(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転軸と共に回転する回転板と、該回転板に当接して当該回転板を介して前記回転体を回動自在に支持する静止板とを有した軸受であって、前記静止板が、当該静止板の母体をなす静止板基台と、該静止板基台に設けられて前記回転板と当接し、その際に前記回転板を介して受ける荷重や潤滑油により受ける圧力に相当する荷重を予め経験した滑面部とを有する軸受を製造する製造装置において、
予め前記滑面部に荷重を経験させる際に、該滑面部に当接させて荷重を付加し、かつ、その際に荷重分布が所定分布となるような作用面を備えた加圧ヘッドを備えることを特徴とする軸受の製造装置。
【請求項２】
運転時に受ける荷重により、前記滑面部の摺動面が平面又は凸面になるように、前記加圧ヘッドの作用面の形状を凹状又は平面状に形成したことを特徴とする請求項１記載の軸受の製造装置。
【請求項３】
前記加圧ヘッドの作用面に波目状の凹凸が設けられて、前記滑面部に予め荷重を経験させた際に、この凹凸に対応する溝を該滑面部に形成して潤滑油の流入を促進するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の軸受の製造装置。
【請求項４】
前記加圧ヘッドによる加圧が、プレス加圧方法によることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の軸受の製造装置。
【請求項５】
前記加圧ヘッドによる加圧が、液圧方法によることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の軸受の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水力発電機等の回転機械の荷重を支持する軸受及び軸受の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水力発電設備は、一般に高速、大容量化の一途をたどり、ここで使用されるポンプ水車や水車等の水力機械や発電機は、高速、高圧及び高荷重下での苛酷な運転が要求され、しかも電力需要の要求に応じた素早い起動、停止が要求されている。
【０００３】
そして、このような過酷な要求に関わらず、電力の安定供給及び高い信頼性も要求されて、種々の開発が行われている。
【０００４】
このような水車発電機又は揚水発電電動機等の回転機械に使用される軸受は、大型の発電機ではスラスト軸受の摩擦損失が３０００ｋｗにも達する場合もある。
【０００５】
従って、低摩擦損失の軸受の開発が重要になり、かかる軸受として例えば図６に示すような構成のスラスト軸受が知られている。
【０００６】
該スラスト軸受１０は、支持板１１の上にバネ等の弾性部材１２を介して静止板１３が設けられ、この静止板１３が回転板１４を回動自在に支持している。
【０００７】
回転板１４はスラストカラー２に固着され、当該スラストカラー２は回転軸１に固着されている。
【０００８】
そして、このようなスラスト軸受１０は、油槽３内に設けられて、潤滑油が静止板１３と回転板１４との摺動面３５に供給されるようになっている。
【０００９】
静止板１３は、図７に示すように扇状に形成されて、回転軸１の周りに複数配置され、その断面は静止板基台３１、滑面部３２及びこれらの間に形成された中間層３３により構成されている。
【００１０】
なお、滑面部３２には、耐摩耗性を向上させるために低摩擦係数のホワイトメタル等の軟質金属が用いられている。
【００１１】
このような構成で、水力発電機の起動、停止時及び低速運転時には、図示しないオイルリフターから滑面部３２と回転板１４との間の摺動面３５に潤滑油が供給される。
【００１２】
また、定常運転時にはオイルリフターは停止されるが、回転板１４が回転することによる流体巻込作用により、当該摺動面３５に潤滑油が巻込み進入して滑面部３２と回転板１４とが直接接触することにより発生する焼付溶損等の損傷を防止している。
【００１３】
しかし、発電機等が起動する際や停止する際のように回転速度が小さい場合や軸受荷重が急変する場合には、潤滑油の巻込作用が小さくなり摺動面３５に潤滑油が殆どない状態が発生して、滑面部３２と回転板１４とが直接接触する場合が生じる。
【００１４】
そこで、滑面部３２と回転板１４とが直接接触しても著しい損傷が発生しないようにホワイトメタルより摩擦係数が小さく、耐摩耗性に優れた四フッ化エチレン等の樹脂材料を用いることが提案されている（特開平１０−２９２５６号公報参照）。
【００１５】
しかし、四フッ化エチレン等における樹脂材料の弾性率はホワイトメタルの約１／１０であるため、定常運転時に摺動面３５に巻込まれた潤滑油が圧力分布を持つと、その圧力分布に応じてホワイトメタルが弾性変形してしまう。
【００１６】
このため、例えば静止板１３の回転方向端部が回転板１４と直接接触して大きな摩耗や焼付き容損等の損傷が発生する場合がある。
【００１７】
このことを図８を参照して説明する。なお、図８は静止板１３の回転方向に沿った断面形状を示し、断面プロファイルＰｏは、かかる変形が生じていない場合、断面プロファイルＰｔは定常運転時における潤滑油の圧力分布ｆによる変形を示している。
【００１８】
上述したように定常運転時においては、回転板１４の回転により潤滑油が摺動面３５に巻込まれ、滑面部３２には圧力分布ｆの圧力が加わり、この圧力により滑面部３２が断面プロファイルＰｔで示すような窪んだ形状に変形するようになることがある。
【００１９】
一方、回転軸１の回転に伴い静止板１３は図８に示すように回転方向に対して起きあがるように傾く。
【００２０】
これらにより、静止板１３の回転先側が回転板１４と直接接触する場合が生じ、当該部分で大きな摩耗や焼付き容損等が発生するおそれがある。
【００２１】
かかる損傷を防止するためには、圧力が加わらない状態での滑面部３２の断面形状を例えば図８に示す断面プロファイルＰｉのように予め凸形状に形成して、圧力分布により変形した際には断面形状が断面プロファイルＰｏになるようにすればよい。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の静止板１３は図９に示すような圧縮負荷特性を示すために無負荷時に断面形状を断面プロファイルＰｉのように設定しても、当該圧縮負荷特性により滑面部３２と回転板１４との接触が発生してしまう問題があった。
【００２３】
このことを図９を参照して説明する。図９は、滑面部３２に荷重を加えた際の応力−歪み特性で、点線は最初に応力を加えた際の歪み特性を示し、実線は２回目以降の荷重サイクルに対する歪み特性を示している。
【００２４】
例えば、製造された軸受を用いて発電機を組立てた際に、当該軸受が最初に回転体を支持した場合には点線で示したように変形し、その後の荷重に対しては
実線で示すように変形する。なお、以下このように最初に経験する荷重を初期経験荷重と記載する。
【００２５】
このように、初期経験荷重に対する変形とそれ以降の荷重に対する変形とが異なるため、滑面部３２の断面形状を断面プロファイルＰｏのように形成しても、組立てただけで当該断面形状が窪んだ形になってしまう。
【００２６】
このため、潤滑油による圧力分布のみを考慮して、無負荷時に断面形状を断面プロファイルＰｉのように設定しても、滑面部３２と回転板１４とが直接接触して損傷が発生する場合が生じる。
【００２７】
なお、これまではスラスト軸受１０を例に説明したが、同様の構成で形成されたジャーナル軸受についても同じ問題が発生する。
【００２８】
図１０はこのようなジャーナル軸受２０に加わる荷重分布を例示した図で、回転軸１は滑面部２２により支持されていて、その間に潤滑油が油膜を形成している。なお、番号２１は静止板基台、番号２３は中間層３３である。
【００２９】
この回転軸１が等角速度で回転するならば、油膜による圧力分布は一様となるが、起動停止等におけるように等角速度が乱れる場合等においては、図に示す様な非一様な圧力分布が発生する。
【００３０】
この結果、滑面部２２の経験荷重が一様でなくなり、当該滑面部２２に部分的な変形が生じて回転軸１と滑面部２２とが直接接触する場合が生じる。
【００３１】
そこで、本発明は、滑面部の圧縮負荷特性を安定させることにより、水力発電機の停止、起動、定常運転時を問わず滑面部が損傷を受けないようにした軸受を製造する軸受製造装置を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、回転体の回転軸と共に回転する回転板と、該回転板に当接して当該回転板を介して回転体を回動自在に支持する静止板とを有した軸受であって、静止板が、当該静止板の母体をなす静止板基台と、該静止板基台に設けられて回転板と当接し、その際に回転板を介して受ける荷重や潤滑油により受ける圧力に相当する荷重を予め経験させた滑面部とを有する軸受を製造する製造装置において、予め滑面部に荷重を経験させる際に、該滑面部に当接させて荷重を付加し、かつ、その際に荷重分布が所定分布となるような作用面を備えた加圧ヘッドを備えて、滑面部に所望の荷重分布での荷重付与が行えるようにしたことを特徴とする。
【００３４】
請求項２にかかる発明は、運転時に受ける荷重により、滑面部の摺動面が平面又は凸面になるように、加圧ヘッドの作用面の形状を凹状又は平面状に形成して、滑面部に所望の荷重分布での荷重付与が行えるようにしたことを特徴とする。
【００３５】
請求項３にかかる発明は、加圧ヘッドの作用面に波目状の凹凸が設けられて、滑面部に予め荷重を経験させた際に、この凹凸を転写させて潤滑油が摺動面に容易に流入できるようにして、潤滑性能を向上させたことを特徴とする。
【００３６】
請求項４にかかる発明は、加圧器による加圧が、プレス加圧方法によりおこない、簡単な方法で滑面部の圧縮負荷特性を安定させるようにしたことを特徴とする。
【００３７】
請求項５にかかる発明は、加圧器による加圧が、液圧方法により行い、簡単な方法で滑面部の圧縮負荷特性を安定させるようにしたことを特徴とする。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。なお、軸受としてスラスト軸受を例に説明するが、同様に構成された他の軸受に対しても適用できることを予め付言する。
【００３９】
また、スラスト軸受の基本的構成は図１及び図２と同様であるので、同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００４０】
本実施の形態においては、静止板１３を構成する静止板基台３１として、外径９００ｍｍ、内径３００ｍｍ、厚さ６０ｍｍ、扇角３６°の扇状からなるＳ４５Ｃ鋼を材料とするものを用いた。
【００４１】
そして、この静止板基台３１に孔径５ｍｍ、ピッチ６ｍｍの千鳥の貫通孔が設けられた２枚のパンチングメタルを接合して多孔質の中間層３３を形成した。
【００４２】
その後、中間層３３が形成された静止板基台３１を金型に設定し、平均直径１０μｍ、アスペクト比１００の炭素繊維を含有する四フッ化エチレン樹脂粉末の混合体を中間層３３の上から充填して加圧成形した。
【００４３】
そして、当該成形体を大気中で加熱成形して樹脂を融着処理し、厚さ約２ｍｍの樹脂系複合材料で構成した滑面部３２を形成した。
【００４４】
最後に、このようにして形成された静止板１３を、図１に示す加圧ヘッド４１を用いて図示しない加圧装置により面圧最大σ＝２５０ｋｇｆ／ｃｍ2で最大５回程度の負荷を繰返し付与して本発明にかかる静止板１３を製造した。
【００４５】
このように製造段階で静止板１３に負荷を与える（負荷を経験させる）のは以下の理由による。従来の方法では、加熱成形した状態を完成品としているが、この場合には滑面部３２の圧縮負荷特性は図３に示すように初期経験荷重とそれ以降の荷重とで変形挙動がかなり異なっている。
【００４６】
従って、かかる軸受を水力発電機等に用いた場合には、初期経験荷重により滑面部３２が大きく変形することになり、先に述べたような不都合が生じる。
【００４７】
しかし、本発明のように加熱成形後に当該滑面部３２に対して初期経験荷重を擬似的に与えることにより圧縮負荷特性を安定化するならば、このような軸受を水力発電機に用いても、組立てただけで変形することがないので滑面部３２と回転板１４との直接接触が防止できるようになって、信頼性の向上及び寿命の向上を図ることができる。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上記実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００４９】
先の説明した実施の形態では、滑面部３２に接する加圧ヘッド４１の作用面は平面であった。このため、擬似的な初期経験荷重を加えた後の滑面部３２も平面となる。
【００５０】
これに対して、本実施の形態にかかる加圧ヘッド４１は、図２に示すように作用面４５を凹状に形成したもので、擬似的な初期経験加重により滑面部３２の摺動面３５が凸状になるようにしている。
【００５１】
このとき、作用面４５の凹状寸法は、図９に示す圧力分布をもとに実際に受ける負荷によって滑面部３２が弾性変形した際に平坦になるように設定する。
【００５２】
無論、摺動面３５の潤滑油により滑面部３２が変形する場合には、これらを含めて最終的に滑面部３２が平坦になるように設定してもよい。
【００５３】
これにより、初期経験荷重が予め負荷されるので圧縮負荷特性が安定化し、かつ、潤滑油による圧力分布で滑面部３２が変形しても変形後は平坦になるので回転板１４に直接接触することがなくなり、信頼性及び寿命が向上する。
【００５４】
次に、本発明の第３の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上記実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００５５】
これまでの説明では、軸受としてスラスト軸受を例に説明した。これに対して本実施の形態ではジャーナル軸受の場合について説明する。
【００５６】
一般にジャーナル軸受２０においては、回転軸１が等角速度で回転するならば、潤滑油による圧力分布は一様となり、また初期経験荷重も滑面部に等しく作用するので、上述した問題は発生しない。
【００５７】
しかし、回転軸１の起動停止等の場合のように等角速度が乱れる場合が必ず存在し、また回転軸１は必ずしも偏心せずに加工及び取付が行われているとは限らないので、滑面部３２には非一様な荷重が加わり得る。
【００５８】
そして、初期経験荷重に相当する荷重を受けたところは窪んでしまい、当該部分の潤滑油が多くなったり、回転軸１が偏心したりして滑らかな回転が阻害され、時には回転軸１と滑面部３２とが直接接触して摩耗等の損傷が発生する。
【００５９】
そこで、このようなジャーナル軸受２０においても擬似的な初期経験荷重を与えて圧縮負荷特性を安定化させることにより上述した不都合が発生しないようにする。
【００６０】
ジャーナル軸受２０は、図３に示すように半円筒形状の滑面部２２を有して、これらを組合わせて形成される。この滑面部２２は、上述したスラスト軸受の滑面部３２と同様の圧縮負荷特性を有している。
【００６１】
このようなジャーナル軸受２０に対しては、作用面が半円筒の加圧ヘッド４６を用いて擬似的な初期経験荷重を付与する。
【００６２】
また、ジャーナル軸受２０が分割構成でない場合には、図４に示すように、テーパー状の加圧ヘッド４７を挿入して滑面部２２に擬似的な初期経験荷重を付与する。
【００６３】
これにより、起動停止時に回転軸１の回転が非一様となり滑面部２２に加わる荷重分布が変動しても、当該滑面部３２は既に擬似的初期経験荷重により変形しているので、窪み等が発生することが無くなり、安定して回転支持が可能になると共に回転軸１が滑面部２２に直接接触して摩耗等の損傷が発生するのを防止することが可能になる。
【００６４】
次に、本発明の他の実施の形態を図を参照して説明する。なお、上記実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
【００６５】
本実施の形態にかかる発明はこれまで説明した実施の形態においても適用できるものであり、以下の説明では第１の実施の形態に示す構成を例に説明する。
【００６６】
水力発電機が運転されると、回転板１４と静止板１３との間に少なからず熱が発生して、当該静止板１３等の温度上昇が発生する。
【００６７】
かかる温度上昇により滑面部３２の圧縮負荷特性が変化して最大変形量が大きくなる場合がある。
【００６８】
このような場合には、図５に示すように加圧ヘッド４１に電気ヒータ４２を埋込等して静止板１３を運転状態の温度にして擬似的な初期経験荷重を付与して変形を起させるようにすることが好ましい。
【００６９】
特に、静止板１３に擬似的な初期経験荷重を加えて変形させることで圧縮負荷特性を安定化させる場合には、当該静止板１３の温度が低いと当該擬似的な初期経験荷重を実施の初期経験荷重と略同じ大きさの荷重としなければ所望の効果を得ることが難しくなるが、温度が高いとこの擬似的な初期経験荷重を実際の初期経験荷重より小さくすることが可能になる効果もある。
【００７０】
また、温度が高い方が摺動面３５の平滑度が高まる利点もある。当然、摺動面３５の平滑度を高める観点から加圧ヘッド４１の作用面４５を鏡面にすることが好ましいことは付言するまでもない。
【００７１】
ところで、温度上昇させた状態で擬似的な初期経験荷重を加えると、荷重負荷後でも静止板１３の温度が高い等のために冷却時間が必要になって作業効率を低下させてしまう場合が考えられる。
【００７２】
この様な場合には、図５に示すように加圧ヘッド４１に冷却孔４３を設けて荷重負荷後に当該冷却孔４３に冷却水を循環させることにより静止板１３を強制的に冷却するようにしてもよい。
【００７３】
また、定常運転時には回転板１４が回転することによる流体巻込作用で潤滑油が供給されるが、十分な供給量とすることが困難な場合もあり、特に起動停止時のように回転数が遅くなる場合にはこの傾向は著しい。
【００７４】
このような場合には、加圧ヘッド４１の表面に波形等の凹凸を設けて擬似的な初期経験荷重を付与することにより、滑面部３２に凹凸形状を転写して潤滑油供給路を形成するならば、圧縮付加特性の安定化が図られると共に潤滑油の安定供給が可能になって信頼性を向上させることができるようになる。
【００７５】
また、これまで説明した加圧ヘッドを介して擬似的な初期経験荷重を付与する方法としてプレス加圧方法や液圧法等の公知技術が適用できることは言うまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、滑面部の圧縮負荷特性を安定させることにより、水力発電機の停止、起動、定常運転時を問わず滑面部が損傷を受けないようにした軸受を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用される静止板の製造状況を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の説明に適用される静止板の製造状況を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の説明に適用されるジャーナル軸受の製造状況を示す図である。
【図４】図３に代るジャーナル軸受の製造状況を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の説明に適用されるジャーナル軸受の製造状況を示す図である。
【図６】スラスト軸受の構造を示す図である。
【図７】静止板の構造を示す図である。
【図８】静止板にかかる荷重分布を示す図である。
【図９】滑面部の圧縮負荷特性を示す図である。
【図１０】ジャーナル軸受にかかる荷重分布を示す図である。
【符号の説明】
１…回転軸、１０…スラスト軸受、１１…支持板、１２…弾性部材、１３…静止板、１４…回転板、２０…ジャーナル軸受、２１，３１…静止板基台、２２，３２…滑面部、２３，３３…中間層、３５…摺動面、４２…電気ヒータ、４３…冷却孔、４６，４７…加圧ヘッド
【図１】
0004342124.tif 000002
【図２】
0004342124.tif 000003
【図３】
0004342124.tif 000004
【図４】
0004342124.tif 000005
【図５】
0004342124.tif 000006
【図６】
0004342124.tif 000007
【図７】
0004342124.tif 000008
【図８】
0004342124.tif 000009
【図９】
0004342124.tif 000010
【図１０】
0004342124.tif 000011