工業用ポンプ、自動車のトランスミッション、農業機械など、回転機械を扱ったことがある人なら、潤滑剤の侵入と汚染物質の侵入を防ぐためにリップタイプの回転軸シール (LRSS) を使用したことがあるでしょう。しかし、多くの人が不思議に思わずにはいられないのは、信頼できるすべての LRSS には、リップの内側に小さいながらも重要なスプリングが組み込まれているのはなぜか、ということです。コイル状の目立たないコンポーネントは、シールが破損するまで見過ごされがちです。回転シャフト シールのサプライヤーとして、私は工場管理者、メンテナンス技術者、設計エンジニアとシール性能のトラブルシューティングに何年も費やしてきましたが、スプリングの役割はそのサイズが示すよりもはるかに重要です。そのスプリングが実際に何をするのか、実際の動作条件下でどのように機能するのか、そしてなぜ適切なスプリングを選択することが (高品質のシール材料と組み合わせて) 長期的な機器の健全性にとって交渉の余地がないのかを詳しく説明しましょう。
まず、リップ型回転軸シールがどのように機能するか、その根幹を理解してみましょう。シール自体は柔軟な素材 (最も一般的にはポリウレタンで、摩耗、油、極端な温度に対する耐性が高く評価されているポリマー) で作られており、回転シャフトにぴったりとフィットする円形のリップの形状になっています。このリップはシールの主な接触点です。グリースまたはオイルを保持するチャンバーと、塵、水、または破片がベアリングやギアに壊滅的な損傷を引き起こす可能性がある外部環境との間に、一貫した制御されたバリアを作成する必要があります。しかし、ここに落とし穴があります。リップだけではその密閉性を維持することはできません。シャフトはさまざまな速度で回転し、位置ずれや不均一な負荷によって小さな振動が発生し、さらには温度変化によってわずかに伸縮します。このスプリングがないと、リップが曲がりすぎたり、摩耗が早すぎたり、シャフトにまったく押し付けられなかったりして、漏れが発生したり、ダウンタイムに費用がかかったりします。
スプリングの最も基本的な仕事は、シールのリップ全体に均一な半径方向の力を加えて維持することです。ラジアル力は、シールの中心から外側に、シャフトに対して垂直にかかる圧力です。静的シール (動かないシール) では、この力は材料の弾性のみから生じます。しかし、回転シャフト シールは絶え間ない動きに対処するため、2 つの大きな課題が生じます。まず、シャフトが回転し始めると、リップとシャフトの間に閉じ込められた潤滑剤の薄い層によって生じる流体摩擦によってリップがわずかに引き離され、接触圧力が減少します。第二に、完璧に機械加工されたシャフトであっても、表面には小さな凹凸（微小な傷、粗さ）や振れ（回転時の小さなぐらつき）があり、その部分でリップが持ち上がって圧力が失われることがあります。スプリングは両方の問題に対処します。スプリングはシールのリップの外周に巻き付き、変動を補償する一貫した均等に分散された力でシールをシャフトにしっかりと引っ張ります。私は、遠心ポンプをスプリング付き LRSS からスプリングレス設計に切り替えた食品加工業界の顧客からこの状況を直接見てきました。 3 か月以内に、生産ライン全体に食用油が漏れるようになり、テストの結果、シャフトの振れの多い部分でバネのないリップが 0.02 ミリメートル持ち上がっていることが判明しました。これは潤滑剤が漏れるのに十分な量です。交換して元に戻すと、漏れはすぐに止まり、当社はそのラインにこれらのシールを 5 年間供給し続けています。
この一貫した力は、不均一な摩耗を防ぎ、シールの寿命を直接延ばします。シールが回転すると、リップはその耐用年数にわたって何百万回もシャフトと接触します。接触力が不均一であると (ある場所では弱すぎ、別の場所では強すぎる)、摩耗が加速します。圧力が強いとリップの材質が早く摩耗しますが、圧力が弱いと汚染物質が浸透して隠れた摩耗が生じ、最終的には致命的な漏れにつながります。スプリングにより、リップ上のすべての点が同じ圧力になるため、摩耗がリップ表面全体に均等に分散されます。ここで、材料の選択がスプリングの役割と直接関係します。ポリウレタンのような硬質で低摩擦の材料を使用する場合 (ここで概説するように、シールにはカスタムの回転チューブ ポリウレタンを使用します)CPU ターニングチューブ ポリウレタン素材 シールを作成)、接触を維持するためにばねの力が材料の硬さを克服する必要はありません。柔らかいゴムを使用した場合は、より硬いスプリングが必要になりますが、ポリウレタンは柔軟性と耐久性のバランスが取れているため、リップを潰したり過度の摩擦を引き起こすことなく、スプリングが適切な量の力を加えることができます。ちなみに、過剰な摩擦も別のリスクです。スプリングがきつすぎると、熱が発生しすぎてシールの材料が破壊され、故障につながる可能性があります。当社のチームは、スイート スポットを達成するためにあらゆるスプリング サイズとシール素材の組み合わせをテストします。そのため、お客様と緊密に連携して、シールを特定のシャフト速度、負荷、動作環境に適合させることができます。
スプリングは、基本的な接触や摩耗以外にも、ほとんどのエンジニアが初期設計で考慮していない動的な動作条件に対処する上で重要な役割を果たします。圧力変動について話しましょう。油圧システムやギアボックスなど、回転シャフト シールの多くの用途では、シールを外側に押す内圧が発生します。待ってください。圧力をかけるとシールが形成されると思うかもしれませんが、特に高圧ではリップが変形し、特定の領域でリップがシャフトから押し離される可能性もあります。スプリングの力は内圧に対抗するように調整されているため、圧力が急上昇した場合でもリップは正しく装着されたままになります。私は最近、重労働の掘削作業中にファイナルドライブシールが漏れるという問題を抱えていた建設機械メーカーと仕事をしました。彼らの初期のシール設計には標準的なスプリングが使用されていましたが、機械に負荷がかかると、ドライブ内の油圧が上昇し、リップをシャフトから押し離してしまいました。スプリングのプリロード（シールを取り付ける前の初期張力）を調整して、スプリングが加える力を増加させ、圧力を相殺して漏れを止めました。この単純な変更により、コストのかかるドライブ システム全体の再設計を行う必要がなくなりました。
振動も大きな要因です。ほとんどの回転機械は、エンジンのパルス、重機の路面振動、さらには高速ポンプの固有振動など、ある程度の振動を伴って動作します。シールが振動を受けると、リップがシャフト上で微小に移動し、一時的に接触が切断されることがあります。スプリングの引張強度により、これらの微小なずれを通じてリップがシャフトに固定され、機械が完全にスムーズに動作していない場合でも、継続的なシールが維持されます。風力タービンのギアボックスでもこれを経験していますが、シールの故障によりタービンが数週間停止し、エネルギー生産の損失で数万ドルの損失が発生する可能性があります。当社が風力タービン向けに提供するシールには、耐腐食性 (沖合または沿岸の場所に重要) を備えた高級ステンレス鋼のスプリングが使用されており、風で回転するタービンブレードからの一定の振動に対処できるように事前に張力がかけられています。このスプリングがなければ、振動によりリップの接触が崩れるため、最高のポリウレタン シールであっても 1 ～ 2 年以内に破損してしまいます。
現在、すべてのスプリングが同じように作られているわけではありません。これは、新規顧客が犯すよくある間違いです。彼らは、どのスプリングもどのシールでも機能すると思い込んでいます。リップ形回転軸シールのばねを選定する際に考慮する要素は「材質」「設計」「予圧」の3つです。スプリングの材質は耐久性を考慮する必要があります。ほとんどの標準的なシールには炭素鋼スプリングが使用されていますが、化学処理、食品および飲料、海上用途などの腐食環境では、油、酸、または塩水による錆や劣化に強いステンレス鋼スプリング (300 または 316 グレード) が使用されます。高温用途 (150°C/300°F 以上) の場合は、極度の熱にさらされても張力を維持するインコネルなどの高温合金スプリングも使用します。スプリングの設計も重要です。ほとんどのスプリングはシングルコイルですが、一部の高性能シールでは、特に直径の大きなシールでは、より均一な力の分散を実現するためにダブルコイルまたはリブ付きスプリングが使用されています。 3 番目の要素であるプリロードは最も重要です。プリロードとは、取り付け中にリップに力を加えるためにスプリングがどれだけ伸びるかです。プリロードが少なすぎると、リップが押された状態を維持できなくなります。多すぎると、摩擦と熱によりシールが早期に破損します。当社のエンジニアリング チームは、シャフト速度、潤滑剤の粘度、動作温度に基づいて予圧を計算します。たとえば、高速ポンプ (10,000 RPM) では、低速で移動するコンベア ギアボックスよりも低い予圧が必要です。これは、速度が高くなると流体摩擦が増加し、リップがより遠くに引っ張られるためです。
明確にしておきたいのは、スプリングは単独ではなくシール素材と連携して機能するということです。たとえ最高のスプリングであっても、粗悪なシールを修復することはできませんし、その逆も同様です。そのため、シール用 CPU ターニング チューブ ポリウレタンに関するガイド (ここにリンクCPU ターニングチューブ ポリウレタン素材 シールを作成）。ポリウレタンは、耐引裂性に優れ、摩耗が遅く、幅広い潤滑剤と適合するため、ほとんどの LRSS に最適ですが、万能の素材ではありません。たとえば、食品加工用途には FDA の食品接触基準を満たすポリウレタンが必要ですが、重機用途には汚れや塵による磨耗に耐えるポリウレタンが必要です。バネの力も素材に合わせて調整されます。柔らかいポリウレタンには軽いバネが必要ですが、より硬くて耐摩耗性の高いポリウレタンには接触圧力を維持するためにより硬いバネが必要です。
では、なぜこれが機器所有者にとって重要なのでしょうか?シールの破損は、産業用機械やモバイル機械における計画外のダウンタイムの最も一般的な原因の 1 つであるためです。最近の業界調査によると、製造工場の計画外ダウンタイムの平均コストは 1 時間あたり約 26 万ドルであり、多くの場合、回転シャフト シールの故障が引き金となります。シールに漏れがあると潤滑剤が漏れ、ベアリングの故障、ギアの損傷、さらには装置全体の故障につながる可能性があります。シールの交換には 500 ドルから 5,000 ドルの部品がかかりますが、交換にかかるダウンタイムにはその 100 倍の費用がかかる場合があります。あの小さなバネ？これが、5 ドルのシールが 1,000 時間ではなく 10,000 時間持続し、コストのかかるダウンタイムを防ぐ理由です。
回転シャフト シールのサプライヤーとしての私たちの仕事は、単に部品を販売することではなく、お客様がそれらの部品が機能する詳細を理解できるよう支援することです。リップ型回転軸シールのスプリングは、単なる金属のランダムなコイルではありません。機械の稼働を維持するために、力、柔軟性、耐久性のバランスをとった精密部品です。動き、振動、圧力変動、材料特性を補償して、潤滑剤の侵入と汚染物質の侵入を防ぐ一貫したシールを作成します。プロジェクトに取り組んでいて、アプリケーションに適したシールとスプリングの組み合わせを選択するのにサポートが必要な場合は、遠慮せずに当社のチームに連絡してニーズについて話し合ってください。私たちは、シールコンポーネントの見落としに伴うダウンタイムとコストを回避するお手伝いをします。
参考文献
- コンサリ、MM、ピーターソン、MB (2007)。高度なトライボロジー: ベアリングの設計と潤滑。ワイリー。
- 回転シャフト用のゴムまたはプラスチックのリップシールの標準的な方法。 （2018年）。 ASTM インターナショナル、D7156-18。
- 「産業運営における計画外のダウンタイムのコスト」。 Plant Engineering Magazine の 2023 年レポート。
- バリシールズ株式会社「シール用CPUターニングチューブポリウレタン素材」技術データシート、2024 年。