コンプレッサーのベアリングの過熱の原因は何ですか?

はじめに

最新の流体処理装置では、 コンプレッサーベアリング シャフトの動きを安定させ、回転摩擦を最小限に抑え、高負荷下での連続動作を保証する重要なサポート要素として機能します。コンプレッサーシステムが高速化、小型化、より厳しい熱環境を目指して進化するにつれて、ベアリングの過熱という課題がますます顕著になってきています。このコンポーネントの過熱は単なる温度異常ではありません。これは多くの場合、ロータリー コンプレッサー システム全体の機械的摩耗、潤滑劣化、構造的不安定の前兆となります。

機械的負荷の不均衡

機械的負荷の不均衡は、コンプレッサーのベアリングにおける熱応力の主な原因の 1 つです。ローターアセンブリが不均一な軸方向または半径方向の力を受けると、ベアリングは不均一な圧力点を補償する必要があり、その結果接触摩擦が増加します。

ラジアルフォースの向上

ラジアル荷重は、コンプレッサーのシャフトの位置がずれている場合、インペラのバランスが取れていない場合、または高速回転コンポーネントの振動が設計のしきい値を超えた場合に増加します。摩擦が増加すると、それに比例してベアリングも熱を発生し、放散が不十分な場合は過熱が進行します。

軸方向推力

軸方向のスラスト荷重は、圧縮機室内の圧力差によって発生します。スラストレベルがベアリングの負荷容量を超えると、滑り摩擦が大幅に増加し、継続的な熱の蓄積が可能になります。アキシアル荷重分布を適切に制御することは、熱安定性を維持するために不可欠です。

負荷関連の故障メカニズム

非対称または過剰な荷重を受けるベアリングは、予測可能なパターンで温度が上昇します。

不均一な応力が表面摩擦を増加させる

摩擦により集中した熱ゾーンが生成される

潤滑膜が劣化し始める

金属同士の接触が起こる

温度スパイクにより摩耗が促進され、最終的にはベアリングの焼き付きが発生します

潤滑不足と熱破壊

潤滑は、コンプレッサーベアリングの熱性能において不可欠な役割を果たします。適切な油膜がないと摩擦が増大し、熱が急速に蓄積し、熱劣化が起こります。

潤滑剤の粘度が不十分

高速コンプレッサーの場合、流動性と膜厚のバランスを考慮して潤滑粘度が慎重に定義されます。潤滑剤の粘度が不十分だと、転動体と軌道輪との間の分離を維持できず、熱が蓄積する危険性が大幅に高まります。逆に、粘度が高すぎると流体抵抗が増加し、内部摩擦によって熱が発生します。

油膜崩壊

油膜崩壊は次のような原因で発生する可能性があります。

過度の温度

高速動作

汚染された油

油圧が不安定

オイルバリアが崩壊すると、金属表面が直接相互作用し、瞬間的な発熱と軸受の熱故障の加速を促します。

潤滑システムの異常

不安定なオイルの流れ、通路の詰まり、供給ラインの制限など、産業用コンプレッサーの潤滑ネットワークに障害があると、熱放散が直接的に損なわれます。潤滑不良状態で連続運転を行うと、すぐに過熱が発生します。

高速環境での摩擦増大

高い回転速度は熱応力の原因となることが知られています。コンプレッサー技術が進歩するにつれて、より高い RPM が一般的になり、高い摩擦レベルに耐えるベアリング構造と材料が必要になります。

回転要素に対する遠心効果

高速では遠心力により転動体が外側に押され、軌道上の荷重分布が変化します。この変化により局所的な圧力が増加し、発熱が促進されます。

滑り摩擦と転がり摩擦の相互作用

コンプレッサーの精密部品であっても、滑り摩擦を完全になくすことはできません。回転速度が急激に増加すると、転がり摩擦の一部が滑り摩擦に移行し、熱出力が増大します。

発熱量増加フォーミュラ

エンジニアは、速度ベースの温度上昇を理解するために、次のような単純化されたモデルを使用することがよくあります。

発熱量∝負荷×速度×摩擦係数

速度項が増加すると、特に堅牢な冷却機構がない場合、発熱が不釣り合いに高くなります。

材料の制限と表面の完全性の低下

軸受材料は、耐久性、耐熱性、安定した構造特性を備えていなければなりません。材料の疲労や微細構造の変形が現れると、発熱が避けられなくなります。

微小剥離と表面粗さの増大

軌道面や転動体に小さな欠陥があると、表面粗さが大きくなります。粗さが大きくなると摩擦が増大し、熱が蓄積します。これらの微小欠陥は、高圧動作下で急速に拡大する傾向があります。

軸受鋼の熱軟化

コンプレッサーのベアリングが材料の軟化閾値近くで動作すると、変形がより容易に発生します。変形により荷重経路が変化し、応力分布が不均一になり、さらなる温度上昇が生じ、構造が不安定になる原因となります。

材料の純度の影響

軸受鋼中の不純物は、硬度と熱伝導率の両方に影響を与えます。不純な合金は熱の放散が不十分で、動作温度を上昇させるホットスポットを生成します。

シャフトのミスアライメントと構造上の不一致

シャフトのアライメントはベアリングの熱挙動に直接影響します。ミスアライメントは、転動体と軌道の間の意図された幾何学的相互作用を変化させ、摩擦を強化します。

角度のずれ

角度のずれにより転動体が滑り、異常なヒートパターンが発生します。角度がずれた状態で連続運転すると、急激な温度上昇が発生します。

平行ずれ

平行オフセットにより荷重が不均一に分散され、ベアリングの 1 つのセグメントが荷重の大部分を支えることになります。この不均衡により熱応力が加速されます。

ハウジングの変形

振動、熱膨張、または不適切な取り付けによってコンプレッサーのハウジングが変形すると、ベアリング シートは理想的な位置合わせを維持できなくなり、摩擦や過熱が促進されます。

汚染による熱ストレス

汚染物質は、熱不安定性の隠れた重大な原因です。

硬質粒子の侵入

ほこり、金属の破片、機械加工の残留物などの粒子が潤滑環境に入り、摩耗摩擦を増加させます。結果として生じるマイクロスクラッチは、熱を発生する欠陥に発展します。

湿気による汚染

湿気は潤滑剤の粘度を低下させ、油膜の連続性を遮断し、腐食を誘発し、摩擦レベルを高めます。湿気による劣化が起こると、発熱が急速に加速します。

化学的不適合性

特定の汚染物質は潤滑剤と化学的に相互作用し、潤滑性能を低下させ、コンプレッサーのベアリングへの熱負荷を増加させます。

放熱構造が不十分

潤滑や機械的条件が適切であっても、熱が効率的に逃げられないため、ベアリングが過熱する場合があります。

不適切な熱経路設計

軸受箱に有効な熱伝導経路が無い場合、熱の蓄積が避けられません。材料の伝導率と壁の厚さは冷却性能に大きく影響します。

不十分な換気または冷却の流れ

密閉されたコンプレッサーチャンバーでは、熱が急速に蓄積する可能性があります。空気流路や受動的伝導経路が設計されていないと、中程度の負荷がかかっている場合でもベアリングの温度が上昇します。

熱膨張の干渉

周囲のコンポーネントがベアリング自体よりも多かれ少なかれ膨張すると、熱応力が圧縮、摩擦、さらなる熱の蓄積という形で現れます。

操作上のエラーと誤った使用パラメータ

運用方法はベアリングの熱性能に直接影響します。

速度超過運転

意図した速度しきい値を超えてコンプレッサーを動作させると、熱出力が増大し、潤滑膜の挙動を圧倒します。

過剰な負荷要求

急激な圧力上昇や長時間の過負荷運転により、継続的な温度上昇が発生します。

頻繁な起動/停止サイクル

急激な負荷の変化により、システムは安定した潤滑と冷却のパターンを確立できなくなり、ベアリングの熱応力が増大します。

長期の着用と自然な老化

適切なメンテナンスを行っていたとしても、長期間の使用により磨耗は避けられません。

摩耗メカニズムの概要

転動体は徐々に滑らかさを失います

軌道面にマイクロピッチングが発生する

潤滑経路が部分的に閉塞される

放熱効率が低下する

このゆっくりとした劣化により時間の経過とともに温度が上昇し、最終的には持続的な過熱が発生します。

製品機能概要表

次の表は、熱制御のためのコンプレッサーのベアリング設計で通常考慮される構造的および機能的特性をまとめたものです。

結論

コンプレッサーのベアリングの過熱は、機械的、熱的、動作的、環境的要因の組み合わせによって発生します。重大な要因としては、負荷の不均衡、潤滑不足、過剰な回転速度、汚染、不適切な熱放散、材料の劣化、位置ずれ、不適切な動作条件などが挙げられます。

これらの原因を理解することは、機器の信頼性を最適化し、高性能ロータリーコンプレッサーシステムを設計し、コンポーネントの寿命を延ばすために不可欠です。潤滑設計を改善し、材料の選択を改良し、アライメント精度を高め、冷却構造を強化することにより、エンジニアは軸受の熱故障を効果的に防止し、さまざまな産業環境にわたって安定したコンプレッサーの性能を維持できます。