2020 Fiscal Year Research-status Report
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18K03909
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
畠中 清史 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 講師 (40325577)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | トライボロジー / ロータダイナミクス / 機械要素 / すべり軸受 / ジャーナル軸受 / 浮動ブシュ軸受 / 高速回転 / 油膜幅縮小 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、浮動ブシュ軸受で見られる特異現象の理論的な解明を目指す。
浮動ブシュ軸受は小型高速回転機械を支えるジャーナル軸受で、特殊な構造をしている。浮動ブシュ軸受で支える高速回転軸では、オイルホイップと呼ばれる自励振動が発生して危険な運転状態になっても、軸回転速度を高めればその振動を消滅させることができる。
この現象は軸受分野における未解明問題の１つであり、これを合理的に説明できる理論モデルは未だに完成していない。申請者は、この特異現象が浮動ブシュ軸受の内側で油膜幅が縮小するために生じると推測している。本研究の目的は２つある。１つ目は実現象の把握である。高速浮動ブシュ軸受の内側すきまの油膜を模擬した軸受試験装置を設計開発し、油膜幅縮小現象に関する可視化実験を行い、理論モデルの構築に必要となる実験データを取得し、その評価を行う。２つ目は理論モデルの構築である。実験結果をもとにして理論モデルを提案し、これを用いて実験結果を合理的に説明する。
第１の目的について、低振動レベルのもとで目標最高回転速度（50000min-1）にまで到達できる供試軸に、供試軸受を装着する実験を新たに実施した。本年度は、アクリル樹脂製の透明な軸受を用いることにより油膜の観察実験を行い、本実験装置において油膜幅の縮小現象が実際に生じることを確認した。
第２の目的について、軸受外部から軸受すきま内に空気が侵入して油膜の幅が狭まる状況をシミュレーションするのに粒子法の１種であるMPS法が適していると判断した。これをもとに、同心状態にあるすべり軸受の油膜解析を行うための理論モデルを提示し、プログラム開発に着手し始めた。本年度は、油膜幅が指定されている場合の油膜駆動トルクの算出を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
第１の目的について、年度当初は、供試軸受を装着して、高速回転時に軸受すきま内に外部から空気が引き込まれて油膜幅が縮小する現象を再現することを目指した。
高速浮動ブシュ軸受の内側油膜は、直接観察することは困難である。このため、内側油膜そのものではなく、それを模擬した真円軸受の実験装置とした。本実験装置に要求される７つの項目のうち、未達のものを列挙すると、(4) 供試軸受の油膜が観察できる、(5) 供試軸受の油膜トルクを測定できる、(6) オイルホイップが発生しても破壊に至らない。本年度の研究は概ね順調に進捗し、未達の３項目のうち、(4)と(6)を実現できた。具体的には、供試軸にアクリル樹脂製の透明な軸受を装着して油膜の観察実験を行い、油膜幅の縮小現象が生じることを確認した。縮小現象が生じたときの軸回転速度では、真円軸受の場合、オイルホイップが生じて供試軸が軸受すきま内で大振幅の振動を起こす状況となるため、油膜と空気の境界面が見えにくくなる。しかし、本実験装置では、その振動を押さえ込むことに成功したため、明瞭な境界面を観察することができた。
第２の目的については、年度当初は、軸受外部から軸受すきま内に空気が侵入して油膜の幅が狭まる状況をシミュレーションするのに、MPS法とSPH法のどちらの粒子法が適しているのかを判断し、理論モデルを具体的に提示したうえで、そのモデルにもとづくプログラム開発に着手することを目指した。
本年度は、MPS法が適しているとの判断を下した上で、同心すべり軸受の油膜解析を行うための理論モデルを提示した。また、油膜幅が指定されている場合の油膜トルクの算出を行うことができるプログラムの開発まで終えることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
第１の目的について、供試軸受を装着した実験を継続する。まずは、前記未達の項目(5)の達成を目指す。また、現象がどのように起こるのかについて詳細に調べるとともに、軸受設計変数を変更した場合に油膜幅の縮小現象にどのような影響が現れるのか、どのような条件が揃うときにそれが生じるのか、についても調べる。これに加え、本年度の実験で明らかになった問題点を解消する。具体的には、油膜幅の縮小現象が実際に生じることを確認できたものの、縮小幅は均等にはならないという問題である。供試軸の中心線と供試軸受の中心線がねじれの関係にある、いわゆるミスアラインメント状態が引き起こす問題である可能性が高いと睨んでいる。この状態を解消できる機構を考案し、実験装置に付与することを最優先に目指す。
第２の目的については、理論モデルにもとづくプログラム開発を継続する。今後は、油膜幅が時々刻々変動する状況下にあっても、油膜トルクの算出が可能なプログラムの開発を目指す。その後、高速同心すべり軸受の油膜を対象とするモデルに拡張する。なお、MPS法の進展は目覚ましいものの、精度上の問題があるとの指摘を受けている。これに対し、本年度末に高精度モデルが公表された。このモデルの適用についても視野に入れる。
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