2019 Fiscal Year Research-status Report
Structure of slip-thrust-bearing using slip of lubricant on bubble held in water-repellent dimple
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18K03913
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| Research Institution | Kochi University of Technology |
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Principal Investigator |
竹内 彰敏 高知工科大学, システム工学群, 教授 (30206940)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 撥水処理 / 気泡 / ディンプル / 摩擦低減 / スラスト軸受 / 超音波法 / 渦電流法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本軸受では，親水性の平坦なスラスト軸受面の一定領域に，気泡と親和性の高い撥水性微小穴を多数配置し（例えば，直径100μm，深さ約5μmの凹部を200μmピッチで配置），穴内面に保持させた気泡上の潤滑剤をスリップさせる領域と，スリップが発生し難い平坦な親水性領域を滑り方向に交互に配置し，両領域でのせん断流量差を補うために発生する圧力により荷重を支持する構造を有している．本軸受機能の実現に向けて，本年度｛平成3１年度（令和元年度）｝は，摺動に伴う，撥水・親水性の凹部や棚部に存在する微小気泡の挙動，浸漬状態にある潤滑面凹部での気泡保持に及ぼす軸受端の影響等，本軸受が遭遇する幾つかの条件下での気泡挙動について調査した．また，鋼製軸受での潤滑状態評価に欠かせない新しい超音波・渦流複合探触子の試作と改良を行い，潤滑状態評価の可能性を検討した．その結果，以下の内容が明らかになった．
１）全面親水面では穴部に付着した気泡も剥離して移動するのに対し，全面撥水面では気泡の移動は認められなかった．一方，凹部内面を撥水性，棚部を親水性とした面では，棚部気泡の撥水穴部への付着・保持や系外への排出，撥水穴部と親水棚部の組み合わせによる穴部への気泡の停留が観測された．この気泡挙動は，本軸受構造の有効性を示している．
２）穴部気泡が常に潤滑剤で覆われた穴部撥水軸受面では，親水性の移動面の端部が気泡上を通過した後，再び同じ気泡上に戻る場合であっても，気泡は消滅することなく穴部に強固に停留されたままであり，軸受としての機能が維持されることが明らかになった．
３）鋼製軸受での潤滑状態評価を可能にするため，磁束の浸透深さを従来より大きくできる２重巻き線型コイル（内側と外側で電流の向きが逆）を用い，磁束の制御を行った新しい超音波・渦流複合探触子を試作し，3mm板厚軸受での観測を可能にした．
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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
上記のように，本年度は，摺動に伴う，撥水・親水性軸受面での微小気泡の挙動や，撥水凹部での気泡の保持に及ぼす軸受端の影響や親水棚部の効果等，実軸受への本軸受構造の適用の可能性を探る上で重要となる基礎的な情報を得ることができ，また，鋼製軸受での潤滑状態評価に欠かせない新しい超音波・渦流複合探触子の有効性も確認できたため，「おおむね順調に進展している」と判断した．詳しくは以下に示す．
１）2面間の膜厚を10μmに保った状態で，摺動速度を10mm/s～100mm/s まで変化させた場合，凹部内面のみを撥水性とし，棚部を親水性とした面では，高摺動速度下においても気泡は凹部から離脱することなく保持され続けたが，棚部の気泡は移動して，隣接する撥水性の穴部に付着・保持されるか，系外にそのまま排出された．またこの際，撥水性の穴部気泡の一部が親水性移動面の移動初期に親水性の棚部に引き出される兆候を示すが，その後穴部に引き戻され，摺動の全過程で安定に停留し続けることも明らかになり，棚部親水処理により気泡を撥水性穴部に限定して保持できることが確認された．
２）穴部気泡が潤滑剤で常に覆われた状況下で，親水性移動面の端部が観察気泡上を通過して再び同じ気泡上に戻る場合，全面撥水軸受面では，移動面の復路において凹部の気泡が棚部に引き出されるのに対し，穴部撥水・棚部親水軸受面では，往路でも復路でも気泡の成長は認められず，移動面が凹部気泡に再突入する場合でも，気泡は穴部に安定して停留したままである．
３）潤滑膜厚さと気泡含有率の同時独立観測を可能にする超音波・渦流複合探触子を，より厚い鋼製軸受に適用するため，磁束の浸透深さを大きくできるよう，円筒状に巻いた細線コイルの外側に電流の向きがそれと逆方向になるようにコイルを２重に巻いた，新しい探触子を試作して3mm板厚軸受での観測を可能にした．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までの成果により，本軸受構造での軸受機能の発現が期待できることが明らかになった．そこで，最終年度では，当初の軸受としての可能性の把握を目的とした基礎実験に加え，より実際の運転状態に近い条件下での軸受特性を調べることを目的とし，実験内容を絞り込み，下記の主要項目について検討することとした．
１）撥水凹部を有する扇状テクスチャ領域と，それを持たない平坦な扇状親水領域を隣り合わせに交互に配置したガラス製の円盤状スラスト軸受（試験機は設計済み）を用い，これまでと同様の光学的手法により，高せん断場での気泡挙動の詳細な観測と摩擦特性の把握を行う．併せて，直径1.6mmの光学ファイバー型圧力センサにより，軸受の発生圧力やその分布を明らかにする．
２）一組の扇状単位軸受毎に給水用の半径方向スリットを設けた軸受を製作し，同様の実験を行う．この軸受構造は，スラスト荷重を支持する平面状の軸受に散見される構造であり，実軸受への適用可能性を見極めるのに適している．
３）上記実験で，本軸受構造の実軸受への適用可能性を明らかにした後，同形状の鋼製軸受を用いて，潤滑状態や軸受特性の把握を行う．この際，鋼製軸受（非透光性）での潤滑状態把握のために，新しく製作した超音波・渦流複合探触子を用いるが，軸受の表面に設置した探触子からの磁束を，5mm程度の肉厚部を通して軸受裏面（潤滑面）まで浸透させる必要があるため，更なる磁束の高密度化を検討する．
以上の実験結果を通し，本軸受が安全にそして安定して機能できる作動範囲とそこでの軸受特性の改善の程度等を見極め，実軸受としての総合評価を行う．
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| Causes of Carryover |
１）次年度使用額が生じた理由: 本年度は，前述のように，本軸受が遭遇する幾つかの条件下での気泡挙動の観測と実軸受への適用可能性の見極めが主であった．そのために，平行平板型低速摺動試験機の改造（特に光学系）と，新しい超音波・渦流複合探触子の試作を行い，検討を重ねてきたが，その過程で，本軸受構造の実現可能性が見えてきた．そこで，当初の基礎特性の把握に加え，実軸受への適用も考えに入れ，より薄膜・高速（高せん断場）下での気泡挙動や軸受特性の把握と，より厚い（5mm程度）鋼製軸受での潤滑状態評価を可能にするための実験系の再構築の必要性が高まり，現在，次年度の完成に向けた取り組みを実施している．これにより，現実験系での実験の一部を新しい実験系で実施できる環境が整うため，現実験系の一部について製作・改良の必要性が薄れ，新しい実験系の製作費等に充当させることが可能になり，次年度使用額が発生した．
２）次年度使用額と当該年度以降の助成金を合わせた使用計画: 次年度使用分については，上記実験系の製作費として充てる．また，当該年度の助成金の使途については，新実験系の補機製作費に加え，申請内容に示した，撥水剤，精製水や試験片，マイクロブラスト加工，微小気泡発生用の造影剤，国内外の学会参加費・旅費への充当を計画しているが，多くは，潤滑診断システムと，それを搭載する上記の高速摺動試験機に充てられる．
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