ジャーナルベアリングの仕組み: 段階的な技術説明

A ジャーナルベアリング 2 つの表面を完全に分離する加圧流体膜を生成することにより、固定スリーブ (ベアリング) 内で回転シャフト (ジャーナル) を支持します。この耐荷重能力は、 流体力学的効果 : シャフトとベアリングの間の相対運動により、潤滑剤が収束するくさび形の隙間に引き込まれ、加えられた荷重をサポートする圧力分布が形成されます。

ベアリングが正しく機能するには、 3つの条件を満たさなければなりません : (1) 十分な相対表面速度、(2) 粘性潤滑剤、および (3) 収束すきま形状。これらが存在すると、ベアリングは次のように動作します。 フルフィルム潤滑方式 、摩擦と摩耗が最小限に抑えられます。

ジャーナルベアリングの潤滑方式

ジャーナル ベアリングの性能と寿命は、潤滑方式によって決まります。これらの状況は表面分離の程度によって定義され、荷重、速度、および潤滑剤の粘度によって影響されます。

境界潤滑

起動時、シャットダウン時、または非常に低速なときに発生します。潤滑膜が表面を分離するには不十分であり、 直接アスペリティ接触 ジャーナルとベアリングの間。この状態では高い摩擦と摩耗が発生するため、設計ではその期間を最小限に抑える必要があります。

混合膜潤滑

部分的に動圧が発生している中間状態ですが、 一部の表面の凹凸はまだ相互作用しています 。これは通常、速度の過渡時または衝撃荷重下で発生します。摩擦と摩耗は境界潤滑よりも低くなりますが、依然として顕著です。

フルフィルム（流体力学的）潤滑

理想的な動作状態。ジャーナルは、軸受面から完全に分離された完全な連続潤滑膜の上に乗っています。シャフトの回転により流体圧力が発生し、外部負荷とバランスします。この体制では、 摩擦は流体せん断によって決まります 、摩耗は事実上排除されます。

ステップバイステップの物理学: 流体力学的ウェッジがどのように形成されるか

静止シャフトから完全に支持された回転シャフトへの移行は、個別のステップに分割できる動的なプロセスです。

ステップ 1: 静止しているシャフト

シャフトが静止しているとき、シャフトはその重量によりベアリングの隙間の底に静止します。すきまが偏心しており、軸と軸受の中心がずれています。この時点で、 金属同士の直接接触 ベアリングの底にあります。

ステップ 2: 回転と潤滑剤の巻き込み

シャフトが回転し始めると、粘性潤滑剤がシャフトとベアリングの間の収束するくさび形の隙間に引き込まれます。潤滑剤は、その隙間の狭まりに引き込まれます。 可動面への粘着力 .

ステップ 3: 圧力の生成とシャフトのリフト

潤滑剤が収束隙間を通って押し込まれると、その圧力が大幅に増加します。この自己発生圧力により、シャフトを軸受面から押し離す流体力学的な力が発生します。シャフト 回転方向に耐力壁を登ります 平衡位置が見つかるまで。この時点で、荷重は流体膜によって完全に支持され、ベアリングは完全な膜状態で動作します。

潤滑方式と動作条件の関係

パフォーマンス最適化のための重要な設計パラメータ

ジャーナル ベアリングの性能を最適化するには、いくつかの重要な幾何学パラメータと動作パラメータのバランスをとる必要があります。これらの変数によって、ベアリングの耐荷重、動力損失、安定性が決まります。

ラジアルすきま

ベアリングの内径とシャフトの半径の差。 最適なクリアランスが重要です ×：小さすぎると油膜が十分に形成できず、過熱や焼き付きの原因となります。大きすぎると油膜が不安定になり、振動が大きくなり負荷容量が低下します。クリアランスは、 最小油膜厚さ .

長さと直径 (L/D) の比

この比率はベアリングの形状を定義します。 L/D 比が高い (ベアリングが長い) と耐荷重は大きくなりますが、粘性せん断が大きくなるため動力損失も増加します。デザインの選択は、 特定の負荷と速度の要件 アプリケーションの。

潤滑剤の粘度

粘度は温度に大きく依存し、膜の厚さと摩擦に直接影響します。潤滑剤の粘度が高くなると、より厚い膜が形成されますが、より多くの摩擦熱が発生します。選択では、次のことを確認する必要があります。 ベアリングの動作温度で適切な膜厚が維持されます。 .

表面粗さ

ジャーナルとベアリングの両方の表面仕上げは、混合潤滑の開始に影響します。表面が滑らかになると、より高い膜厚比が可能になります。研究によると、表面テクスチャーを最適化すると、トライボロジー性能が大幅に向上する可能性があります。

パフォーマンスと安定性に関する考慮事項

適切に設計されたジャーナルベアリングは、基本的な荷重サポートを超えて、安定した予測可能な動的性能を維持する必要があります。 2 つの一般的な不安定現象は、高速アプリケーションでは特に重要です。

オイルワールとオイルホイップの不安定性

高速では流体力が不安定になり、シャフトがベアリングのクリアランス内で回転する可能性があります。 油渦 回転速度の半分よりわずかに低い周波数で発生する非同期振動です（通常、 0.40x ～ 0.48x ）。旋回周波数がローターシステムの固有振動数と一致すると、激しく破壊的なものになる可能性があります。 オイルホイップ 、致命的な障害につながる可能性があります。

動的係数と減衰

ジャーナル ベアリングは、ローターの振動を制御するために重要な大幅な減衰を実現します。潤滑膜の剛性と減衰係数は非線形であり、動作条件と軸受の形状に依存します。これらの係数は、 ローターの動的挙動のモデル化と予測 .

一般的なジャーナルベアリングのタイプとその用途

ジャーナルベアリングの特定の形状は、用途の要求を満たすように調整されています。キーの種類には次のものがあります。

プレーン（円筒）スリーブベアリング

最もシンプルで最も一般的なデザインで、直線的な円筒形のボアが特徴です。これらはコスト効率が高く、安定した負荷と中程度の速度でのポンプ、モーター、ギアボックスなどの幅広い汎用用途に適しています。

マルチローブベアリング（楕円形およびレモン形）

非円形のボア (楕円形など) を使用して設計されており、予荷重がかかった流体力学的ウェッジを作成します。この設計により、オイル渦の原因となるクロスカップル剛性を軽減し、高速走行時の安定性を向上させています。これらはコンプレッサーや高速ブロワーによく見られます。

ティルティングパッドベアリング (TPJB)

ピボット回転して最適な流体力学的ウェッジを自動的に形成する個々のパッドで構成されています。この構成により提供されるのは、 優れた安定性とダンピング 広い速度範囲にわたって高速で動作するため、コストと複雑さは高くなりますが、高性能ターボ機械にとって好ましい選択肢となります。

ハイブリッドベアリング

自己動作 (流体力学) 原理と外部加圧 (静水圧) を組み合わせます。外部ポンプは高圧オイルを供給してゼロまたは低速でシャフトを持ち上げ、始動時の摩耗を防ぎます。動作速度では流体力学的動作に移行し、 両方のタイプの利点 .

エンジニアリング実践のための重要なポイント

流体潤滑の原理に基づくと、ジャーナル ベアリングの設計と操作を成功させるには次の結論が重要となります。

• フィルム全体を分離することが目的です。 適切に設計されたジャーナル ベアリングは完全な流体膜で動作し、摩耗を排除し、摩擦を最小限に抑えます。主なパフォーマンス指標は次のとおりです。 最小油膜厚さ 、表面粗さの安全なしきい値を超える必要があります。
• バランスが重要です。 デザインはトレードオフです。負荷容量を増やすには、より高い L/D 比またはより粘度の高いオイルが必要になり、その結果、電力損失と動作温度が増加します。最適化では、特定のデューティ サイクルに対する最適な妥協点を模索します。
• 安定性は高速動作を支配します。 高速ローターの場合、潜在的な不安定性 (オイルの渦/ホイップ) に対処することは、負荷容量と同じくらい重要です。このため、重要な高速機械にはマルチローブ ベアリングまたはティルティング パッド ベアリングがよく選択されます。

よくある質問

1. ジャーナルベアリングの主な機能は何ですか?

その主な機能は、最小限の摩擦で回転シャフトに横方向 (半径方向) のサポートを提供することです。これは、可動シャフトを静止軸受面から分離する高圧流体膜を生成することによって行われます。

2. ジャーナルベアリングにおいてラジアルすきまがそれほど重要なのはなぜですか?

ラジアルすきまは、潤滑膜に利用できる体積と流体力学的ウェッジの形状を決定するため、非常に重要です。 不適切なクリアランス 膜厚が不十分な場合（接触や摩耗につながる）、または膜が不安定で非常に動的である（振動につながる）可能性があります。

3. オイルワールとオイルホイップの違いは何ですか?

オイルワールは、ベアリング内の流体力によって引き起こされるシャフトの安定した準同期振動です (約 0.4 ～ 0.48 倍の回転速度で)。 オイルホイップ これは、渦の周波数がローター システムの固有共振周波数に固定された場合に発生する、より深刻な状態であり、破壊的な可能性のある大きな振動振幅につながります。

4. プレーンスリーブベアリングに対するティルティングパッドジャーナルベアリングの主な利点は何ですか?

ティルティングパッドベアリングが提供するもの 優れたローターダイナミック安定性 個々のパッドがピボットして最適なウェッジプロファイルを作成し、オイルの渦を効果的に防止するためです。また、製造コストは高くなりますが、ミスアライメントの処理がうまくなり、より広い速度範囲で効率的に動作します。