流体軸受

流体潤滑（HD潤滑）は、流体膜潤滑とも呼ばれ、以下の要素から成り立っています。

1. 潤滑剤は、粘性のある流体でなければならない。
2. 軸受とジャーナル間の流体の流体力学的流れ挙動。
3. 流体膜が移動する面は、収束していなければならない。

流体潤滑（全膜潤滑）は、2つの接触面が潤滑剤の粘着性のある膜によって完全に分離されている場合に得られる。

したがって、膜の厚さは表面の粗さの合計を上回る。摩擦係数は境界層潤滑の場合よりも低くなる。流体潤滑は可動部品の摩耗を防ぎ、金属同士の接触を防止する。

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、粘性さえあれば液体でも気体でも構いません。コンピュータ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、ヘッドは流体潤滑によって支持されており、その流体膜は大気です。

これらの薄膜の大きさはマイクロメートルオーダーである。薄膜が収束すると、接触する表面に垂直な圧力が生じ、薄膜同士が押し離される。

ベアリングには以下の3種類があります。

• 自己作動型：相対運動によって膜が形成される。例：らせん溝軸受。
• 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する。
• 外部加圧式：外部からの加圧によって膜が形成される。

概念的には、ベアリングは大きく2つの幾何学的分類に分けられる。すなわち、ベアリングジャーナル（摩擦抵抗低減型）と平面スライダー（摩擦抵抗型）である。

レイノルズ方​​程式を用いることで、流体の支配原理を導出することができる。ただし、気体を用いる場合は、その導出ははるかに複雑になることに注意が必要である。

薄膜には圧力と粘性力が作用していると考えられる。速度に差があるため、表面の牽引ベクトルにも差が生じる。質量保存の法則から、圧力が上昇し、体積力も変化すると考えられる。

• 流体潤滑 – 特性：
  1. 最小厚さの点における流体膜の厚さは、荷重が増加するにつれて減少する。
  2. 荷重により液膜厚さが減少するにつれて、流体塊内部の圧力が上昇する。
  3. 流体塊内部の圧力は、最小クリアランスに近づくある時点で最大となり、最大クリアランスの位置で最小となる（発散による）。
  4. 圧力が上昇すると粘度が増加する（せん断抵抗が増加する）
  5. 粘度の高い流体を使用すると、最小クリアランス点における油膜厚さが増加する。
  6. 同じ負荷の場合、流体の粘度が増加すると圧力も増加する。
  7. 一定の負荷と流体条件下では、速度が増加するにつれて液膜の厚さが増加する。
  8. 潤滑油の粘度が高くなるにつれて、流体摩擦は増加する。
• 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率の減少につながる傾向がある。
  3. これに伴い、最小膜厚が増加する。
• 流体力学的条件 – 荷重:
  1. 負荷の増加は最小フィルム厚さを減少させる
  2. また、フィルム内部の圧力を高めて対抗力を生み出す。
  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を押し出す傾向がある。
  4. 圧力の上昇は流体の粘度を増加させる

軸受特性番号：粘度、速度、荷重は流体力学的状態の特性を決定するため、これらの要因が油膜厚さに及ぼす影響に基づいて軸受特性番号が開発されました。

速度の増加は最小膜厚を増加させる

粘度の上昇は最小膜厚の増加につながる

負荷の増加は最小フィルム厚さを減少させる

したがって、

粘度 × 速度/単位荷重 = 無次元数 = C

Cはベアリング特性数として知られています。

Cの値は、ある程度、流体潤滑が発生するかどうかの指標となる。

• 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、静圧式ベアリングは減圧されると完全に動かなくなる場合がある。
• 流体システムの摩擦低減効果は、流体維持システムの電力需要によって相殺されるため、全体的な消費電力は一般的にボールベアリングよりも高くなります。
• 流体軸受は、他の機械式軸受と比較して、消費電力や剛性・減衰特性が温度によって大きく変化するため、一部の特殊な科学研究用途に必要な極低温環境では動作させることができません。
• 多くの種類の流体軸受は、衝撃や予期せぬ供給圧力の低下によって致命的な故障を起こす可能性があります。一方、ボール軸受はより緩やかに劣化し、異音などの症状が現れます。
• 半周波数旋回は、偏心歳差運動を発生させるベアリングの不安定性であり、ボールベアリングのケージ周波数振動と同様に、性能低下や寿命短縮につながる可能性があります。
• 液体軸受では液漏れが問題となる場合があり、状況によっては真空回収やろ過が必要になることがあります。
• 油や水銀などの一部の流体は環境汚染を引き起こす可能性があり、漏洩や機器の廃止後には大規模な修復作業が必要となる。
• 流体軸受の「パッド」は、軸受が傾いて片側から流体が漏れるのを防ぐため、多くの場合、2個または3個を組み合わせて使用​​する必要があります。

フォイルベアリングは、1960年代にギャレット・エアリサーチ社によって高速タービン用途に導入された流体動圧式空気軸受の一種です。作動流体として気体（通常は空気）を使用し、外部加圧システムは不要ですが、軸受が物理的に接触する回転開始時と停止時に摩耗を防ぐために、慎重な設計が必要です。

水潤滑ゴム軸受は、軸方向の溝で隔てられた複数のゴム棒を収容する長い円筒形の金属シェルを備えています。この軸受の使用には、次の 3 つの大きな利点があります。(i) 軸受を通過するポンプで汲み上げた水が潤滑剤として便利に使用できるため、ポンプの運転コストが削減されます。(ii) 水の流れが軸受の溝を通して熱と微粒子を運び去ります。(iii) ゴムの自然な弾力性により、軸受は衝撃や振動の吸収、耐摩耗性に優れています。水潤滑ゴム軸受は混合潤滑の条件下で動作します。^{[ 5 ]}

接触式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、加圧された空気の薄膜を利用して、表面間の摩擦を極めて低く抑えた荷重支持界面を実現します。2つの表面は接触しません。非接触式であるため、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特有の問題を回避し、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用途において明確な利点を提供します。

ベアリングの流体膜は、ベアリング内部を流れてベアリング表面に到達する空気です。エアベアリングの設計は、ベアリングギャップから空気が絶えず漏れ出すにもかかわらず、ベアリング面間の圧力が作動荷重を支えるのに十分な値となるように工夫されています。この圧力は、外部（静圧）または内部（動圧）で発生させることができます。

空気動軸受は高速用途でのみ使用可能であり、低速での荷重支持には空気静軸受が必要となる。どちらのタイプも、高精度な表面仕上げと精密な製造が求められる。

ミッチェル/キングスベリー流体動力傾斜パッド軸受は、イギリス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・ミッチェルとアメリカのトライボロジスト、アルバート・キングスベリーによってほぼ同時に独立して発明されました。パッドのピボットに使用されるアプローチの違いを除いて、両方の設計はほぼ同じでした。ミッチェルは、スパン方向の線ピボットが配置される圧力分布を数学的に導出し、荷重が最大流体圧力の点を通過するようにしました。キングスベリーの特許にはこの数学的アプローチがなく、パッドのピボットポイントは軸受の幾何学的中心に配置されました。^{[ 6 ]}ミッチェルの特許（イギリスとオーストラリア）は1905年に付与され、キングスベリーの最初の特許申請は1907年でした。キングスベリーの米国特許は、彼が長年この概念に取り組んできたことを証明した後、最終的に1911年に付与されました。ミッチ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、キングスベリーの特許付与は「ミッチェルにとって受け入れがたい打撃だった」。

ベアリングには、ピボット上の分割されたシューまたはパッドがあります。ベアリングが作動しているとき、ベアリングの回転部分は粘性抵抗によって新しいオイルをパッド領域に運び込みます。流体圧力によりパッドがわずかに傾き、シューと他のベアリング面との間に狭い狭窄部が形成されます。この狭窄部の後ろに加圧された流体のくさびが形成され、可動部品を分離します。パッドの傾きは、ベアリングの荷重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 ]}

ミッチェル/キングスベリーの流体軸受は、水力発電所で数百トンもの重量を持つタービンや発電機を支えるなど、幅広い種類の重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のような超大型機械にも使用されています。

おそらく、最初の傾斜パッド軸受は、ミッチェルがレイノルズ方​​程式の三次元解を発表し特許を取得したわずか2年後の1907年に、ジョージ・ウェイモス社（AGMミッチェルの指導の下）によって、オーストラリア、ビクトリア州のマレー川沿い​​のコフナにある遠心ポンプ用に製造されたものと思われる。1913年までに、傾斜パッド軸受の優れた利点が船舶用途で認識されるようになった。この軸受を装備した最初の英国船は、ドーバー海峡横断蒸気船パリ号であったが、第一次世界大戦中には多くの海軍艦艇にも同様の装備が施された。その実用的成果は目覚ましいものであった。厄介なスラストブロックは劇的に小型軽量化され、効率が大幅に向上し、メンテナンス上の問題もほとんどなくなった。ミッチェルの傾斜パッド軸受を装備した結果、英国海軍は1918年だけで50万ポンド相当の石炭を節約できたと推定されている。

ASMEによると、米国で最初のミッチェル/キングスベリー流体軸受は、 1912年にホルトウッド水力発電所（ペンシルベニア州ランカスター近郊、サスケハナ川沿い）に設置された。この2.25トンの軸受は、回転質量約165トンの水力タービンと発電機を支え、さらに水力タービンの圧力で40トンの荷重がかかる。この軸受は1912年以来、部品交換なしでほぼ​​連続稼働している。ASMEは2000年時点でもまだ稼働中であると報告している。2002年時点で、製造元はホルトウッドの軸受のメンテナンスフリー寿命は約1,300年と見積もっていた。

これまで、傾斜パッドベアリングは、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おいて重要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、ブロンズや銅クロムなどの他の材料も使用しています。^{[ 8 ]}