スラストベアリングの理解
A スラストベアリング （アキシャル軸受とも呼ばれる）は、シャフト軸と平行な方向に作用する荷重、すなわちアキシャル荷重またはスラスト荷重を受け持ち、 ローターのアキシャル位置を制御するために設計された専用軸受です。ラジアル ジャーナルベアリングがシャフトに垂直な荷重を支持するのに対し、スラスト軸受はシャフト軸に垂直な接触面を持ち、シャフトをいずれかのアキシャル方向へ押し込もうとする力に抵抗します。ラジアル軸受とスラスト軸受が組み合わさることで、完全な ローターベアリングシステム.
スラスト軸受は、ポンプ、圧縮機、タービン、プロペラシャフト、垂直設置機器など、アキシャル力が発生するあらゆる場所に不可欠です。スラスト軸受の故障または容量不足は、過大な 軸方向振動、シャフトのエンドプレイ、さらにはロータが静止部品に接触した際の壊滅的な損傷を招く可能性があります。
1. スラスト軸受 vs. ラジアル軸受: 違いは何ですか？
スラスト軸受を理解する最も明確な方法は、それが一緒に動作するラジアル軸受と対比することです。この 2 つは、 direction サイズや構造ではなく、それらが支える負荷の方向によって定義されます。
- ラジアル軸受は (such as a ジャーナルベアリング) carries load perpendicular シャフトに — ロータの重量と回転方向からの任意のラジアル力。その荷重支持面は円筒形でシャフトを囲んでいます。 アンバランス。その荷重支持面は円筒形でシャフトを囲んでいます。
- スラスト軸受は carries load parallel シャフトに対して — 中心線に沿った軸方向の押し — です。その荷重支持面はシャフトに対して直角に配置された平坦な（または形状のある）面で、ロータのカラーまたはショルダーに接します。
典型的な機械には両方が必要です：2つのラジアル軸受がシャフトを横方向に位置決めし、その重量を支え、単一のスラスト軸受がロータの軸方向位置を固定し、正味軸方向力を吸収します。設計によっては両方の機能を兼ね備えたものもあります — angular-contact または tapered-roller 軸受はラジアル荷重と軸方向荷重を同時に支えることができます — しかし大型ターボ機械では、軸方向力が大きすぎて共有できないため、スラスト軸受はほぼ常に独立したコンポーネントであり、ラジアル軸受とは分離しています。
2. スラスト軸受の種類
スラスト軸受は 2 つの大きなファミリーに分かれます：ボールまたはローラーを通じて荷重を支える転がり要素タイプと、ロータを加圧された油膜上に浮かせる流体膜タイプ。その選択は主に負荷、速度、機械サイズによって決まります。
転動要素スラスト軸受
これらはボールまたはローラーによってスラストを伝達し、中程度の負荷がかかる一般機械に広く使用されます。状態の監視は、ラジアル軸受と同様の 転動要素欠陥 シグネチャによって行うことができます。
- ボールスラスト軸受： 平面またはグルーブ付きスラストワッシャー間でボール転動体が転がる構造。中程度の負荷容量、中〜高速、良好なアキシャル位置決め精度を持ちます。工作機械、自動車用トランスミッション、その他中程度のスラスト用途に使用されます。
- 円筒ころスラスト軸受： スラストワッシャー間のローラーは、点接触ではなく線接触により非常に高い負荷容量を実現しますが、低〜中速域に限定されます。大型機械、立型ポンプ、クレーンフックに使用されます。
- テーパーローラースラスト軸受： テーパーローラーは、複合荷重と高軸方向荷重に適した真の転がり動作を提供します。単一の軸受でラジアル荷重と軸方向荷重の両方を支え、予圧は間隔を通じて調整可能です。自動車の車輪ハブ、ギアボックス、複合荷重状況で一般的です。
- 球面ローラースラスト軸受： 樽型ローラーと曲面滑り面は非常に高い軸方向荷重を受け入れながら、シャフトのズレ調整を許容します — 重工業の長く、わずかにたわむシャフトに有用です。
- 角接触玉軸受： ボールの接触角が設けられており、ラジアル荷重とアキシャル荷重の両方を受けることができます。多くの場合、背面合わせまたは正面合わせでペア装着されます。高速対応で、工作機械スピンドルや高速ポンプに使用されます。
流体膜スラスト軸受
これらはロータを流体動圧油膜上に浮かせ、大型で高出力の機械を支配しています。通常運転時に金属間接触がないため、ほぼ無制限の寿命と優れた減衰を提供しますが、継続的な加圧油供給が必要です。
- チルティングパッドスラスト軸受 （発明者の名前にちなんでキングズベリーまたはミッシェル軸受と呼ばれることが多い）：複数のピボット式パッドがそれぞれ傾いて、収束油くさびを形成し、スラスト襟をパッドから持ち上げます。容量は大型タービンでメガワットに達し、速度は事実上無制限です（30,000+ rpm まで使用）、減衰は優れています。蒸気タービン、ガスタービン、大型圧縮機、発電機に見られます。
- 固定パッド（テーパーランド）推力軸受： 固定パッドはテーパー斜面で加工され、動くピボットなしに油くさびを生成します。高い容量、単純かつ堅牢で可動部がありませんが、チルティングパッドほど負荷反転に耐性がありません。垂直ポンプと水力タービンで使用されます。
3. スラスト軸受の応用分野
回転子が軸方向に正味の推力を受けるあらゆる機械では、その力を吸収し、回転子を所定の位置に保持するスラスト軸受が必要です。最も一般的な応用分野は以下の通りです：
- 遠心ポンプおよびコンプレッサ： 各インペラにおける圧力上昇が吸入側に向かう大きな軸方向力を生成し、スラスト軸受がこの力を負担する必要があります。
- 蒸気、ガス、および水力タービン： 作動流体は羽根列に軸方向に作用し、スラスト軸受（通常、傾斜パッド型）は回転子をこの力に対して保持し、また密封部および羽根先端の狭いクリアランスに対して支持します。
- 船舶推進（船舶および船のスラスト軸受）： プロペラの推力は船全体を前進させ、重大型の海洋スラスト軸受がシャフトからハルへその推力を伝達します。これは工学における最も要求の厳しいスラスト軸受用途の一つです。
- 発電機と電動モーター: 立て軸機械ではスラスト軸受は追加的に回転子の自重を負担し、すべての機械では軸方向 磁力.
- ギアボックス: ヘリカルおよび傘歯車は軸推力反力を生成し、シャフトスラスト軸受がこれを吸収する必要があります。
- 工作機械主軸、自動車駆動系およびクレーン： より小型の転がり軸受スラスト軸受はシャフトを位置決めし、中程度の軸方向荷重を負担します。
4. 立て軸向けスラスト軸受
立て軸機械（立てポンプ、水力発電機、大型立てモータ）は、スラスト軸受に特別な要求を課します。プロセス軸方向力だけでなく、 回転体全体の静的自重を負担する必要があるためです。大規模水力発電機ではこの重量が数百トンに達することもあります。水平機械では動圧軸受がこの重量を負担しますが、立て機械では重量はシャフト軸線方向に作用し、スラスト軸受に直接落ちかかります。
このため立て機械はほぼ常に大型の流体膜スラスト軸受（通常、傾斜パッド型設計）を使用し、自重とプロセス荷重の合計に対してサイジングされ、シャフトの上端または下端に取り付けられます。軸受の油膜と冷却は連続全荷重運転に対して設計される必要があり、 temperature そして 軸方向の位置 は機械全体でも最も厳密に監視されるパラメータの一部です。立て軸スラスト軸受の破損は回転子を固定子に落下させ、回復の余地がありません。
5. 軸方向荷重の源
ポンプとコンプレッサー
- 油圧インペラー推力： インペラ両面の圧力差が正味のアキシャル力を生じさせ、主要な 水力による力 in a pump.
- 大きさ: 中型ポンプでも、この力が数千ポンドに達することがあります。
- 方向： 通常、吸込み側に向かって作用します。
- バランスを取る： バランスホール、バックベーン、または対向インペラは正味推力を低減します
タービン内
- 蒸気またはガスの流れがブレードにアキシャル方向の圧力を与え、これは 空力 ロータに作用する。
- スラスト荷重の大きさは出力とともに増大します。
- 起動時または荷重変化時に方向が逆転する場合がある。
- ダミーピストンまたはバランスピストンを用いてこれを打ち消します。
ギアボックス内
- はすば歯車は、伝達トルクに比例したアキシャルスラストを発生させます。
- ベベルギアは軸方向力成分を生成する。
- スラストの方向はギアのねじれ角の向き（はすば角の方向）によって決まります。
その他の情報源
- 磁気吸引力： 電動機において、 磁気アンバランス 軸方向力を生成する。
- プロペラおよびファン： 作動流体を加速することによる空気力学的スラスト。
- Belt drives: 傾斜ベルトは軸方向力成分を生成する。
- ずれ: angular ずれ カップリングにおいて振動するアキシャル力を発生させます。
6. スラスト軸受の問題と診断
一般的な故障モード
- オーバーロード: スラストが軸受の定格容量を超える。多くの場合、プロセス異常またはバランスデバイスの摩耗により、軸方向の正味力が設計値を超える原因となる。
- 潤滑が不十分： 油圧またはグリース不足により給油不足となり、油膜が崩壊して表面が接触する。
- 汚染： 油内の粒子がスラスト面に傷をつけ、損傷を与える。
- 摩耗と疲労： 研磨または繰り返し負荷による表面劣化で、以下の範囲に至る ピット through to 剥離 ホワイトメタルまたはレースウェイの劣化。
- ずれ: スラストカラーがシャフトに対して垂直でない場合、パッドが不均等に負荷され、片側が過熱する。
- 電気腐食： 油膜を通るシャフト電流が軸受面を侵食する。変周波駆動機械で増加している問題である。
- 過熱： 上記のほとんどの結果 — 過度な摩擦または不十分な冷却によりホワイトメタルが軟化し、パッドが摩耗する。
これらのモードに対するサイジングマージンは定量的に確認できます。軸受がラジアル荷重とアキシャル荷重の両方を受ける場合、 軸受等価動荷重計算ツール それらを単一の値に統合します。その値が 静的安全係数計算機 静止スラスト下でのブリネリングを防止し、 L10軸受寿命計算ツール 予想されるサービス寿命を予測します。
振動と軸方向測定の兆候
- 軸振動が大きい： スラスト軸受の問題の主要指標。通常、最もよく見られるのは 軸方向 放射方向ではなく。
- 軸方向位置の上昇： 流体膜軸受機械では、パッドの摩耗に伴いシャフトが限界に向かって漂流することは、軸受損失の直接的な指標である。
- 低周波振動： シャフトがアキシャル方向のクリアランス内で浮動する現象。
- 影響: 軸方向クリアランスが過度である場合、シャフトがストッパーに衝突し、次のような鋭いピークを生成する 振動 信号。
- 測定： 軸方向 近接プローブ または 加速度センサー これらの兆候を明らかにする。
その他の指標
- 温度上昇： スラスト軸受が高温で動作している — しばしば流体膜軸受における最初の兆候である。
- ノイズ： スラスト軸受の設置箇所から発生する異常音。
- Axial play: アキシャル方向における軸の変位量が計測可能な状態。
- オイルの品質： 潤滑剤中に金属粒子が混入している状態。
7. 現場でのスラスト軸受健全性測定
組み立て済み機械では、スラスト軸受の状態は試験台ではなく、現場でアキシャル方向の測定を行うことによって判定されます。 バランセット-1A エンジニアが軸方向振動振幅を記録できる 位相 推力軸受端での測定値を径方向の読み取り値と比較し、真の推力軸受の問題と軸方向振動を区別することができます。軸の曲りが生じた場合も ずれ 検出可能です。生産を停止して分解検査を行う必要がありません。同じ装置がより広範な 振動 診断情報を収集でき、一度確認されれば、ロータをその軸受内でバランス調整することができます。 アンバランス 推力軸受の測定値は機械全体の状態に統合されます。
8. 監視と保守
重要な監視パラメータ
- 軸方向振動： 継続的に測定するか、定期的なルートの一部として測定することができます。 振動監視 プログラム。
- 軸方向の位置： 近接センサーが推力軸受に対する軸の軸方向位置を監視します。
- 推力軸受温度： RTDまたは熱電対による監視。多くの場合、異常の最初の警告となります（参照： 温度センサー).
- オイル流量と圧力： 流体膜推力軸受の場合、潤滑油供給の喪失は直ちに警報条件となります。
メンテナンスの実践
- 推力軸受の潤滑と油供給が適切であることを確認してください。
- オーバーホール時に軸方向間隙を確認する。
- スラスト面を点検し、以下を確認します： 摩耗 or damage.
- ひずみゲージまたはロードセルを使用して、可能な限り実際の推力荷重を測定する。
- 温度と振動データのトレンドを分析し、詳細な診断で結果を確認してください。 振動解析, as part of a 状態監視 プログラム。
スラスト軸受はラジアル軸受に比べて注目されることが少ないですが、回転機械における軸方向位置の制御と軸方向荷重の負担において非常に重要な役割を果たしています。使用可能な種類、スラストの発生源、および故障モードを理解することで、適切な軸受の選定、効果的な監視、タイムリーなメンテナンスが可能となり、ロータとステータの接触や機械の破損といった重大な故障を未然に防ぐことができます。
9.よくある質問
推力軸受とは何ですか？
推力軸受は軸に平行に作用する軸方向荷重を支持し、ロータの軸方向位置を固定します。プロセスが生じさせるネット推力(インペラ推力、羽根推力、プロペラ推力)を吸収し、軸が静止部品に衝突することを防ぎます。
推力軸受と径方向軸受の違いは何ですか？
荷重の方向です。径方向軸受は軸に垂直な荷重(ロータの重量と横力)を支持し、推力軸受は軸に平行な荷重(軸方向推力)を支持します。ほとんどの機械は両方を使用し、アンギュラコンタクト軸受やテーパーローラー軸受など複合荷重型は両方の機能を同時に果たします。
推力軸受の主な種類は何ですか？
2つの族があります。ボール軸受、円筒ローラー軸受、テーパーローラー軸受、球面ローラー軸受、アンギュラコンタクト軸受などの転動体型は、中程度の荷重と一般的な機械に適しています。チルティングパッド(キングスベリー)型やテーパーランド固定パッド型などの流体膜型は、ロータを油膜上に浮かべ、大規模なタービン、圧縮機、縦型機械の非常に高い荷重に対応します。
縦型機械になぜ専用の推力軸受が必要ですか？
縦軸では、推力軸受はプロセスの軸方向力だけでなく、軸方向に直下に作用するロータの全静荷重も支持します。これが縦型ポンプと水力発電機が複合荷重用に設計された大型の流体膜推力軸受を使用する理由です。
故障した推力軸受はどのように検出されますか？
最も明確な兆候は、軸方向振動の増加、軸の測定軸方向位置の変動、および軸受温度の上昇です。軸方向近接センサー、加速度計、温度センサーの値が時間とともにトレンド分析されており、運転中の機械で可搬型アナライザーが診断を確認できます。
スラストベアリング故障の原因は何ですか？
定格容量を超える過負荷、潤滑不良、油汚染、表面疲労（ピッティングおよびスポーリング）、スラストカラーの不整列、およびシャフト電流による電気侵食。過熱は通常、ベアリングを破壊する一般的な最終段階です。
