水ポンプ組合せソフトパッキンのシール試験

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【キーワード】ポンプ・バルブ、シール試験【論文要約】水ポンプ用ソフトパッキングのシール試験 パッキングシールは、使用可能な材料が多く、加工が容易で、コストが安く、信頼性の高いシール性能を持ち、操作も簡単であるという特徴から、幅広い分野で利用されている。近年、シール材の発展に伴い、パッキンシールは材料、構造形式、各種特性の面で大きく改良されてきました。そのため、機械業界においてパッキンシールがより広範囲に利用され、良好な経済効果をもたらしています。 1 パッキングシールの動作原理 機械業界において、パッキングシールは主に動的シールとして使用される。遠心ポンプ、圧縮機、真空ポンプ、撹拌機などの回転軸のシールとしてよく使用される。パッキンシールを設計・選定する際には、機械設備の使用条件を主な考慮要素とすべきであり、パッキンの選択にあたっては以下の条件を満たす必要がある：（1）ある程度の可塑性を持ち、締め付け力によって一定の半径方向の力が生じ、軸面に密着することができる。 （2）十分な化学的安定性を有し、媒体を汚染せず、充填材が媒体によって膨潤せず、充填材中の含浸剤が媒体に溶解せず、充填材自体がシール面を腐食しない。 （3）充填材は自己潤滑性に優れ、耐摩耗性が高く、摩擦係数が低い。 （4）軸にわずかな偏位がある場合、パッキンは十分な可動弾性を有する必要がある。 （5）製造が簡単で充填が容易である。そのため、運転を続けるうちに充填剤内の潤滑剤が少なくなった後、再度潤滑剤を押し出して補給するとともに、体積変化によって生じる充填剤の圧縮力の緩みを補う必要がある。もちろん、このように頻繁に充填剤を圧迫すると最終的に含浸剤が枯渇してしまうため、定期的に充填剤を交換することが必要です。また、液膜を維持し摩擦熱を除去するために、充填部でわずかに漏れが生じるようにすることも必要である。 2 水ポンプ使用におけるガスケットの問題点 水ポンプのシールには、一般的に油浸石綿ガスケットまたは油浸綿糸ガスケットが使用される。油浸石綿のループは、耐熱性、柔軟性、強度が高いという利点があるが、致命的な欠点もある。すなわち、編み上げた後の表面が粗く、摩擦係数が高く、漏れが発生しやすいこと、さらに長期間使用すると浸透した潤滑剤が容易に失われてしまうことである。浸油綿糸のロッドガムは、水中に長期間浸していると非常に硬くなり、また膨張係数が大きいため摩擦力も大きくなる。実際の生産現場では、このような状況がよく起こります。新しく修理された機器は稼働を開始した当初は軸封の状態が良好ですが、間もなく漏れ量が次第に増えていき、圧蓋の調整や充填材の交換作業も頻繁に行われるようになります。1サイクルも経たないうちに軸受けが花瓶のように摩耗してしまい、深刻な場合には軸受けが破断することもあります。さらに、ウォーターシールリングの後ろ側で交換できないダンパー類はすべて腐食してしまい、密封機能を果たせなくなってしまいます。全体として、リング式シールには以下の欠点がある。（1）リング式シールが軸と直接接触し相対回転するため、軸とシールケーシングが摩耗し、そのため定期的または不定期にシールケーシングを交換する必要がある。（2）ガスケットとシャフトまたはシールリングとの間に発生する摩擦熱を迅速に逃がすため、ガスケットシールには一定量の漏れが必要であり、しかもそれは制御しにくい。（3）オイルシールと軸またはシールリングとの間の摩擦により、モーターの有効出力が低下し、電力が消費される。場合によっては5％～10％という驚くべき割合に達することもある。全体的に見ると、コルクパッキンには以下のような欠点がある。パッキンシールの原理から考えると、シール室内で流体が漏れ出す可能性のある通路は3つある。1つ目は、流体が繊維素材を貫通して漏れ出すことである；二つ目は、充填材と充填材ケースの間からの漏れです；三つ目は、充填材と軸表面の間からの漏れです。したがって、水ポンプの漏れを防ぐための最も重要な対策は：（1）適切なシールパッキンの選定です；（2）合理的なシールキャビティを設計し、適切なシール圧力を調整する。 3 複合ソフトパッキンシールの設計 設計されたパッキンキャビティの構造を図2に示す。充填材のキャビティ内には、炭素繊維、高純度グラファイト、ポリテトラフルオロエチレン、有機シール剤などから構成される優れたシール用ソフト素材が充填されている。耐熱性は－18℃～200℃で、最大圧力は0.7Mpa、最大線速度は8m/sです。耐腐食性に優れ、適用可能な媒体のpH値範囲は4～13で、主に水系媒体に適しています。この柔らかい充填材はゲル状で、摩擦係数が低く、混合物同士の分子間の引力も小さい。軸が回転する過程で、パッキング内の繊維が軸に巻き付き、軸と共に回転して「回転層」を形成します。この「回転層」は軸やシールリングを保護し、シールリングの摩耗を防ぎ、動力消費を低減する役割を果たします；「回転層」の直径が徐々に大きくなるにつれて、軸が繊維を巻き付ける能力は次第に弱まり、軸とは巻き付かず、充填剤室の内壁と相対的に静止した状態となり、充填剤室内に「せん断層」が形成される。このとき、相対的な回転運動による摩擦せん断領域は、充填剤と軸の間ではなく、充填剤の内部に存在することになる。また、注入した充填材の両端にポリテトラフルオロエチレン製の編み込み充填材を押し込み、この編み込み充填材の端環を利用して混合軟質充填材を圧縮する。軸が高速回転する際に、混合されたパッキン材が押し出されたり飛び散ったりしないように、パッキン室およびパッキンカバー部分に螺旋状の溝が設けられています。注目すべき点は、パッキンの両端にある螺旋溝の向きが互いに逆であることです。これにより、軸が回転するときに混合パッキン材が内側へと押し込まれる効果が生まれ、パッキン材の飛散を効果的に防ぐことができます。4 水ポンプの試験状況 組み合わせパッキンの設計・製作が完了した後、水ポンプ試験台で試験を行う。試験台の設計条件は以下の通りです：モーター回転速度1500r/min、作動圧力1MPa、媒体は清水、媒体温度は常温。 充填材の充填工程は、以下の手順で行われます。（1）充填材用のチャンバーを清掃し、軸の表面に傷やバリなどがないかを確認し、軸の粗さが図面で指定されているRa1.6を満たしていることを確保します；（2）ダイヤルゲージを使用して、軸のシール部における半径方向の振れを検査する。その許容差は0.03mm～0.08mmの範囲であるべきだ。（3）装着する際には、まず軸と同じサイズの木製棒を用意し、その棒に編み込みテフロン製のエンドリングを巻き付けてからナイフで切り離す。切り口は45度の傾斜になるのが望ましい。次に、パッキン溝と同じサイズの木製の二分割シースを用意し、それを軸に嵌め込んだ上で編み込みパッキンを溝の奥深くまで押し込む。そして、グランドパッキンを使って木製シースに一定の圧力をかけ、予備圧縮させる。この際、編み込みパッキンが溝の底で平らな状態を保つように注意する必要がある。（3）混合したグリース状の充填材を注入する際には、注入しながら木製の軸受けで圧縮していく必要がある。最後に、編み込み加工されたポリテトラフルオロエチレンを充填材の外側に置き、キャップを均等に締め付ける。その際、手で主軸を回転させることで、充填後の圧力が放物線状に分布するようにする。その後、キャップを少し緩めると、充填作業が完了する。運転試験を行い、運転を開始した直後は漏れは断続的な滴りが主であったが、漏れが増大すると、適宜プレートボルトを締め付けた。発熱が過度に高くなった場合は、ボルトを緩めてください。正常に動作するようになると、漏れはほぼ止まります。60時間の試運転後、パッキンシール室を開けて観察したところ、編み込み型ポリテトラフルオロエチレン製のエンドリングは形状が損なわれておらず、混合ソフトパッキンにも破損は見られず、軸にも摩耗の兆候は全くなかった。5 結論（1）組み合わせ型ソフトフィラーはポンプの機械効率を効果的に向上させ、軸の摩耗を低減した。充填材の圧縮部では長期間にわたって漏れがないため、環境を保護できる（2）メンテナンスが容易で、漏れ量が多い場合でも停止することなく充填材を注入できるため、ポンプの連続稼働時間が延び、人件費や修理費用を節約できる。初期の見積もりによると、省エネによりポンプ1台あたり年間数万円の節約が見込めます。 （3）組み合わせ型ソフトフィラーは広範な応用価値を持つ。