流体ベアリング

流体軸受は、軸受面の間を高速で移動する加圧液体またはガスの薄い層によって荷重が支えられる軸受です。 ^[1] 可動部品間の接触がないため、滑り摩擦がなく、流体軸受は他の多くのタイプの軸受よりも摩擦、摩耗、振動が低くなります。したがって、一部の流体軸受では、正しく操作すれば摩耗がほぼゼロになる可能性があります。^[1]

流体軸受は、流体動圧軸受（ハイドロダイナミックベアリングとも呼ばれる）と静圧軸受の2種類に大別できます。静圧軸受は外部加圧流体軸受で、流体は通常油、水、または空気であり、ポンプによって加圧されます。流体軸受は、ジャーナル（流体に接するシャフトの部分）の高速性を利用して、面間のくさび内の流体を加圧します。流体軸受は、通常のボールベアリングでは寿命が短くなったり、大きな騒音や振動が発生したりするような、高負荷、高速、または高精度の用途でよく使用されます。また、コスト削減のためにもますます使用されています。たとえば、ハードディスクドライブモーターの流体軸受は、交換するボールベアリングよりも静かで安価です。用途は非常に多様で、リードスクリューなどの複雑な形状にも使用できます。^[2]

流体軸受は、1852年に水圧式油圧軸受を組み込んだ鉄道推進システムを提案したフランスの土木技術者LDジラールによって発明されたと考えられています。^{[3] [1]}

流体軸受は、回転軸の周囲または下部に密封された、可動軸受面の間に急速に移動する加圧液体またはガス流体の薄い層を使用する非接触軸受です。 ^[1] 可動部品は接触しないため、滑り摩擦はありません。負荷力は、移動する流体の圧力によってのみ支えられます。流体を軸受に送り込むには、主に 2 つの方法があります。

• 流体静圧軸受、油圧軸受、および多くのガスまたは空気軸受では、流体はオリフィスまたは多孔質材料を通して送り込まれます。このような軸受には、回転速度と軸負荷に応じて流体の圧力と消費量を調整する軸位置制御システムを装備する必要があります。^[4]
• 流体動圧軸受では、軸受の回転により流体が軸受の内面に吸い込まれ、シャフトの下または周囲に潤滑くさびが形成されます。

静圧ベアリングは外部ポンプに依存します。そのポンプに必要な電力は、ベアリング摩擦と同様に、システムのエネルギー損失につながります。シール性能が向上すると、漏れ率とポンプ電力は低下しますが、摩擦が増加する可能性があります。

流体軸受は、軸受の動きを利用して流体を軸受に吸い込むため、設計より遅い速度や始動および停止時には摩擦が高く、寿命が短くなる可能性があります。流体軸受の損傷を防ぐために、起動および停止時に外部ポンプまたは二次軸受を使用する場合があります。二次軸受は摩擦が高く、動作寿命が短い可能性がありますが、軸受の始動および停止が頻繁でない場合は、全体的な耐用年数は良好です。

流体膜潤滑としても知られる流体力学的(HD)潤滑には、次の重要な要素があります。

1. 潤滑剤は粘性のある液体でなければなりません。
2. ベアリングとジャーナル間の流体の流体力学的流動挙動。
3. 流体膜が移動する表面は収束している必要があります。

流体力学的（完全膜）潤滑は、2 つの接触面が潤滑剤の凝集膜によって完全に分離されているときに実現されます。

したがって、フィルムの厚さは表面の粗さの合計を超えます。摩擦係数は境界層潤滑よりも低くなります。流体潤滑は可動部品の摩耗を防ぎ、金属同士の接触を防ぎます。

流体潤滑には、薄く収束する流体膜が必要です。これらの流体は、粘性がある限り、液体でも気体でもかまいません。コンピューターのファンやハードディスク ドライブなどの回転装置では、流体膜が大気である流体潤滑によってヘッドが支えられています。

これらのフィルムの大きさはマイクロメートル単位です。フィルムが収束すると、フィルムが接触する表面に垂直な圧力が生じ、フィルム同士が離れることになります。

ベアリングには次の 3 つのタイプがあります。

• 自己作用: フィルムは相対的な動きによって存在します。例:スパイラル溝ベアリング。
• スクイーズフィルム: フィルムは相対的な通常の動きによって存在します。
• 外部加圧: 外部加圧によりフィルムが存在します。

概念的には、ベアリングは、ベアリングジャーナル (抗摩擦) とプレーンスライダー (摩擦) という 2 つの主要な幾何学的クラスとして考えることができます。

レイノルズ方​​程式は、流体の支配原理を導くために使用できます。気体を使用する場合、その導出ははるかに複雑になることに注意してください。

薄膜には圧力と粘性力が作用していると考えられます。速度に差があるため、表面の牽引力ベクトルに差が生じます。質量保存則により、圧力が上昇し、体積力が変化すると想定することもできます。

• 流体潤滑 – 特徴:
  1. 最小厚さの点における流体膜の厚さは、負荷が増加するにつれて減少する。
  2. 荷重により膜厚が減少すると、流体塊内の圧力が上昇する。
  3. 流体塊内の圧力は、最小クリアランスに近づくある時点で最大になり、最大クリアランスの時点で最低になります（発散のため）。
  4. 圧力が増加すると粘度が増加する（せん断に対する抵抗が増加する）
  5. 最小クリアランス点における膜厚は、より粘性の高い流体を使用すると増加する。
  6. 同じ負荷の場合、流体の粘度が増加すると圧力が増加する。
  7. 与えられた荷重と流体では、速度が増加するとフィルムの厚さは増加します。
  8. 潤滑剤の粘度が高くなると流体摩擦が増加する
• 流体力学的条件 – 流体速度:
  1. 流体速度はジャーナルまたはライダーの速度に依存する
  2. 相対速度の増加はジャーナルベアリング中心の偏心の減少につながる傾向がある
  3. これに伴って最小フィルム厚も大きくなります
• 流体力学的条件 - 負荷:
  1. 負荷が増加すると最小フィルム厚が減少する
  2. また、フィルム塊内の圧力を高めて反作用力を与える。
  3. 圧力はあらゆる方向に作用するため、ベアリングの端からオイルが絞り出される傾向がある。
  4. 圧力が上昇すると流体の粘度が上昇する

ベアリング特性数: 粘度、速度、荷重によって流体力学的条件の特性が決まることから、これらが膜厚に与える影響に基づいてベアリング特性数が開発されました。

速度が増加すると最小膜厚が増加する

粘度が増加すると最小膜厚が増加する

負荷が増加すると最小フィルム厚が減少する

したがって、

粘度 × 速度/単位荷重 = 無次元数 = C

Cは軸受特性番号として知られています。

Cの値は、ある程度、流体潤滑があるかどうかの指標となる。

流体ベアリングは、同様の荷重定格を持つ他のベアリングに比べて比較的安価です。ベアリングは、作動流体を保持するためのシールを備えた 2 つの滑らかな表面だけのシンプルなものになります。対照的に、従来の転がり要素ベアリングでは、複雑な形状の高精度ローラーが多数必要になる場合があります。静圧ベアリングや多くのガス ベアリングでは、外部ポンプが複雑で費用がかかります。

ほとんどの流体ベアリングはメンテナンスがほとんど不要で、寿命はほぼ無制限です。従来の転がり軸受は通常、寿命が短く、定期的なメンテナンスが必要です。ポンプ式静圧軸受および気体静圧軸受の設計では、速度がゼロになるまで低摩擦が維持され、ポンプが故障しない限り、始動/停止による摩耗が発生することはありません。

流体ベアリングは一般に摩擦が非常に低く、機械ベアリングよりもはるかに優れています。流体ベアリングの摩擦源の 1 つは流体の粘性で、速度とともに動摩擦が増加しますが、静摩擦は通常無視できます。静圧ガスベアリングは、非常に高速でも最も摩擦の少ないベアリングの 1 つです。ただし、流体の粘性が低いということは、通常、ベアリング表面からの流体の漏れが早くなるため、ポンプの電力やシールの摩擦を増やす必要があります。

ローラーまたはボールに重い負荷がかかった場合、流体ベアリングは機械ベアリングよりも負荷時のクリアランスの変化が少なくなります (「剛性」が高い)。最大設計負荷の場合と同様に、ベアリングの剛性は平均流体圧力とベアリング表面積の単純な関数であると思われるかもしれません。実際には、ベアリング表面が押し付けられると、流体の流出が制限されます。これにより、ベアリング面間の流体圧力が大幅に増加します。流体ベアリング面は転がり面よりも比較的大きいため、小さな流体圧力差でも大きな復元力が生じ、ギャップが維持されます。

ただし、ディスク ドライブなどの軽負荷ベアリングでは、一般的なボール ベアリングの剛性は ~10^7 MN/m です。同等の流体ベアリングの剛性は ~10^6 MN/m です。^{[引用が必要]}このため、一部の流体ベアリング、特に静圧ベアリングは、剛性を高めるためにベアリングに予圧をかけるように意図的に設計されています。

流体ベアリングは、本質的に大きな減衰効果をもたらすことがよくあります。これにより、ジャーナル ベアリングのジャイロ スコープ周波数 (円錐モードまたはロッキング モードと呼ばれることもあります) での共振を減衰させることができます。

原子レベルで滑らかで丸い機械ベアリングを作るのは非常に難しく、高速運転時には遠心力により変形してしまいます。対照的に、流体ベアリングは小さな欠陥やわずかな変形を自己修正します。

流体ベアリングは、通常、転がり軸受よりも静かで滑らかです (摩擦がより一定)。たとえば、流体ベアリングを使用して製造されたハードディスクドライブのベアリング/モーターの騒音定格は 20～24 dB程度で、これは静かな部屋のバックグラウンド ノイズより少し大きい程度です。転がり軸受をベースにしたドライブは、通常、少なくとも 4 dB の騒音が大きくなります。

流体ベアリングは、ボールベアリングや転がりベアリングよりも低い NRRO (非反復性ランアウト) で製造できます。これは、最新のハードディスクドライブや超精密スピンドルでは非常に重要です。

ティルティング パッド ベアリングは、コンプレッサー内のシャフトを支持および配置するためのラジアル ベアリングとして使用されます。

• ベアリングは摩耗を防ぐために圧力を維持する必要があり、静圧タイプのベアリングは圧力が下がると完全に動かなくなる可能性があります。
• 全体的な電力消費は、通常、ボールベアリングに比べて高くなります。
• 消費電力と剛性または減衰は温度によって大きく変化するため、広い温度範囲の状況での流体軸受の設計と操作は複雑になります。
• 多くの種類の流体ベアリングは、衝撃状況や予期せぬ供給圧力の喪失により、壊滅的に固着する可能性があります。ボール ベアリングは徐々に劣化し、音響症状を引き起こします。
• ボールベアリングのケージ周波数振動と同様に、半周波数渦はベアリングの不安定性であり、偏心歳差運動を生成し、性能の低下や寿命の短縮につながる可能性があります。
• 流体漏れ: ベアリング内に流体を保持することは液体タイプの場合に難しい場合があり、状況によっては真空回収とろ過が必要になることがあります。
• オイル流体ベアリングは、オイル漏れが破壊的な影響を与える可能性がある環境や、メンテナンスが経済的でない環境では実用的ではありません。
• 流体ベアリング「パッド」は、ベアリングが傾いて片側から流体が失われるのを防ぐために、ペアまたは 3 つで使用する必要があることがよくあります。
• グリースレス機械ベアリングとは異なり、流体ベアリングは、一部の特殊な科学研究用途に必要な極低温では動作できません。

フォイルベアリングは、 1960年代にGarrett AiResearchによって高速タービン用途に導入された流体動圧空気ベアリングの一種です。作動流体としてガス（通常は空気）を使用し、外部加圧システムを必要としませんが、ベアリングが物理的に接触するスピンアップおよびスピンダウン中に摩耗を防ぐために注意深い設計が必要です。

水潤滑ゴムベアリングは、軸方向の溝で区切られた複数のゴムステーブを収容する長い円筒形の金属シェルを備えています。このベアリングの使用には、3つの主な利点があります。(i) ポンプで汲み上げた水をベアリングに通して潤滑剤として便利に使用すると、ポンプの運転コストが削減されます。(ii) 水の流れにより、ベアリングの溝から熱と微粒子が取り除かれます。(iii) ゴムの自然な弾力性により、衝撃や振動の吸収性、耐摩耗性に優れたベアリングになります。水潤滑ゴムベアリングは、混合潤滑の状態で動作します。^[5]

接触ローラー ベアリングとは異なり、エア ベアリング (またはエア キャスター) は、加圧空気の薄い膜を利用して、表面間の摩擦が非常に少ない荷重支持インターフェイスを提供します。2 つの表面は接触しません。非接触であるため、エア ベアリングは、摩擦、摩耗、微粒子、潤滑剤の取り扱いといった従来のベアリング関連の問題を回避し、バックラッシュやスティクションがないなど、精密な位置決めや高速アプリケーションで明確な利点を提供します。

ベアリングの流体膜は、ベアリング自体を通ってベアリング表面まで流れる空気です。エアベアリングの設計では、ベアリングの隙間から空気が絶えず漏れても、ベアリングの面間の圧力が作業負荷を支えるのに十分です。この圧力は、外部（空気静圧）または内部（空気力学的）で生成されます。

空気力学的ベアリングは高速アプリケーションでのみ動作し、空気静圧ベアリングは低速での荷重支持に必要です。どちらのタイプも、高度に仕上げられた表面と精密な製造が必要です。

エア ホッケーは、パックとプレーヤーのパドルを浮遊させて摩擦を少なくし、パックの高速化を維持する空気静圧ベアリングをベースにしたゲームです。ベアリングは、周囲圧力よりわずかに高い空気を送り出す周期的なオリフィスを備えた平面を使用します。パックとパドルは空気の上に浮かんでいます。

ミッシェル/キングズベリー流体力学ティルティングパッドベアリングは、英国生まれのオーストラリア人、アンソニー・ジョージ・マルドン・ミッシェルとアメリカの摩擦学者 アルバート・キングズベリーの両者によって、ほぼ同時に独立して発明された。両設計は、パッドを旋回させるためのアプローチの違いを除いて、ほぼ同じであった。ミッシェルは、スパン方向のラインピボットが配置された場所の圧力分布を数学的に導き、荷重が最大流体圧力の点を通して作用できるようにした。キングズベリーの特許にはこの数学的アプローチがなく、パッドの旋回点はベアリングの幾何学的中心に配置されていた。^[6]ミッシェルの特許（英国とオーストラリア）は1905年に付与されたが、キングズベリーの最初の特許取得は1907年であった。キングズベリーの米国特許は、彼が長年この概念に取り組んでいたことを証明した後、1911年に最終的に付与された。ミッシェルの長年の従業員であるシドニー・ウォーカーが述べたように、キングズベリーの特許の付与は「ミッシェルにとって受け入れがたい打撃」でした。

ベアリングにはセクション シュー、またはピボット上のパッドが付いています。ベアリングが作動すると、ベアリングの回転部分が粘性抵抗によって新鮮なオイルをパッド領域に運びます。流体圧力によってパッドがわずかに傾き、シューと他のベアリング表面の間に狭いくびれが形成されます。このくびれの後ろに加圧流体のくさびが形成され、可動部分が分離されます。パッドの傾きは、ベアリングの負荷と速度に応じて適応的に変化します。さまざまな設計の詳細により、過熱やパッドの損傷を防ぐためにオイルが継続的に補充されます。^[7]

Michell/Kingsbury の流体軸受は、水力発電所で数百トンのタービンや発電機を支えるなど、さまざまな高負荷回転機器に使用されています。また、船舶の プロペラシャフトなどの非常に重い機械にも使用されています。

実際に使用された最初のティルティング パッド ベアリングは、ミッシェルがレイノルズ方​​程式の 3 次元解を発表し特許を取得してからわずか 2 年後の 1907 年に、ジョージ ウェイモス (Pty) 社 (AGM ミッシェルの指導の下) によってオーストラリア ビクトリア州マレー川沿い​​のコフナにある遠心ポンプ用に製造されたと考えられます。1913 年までには、ティルティング パッド ベアリングの海洋用途における大きなメリットが認識されていました。このベアリングを装備した最初の英国艦は海峡横断蒸気船パリでしたが、第一次世界大戦中には多くの海軍艦艇に同様の装備が装備されていました。実際の結果は目覚ましく、問題となっていたスラスト ブロックは劇的に小型化、軽量化され、効率が大幅に向上し、メンテナンスの手間がほとんどなくなりました。ミッシェルのティルティング パッド ベアリングを装備した結果、英国海軍は 1918 年だけで石炭を 50 万ポンド節約したと推定されています。

ASME （参照リンクを参照）によると、米国で最初のMichell/Kingsbury流体軸受は、 1912年にホルトウッド水力発電所（米国ペンシルベニア州ランカスター近郊のサスケハナ川沿い）に設置されました。2.25トンの軸受は、約165トンの回転質量と水タービン圧力でさらに40トンの質量を持つ水車と発電機を支えています。この軸受は1912年以来、部品を交換することなくほぼ継続的に使用されています。ASMEは、2000年の時点でもまだ使用されていたと報告しました。2002年の時点で、製造業者はホルトウッドの軸受のメンテナンスフリーの寿命は約1,300年になると見積もっていました。

ティルティングパッドベアリングは、これまでエキスパンダー、ポンプ、ガスタービン、蒸気タービン、コンプレッサーなどの回転機器に不可欠な役割を果たしてきました。20世紀初頭から使用されてきた従来のバビットベアリングに加え、Mibaなどの現代のメーカーは、ベアリングの性能を向上させるために、青銅や銅クロムなどの他の材料も使用しています。^[8]

• 滑り軸受
• クーゲル噴水
• ゾンマーフェルト数

• キングズベリーのサスケハナベアリングに関する ASME の歴史パンフレット
• 91 ページ、10.6 MB の NASA 技術ハンドブック「機械要素の潤滑」、NASA-RP-1126、BJHamrock 著、1984 年、リンク切れ、新しいリンク。
• 設計用運動学モデル デジタル ライブラリ (KMODDL) – コーネル大学で実際に動作する数百の機械システム モデルの動画と写真。機械設計とエンジニアリングに関する古典的なテキストの電子書籍ライブラリも含まれています。
• [2] – Specialty Components Inc.におけるエアベアリングとそのさまざまな用途を紹介する技術的なディスカッション。
• [3] – 球面エアベアリングのビデオデモンストレーション。