170 日本 油空 圧学 会 論文 集
研究
論
文
水 圧 シ ス テ ム 用 ポ ン プ ・モ ー タ に 適 用 す る静 圧 軸 受 の 特 性*
(第5報,弾
性体 で構成 される軸受の非定常特性1供 給圧カー定の場合)
江
雄
鷹**, 山
口
惇**
Characteristics
of Hydrostatic Bearing/Seal
Parts of Hydraulic Pumps and Motors
for Water Hydraulic Systems
(5th Report, On Unsteady Characteristics
in Cases of Elastic
Deformation at Constant Supply Pressure)
Xiongying WANG, Atsushi YAMAGUCHI
Unsteady characteristics in cases of elastic deformation of disk-type hydrostatic thrust bearings based on stepwise change in the loads for a constant supply pressure are discussed experimentally and theoretically. The bearing/seal parts examined in this study are made up by combining stainless steel with stainless steel and stainless steel with plastics. The main results are as follows :
1) In the case of slow stepwise change in the loads, the effects of step—load heights and disk materials on the re-sponse of fluid films and pocket pressure are negligible.
2) For elastic materials, a stable fluid film shape is obtained more easily but the response is slower than that of rigid materials, The delay in pocket pressure change becomes more obvious with increased stepwise change in the loads.
This phenomenon is much more pronounced for elastic materials.
3) The leakage flow losses become very small by using small nozzle, even at larger step—load heights.
Key words: Hydrostatic thrust bearings, Stainless steel, Industrial thermoplastics, Dynamic load, Nozzle, Elastic de-formation, Water hydraulic pumps and motors, Experiment
1. 緒 言 水 道水(清 水)を 用 い る水 圧 シ ス テ ム は,人 類 と も共 生 可 能 で あ り,安 全 で 地球 環 境 と も調 和 で きる新 しい液 圧 シ ス テ ム1)であ る.し か し,水 道 水 は 鉱 油 に 比 べ,低 粘 度 で あ り,機 器構 成 部 材 との 潤 滑 性,防 錆 性 に 劣 る.エ ネ ル ギ ー 変換 を司 るポ ンプ に お い て は,特 に 問題 とな る.水 道 水 を作 動 流 体 とす る た め,機 器 構 成 材 料 は ス テ ン レス鋼 と プ ラス チ ッ ク し ゅ う動 部材 な ど との組 合 せ が,最 も実 現 性 が 高 い,水 圧 ポ ンプ ・モ ー タの 高性 能化,小 型 ・軽 量 化 は 作 動 流 体 の 物性 を考慮 した材 料 選 定 や設 計 法 に よ り可 能 に な り,従 っ て,低 粘 度 の 水 を利 用 す る ポ ンプ ・モ ー タ の しゅ う動 部 に対 し,静 圧 軸 受機構 の存 在 お よび そ の設 置 は 大 切 で 不 可 欠 な技 術 で あ る.こ の た め,静 圧 軸 受 の潤 滑 特 性 を 幅 広 い作 動 条 件 下 に わ た っ て 正 確 に 把 握 し,プ ラ ス チ ックの 弾 性 変 形 を考慮 した軸 受 特 性 を実 験 的,理 論 的 に 明 らか にす る必 要 が あ る. 従 来 の研 究 と して は,機 器構 成部 材 を選 定 す るた め,水 潤 滑 に適 用 す るセ ラ ミッ クス材 あ る い は プ ラ スチ ック材 の 摩 擦,摩 耗 に 関 す る研 究 は行 わ れ て い る2-7).ま た,弾 性 変 形 の軸 受特 性 に 関す る研 究 も少 な くな い が8-10),プ ラ ス チ ック ほ どの 弾性 を持 つ 材 料 の軸 受 特 性 に及 ぼす 影 響 は論 じて い ない.他 方,弾 性 体 を用 い た 軸 受 特 性 の研 究11-13)も い くつ か 発 表 され て い るが,低 荷 重 下 で柔 らか い複 合 材 料 を用 い る機械 要 素 や 人 工 関 節 な どの弾 性 潤 滑 特 性 は,高 圧, 高 荷 重,低 粘 度 な どの 過 酷 条件 下 で運 転 され る水 圧 ポ ンプ の 静 圧 軸 受 特 性 と は異 な る. 前 報14)では,静 圧 軸 受 の供 給 圧 力 が 軸 受 荷 重 に比 例 して 変 化 す る こ と を前提 と して い た が,本 報 で は軸 受 荷 重 が 変 化 して も供 給 圧 力 は 変 化 しな い場 合 を論 じる.本 報 の 場 合 に は実 験 が 容 易 で あ り,数 値 解 析 結 果 の妥 当性 を実 験 値 と 比 較 して 評 価 す る こ とが で きる.こ れ に よ り,軸 対 称 荷 重 の 作 用 を前 提 に して,流 体 潤 滑 状 態 に 限定 さ れ るが,弾 性 効 果 を持 つ 静 圧 軸 受15-18)の動 的 な特性 を検 討 す る. なお,こ の 種 の研 究 は従 来 行 わ れ て い な い. 2. 記 号 d : 絞 り直 径 Ep : プ ラス チ ッ ク材 の ヤ ン グ率 * 平 成13年3月30日 原 稿 受 付 ** 横 浜 国 立 大 学 (所在 地 〒240-8501横 浜 市 保 土 ヶ谷 区 常 盤 台79-5 横 浜 国 立 大 学 工 学 部) E-mail:[email protected]
汪 ・山 口:水 圧 シ ス テ ム 用 ポ ン プ ・モ ー タ に 適 用 す る 静 圧 軸 受 の 特 性 171 Es : ス テ ン レ ス 鋼 の ヤ ン グ 率 Ee : ヤ ン グ 率 H : ポ ケ ッ ト深 さ h=h/r2 : 液 膜 厚 さ hc=hc/r2 : 中 心 液 膜 厚 さ hmin=hmin/r2 : 最 小 液 膜 厚 さ K : 体 積 弾 性 係 数 l : 絞 り長 さ m=mΩ2h0/psr32 : パ ッ ド質 量 ps0 : 供 給 圧 力 初 期 値 p=p/ps0 : 流 体 膜 圧 力 pp=pp/ps0 : ポ ケ ッ ト圧 力 Ps=ps/ps0 : 供 給 圧 力 Qin=Qin/πh0r22Ω : 供 給 流 量 Qout=Qout/πh0r22Ω : 漏 れ 流 量 r2 : し ゅ う 動 部 外 半 径 rp=rp/r2 : ポ ケ ッ ト半 径 比 W0 : 初 期 荷 重 W=W/psr22 : 荷 重 μ : 流 体 粘 度 ρ : 流 体 密 度 vp : プ ラ ス チ ッ ク 材 の ボ ア ソ ン 比 vs : ス テ ン レ ス 鋼 の ボ ア ソ ン 比 T0 : 代 表 荷 重 変 動 周 期 τ=t/T0 : 時 間 Ω=ps/6μ(r2/h0)2 : 代 表 角 速 度 添 字 w : 水 道 水 ｰ : 無 次 元 量 3. 実 験 装 置 お よ び 方 法 3.1 実験 装 置 静 圧 軸 受 試 験 機 の 回 路 お よ び軸 受 部 の概 略 を 図1,2 に示 す.実 験 回路 は,軸 受 部へ の供 試圧 力 お よび流 量 を供 給 す る 水 圧 ユ ニ ッ ト,油 圧 シ リ ン ダ を介 して 軸 受 部 に ス テ ップ状 の荷 重 を加 え る油 圧 ユ ニ ッ トか らな る.供 試 軸 受 部 は,円 板 形 静 圧 ス ラス ト軸 受 で あ り,ポ ケ ッ ト付 き上 部 試 験 片 と円板 形 下 部 試 験 片,お よび 流 体 膜 の 剛性 を保 つ供 給 絞 りで構 成 され る. 静 圧 軸 受 し ゅ う動 部 に使 用 され た ポ ケ ッ ト付 き上 部 試験 片 と絞 りの 形状 を図3に 示 す.上 部 試 験 片 はSUS420で 作 られ,下 部 試 験 片 はSUS420, PEEK450FC30, PEEK EXL6お よびAURUMJCL3030を 使 用 した.実 験 前 に,粗 さ測 定 器 を用 い,試 験 片表 面 の変 形 が ない こ と を確 認 した. なお,試 験 片 表 面粗 さ(十 点平 均 粗 さ)は ス テ ン レス 鋼 で 0.25-0.50μm,プ ラ スチ ック材 で0.71-0.85μmで あ る. 3.2 実 験 方 法 実 験 手 順 は以 下 の とお りで あ る.ま ず,水 圧 側 の バ ル ブ
Fig. 1 Hydrostatic thrust bearing
Fig. 2 Hydraulic circuit
172 日本油 空圧 学 会論 文 集 2を 閉 に,油 圧 側 の バ ル ブ1(21MPa,9ol/min)を 開 に した 状 態 で,油 圧 シ リ ン ダ(70MPa,受 圧 面 積33.3cm2) に よ り軸 受 荷 重 を加 え た.静 圧 状 態 の 上 ・下 部 試験 片 を接 触 させ なが ら,油 圧 シ リ ン ダ下 流 側 の リ リー フ弁(25MPa, 100l/min)に よ りス テ ップ 状 に 変 動 させ た荷 重 の 下 限値 を 設 定 し,つ い で バ ル ブ1を 閉 に して か ら,絶 対 粒 度3 μmの フ ィル タで ろ過 した水 道 水 を ポ ンプで 試 験 圧 力 まで 加 圧 し,供 試 静 圧 軸 受 部 に供 給 した.し ゅ う動 部 か らの 漏 れ 流 量 の 水 温 を25±2℃ に 保 っ た.弾 性 体 の 場 合 で も, 中 心膜 厚 さに対 す る 膜 剛 性 の 最 大 値 はpp駕2/3に 生 じる た め17),こ れ に 基 づ い て 油 圧 ポ ン プ(21MPa,21l/min)出 口 の リ リー フ 弁(25MPa,100l/min)に よ り荷 重 の 上 限 値 を 設 定 し た.油 圧 シ リ ン ダ に 供 給 す る 圧 力 の オ ー バ シュ ー トを低 減 す る た め,シ リ ンダ入 り口付 近 に ア キ ュ ム レ ー タ(21MPa,2.5l)を 装 着 した.バ ル ブ1を 開 ・閉 に切 り替 え な が ら,供 試 静 圧 軸 受 へ の試 験 圧 力 とポ ケ ッ ト 圧 力,ス テ ップ状 に変 動 させ た荷 重 の下 限値 あ るい は上 限 値 を再確 認 して か ら,実 験 を行 っ た. な お,シ リ ン ダ と直 結 した ロー ドセ ル(容 量50kN,固 有 周 波 数4kHz)よ り荷 重 を測 定 し,絞 り入 口 よ り10mmお よ び ポ ケ ッ ト部 入 口 中 心 か ら10mm位 置 に そ れ ぞ れ 内径3 mm,長 さ30mmの 圧 力 側 定 孔(固 有 周 波 数約8kHz19))を 介 し,圧 力 セ ンサ(21MPa,150kHz)に よ り供 給 圧 力 と ポ ケ ッ ト圧 力 を記録 した.膜 厚 さ は,し ゅう動 外 半 径 よ り約 4倍 の 位 置 に設 けた ギ ャ ップ セ ンサ(精 度1μm,20kHz) に よ り記 録 した.ド ライ状 態,剛 体 し ゅ う動 部 材 の組 合 せ で の 静 的 な 実 験 に お い て,本 実 験 の最 大 荷 重 に お い て も ギ ャ ッ プセ ンサ の 出 力 変化 は そ の精 度以 内 で あ る こ とを確 か め た 。 実 験 装 置 の 主 要 寸 法 な どを 表1に 示 す. 4. 実 験 結 果 と考 察 プ ラス チ ッ ク材PEEK 450FC30と ス テ ン レス 鋼 を組 合 わせ た 場 合 の 荷 重 変 動 を,1例 と して 図4に 示 す. 図 中W/W0は,す べ て の 実 験 に お い て,ス テ ップ状 に変 動 させ る荷 重 の 上 限 値W0を 基 準 と し た荷 重 比 で あ り,荷 重 変 動 幅 は1→3/8,4/8,5/8→1と し た 。バ ル ブ1の 開 ・閉 に よ っ て,荷 重 の 立 上 り時 間 が150ms,立 下 り時 間 が75ms以 内 と な る こ と を 確 認 し た 後,ADボ ー ド(CON-TE()AD12-16(PCI)E)に よ り,荷 重,圧 力 お よ び 膜 厚 さ を 記 録 した.サ ン プ リ ン グ 時 間 は0.4msと し た. 4.1 材 質 の 影 響 図5は,ps=9.0MPa,W/W0=1→3/8→1に お け る PEEK 450FC30で の 膜 厚 さ お よ び ポ ケ ッ ト圧 力 の 実 験 結 果 と 計 算 結 果 を 示 す.前 報14)に報 告 し た 理 論 解 析 モ デ ル の 妥 当 性 が 分 か る. 荷 重 の 立 下 り,立 上 り領 域 に お け る 膜 厚 さお よ び ポ ケ ッ ト圧 力 に 及 ぼ す し ゅ う 動 部 材 の 影 響 を 図6(a),(b)に 与 え る.ほ ぼ 同 じ ポ ケ ッ ト圧 力 に 対 し,し ゅ う動 面 の 弾 性 変 形 効 果16)に よ っ て,W。 の 大 き さ はPEEK 450FC30,PEEK EXL6, AURUM JCL3030, SUS420の 順 と な る.供 給 圧
Table 1 Experimental and Numerical parameters
Fig. 4 Stepwise load change
江 ・山 口:水 圧 シ ス テ ム 用 ポ ン プ ・モ ー タ に適 用 す る 静 圧 軸 受 の 特 性 173 力 は9.0MPaと して,荷 重 の 変 動 幅 が1→3/8→1で あ る 条 件 下 で,PEEK450FC30の 荷 重 変 動 が 最 も大 き く, SUS420が 最 も小 さ い に もか か わ ら ず,膜 厚 さ お よ び ポ ケ ッ ト圧 力応 答 の差 異 が ほ とん ど見 られ ない.す なわ ち, 弾 性 圧 縮 され や す い し ゅ う動 部 材 を用 い る軸 受 は,高 剛性 で あ る こ とが 分 か る. 4.2 供 給圧 力変 動 幅 の影 響 図7(a),(b)は,PEEK450FC30に つ い て,荷 重 の変 動 幅 を変 え た場 合 の膜 厚 さお よ びポ ケ ッ ト圧 力 の 変 動 結 果 を 与 え る.荷 重 の立 下 りあ る い は立 上 りの 時 間 差(実 験 上 に バ ル ブ1の 手 動 操 作 に よ る も の)を 若 干 生 じ る が,膜 厚 さあ る い は ポ ケ ッ ト圧 力 の応 答 に差 は ほ どない.
Fig. 6(a) Effect of materials (load step down)
Fig. 6(b) Effect of materials (load step up)
Fig. 7(a) Effect of amplitude of load (load step down)
Fig. 7(b) Effect of amplitude of load (load step up)
174 日本 油空 圧 学会 論文 集
Fig. 8(a) Effect of fluctuation time of load (load step down)
Fig. 8(b) Effect of fluctuation time of load (load step up)
Fig. 9(a) Effect of fluctuation time of load (load step down)
Fig. 9(b) Effect of fluctuation time of load (load step up)
汪 ・山 口:水 圧 シ ス テ ム 用 ポ ン プ ・モ ー タ に 適 用 す る 静 圧 軸 受 の 特 性 175 4.3 変動 荷 重 の立 下 り ・立 上 り時 間 の 影 響 上記 の実 験 結 果 か ら,荷 重 の 立 下 り時 間 が 速 くて 約50 msで あ り,1周 期 を2π,ス テ ップ変 化 時 間 を π/18と し た場 合14),ポ ンプ の 回転 は40rpmに も達 して い な い,通 常 の ポ ンプ の作 動 条 件 と して は相 応 し くない.こ の た め,図 6(a),(b)の 条 件 に基 づ い て,荷 重 の 切 換 え 時 問 を20,50 倍 に 速 くした数 値 解 析 結 果 を,PEEK 450FC30の 場 合 は 図8(a),(b)に,SUS420の 場 合 は 図9(a),(b)に 示 す. 剛体 し ゅ う動 部材 お よび弾 性 し ゅ う動 部 材 に対 し,静 特 性 と して の解 析 を行 っ た が,t=T0の 結 果 と の 差 は ほ とん ど ない.す な わ ち,荷 重 の ゆ っ く り と した変 化 にお い て は 絞 り膜 効 果 は小 さい が,切 換 え時 間が 速 い ほ ど,絞 り膜 効 果 が 増 大 し,流 体 膜 お よび ポ ケ ッ ト圧 力 の応 答 が 遅 れ る. 弾 性 しゅ う動 部材 の場 合,し ゅ う動 部 材 表 面 の弾 性 変 形 の 影 響 も大 きい か ら,荷 重 の切 換 え 時 間が 速 い ほ ど,膜 お よ び ポケ ッ ト圧 力 の 応 答 が 剛体 の場 合 よ り さ らに遅 れ る.な お,弾 性 変 形 に よ るポ ケ ッ ト体 積 の変 化 は,図 示 の数 値 例 で は0.2%以 下 で あ り,こ の こ とか ら,流 量 に及 ぼ す 影 響 は ほ とん どない.す なわ ち,弾 性 し ゅ う動 部材 を用 い る場 合,動 特 性 に及 ぼす 絞 り膜作 用 お よび弾 性 変 形 効 果 の影 響 が 大 きい. PEEK450FC30の 場 合,ポ ケ ッ ト圧 力 は,荷 重 ス テ ッ プ 降下 の初 期 段 階 にお い て,降 下 時 間 が 短 い ほ ど若 干 遅 れ を生 じる.最 小 膜 厚 さ はポ ケ ッ ト圧 力 の 降 下 に伴 い,弾 性 変 形 の影 響 で 瞬 時 的 に減 少 し(降 下 時 間 が 短 い ほ ど この現 象 が 著 しい),荷 重 の低 減 につ れす ば や く増 大 し,し ゅ う 動 部 か らの 漏 れ 流 量 もそ れ に 応 じて 変 化 す る.荷 重 の ス テ ップ上 昇 の初 期 段 階 にお い て,ポ ケ ッ ト圧 力 は急 激 に増 大 し,最 小 膜厚 さ は しゅ う動 部 面 に生 じる弾性 変形 の影 響 で 瞬 時 的 に増 大 し,さ らに荷 重 の 増 大 につ れ 減 少 す る.高 荷 重領 域 に な る と,流 体 膜 の剛 性 の 影 響 で ポ ケ ッ ト圧 力 お よび 液膜 厚 さに小 さい乱 れ(上 昇 時 間が 速 い場 合)を 生 じ る. SUS420は,剛 体 と して 扱 い,PEEK 450FC30に 比 べ, 荷 重 の ス テ ップ変 化 に対 し,膜 厚 さの 瞬 時 的 な変 動 が な い た め,流 体 膜 の応 答 は弾 性 し ゅ う動 部 材 の 場 合 よ り速 い が, 膜 の 安 定性 が劣 る.ま た弾 性 し ゅ う動 部 材 よ り流 体 膜 の 剛 性 が 劣 るた め,荷 重 の 降 下 ・上 昇 時 間が 短 い ほ ど,ポ ケ ッ ト圧 力 お よび 液膜 厚 さの乱 れ現 象 は現 れや す い. 4.4 絞 りの 影 響 PEEK 450FC30に つ い て,供 給 絞 りの 径 の 影 響 を 図10 (a),(b)に示 す.た だ し,荷 重 の 切 換 え 時 間 を20倍 に速 く させ た解 析 結 果 で あ る 。荷 重 の ス テ ップ 降下 ・上 昇 の初 期 段 階 にお い て,ポ ケ ッ ト圧 力 の 減少 ・増 大 につ れ,し ゅ う 動 面 の弾 性 変 形 よ り最 小 膜 厚 さに 絞 りの径 が小 さい ほ ど瞬 時 的 な変 動 を生 じや す い が,ポ ケ ッ ト圧 力 お よび液 膜 厚 さ が 安 定 に な る.ま た,絞 りの 径 を小 さ くす る と,し ゅ う動 部 か らの 漏 れ 流 量 お よび そ の 変 動 幅 は 大 幅 に減 少 す る.d
Fig. 10(a) Effect of nozzle (load step down)
Fig. 10(b) Effect of nozzle (load step up)
1A76 日本 油空 圧学 会 論 文集 =1 .0mmと0.5mmの 結 果 を比較 して,漏 れ流 量が 約4倍 ほ どの差 が生 じる.す な わ ち,小 径 の 絞 り(目 詰 ま りの 限度 まで)を 用 い る こ とに よ っ て,大 き な変 動 荷 重 に もか か わ らず,流 体 膜 の変 動 を小 さ く,漏 れ 流 量 を低 減 で きる こ と が 分 か る. 4.5 材 料 の ヤ ン グ率 図11(a),(b)は,静 圧 軸 受 構 成 部 材 の ヤ ン グ 率 の 影 響 を 示 す た め に,剛 体,SUS420の ヤ ン グ率,こ の1/50お よ び 1/100の 場 合 の 結 果 を示 す.た だ し,こ こで の ヤ ン グ率 は 定 数 と した16).ヤ ング率 が小 さい 場 合,大 き な荷 重 の 変動 に対 して も,ポ ケ ッ ト圧 力 の変 動 幅 は小 さい.剛 体 と比べ, ヤ ン グ率 が小 さい し ゅ う動 部材 は流 体 膜 の 剛 性 が 高 い た め, ポ ケ ッ ト圧 力 お よび流 体 膜 の応 答 は遅 れ るが,安 定 性 が よ い.剛 体 の 場 合 は,流 体 膜 に応 答 の遅 れ は ポ ケ ッ ト圧 力 よ り著 し く,ヤ ン グ率 の小 さい し ゅ う動 部 材 に この 現 象 が 更 に顕 著 と な る. 5. 結 言 水 圧 用 ポ ン プ ・モ ー タへ の 適 用 を 目的 と し て,プ ラ ス チ ック と剛 体 の しゅ う動 部 材 を用 い る 静圧 ス ラ ス ト軸 受 に お い て,荷 重 の ス テ ップ変 化 に基 づ く流 体 膜 お よび ポ ケ ッ ト圧 力 の変 動 を実 測 し,理 論 解 析 結 果 と比 較 した.主 な結 果 と して は, 1) 荷 重 の ス テ ップ状 降下 ・上 昇 が 遅 い場 合,ポ ケ ッ ト圧 力 お よび液 膜 の応 答 に及 ぼす 荷 重 の 変動 幅 あ る い は しゅ う動 部 材 の影 響 は少 な い. 2) 剛性 し ゅ う動 部 材 と比 べ,弾 性 し ゅ う動 部材 を用 い た ほ うが流 体 膜 の応 答 は遅 れ るが,安 定 な膜 形状 を実 現 し や す い.荷 重 の ス テ ップ状 降下 ・上 昇 の 時 間 が短 い ほ ど ポ ケ ッ ト圧 力 に遅 れ を発 生 しや す く,弾 性 し ゅ う動 部 材 に お い て これ らの現 象 は著 し くな る. 3) 静圧 ス ラス ト軸 受 の場 合,小 径 の 絞 りを用 い る こ とに よ り,荷 重 変動 幅 が大 き くな っ て も漏 れ 損 失 は 小 さい. 実験 に 際 して,当 時 の卒 研 生 門伸 一 郎 君 の 助 力 を得 た. こ こに 記 して 謝 意 を 表す. 参 考 文 献 1) 山口:水 圧 シス テ ム の挑 戦,フ ル イ ドパ ワー シス テ ム, 29-7,592/596(1998)
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5) C. A. Brookes, M.J. Fagan, RD. James, P. Kerry, J. Fig. 11(a) Effect of Young's modulus
Fig. 11(b) Effect of Young's modulus (load step up)
汪 ・山 口:水 圧 シ ス テ ム 用 ポ ン プ ・モ ー タ に 適 用 す る静 圧 軸 受 の 特 性 177
McConnachie: The Development of Water Hydrau-lic Pumps Using Advanced Engineering Ceramics, Proc. of the 4th Scandinavian Inter. Conf on Fluid Power, 26-29, 965/977 (1995)
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7) 森,山 口,汪:水 圧 シ ス テ ム 機 器 に用 い る プ ラ ス チ ッ ク に つ い て(摩 擦 ・摩 耗 特 性 と 耐 キ ャ ビ テ ー シ ョ ン壊 食 性),春 季 フ ル イ ド パ ワ ー シ ス テ ム 講 演 会 論 文 集,16/18(1999)
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