ジャーナルベアリングの理解
A ジャーナルベアリング - プレーンベアリング、スリーブベアリング、流体膜ベアリングとも呼ばれ、転動体の代わりに、加圧された薄い潤滑膜で回転シャフトを支えます。ベアリング内部のシャフトの回転部分は ジャーナル; これは、シャフトが収束するくさび状の隙間に潤滑油を引きずり込む際に発生する流体力学的な油膜によって、静止したベアリング表面から遠ざけられている。この加圧されたくさびが、潤滑油の全量を運びます。 ローター 金属と金属が接触することなく負荷をかけることができる。また、油膜によって 減衰, ジャーナル軸受は、タービン、発電機、大型コンプレッサーなど、高速で高負荷のかかる機械に最適です。 振動 そしてローターを安定させることが最も重要だ。
1.定義ジャーナルベアリングとは？
ジャーナルベアリングでは、シャフトは回転速度ではベアリングに触れない。その代わりに、わずか数十マイクロメートルの厚さの潤滑油のくさび上に、中心からわずかにずれて浮いている。このたった一つの事実が、ヘルツ接触のボールやローラーを通して荷重を伝える転がり軸受とは異なる点です。ジャーナルベアリングの長所は、油膜から直接伝わってくるものです。非常に高い負荷容量、油膜が形成された後の極めて低い摩擦、静かな回転音、大型のローターをスムーズに回転させる減衰力などです。 臨界速度シャフトとそのベアリングの挙動は、以下のように研究されている。 ローターベアリングシステム, どちらも単独では理解できないからだ。
2.作動原理：流体潤滑
油膜の形成方法
ジャーナル・ベアリングは、流体力学的潤滑に依存しており、シャフトがスピードに乗るにつれて、予測可能な順序で潤滑が発生する：
- 最初のコンタクト 静止状態では、シャフトは自重でボアの底に沈み、金属と金属が接触している。
- ローテーション開始： シャフトが回転し始めると、付着した潤滑油が隙間に引きずり込まれる。
- ウェッジ形成： シャフトとボアの間の収束形状が、オイルをくさび状の空間に押し込む。
- 圧力発生： 狭くなったウェッジに押し込まれたオイルは流体力学的圧力を発生させる。
- リフトオフ： その圧力がシャフト重量を上回ると、ジャーナルはクリアに浮き上がり、フルフィルムの上に乗る。
- 定常状態： シャフトは加圧フィルム上に浮遊し、ボア中心からオフセットした平衡位置を見つけ、金属接触はない。
ジャーナルが落ち着く位置（クリアランス内の偏心）は固定されていません。ジャーナルは荷重や速度によって変化し、その平衡状態の変化が、後述するベアリングの複雑な動的挙動の根源となっています。
油膜厚さ
- 一般的な最小膜厚は 10-100マイクロメートル (0.0004-0.004インチ) - 非常に薄いが、表面を離すには十分である。
- フィルムは均一ではなく、円周上で変化し、ジャーナルとボアの最接近点で最小となる。
- 厚さは、速度、荷重、潤滑油の粘度、および ベアリングクリアランス - 速度や粘度を上げるとフィルムは厚くなり、負荷を上げると薄くなる。
- オイルが温まると粘度が低下するため、膜厚は運転温度にも敏感であり、そのため大型機械では給油温度が監視パラメータとなっている。
3.ジャーナル軸受の種類
プレーンシリンドリカル（フルジャーナル）
- 最もシンプルなデザイン：オイル供給溝と360°のラップアングルを備えたプレーンな円筒形ボア。
- 耐荷重性は良いが、左右対称のフィルムのため不安定になりやすい— オイルワール - 高速・軽負荷時。
- モーター、ポンプ、一般産業機器など、速度が中程度のものによく使用される。
パーシャル・アーク・ベアリング
- 軸受面は円周の一部しかカバーしておらず、通常は120～180°である。
- 軽量でオイルフローが少ないが、フルジャーナルよりも剛性が低い。
- 荷重方向が明確な軽荷重の用途に適している。
ティルティング・パッド・ベアリング
- 表面はいくつかの独立したパッドに分割され、それぞれが自由に回転する。
- すべてのパッドが独自の流体力学的ウェッジを形成し、オイルホワールの原因となるクロスカップリングを抑制する。
- 旋風や鞭に対して本質的に安定しており、高速ターボ機械の業界標準となっている。
- より高価で複雑だが、動的特性は著しく優れている。
プレッシャーダムとオフセットベアリング
- 安定性を向上させるために、溝、段差「ダム」、オフセット（レモンボア）スプリットなどの幾何学的特徴を追加した改良型円筒すべり軸受。
- これらの特徴は、効果的なダンピングを上げるために意図的にフィルムに負荷をかけることである。
- 単純な円筒軸受と高価なティルティングパッド設計の間の実用的な妥協点である。
ティルティングパッドベアリングでもフレキシブルローターに十分な減衰を与えられない場合、設計者は スクイーズフィルムダンパー をベアリングと直列に接続し、追加エネルギーを消散させる。
4.動的特性
剛性
ジャーナルベアリングの剛性は単一の数値ではなく、速度および荷重に依存する係数の集合である：
- 低速： ロー 剛性 - ジャーナルの位置は、負荷の変化によって大きく変化する。
- 高速： 流体力学的圧力場が完全に発達するにつれて、より高い剛性になる。
- 方向性の変化： 剛性は水平方向と垂直方向で異なるため、ベアリングは異方的に反応する。
- クロスカップリング剛性： ある方向への偏向は、それと直角の力を生み出す。このクロスカップリングこそが、渦を巻く軌道にエネルギーを送り込み、次のような現象を引き起こすメカニズムなのだ。 ローターの不安定性.
減衰
油膜の大きな長所は、それがもたらす減衰である：
- エネルギーは、ジャーナルがクリアランス内を移動する際のオイルの粘性せん断によって消散される。
- ダンピングは、速度やオイル粘度によって上昇する。
- これは、ローターが 臨界速度.
- 自励不安定性が際限なく大きくならないようにするには、十分なダンピングが不可欠だ。
速度依存性
剛性も減衰もスピードによって変化するため、それらに依存するものはすべて変化する：
- 硬さはスピードとともに増す。
- ダンピングはスピードが上がるにつれて大きくなる。
- システムの 固有振動数 スピードとともに上昇する。
- そのため、マシンが加速するにつれて限界速度が上方にシフトする。 キャンベル図.
5. 利点と限界
油膜は、ジャーナル・ベアリングの卓越した強さと特殊な要求の両方を担っている。
- 高負荷容量： は、転がり軸受がつぶれてしまうような非常に重いローターを支えることができる。
- 高速能力： 最高50,000rpmおよびそれ以上の回転数に適している。
- スピード時のフリクションが低い： 流体力学的フィルムが形成されると、摩擦係数は非常に低くなる（約0.001～0.003）。
- 優れたダンピング： 臨界速度での振動を制御し、ローターを安定させます。
- 静かな動作： ローリング・エレメントが通過しないことは、ローリング・エレメントのノイズがないことを意味する。
- 耐衝撃性: 油膜が過渡荷重や衝撃荷重を緩和する。
- 長寿命： 金属接触がないため摩耗が少なく、数十年の運転が可能です。
- シンプルな基本設計： プレーンな円筒形タイプは、機械的にシンプルで経済的である。
これに対して、現実的な課題もある：
- 始動摩擦が高い： 静止状態では皮膜がないため、機械は始動ごとにブレークアウェイトルクと短時間の境界潤滑摩耗を克服しなければならない。
- 潤滑システムが必要： 清浄で冷却され、正しく加圧されたオイルの連続供給が必須です。 ベアリング潤滑 はオプションではなく、設計の中心です。
- 渦巻きとホイップのリスク： すべり円筒軸受はオイルホワールの影響を受けやすく、臨界速度のおよそ2倍の回転数付近ではオイルホイップも発生しやすくなります。 シャフトホイップ.
- 低速の剛性が低い： コンプライアント・フィルムは、低速域では転がり軸受よりも柔らかくなり、応答を遅くする。
- 温度感度： 性能は、粘度への影響を通じて油温を追跡する。
- 汚染に対する感受性： 硬い粒子が柔らかいバビット表面に傷をつけたり、オイル通路を塞いだりする可能性がある。
- 軸方向の拘束はない： ジャーナルベアリングは、シャフトをラジアル方向にのみ位置決めします。軸方向の荷重には別途 スラストベアリング.
6.ジャーナル軸受の使用場所
ジャーナル・ベアリングは、ローターが大きい場合、高速の場合、あるいはその両方の場合に標準的に使用される：
- 蒸気タービンとガスタービン 数メガワットの発電ユニット。
- 大型発電機： 発電所の同期発電機。
- 遠心圧縮機： 高速、高負荷の産業機械。
- 大型電気モーター： およそ500馬力以上のモーターには頻繁に使用されている。
- 海洋推進： プロペラシャフトとスターンチューブベアリング。
- 製紙機械： ウェブを運ぶ大きなロール。
- 内燃機関： クランクシャフトのメインおよびコネクティングロッドベアリング。
7.ローターダイナミクスとフィールドバランシングとの関係
ジャーナル軸受は、その剛性と減衰性がローターの挙動を大きく左右するため、ロータダイナミクスの中心的存在です。 ローターダイナミクス:
- クリティカルスピードの配置： ベアリングの剛性とダンピングは、臨界速度が発生する位置と、そこでの振動ピークの高さを決定する。
- 安定性： オイルホワールやシャフトホイップの発生しやすさは、ベアリングの種類によって大きく左右されます。これらが生み出す特有のサブシンクロナス周波数は、専用の 軸受の欠陥発生頻度計算ツール.
- 周波数マッピング： キャンベル線図は、ベアリングの剛性が変化するにつれて固有振動数がどのように変化するかを示しています。
- バランスの取れた対応： ベアリングの特性は 影響係数 これは、補正ウェイトに対するローターの反応を支配する。
最後のポイントは、ベアリングが日々のメンテナンスに直面する場所です。ジャーナル軸受で稼動しているタービンやコンプレッサーが、高い1× アンバランス の応答は、運転速度で、それ自身のベアリングの中で、その場でバランスされます。ポータブル2チャンネルアナライザーである バランセット-1A 同期振幅を測定し 位相 各ベアリングで、試運転からローターの影響係数を計算し、必要な補正ウェイトを計算します。これは、バランシングマシンが決して再現できない、フィルムの剛性と減衰を含む、組み立てられたローター・ベアリングシステムの真の応答を捕捉します。適切なISO 21940-11バランス等級に対して検証され、その結果は、機械が実際の稼働状態でどのように動作するかを反映します。
ジャーナル軸受は、成熟した高度な技術であり、重要な高性能機械において代替不可能な存在です。負荷容量、速度性能、減衰性のユニークな組み合わせが、その潤滑と動的挙動の複雑さを正当化しており、その挙動を実務的に理解することは、大型回転機器の診断やバランシングを行う人にとって不可欠です。
