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高温炉を通るローラーチェインの設計における金属軸受けと軸の隙間の考慮
- 高温炉を通るローラーチェインの設計において、金属軸受けと軸の隙間の問題が生じています。
- 設計者は、常温時と高温時の隙間を考慮し、金属軸受け材と軸材の熱膨張係数の差に基づいて隙間を設定していますが、客先からは異なる見解が提示されました。
- 客先の指摘によると、軸受けの内径は熱膨張により縮むため、設計者の方法では適切ではないとされています。設計者はこの点について調査を行っています。
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その他の回答 (8)
角パイプ（□）や丸パイプ（○）其々を例に出してみて下さい。 そして、熱膨張の基点は中心位置と説明下さい。 先ず、角パイプは４面の板が熱膨張で伸びますので、 ＊ 板内の四角は、熱膨張分だけ大きく（長く）なり ＊ 板厚も、熱膨張分だけ大きく（厚く）なり ＊ 板外の四角は、熱膨張分だけ大きく（長く）なり 全体が熱膨張分だけ大きくなります。 次に、丸パイプも中心位置を基点に ◇ 板内の内径は、熱膨張分だけ大きく（長く）なり ◇ 板厚も、熱膨張分だけ大きく（厚く）なり ◇ 板外の外径は、熱膨張分だけ大きく（長く）なり またも、全体が熱膨張分だけ大きくなります。 因って、丸パイプの内径は熱膨張によって大きくなります。 また、小さく根拠（力）は、何が影響するのでしょうか？ を、ネットの友達が言っていたと確認して、前述の内容も説明下さい。
お礼
お礼が遅れ、申し訳ありません。 >また、小さく根拠（力）は、何が影響するのでしょうか？ 根拠は示されず、経験的にそうなる、当社では昔からこう考えているの 一点張りで、困っております。 色々調べてみたのですが、今回は当てはまらないのですが、摩擦熱で 軸および軸の周辺だけが熱を持つ場合があるようです。 その場合、プレートの外側は熱膨張しないため、周辺固定で熱膨張する 可能性はあるようです。 ただし、それでも、客先の言うような計算式にはならないと考えております。
Ｑ１ 加熱すると、軸は熱膨張で大きくなる、軸受けの内径は熱膨張分だけ縮む のでしょうか？ Ａ１ 軸受けの内径は縮みません。 熱膨張分だけ、相似形で大きくなります。 ガラス瓶の金属キャップが取れない場合、お湯に付けてねじると、割と 簡単に廻せます。これは、金属の線膨張係数がガラスより大きいから 金属キャップとガラスの隙間が大きくなり、又は圧入代が少なくなり 廻し易くなった事によるものです。 因って、線膨張係数補正は、軸径又は穴径にその材質の線膨張係数× 上昇温度を加えて考慮下さい。
お礼
私も縮まないと考えているのですが、焼きばめの例を挙げても 理解いただけないんですよね。
これは回答 5) １Ｎの涙 さんの回答通りだと思いますよ。 金型で焼き嵌めをしたりベアリングヒーターでベアリングを過熱したり します。 必ず穴は大きくなるが、先に圧入された状態での内部応力が開放される 方向に働くはず。 圧入代も計算に入れないと正確では無いと考えます。
お礼
なるほど、そうしますと、最大で圧入代分は予想よりも隙間が 小さくなると考えれば良いわけですね。 的確なアドバイスありがとうございます。
軸・穴とも温度が上がれば径は大きくなります（縮む事は有りません）。 熱での変化＝軸・穴の径×π（3.14）×線膨張係数×温度変化 答えをπで割れば変化後の径が出ると思います。 例えば 1円玉（20ｍｍ）10枚を円状に並べて下さい、次に10円玉（23.5ｍｍ）で同じ様に並べてみて下さい。 10円玉の方が内径・外径とも多きはずです（10円玉を熱膨張があった例え）。
お礼
アドバイスありがとうございます。 回答(1)の方にも書いたのですが、焼きばめで説明したり、 検証も行ったのですが、納得いただけず、小職の理解を超える 何かがあるかと思い質問した次第です。
私も客先の意見に賛成です。 四角のﾌﾞﾛｯｸを加熱すると全体が膨張します、これは理解できると思います。それに穴が開いていると同じ状況です。 この場合、穴などが無いから、外にしか伸びれない。 外周も熱により伸びようとしますが、内径部分も熱により伸びます。 しかし外側にﾌﾞﾛｯｸのボディが有る為に、伸びは内側に働きます。 従って穴は小さくなります。
お礼
外側が拘束されている場合、貴殿の仰るように内側に膨張し、 結果として内径が小さくなります。これは小職も理解できます。 金属のローラに樹脂のブッシュを入れた場合なども似たような 現象になることはあります。 リンクプレートの外側の温度が変化せず、ブッシュだけが熱を 持った場合も、ある程度外側が拘束されますため、ブッシュが内側に 膨張することもあると考えます。 ただ、今回の場合、外側は拘束されていませんし、また、すべての部品で 温度差もほとんどないのです。したがい、すべての部品が膨張し、外に 拡がっていくというのが小職の考えなのですが。 また、計算式もいただいたのですが、そこには、穴は 内径×線膨張係数×温度差だけ縮むととなっておりました。 外側が拘束され、内側に膨張する場合、膨張するのは金属部分ですから、 (外径－内径)×線膨張係数×温度差になると考えます。 この部分も、小職の理解を苦しめている部分であります。 この点につきましても、アドバイスいただけると幸いです。
縮まると言う事はないと思いますよ。 詳しい事は判りませんが、あなたが言っている事を設備メーカから聞いたことはあります。 (通常ベアリングと耐熱ベアリングの差は温度による膨張分だけ中のクリアランスが大きくなっている。あとは耐熱グリースを使っているかどうか・・・と) また、よくベアリングがシャフトから抜けない時や入れにくいときに、バーナであぶって入れますよね。 これは、ベアリング側の内径を大きくして抜けやすくしてるのですから・・・ この説明で納得いくんじゃないですか？ 殆どの現場(PM)関係の技術者はバーナでのあぶりを経験していると思いますし、みんながそれをやっている事自体が、検証と言う事ではないですか。
お礼
回答ありがとうございます。 焼きばめ等の実例で説明したのですが、根拠等を仰られないまま とにかく縮まるの一点張りでして。 また、－20℃と20℃でローラーリンクの穴径を測定し、わずかながら 20℃の方が穴径が拡がっていることを検証したのですが、それでも 納得いただけず、相変わらず縮まるの一点張りでして困っていた 次第です。
ステンレスチェーンなら特別に作らなくても市販品で400℃までＯＫです。
お礼
アドバイスありがとうございます。 材質・精度等との絡みもありまして、市販のチェインの使用は難しく、 新規設計している次第です。
お礼
すばらしいアドバイスありがとうございます。 小職も圧入されていることにより、何か通常と違う事象がおこる 可能性はあると考えておりました。 また、貴殿の仰るように、「ブッシュ内径は予想熱膨張より小さく なってしまい相対的に軸とブッシュの隙間が不足ぎみになり易い」 という説明であれば、小職も理解いたします。 ただ、提示された計算式では、(内径×線膨張係数×温度差)分だけ 穴が縮小するとなっておりまして、その部分も小職の理解を妨げて おります。何らかの係数がかかっていれば貴殿の仰るような考えに 基づくものかなとも思えるのですが。 この点につきましても、良きアドバイスをいただければ助かります。
補足
すみません、「+」が抜けておりました。 下記の式が、正です。 ＞常温時隙間＝必要最小隙間+軸受け内径縮小分+軸外径膨張分 ＞ +リンクプレート穴の縮小分×0.6 ＞ ここで、 穴の縮小分=穴径×線膨張係数×温度変化分 つまり、軸受け内径は縮小する、さらにリンクプレート穴も縮小するけど、 こちらは軸受け内径に100%は影響しないだろうから60%だけ考慮しておこう ということみたいなのですが、それにしても珍妙な式で、理解に 苦しんでおります。 市販のローラーチェインの場合、常温下での運転であれば、摩擦によって 軸部分のみが熱を帯びますよね。そういった場合、リンクプレートの外周 は常温で、中心のみが熱を帯びるため、外側が拘束されたような状態に なり、軸受けが内に膨張し、結果として穴径が縮小する可能性はあると 思います。 ただ、その場合は、金属部分の膨張分だけ穴が縮小するわけですから、 (外径－内径)×線膨張係数×温度変化分が縮小分になると考えております。