グリース潤滑すべり軸受の温度上昇・・・1

(1)

グリース潤滑すべり軸受の温度上昇

岩田将英

1

_{・福永圭悟}

2

1_{機械・環境システム工学科，}2_{機械工学科}

グリース潤滑すべり軸受の温度上昇値を実験および数値解析から考察した．直径32mmのS45C製ジャーナルと，幅20mmのFC200製すべり軸受を使用した．実験には，グリースNLGI 0とNLGI 000，比較のために，ギヤ油ISO VG 150とISO VG 220を用いた．実験条件は，平均接触圧力Pm=0.49~11.2MPa，すべり速度V=0.034~1.01m/sとした．ここで，実験値θexとはすべり面での温度上昇値を指し，理論値θthは数値解析から求めた温度上昇値を指す．全ての潤滑剤において，θexはVまたはPmの増加に伴って上昇することがわかった．グリースのθ_exはギヤ油の1.9~2.3倍大きく，グリースの方が温度に関して潤滑性能が悪いことがわかった．θ_exに対するθ_thの比βは，PmVの増加と共に減少しながら，β=0.6に収束した．

キーワード : すべり軸受，グリース潤滑，FC200，すべり面温度

１．緒論

すべり軸受に関しては，ギヤ油潤滑下での研究報告や設計資料は豊富にあるが，グリース潤滑下では少ない1)_．これは，グリース潤滑下ではデータに基づいてすべり軸受の設計を確立することが困難である，ということを意味する．グリース潤滑すべり軸受が実用化されれば，潤滑構造やシール構造の簡素化が期待でき，コストダウンにつながると考えられる．本研究では，すべり軸受性能に最も影響を与えると考えられる温度2)_{の視点から設計資料を得ることにした．潤滑} 剤温度やすべり面温度が上昇すると，潤滑性能が低下し，設計条件によっては二面が融着しやすくなる，などの問題が発生する．これらのことより，温度はすべり軸受の設計上，重要なファクターであると言える．そこで本研究では，すべり面温度上昇値をあらかじめ予測できれば，潤滑剤使用可否や，機械装置の信頼性を確保できる．本研究では，FC200製すべり軸受を用いてすべり面温度上昇値を実測すると同時に，数値解析による温度上昇値との比較などを行ったので報告する．

２．実験方法

(1) 実験装置図-1に実験装置外観を示す．油浴潤滑時の軸受ボックス内部を図-2に示す．

③

④

①

②

図-1 実験装置

⑦

⑤

⑥

図-2 軸受ボックス内部

(2)

モータ①で，φ32mm の S45C 製ジャーナル⑤を回転させる．ジャーナル⑤は軸受ボックス②の両端で，ころがり軸受6309 によって支持されており，内部で FC200 製すべり軸受⑥を乗せている．すべり軸受上部では，アーム④はピン⑦に連結され，すべり軸受⑥にとって回転止めとの役割を果たす．また，アーム先端部の重錘③によってすべり軸受⑥に荷重が作用する．ジャーナル⑤およびすべり軸受⑥ は，図２に示すように，ジャーナル⑤が十分潤滑剤に浸る程度に充填されている．この状態ですべり軸受⑥に荷重をかけ，ジャーナル⑤を回転させることにより，すべり面に摩擦熱が発生する．このときのすべり面温度を銅-コンスタンタン熱電対で測定する．図-3 はすべり軸受の温度測定位置を示す．温度は，ジャーナル回転方向の接触点に対し，入口(Inlet)，出口 (Outlet)，底部(Bottom)の３箇所を測定した．ジャーナルはCW方向に回転させた．実験を続けるとすべり面温度はある一定の飽和温度に達する．そのときの出口温度から雰囲気温度を引いた値が実験による温度上昇値であり，実験値θexとした． (2) 実験条件 a) 潤滑剤性状グリースとギヤ油２種類ずつを使用し，動粘度の大きさが近いもの同士を比較した．それぞれ，グループ１，２とし，主な性状を表１，２に示す． b) 運転条件すべり軸受平均接触圧力Ｐm=0.49～11.2MPa，すべり速度V=0.034～1.01m/sで実験した．

３．理論温度上昇値

(1) 理論温度上昇値θ_th計算方法4)5) ここでの理論温度上昇値とは，W.O.WinerとH.S.Chengによる数値解析から求めた温度上昇値θthのことをいう．θ thを求める手順を以下に説明する．初めにワルターの式を用いて，潤滑剤の動粘度νと絶対温度の関係を求める．ワルターの式は

T

B

A

log

)

7 .

0 log(

log

ν

+

=

−

(1a) で表される．式(1a)に，表-1 および表-2 に示す潤滑剤の絶対温度T-動粘度νの関係を代入し，定数 A,B を求める．次にゾンマーフェルト数を式(1b)から求める． m

P

2

N

S

φ

η

=

(1b) ここでηは潤滑剤絶対粘度，Nはジャーナル回転速度，φ は隙間比，Pmは平均接触圧力である．ゾンマーフェルト数 Sはジャーナルすべり軸受の特性を表す無次元値である．S の値が小さくなるほど潤滑状態は過酷になり，焼付きやすくなる．図-3 すべり軸受寸法と温度測定位置表-1 グループ１の潤滑剤性状3) 種類グリースギヤ油等級 NLGI 0 ISO VG 150 ちょう度 (25℃, 60 回混和) 362 ― 動粘度 ν, mm2_/s 40/100℃ 133/14(*) _154/14.7 密度 ρ, g/cm3 _{0.9 0.897} (*);基油表-2 グループ２の潤滑剤性状3) 種類グリースギヤ油等級 NLGI 000 ISO VG 220 ちょう度 (25℃, 60 回混和) 466 ― 動粘度 ν, mm2_/s 40/100℃ 178/16.3(*) _228/19.4 密度 ρ, g/cm3 _{0.9 0.902} (*);基油

(3)

以下，例によってθthの求め方を示す．表-1，2および２章２節a)項参照の運転条件と，式(1b)からSを求め，図４からさらに無次元温度上昇値(ρCp⊿θ/Pm)を求める．ここでρ は潤滑剤密度，Cpは潤滑剤の定圧比熱，ρCpは一般的に潤滑剤の体積熱容量と呼ばれる．無次元温度上昇値から仮の理論温度上昇値⊿θ が求まる． ⊿θ を有効膜温度の式(1c)

θ

_t = _a+m⊿ (1c) に代入して，有効膜温度θtを求める．ここで，θaは雰囲気温度である．理論計算過程において，θaは実験終了時の外気温度とした．この考えは，全ての物質は時間の経過と共に熱平衡に達するという熱工学の基本原理に基づいている．式(3)のmについては３章(2)節で述べる．ここまでの手順を表-3 に示す．表-3 ではm=0.5 とした．求めたθtと，対応するνを１セット(θt, ν)とし，これがワルターの式(1a)を満足するとき，あるいは図-5 の直線上に存在するとき，θtとなる．このθtからθaを引くことにより，理論温度上昇値θthが求められ，理論値と称する． (2) 式(1c)におけるmについて式(1c)におけるmは，すべり面での摩擦熱が潤滑剤温度上昇値に寄与する割合を示す．ジャーナル直径が小さく，油膜厚さが相対的に薄い場合には，ジャーナルおよび軸受への熱伝導による冷却が期待できるが，ジャーナル直径が大きく，油膜厚さが相対的に厚い場合には熱伝導による冷却が期待できないと考えられている6)_{．mの数値を表-3に} 示す．表-4 より，軸直径D=75mm を境に m の値は 0.5 から 1.0 へ変わっている．ジャーナルおよび軸受の温度上昇については，おおよそこの値を用いれば近似できるとされている．本研究では，実験結果からm を求める． (3) 理論計算の問題点この理論計算過程において，すべり面で発生した熱量は，全て潤滑剤が持ち去ったと仮定している．実際にはジャーナルや軸受，外気への熱伝導が考えられるため，係数 m の値は熱伝導率を考慮して決定する必要がある．また，潤滑形態(油浴・滴下・循環)の違いによる対流熱伝達の違いや，潤滑剤表面・軸受ボックスからの輻射熱伝達も考えなくてはならない．さらに，表面粗さ，摩擦係数，真実接触面積等も大きく温度上昇に影響を及ぼすと考えられる．つまり，発生熱量を理論的に求めるためには，様々な因子について考慮する必要がある．図-4 ゾンマーフェルト数と無次元温度上昇値表-3 理論計算過程 η , mPa*℃ ν , mm2_/s S ρCpΔθ/Pm θt, ℃ 50 55.6 0.020 5 26.0 100 111 0.041 8 28.9 300 333 0.122 14 36.6 500 556 0.203 21 44.2 図-5 潤滑剤の温度と動粘度の関係表-4 mの値6) 軸直径寸法D, mm m の値 ≦75 0.5 ＞75 1.0

動粘度

, mm

2

/s

有効膜温度

温度, ℃

(4)

４．実験結果

(1) 実験値θ_exの比較図-6は，v=1.01m/sのときの，ギヤ油ISO VG 150とグリースNLGI 0の実験値θexの比較である．グリースの温度上昇値は常にギヤ油の温度上昇値より高いことがわかる．グリース，ギヤ油に関わらず，Pm増加とともにθexも増加していることがわかる．この傾向はVが変化しても同様であった．図-7は，図-6と同じ潤滑剤を用いているが，Vに対する θexの遷移を見た図である．Pm=10.2MPaのときを表している．図-7 から，グリースのθexは常にギヤ油のθexより高いことがわかる．グリース，ギヤ油に関わらず，V増加とともにθexも増加していることがわかる．このような傾向はPm が変化しても同様であった．図６，７より，PmおよびVの増加とともにθexが増加するということがわかる．この関係は，潤滑剤の種類に関わらず成り立つことがわかった． (2) 実験値θexの比実験値の比αを次のように定義する．ギヤ油の温度上昇値グリースの温度上昇値 α= (1d) 図-8 に，表１に示すグループ１の代表的な実験値の比α を示す． αはPmおよびVに関わらず，おおよそ一定の値1.0~3.0の間に入っており，常に1.0より大きい．このことは，実験条件によらずグリースの温度上昇値のほうが高いことを示している．表-1に示すグループ１に関しては，グリースの温度上昇値のほうが平均1.9倍大きいことがわかった．図-9 に，表-2 に示すグループ２の代表的な実験値の比 αを示す． v=1.01m/s 0 10 20 30 40 50 60 0 2 4 6 8 10 12 平均接触圧力 Pm, MPa 温度上昇値, ℃ ISO VG 150 NLGI 0 図-6 実験値の比較(圧力変化) Pm=10.2MPa 0 10 20 30 40 50 60 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 すべり速度v, m/s 温度上昇値, ℃ ISO VG 150 NLGI 0 図-7 実験値の比較(速度変化) グループ1 0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 10 12 平均接触圧力 Pm, MPa 実験値の比 α v = 1.01m/s v = 0.682m/s v = 0.417m/s 図-8 実験値の比(グループ１) グループ２ 0 1 2 3 4 0 2 4 6 8 10 12 平均接触圧力 Pm, MPa 実験値の比 α v = 0.682m/s v = 0.417m/s v = 0.208m/s 図-9 実験値の比(グループ２)

(5)

図-8 と同様に，α の値は 1.0~3.0 の範囲にあり常に 1.0 より大きく，グリースの温度上昇値のほうが高くなることを示している．表-2 に示すグループ２に関しては，グリースの温度上昇値のほうが約2.3 倍大きいことがわかった．ギヤ油に比べ，グリースの温度上昇のほうがグループ１では1.9 倍，グループ２では 2.3 倍大きいことから，グリースのほうが約２倍すべり面温度が上昇することがわかった．これは，グリースが，ギヤ油に比べ温度について潤滑性能が1.9~2.3 倍悪いことを示す． (3) 実験値と理論値初めに，NLGI 0 グリース，すべり速度Ｖ=0.682m/sにおける，実験値θexと理論値θthの関係を図-10 に示す．図-10 から，θexはθthに比べ，約1.6 倍大きいことがわかる．Pm=7.82MPaのとき，θex=30.0℃deg，θth=18.1℃degで実験値が理論値の1.7 倍になっており，その差は最大となった．次に，NLGI 0 グリース，すべり速度V=0.208m/sにおける，θexとθthの関係を図-11 に示す．Vが図-10 の 0.3 倍程度になった図-11 では，実験値と理論値がほぼ同じ温度上昇値となっていることがわかる．次に，NLGI 0 グリース，V=0.104m/sにおける，実験値θex と理論値θthの関係を図-12 に示す．Vが図-10 の 0.15 倍程度になった図-12 では，θexはθthの約0.7 倍で，θthのほうが大きい．つまり，θexのほうが大きい図-10 との関係が逆転していることがわかる．この逆転関係は他の３つの潤滑剤についてもほぼ同様であった．図に示すように，θexとθthがほぼ一致するときの Vは潤滑剤の種類(グリース，ギヤ油)によって共通した点があり，それを表-5 に示す．表-5 はおおよその値であるが，グリースとギヤ油によってθexとθthが逆転するすべり速度が異なることがわかる． θexとθthの逆転が起こる原因としては，主にθexの大小が関係していると言える．同じ実験条件下ならば，グリースおよびギヤ油に関わらずθthに大差はなく，グリースのほうがθexが高い．この理由は，表-1 に示したように，同一グループの潤滑剤νに関して，グリース基油動粘度がギヤ油動粘度よりも小さいためである．そのためθexとθthが一致するVはグリースのほうが遅くなっている．このことから，潤滑剤の種類によって，適切な理論値算出法を定義しなければならないことが伺える．式(3)のmについて，図-11 の場合はm≒0.5 で有効であると考えられるが，図-10 の場合はm≒0.8 などに修正する必要があることを予想させる．表-5 より，θexとθthの関係はVによって逆転することがわかった．また，図-10 などから，Pmが増加するとθexとθthの差が大きくなっていることが伺える．すなわち，VとPmが θexとθthの関係に影響を与えていることがわかる． NLGI 0 ,v = 0.682m/s 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 平均接触圧力 Pm, MPa 温度上昇値 θ , K 実験値θex 理論値θth 図-10 実験値＞理論値 NLGI 0 ,v = 0.208m/s 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 平均接触圧力 Pm, MPa 温度上昇値 θ , K 実験値θex 理論値θth 図-11 実験値=理論値 NLGI 0 ,v = 0.104m/s 0 5 10 15 20 25 30 35 0 2 4 6 8 10 12 平均接触圧力 Pm, MPa 温度上昇値 θ , K 実験値θex 理論値θth 図-12 実験値＜理論値表-5 θexとθthが逆転するすべり速度 v, m/s NLGI 0 NLGI 000 ISO VG 150 ISO VG 220

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(4) すべり速度Vと接触圧力Pm 実験値θexと理論値θthの比βを次のように定義する． ex th θ θ β= (1e) NLGI 0グリースにおいて，平均接触圧力Pm，すべり速度V，およびβの関係を図-13に示す．図-13より，θexとθthの比β は，VおよびPmの増加に伴い減少することがわかる．この関係はその他３つの潤滑剤についてもほぼ同様であった．次に，NLGI 0 グリースにおける，Pmv値とθexおよびθthの関係を図-14 に示す．図-14 より，θexおよびθthはPmV値の増加とともに増加することがわかる．僅かな差ではあるが， PmV値が小さいときは理論値のほうが大きく，PmV値が大きくなるにつれて実験値のほうが大きくなることがわかる．４章３節の逆転関係は，PmV値に対しても当てはまることがわかった．次に，NLGI 0 グリースにおける，PmV値とβの関係を図-15 に示す．図-15 より，θexとθthの比βは，PmV値の増加とともに減少しながら，一定値0.6 に近づくことがわかる．

５．結論

グリース潤滑すべり軸受のすべり面温度上昇について，グリース２種類および，比較のためにギヤ油２種類を用いて実験および数値解析した．明らかになった主な点は次のようである． 1)グリースの温度上昇値はギヤ油の 1.9～2.3 倍であり，グリースのほうが温度に関して潤滑性能が悪いことがわかった． 2)数値解析による温度上昇値は，すべり速度×平均接触圧力PmVが 6MPa*m/sよりも大きくなると，実験値の約 0.6 倍になることがわかった．謝辞：本研究上の理論値導出プログラム作成にあたり，ご協力頂いた制御科の教官，学生に深く感謝します．参考文献 1)岩田・ほか: 日本機械学会九州学生会第３８回卒業研究発表講演論文集(No.078-2), pp. 367 1)日本機械学会 : 機械工学便覧機械要素設計トライボロジ，(1985)B1, pp. 66 3)新日本石油 : 商品紹介, http://www.eneos.co.jp/

4)ASME: Wear Control Handbook, pp. 80-89

5)兼田もと宏, 山本雄二 : 基礎機械設計工学, 理工学社 1995, pp. 117 6)3), 4) NLGI 0 0 0.8 1.6 2.4 3.2 0 3 6 9 12 平均接触圧力 Pm, MPa β v = 1.01m/s v = 0.682m/s v = 0.417m/s v = 0.313m/s v = 0.208m/s v = 0.104m/s 0. 図-13 実験値と理論値の比β NLGI 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 2 4 6 8 10 12 Pmv, MPa*℃ 温度上昇値θ, K 実験値θex 理論値θth 図-14 PmV値に対する実験値と理論値の挙動図-15 PmV値に対するβの挙動 (2007.9.28受付)

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