軸受用非接触ラビリンスシールの設計・選定・実際の使用

鋳造工場のコンベアドライブは、ベアリングが故障するまで 8 か月間稼働しました。元のセットアップでは、シャフトに押し付けられるゴム製リップシールが使用されていました。研磨粉がリップの下を通ってシャフトに溝を刻み、最終的にはグリースを汚染しました。メンテナンスではベアリングを 2 回交換してから、非接触ラビリンスシールに切り替えました。新しいシールには擦れる部分がなかったため、シャフトが摩耗せず、曲がりくねった経路によってほこりのほとんどが入りませんでした。この変更によりベアリングの寿命が 3 年以上に延びました。

非接触ラビリンスシールは万能な解決策ではありません。汚れはあるが比較的乾燥した環境で、低摩擦、高速、または長寿命が必要な場合に最適に機能します。この記事では、それらがどのように機能するか、設計の詳細がどのような点に重要であるか、ベアリングの選択のどこに当てはまるかについて説明します。

非接触ラビリンスの実際の動作

ラビリンスシールは、回転シャフトと固定ハウジングの間に長く曲がりくねった隙間を作ります。単一の真っ直ぐな隙間の代わりに、パスは一連の溝と尾根をジグザグに通過します。塵、砂、水霧などの汚染物質は、ベアリングに到達するまでにその経路を移動する必要があります。ターンごとにパーティクルの方向が強制的に変更され、多くはパーティクルが通過する前にドロップアウトしたり、勢いを失ったりします。

シール部品間に物理的な接触がないため、滑り摩擦や摩耗がありません。それが中心的な利点です。また、シールが熱を発生しないため、リップシールのようにシャフト速度を制限することもありません。トレードオフは、迷宮が完全に狭いわけではないということです。少量の漏れは許容されますが、圧力がかかると液体や微粉の流入を抑えることはできません。絶対的な障壁ではなく、強力な抑止力として考えてください。

非接触ラビリンスシールがベアリングにメリットをもたらす理由

ベアリングは、潤滑の喪失と汚染という 2 つの主な理由で故障します。接触シールは汚染に対処しますが、抵抗と摩耗が増加します。ラビリンスシールは、これらのペナルティなしで汚染に対処します。実際には、それは次のことを意味します。

フリクショントルクを低減し、動力損失と発熱を低減します。
より高い許容速度。多くの場合、シールではなくベアリングケージや潤滑によって制限されます。
硬化、亀裂、膨潤の原因となるエラストマーを使用していないため、シールは広い温度範囲で機能します。
摩擦による磨耗がないため、メンテナンス間隔を長くすることができます。

これらの利点は、粉塵の多いプラントで稼働する高速モーター、ギアボックス、ポンプ、ローラーにおいて最も重要です。これらは、シャフト表面を硬化できない用途や、リップシールがシャフトに傷を付ける可能性がある用途でも重要です。

パフォーマンスを決定する設計の詳細

非接触ラビリンスはその寸法によって決まります。ラジアルすきまが最も重要です。きつく締めすぎると、熱膨張または振動中にローターがステーターに接触する可能性があります。緩すぎるとシールの効果が失われます。小および中型ベアリングの場合、ラジアルすきまは 0.1 mm ～ 0.3 mm が一般的です。より大きなベアリングには 0.3 mm ～ 0.5 mm が使用される場合があります。軸方向のクリアランスは、ギャップを埋めることなく熱膨張を許容する必要があります。

溝の数も重要です。単一の溝でも役立ちますが、要求の厳しい環境では 3 ～ 5 つのステージが一般的です。段数が増えると経路がより曲がりくねることになりますが、より多くの軸方向のスペースも必要になります。溝の形状は正方形、三角形、または円形にすることができます。四角い溝は加工が容易で、ほとんどの場合うまく機能します。

材料の選択は環境によって異なります。アルミニウムは軽くて加工が簡単ですが、湿った環境や化学環境では腐食する可能性があります。真鍮とステンレス鋼は耐腐食性に優れています。一部の設計では、接触が発生した場合にシャフトが損傷する可能性を減らすために、ポリマーまたは PTFE インサートを使用しています。

表 1: 回転機器の一般的な軸受シール方法の比較。
特徴	非接触ラビリンス	コンタクトリップシール	メタルシールド(ZZ)
摩擦	非常に低い	中程度から高程度	低い
最高速度	非常に高い	唇の速度によって制限される	高
防塵	乾いた粉塵に適しています	とても良い	フェア
耐水性	悪いからまあまあ	良い	貧しい
シャフトの摩耗	なし	溝を摩耗させることができます	なし
一般的なコスト	高er	低い	低い

非接触ラビリンスシールが適している場所と適さない場所

ラビリンスは、環境が粉塵が多く、速度が速く、液体への露出が最小限であるか、排出できる場合に使用してください。典型的な例には、産業オートメーションにおける電気モーター、ギアボックス、コンベアプーリー、ファン、送風機、トラックローラーなどがあります。また、熱と速度により接触シールが実用的ではない製鉄所や製紙機械でも効果を発揮します。

ベアリングが水没しているとき、高圧水による洗浄にさらされているとき、または接触シールが簡単で効果的である非常に低速で動作しているときは、迷路を避けてください。また、利用可能なスペースが適切な数の溝に対して小さすぎる場合も避けてください。そのような場合には、リップシールまたはコンビネーションシールの方が良い選択となる可能性があります。

ラビリンスシール用軸受の選択

多くの標準ベアリングは非接触ラビリンスで使用できますが、ハウジングとシャフトは非接触ラビリンス用に設計されている必要があります。深溝玉軸受は、ラジアル荷重と中程度のアキシアル荷重を処理し、ラビリンスハウジングに適合するサイズが入手できるため、一般的に選択されます。より大きなアキシアル荷重または合成荷重の場合、複列アンギュラ玉軸受はより広い接触角とより優れた剛性を提供します。トラックローラーとリニアガイドローラーは、汚れた高速直線運動システムで動作するため、ラビリンスシールが使用されることがよくあります。

Deep Groove Ball Bearings for Labyrinth Seal Designs

ラビリンスシール設計用深溝玉軸受非接触ラビリンスシール用の標準ベアリングを選択する場合は、このベアリングカテゴリを検討してください。ラジアル荷重および中程度のアキシアル荷重に対応する 42 および 43 シリーズオプションがあります。製品を見る→

軸受を指定する場合、ラビリンスを軸受に組み込むかハウジングに組み込むかを決定します。一体型シールはスペースを節約しますが、ベアリングと置き換えられます。ハウジングシールは個別に保守できるため、大型機器の場合はより経済的になる可能性があります。どちらの場合も、ベアリングの内径と外径の公差はシールキャリアと一致する必要があります。振れが0.05mmを超えると、すきまの不均一が発生し、シール寿命が低下する可能性があります。

32, 33 Series Double Row Angular Contact Ball Bearings

32、33シリーズ複列アンギュラ玉軸受 32・33シリーズは高い剛性で大きなラジアル荷重、アキシアル荷重を負荷できるため、工作機械主軸、自動車部品、精密機器などに適しています。製品を見る→

トラックローラーや直線運動の場合、シール設計には転動体を切り粉や塵から保護する金属ラビリンスが含まれることがよくあります。これらのローラーは、工作機械、自動保管システム、包装ラインで使用されます。非接触ラビリンスにより、リップシールの摩擦なしでスムーズな動きを維持できます。

LFR ゴシックアーチグルーブトラックローラーこれらの LFR トラックローラーは、応力分散、安定した高速または高負荷走行、およびオートメーションシステムでのスムーズな直線運動を実現するゴシックアーチ溝を使用しています。製品を見る→

アプリケーション固有のガイダンスが必要な場合は、次の記事を参照してください。適切なトラックローラーベアリングの選択負荷、速度、シールのトレードオフについて詳しく説明します。

設置とメンテナンスの実践

適切に設計された迷路であっても、設置が不十分であれば失敗する可能性があります。次の手順に従います。

組み立て前にシャフト、ハウジング、シールのコンポーネントを洗浄してください。たった一粒の砂でも封印が開いた状態を保つことができます。
ラジアルすきま、アキシアルすきまをすきまゲージまたはダイヤルインジケータで確認してください。将来の参照のために値を記録します。
互換性のあるグリースをラビリンスの溝に薄く塗布し、最初の数時間の操作中にほこりを捕らえやすくします。
排水穴が開いており、下を向いていることを確認してください。閉じ込められた液体がシールに浸水する可能性があります。
最初の 100 時間後、シールに摩耗や摩擦の跡がないか検査してください。必要に応じてアライメントを調整します。

定期メンテナンスの際には、ラビリンスに高圧水を直接噴射しないでください。ほこりを取り除くには、柔らかいブラシまたは低圧エアーを使用してください。シールがベアリングに一体化されている場合、シールが損傷した場合はベアリングを交換してください。

避けるべきよくある間違い

シール性を向上させるにはクリアランスの設定が厳しすぎる。これは摩擦、熱、早期故障の原因となります。
熱膨張を無視します。動作温度でシャフトが 0.2 mm 伸びると、コールドクリアランスを閉じることができます。
フラッドアプリケーションで迷路を使用する。漏れてしまいます。
グリースの種類を混合します。グリースによっては、油や増粘剤によって分離し、迷路の経路を塞いでしまうものもあります。
排水溝を忘れてしまう。排水がないと、水と油が溝を満たし、汚染物質が内部に運ばれる可能性があります。

これらの問題はそれぞれ、簡単な設計レビューと組み立て時のいくつかの測定によって簡単に防ぐことができます。

非接触ラビリンスシールは、高速、粉塵の多い、または高温の用途でベアリングを保護する実用的な方法です。濡れた状態や水没した状態では接触シールの代わりにはなりませんが、適合する場所では摩擦を軽減し、シャフトの摩耗を回避し、ベアリングの寿命を延ばします。重要なのは、クリアランス、溝の数、材料、排水を個別の詳細ではなくシステムとして扱うことです。これらの要素が用途に適合すると、シールは静かに、そして長期間にわたってその役割を果たします。