラストの一部も受けることになる。
【０００７】
駆動機トルクは上側の回転軸４０から軸に設けられているキー４４を介して軸継手スリーブ４２に伝達される。図中、４８は駆動機トルク伝達面である。この軸継手スリーブ４２と下側の回転軸４１に設けられるキー４５により下側の回転軸４１にトルクが伝達される一方、軸スラストは軸継手スリーブ４２内の継手カラー４３によって上側の回転軸４０に作用する。図中、４９が軸スラスト受け面、４８がスリーブトルク伝達面である。
【０００８】
この図７（ａ）に示す従来型の軸継手では軸が回転する時に下側の回転軸４１及び上側の回転軸４０によるねじり応力、引張応力及び曲げ応力が複合して加わり、その継手部分はその応力を受けることとなる結果、長年使用していると図７（ｂ）に示すように、回転軸４０、４１と軸継手スリーブ４２には隙間（ガタ）４６、４７が発生するようになる。
【０００９】
ポンプ等の回転機械の整備の必要性有無や実施時期を診断するために図６に示される軸位置近傍に振動状態を計測するための軸振動センサー（ギャップセンサー）３を取付け、振動データ（加速度、速度、振幅）を採取し、振動分析を実施するが、図７（ｂ）に示す軸継手スリーブ４２と回転軸４０、４１に隙間４６、４７ができた状態では計測のたびに振動ベクトルが変動する。
【００１０】
図９（ａ）は経過年数後のポンプの軸振動データ分析の内、回転数を変化させた場合の軸振動軌跡（振動ベクトルと位相）を示すポーラ線図、図９（ｂ）は当初のポンプの軸振動データ分析の内、軸振動軌跡（振動ベクトルと位相）を示すポーラ線図である。図９（ａ）に示されるポーラ線図を見ると、図９（ｂ）のポーラ線図に比較して、極短時間に計測した振動ベクトルが同一回転数であるにもかかわらず、大きく異なる位相で発生したり、軸系の固有振動数がランダムに変化することが分かる。固有振動数に一致すると、軸が大きく振動している。また、軸振動計測毎に振動ベクトルや固有振動数が変化する。この状態では、計測毎に振動状態が変わるために振動分析結果による傾向診断ができない。
【００１１】
機器設備のコスト削減のために機器の定期的運転状態（振動計測と分析）による傾向管理が必要である。図１１に傾向管理を模式的に示す。計測値が整備値になると、整備を行うが、整備を行わないと、運転許容値を越えてしまうおそれがあるが、上述のように、回転軸４０、４１と軸継手スリーブ４２には隙間（ガタ）４６、４７が発生するようになると、計測毎に振動状態が変わるために振動分析結果による傾向管理ができないか又は誤診断のおそれがある。
【００１２】
また、図８（ａ）ないし（ｃ）に示されるトルク伝達装置が知られている。なお、図８（ｄ）は図８（ａ）ないし（ｃ）のＡ矢視図である。これは、主に組立・分解時の組立作業にあまり労力をかけずにトルクを伝達するためのトルク及び軽荷重の軸スラストの伝達する装置の構造例である。図において、２０は回転軸、２１はスリーブ、２２、２３はテーパブシュ、２４は締付ボルト、２５は押えスリーブ、２６はトルク伝達面を示す。
【００１３】
かかるトルク伝達装置では長年使用してガタや他の原因で軸継手を締め付け力が小さいかゼロになると、トルク伝達用のキーがないため、トルク伝達ができなくなり、継手としての機能をなくするばかりでなく、ボルト締め直し調整が必要となる。従って、陸上（気中）において定期点検しながらの使用となる。
【００１４】
第１２図は従来一般のリジット継手の構造例を示す。リジット継手のよさは、締結用リーマボルト３４とナット３５にて軸３０、３１と一体となった軸継手３２、３３を締め付けることで、トルクの伝達と曲げ応力を継手面の摩擦力、また軸スラストについては締結用リーマボルト３４、ナット３５で確実に受けることができる点である。
【００１５】
マイナス面としては、口径の小さいポンプであれば、軸継手３２、３３の外径が大きくなり、水通路部分が狭く、流速の増加と相まって縮流・拡大流による損失が大きくなり、ポンプ効率が悪化する。また、継手外径が大となるため複数の中間軸受構造では使用できにくく、ポンプ構造に制約ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平１１−３７０８２号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記の従来技術ではそれぞれ以下の課題がある。
１）図７に示される継手構造では振動計測と分析による回転機械の傾向診断を行いたいが、必要とされる経年傾向診断を続けても、軸継手にガタが生じてしまえば正しい傾向診断ができない。
２）図８に示される継手構造では長年使用時の軸継手のガタ、ボルトの緩みが水中部では点検や確認ができないか又は確認し難く、軸継手嵌合部に緩みや隙間が生じれば、トルクがまったく伝達できなくなり、復旧に多大な時間とコストが発生する。従って、この継手は陸上用となり水中用には不適である。
３）図１２に示されるリジット継手では機器の口径、構造、コスト面等に制約が有る場合には使用できない。
【００１８】
本発明はかかる問題点に鑑み、経年変化によって継手内にガタツキが発生し難く、又回転トルクを確実に伝達できるとともに軸スラストを安定的に受けることができ、しかも立型ポンプに適用しても水通路部分を狭めることの少ないスリーブ型軸継手を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
そこで、本発明に係る回転機械のスリーブ型軸継手は、軸方向スラストと回転トルクを同時に受ける上下又は左右の２本の回転軸を締結するスリーブ型軸継手において、２本の回転軸の各々は円周方向全周に伸びる凹溝を有し、該凹溝には軸スラストを受ける分割構造のスプリットリングが嵌入され、該スプリットリングにはリジットプレートがボルト締結され、上記回転軸外周の２つのリジットプレートの間には軸継手スリーブが外装され、リジットプレート及び軸継手スリーブはテーパ面を有し、該テーパ面が相互に押接されて回転軸に予圧が付与されており、回転軸及び軸継手スリーブには軸線方向のキー溝が形成されており、該キー溝には回転軸と軸継手スリーブの間で回転トルクを伝達するキーが嵌入されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の特徴の１つは回転軸に円周状に設けた凹溝に分割構造のスプリットリングを嵌入してこのスプリットリングで軸スラストを受け、キー溝とキーとによって一方の回転軸から継手スリーブ、継手スリーブから他方の回転軸に回転トルクを伝達するようにした点にある。
【００２１】
これにより、回転トルクを確実に伝達できるとともに、軸スラストを安定的に受けることができ、軸継手内にガタが生じ難く、軸継手の正しい傾向診断ができ、又全体としてコンパクトであるので、立型ポンプに適用しても水通路部分を狭めることもない。
【００２２】
また、リジットプレート及び軸継手スリーブにはテーパ面を設け、テーパ面を相互に押接させて面与圧を付与し、回転軸の複雑な動きや変動荷重によって軸との接触面が変形し摩耗し難くするのがよい。
【００２３】
リジットプレートは一体構造でもよいが、分割構造となし、装置全体を容易に分解し組立てできるようにするのがよい。
【００２４】
リジットプレートのテーパ面の端部コーナー部分には集中応力を軽減するアール部分を円周方向に設けるのがよい。
【００２５】
スプリットリングには凹部を形成し、リジットプレートの締結ボルトのボルト頭部を嵌り込ませるか、リジットプレートの締結ボルトをカバーによって覆い、軸継手を汚水や雨水、河川水に浸漬させる場合に異物の混入に対処するのがよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る回転機械のスリーブ型軸継手の好ましい実施形態の断面構造（ａ）及びその拡大構造（ｂ）を示す図である。
【図２】上記実施形態の要部を示す図である。
【図３】上記実施形態における一体構造のリジットプレートの断面（ａ）及び平面（ｂ）を示す図である。
【図４】分割構造のリジットプレートの例（ａ）及びその変形例（ｂ）を示す図である。
【図５】第２の実施形態（ａ）及び第３の実施形態（ｂ）を示す図である。
【図６】立型ポンプを示す図である。
【図７】従来のスリーブ型継手の構造例で、使用開始時（ａ）及び経過年数後（ｂ）の状態を示す図である。
【図８】従来のトルク伝達継手の３つの構造例（ａ）〜（ｃ）及びそのＡ矢視を示す図である。
【図９】図７のスリーブ型継手における経過年数後（ａ）及び当初（ｂ）のポンプ軸振動データ分析のうち軸振動軌跡（振動ベクトルと位相）を示すポーラ線図である。
【図１０】引っ張り・トルク荷重・ボルト締付力・遠心力応力解析における軸締付応力図である。
【図１１】振動振幅による傾向管理を模式的に示す図である。
【図１２】従来のリジット型継手の平面（ａ）及び断面（ｂ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１ないし図３は本発明に係る回転機械のスリーブ型継手の好ましい実施形態を示し、これは立型ポンプのスリーブ型軸継手に適用した例である。図において、立型ポンプにおいて、上側及び下側の回転軸７、１０の対向端部には軸継手スリーブ１１が外嵌され、回転軸７、１０の対向面には嵌合凹部１６Ａ及び凸１６Ｂが形成されて相互に嵌合され、横方向の位置ずれを阻止するようにしている。
【００２８】
また、回転軸７の下端部及び回転軸１０の上端部には環状の凹溝７Ａ、１０Ａが円周方向の全周にわたって形成され、凹溝７Ａ、１０Ａには軸スラスト受面として機能する分割構造のスプリットリング１３が嵌入され、スプリットリング１３には一体構造のリジットプレート１２が当接され、リジットプレート１２とスプリットリング１３とは締結ボルト１４によってボルト締結されている。リジットプレート１２は一体構造ではなく、図４の（ａ）に示されるような二分割構造、図４の（ｂ）に示されるような三分割構造、その他の分割構造であってもよい。
【００２９】
また、軸継手スリーブ１１及びリジットプレート１２には適切な締付角となるようなテーパ面１１Ａ、１２Ａが形成され、テーパ面１１Ａ、１２Ａは相互に押接されて回転軸７、１０に与圧が付与されるようになっている。回転軸７、１０と軸継手スリーブ１１にはキー溝１５Ａが軸線方向に伸びて形成され、キー溝１５Ａには回転トルク受面として機能するキー１５が嵌合されている。なお、立型ポンプの他の構造は図６に示される部分と同一であるので、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
駆動機の回転トルクが上側の回転軸７に伝達されると、その回転トルクはキー１５によって軸継手スリーブ１１に伝達され、軸継手スリーブ１１から下側の回転軸１０に伝達される。立型ポンプでは、その回転トルクで羽根車が回転され、羽根車翼の遠心力等によって水が吸い上げられて揚水される。
【００３１】
羽根車が揚水する際に羽根車によるアキシャルスラスト及び軸系質量が下側の回転軸１０に下向きに引張力として作用し、スプリットリング１３、締結ボルト１４及びリジットプレート１２を介して軸継手スリーブ１１に伝わり、軸継手スリーブ１１からリジットプレート１２、締結ボルト１４及びスプリットリング１３を介して上側の回転軸７に伝達させることができる。
【００３２】
更に、羽根車の揚水に伴うラジアルフォース及び羽根車・軸系アンバランスも下側の回転軸１０に作用し、ラジアル方向振動荷重として軸系、軸受、ポンプの形状、質量、特性、支持構造、運転状態等により回転軸の振動は変動するが、振動荷重としては軸継手１０〜１４の部品に振動荷重が加わる。この振動荷重は軸継手や回転軸７、１０の剛性によって受けることができる。
【００３３】
本構造では、図２に示す締結ボルト１４を設計時等のトルクにて締付けることにより、リジットプレート１２の先端近くのテーパ部に回転軸７、１０を強く締め付ける応力が発生する。この締付け力は大きく、図１０の応力解析における軸締付け応力図に示されるように強い締付け応力と硬度と耐腐食性のあるリジットブレート１２になっており、長年使用しても極めて摩耗が小さく締め付け力は低下しがたい。
【００３４】
従って、長年運転しても締付け応力（面圧）があるので、振動荷重が加わっても回転軸７、１０とスプリットリング１３とのガタはないか非常に小さく、継手部分の振動に及ぼす影響はない。
【００３５】
また、軸継手の役割として羽根車に回転トルクを伝達して揚水することが必須であるが、万が一にもスプリットリング１３の締結ボルト１４が緩むか他の理由によって回転軸７，１０とスプリットリング１３に間隙ができてもキー１５を設けているので、羽根車へのトルク伝達は確実に行うことができ、回転機械としての高い信頼性を保証することができまる。
【００３６】
〔実機特殊回転軸継手解析応力〕
図１０に本継手構造の軸の応力解析図を、引張力、トルク荷重＋ボルト締付力＋遠心力を加味した回転軸の応力解析における軸締付け応力（軸断面形状）の例を示す。図に示すように締結ボルト１４を等トルクにて締付けた場合の締付け応力分布を示すが、リジットプレート１２の締付け部分には強い締付け応力が生じていることが分かる。
【００３７】
〔実機特殊軸継手装着ポンプ事例〕
図６は試験のために使用した口径７００ｍｍの電動機駆動の立型ポンプを示す。試験前に、要素試験として組立・分解を複数回数繰り返して継手部分の形状変化等を計測し確認したが変化なかった。
【００３８】
その後、口径７００ｍｍの立型ポンプに装着して水運転と気中運転を繰り返し実施しても振動状態に変化はなかった。
【符号の説明】
【００３９】
７      上側回転軸
７Ａ      凹溝
１０      下側回転軸
１０Ａ      凹溝
１１      軸継手スリーブ
１１Ａ      テーパ面
１２      リジットプレート
１２Ａ      テーパ面
１２Ｂ      アール部分
１３      スプリットリング
１５      キー
１５Ａ      キー溝
【図１】
2019167977.tif 000003
【図２】
2019167977.tif 000004
【図３】
2019167977.tif 000005
【図４】
2019167977.tif 000006
【図５】
2019167977.tif 000007
【図６】
2019167977.tif 000008
【図７】
2019167977.tif 000009
【図８】
2019167977.tif 000010
【図９】
2019167977.tif 000011
【図１０】
2019167977.tif 000012
【図１１】
2019167977.tif 000013
【図１２】
2019167977.tif 000014