JP6575167B2 - 鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機で発生する駆動力を減速して車輪に伝達する鉄道車両用の歯車装置における非接触式シール装置に関するものである。

鉄道車両は、図４に示すように、電動機で発生する駆動力を、軸継手を介して歯車装置１の小歯車軸２に伝達し、この小歯車軸２の外周に形成した小歯車３に噛み合う大歯車４を経て車軸５に取付けた車輪に伝達し、走行するようになっている。

この歯車装置１は、小歯車３や大歯車４を収めたケーシング６内の潤滑油７を大歯車４の回転によって掻き揚げることで、大歯車４と小歯車３の噛み合い部Ａや、車軸５と小歯車軸２を支持する軸受８，９を潤滑している。

しかしながら、軸受８，９にも十分な潤滑油７を供給するには、ケーシング６内に十分な量の潤滑油７を確保する必要がある。この際、軸受８，９に供給された潤滑油７が軸受８，９を潤滑した後、ケーシング６内に戻って軸受８，９部より外部に漏洩しないことが必要である。

そこで、鉄道車両用の歯車装置１では、小歯車軸２と車軸５がケーシング６を貫通して突出する部分に、軸封装置を設けている。

輸送機械などの回転軸の軸封装置は、回転軸とケーシング部分が接触しない非接触シールと、回転軸とケーシングが樹脂部材等を介して接触することによりシール機能を確保する接触シールに分類され、装置の使用環境に応じて両者が使い分けられている。

鉄道車両の歯車装置では、小歯車軸や車軸がケーシングを貫通して突出する部分の軸封装置として非接触シールが採用されている。

しかしながら、非接触シールでは、ケーシングの内外に圧力差が生じた場合、非接触シールの流路内にガス流動が生じて内部に残留した潤滑油がガス流れによるせん断により輸送され、ケーシングの外部に漏出する問題が発生することがある。

なお、ケーシング内外の圧力差の発生原因としては、ケーシングの内部温度上昇による圧力上昇、トンネルへの侵入や列車同士のすれ違い等によるケーシング外部の圧力低下、軸継手部材の回転遠心力による圧力低下等が考えられる。

前記潤滑油の漏出トラブルを回避するため、非接触シールでは、図５に示すように、小歯車軸２や車軸５の軸受９，８からケーシング６の外側に至る領域に、多段のラビリンス流路１０を設けることでケーシング６の内外を繋ぐ通路を長くして密閉効果を高めるラビリンスシールが多く採用されている。

また、図６に示すように、小歯車軸２や車軸５の軸受９，８からケーシング６の外側に至る領域にスリンガ１１と称する突起を設けることにより、小歯車軸２や車軸５に沿って流出した潤滑油を遠心力で振り切り、潤滑油をケーシング６に戻す構造が採用されている。

鉄道車両用歯車装置では、図７に示すように、図４に示す多段のラビリンス流路１０と図５に示すスリンガ１１の両者を共に設けた非接触式シールによりケーシング６の内部からの潤滑油の漏れを抑制するものが多い（例えば特許文献１，２参照）。なお、図７中の１２は軸受蓋、１３は車軸５に取り付けた回転スリーブを示す。

しかしながら、多段のラビリンス流路やスリンガを単独で又は両者を共に設けるという基本設計指針だけでは、ケーシングの内部から一定量以上の潤滑油が浸入してきた場合は、本質的に潤滑油の漏出を防ぐことができない。

特許第５１３１９６８号公報 特公平６−６３５７３号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の鉄道車両用歯車装置のように、多段のラビリンス流路やスリンガを単独で又は両者を共に設けるだけの非接触式シール装置では、ケーシングの内部から一定量以上の潤滑油が浸入してきた場合には、本質的に潤滑油の漏出を防ぐことができないという点である。

発明者らは、鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置のシール性能のさらなる向上を図るため、ラビリンスシール内の油滴の流れを後述する混相流数値解析を行ってより詳細に検証した。

その結果、非接触式シールに大量の潤滑油が浸入してきた場合、浸入してきた潤滑油はケーシング内の回転部又は固定壁に接触した状態を維持しながら外部に漏出していくことが判明した。回転部に付着する場合は回転遠心力によりケーシングの内部に押し戻すことが出来るが、固定壁を伝って外部に漏出する油は機械的に防ぐ手段がない。

本発明は、ケーシングの内部から一定量以上の潤滑油が浸入してきた場合にも、潤滑油の漏出の許容限界を向上することを目的として、発明者らの上記検証に基づいてなされたものである。

本発明は、
電動機に軸継手を介して接続された小歯車軸に形成された小歯車と、車軸に取付けられた大歯車を噛み合わせてケーシング内に収めた鉄道車両用歯車装置の、
前記小歯車軸及び／又は前記車軸が各々前記ケーシングを貫通して突出する部分の軸受蓋又は当該軸受蓋と前記ケーシング間に設けられた固定スリーブ又は前記ケーシングと、
前記小歯車軸及び／又は前記車軸の、前記小歯車軸及び／又は前記車軸を回転自在に支持する軸受と前記軸受蓋との間に取り付けられた回転スリーブの、
それぞれの対向面にラビリンス流路及び／又はスリンガを設けた非接触式シール装置であって、
前記スリンガ及び／又は前記ラビリンス流路の外周側に位置する前記軸受蓋及び／又は前記固定スリーブ及び／又は前記ケーシングの内面に撥油処理を施したことを最も主要な特徴としている。

本発明では、スリンガ及び／又はラビリンス流路の外周側に位置する軸受蓋及び／又は固定スリーブ及び／又はケーシングの内面に撥油処理を施したので、前記内面に付着した潤滑油の前記内面からの剥離が促進される。従って、その結果としてスリンガ及び／又はラビリンス流路を形成する回転部の回転により発生する空気流及び回転表面との接触が促進されることにより、潤滑油をケーシングの内部に戻す作用が向上する。

本発明において、スリンガ及び／又はラビリンス流路を形成する回転部の表面に親油処理を施した場合は、前記回転部の表面への潤滑油の接触が促進され、結果として回転遠心力により、潤滑油をケーシングの内部に戻す作用が向上する。

本発明では、潤滑油をケーシングの内部に戻す作用が向上するので、潤滑油の漏出の許容限界を向上して非接触式シール装置のシール性能が向上する。

本発明の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の要部の断面図である。 撥油性及び親油性について説明する図である。 混相流数値解析により、本発明の特徴を有さない、図１に示した構造の非接触式シール装置における油粒子の流れの軌跡を示した図である。 油浴潤滑式の鉄道車両用歯車装置の断面図である。 多段のラビリンス流路を設けた非接触式シール装置を説明する図である。 スリンガを設けた非接触式シール装置を説明する図である。 従来の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の要部の断面図である。

本発明は、鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置のシール性能のさらなる向上を図るという目的を、例えば、スリンガの外周側に位置するケーシングの内面に撥油処理を施すことで実現した。

以下、本発明の一実施例を図１〜図３を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の要部の断面図、図２は撥油性及び親油性について説明する図、図３は混相流数値解析により、本発明の特徴を有さない、図１に示した構造の非接触式シール装置における油粒子の流れの軌跡を示した図である。なお、図１及び図３中、図４〜図７と同一番号は、同一部分或いは相当部分を示し、詳細な説明を省略する。

本発明の鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置は、例えば図１に示すように、車軸５の軸受からケーシング６の外側に至る領域に、軸受側から、ケーシング６と回転スリーブ１３により、狭間隙１４、大空間１５、狭間隙１６を順に形成している。また、回転スリーブ１３と軸受蓋１２により、小空間１７、ラビリンス流路１０、狭間隙１８を順に形成している。そして、前記大空間１５内に位置する回転スリーブ１３にスリンガ１１を設けている。

本発明は、上記した構成の非接触式シール装置の、例えば、前記スリンガ１１の外周側に位置する大空間１５（ケーシング６）の内面に撥油処理を施す一方、前記スリンガ１１の表面と大空間１５内に位置する回転スリーブ１３の表面に親油処理を施したことが特徴である。図１中の２１は撥油処理を施した面、２２は親油処理を施した面を示す。

本発明で言う撥油性や親油性は、図２に示すように、ケーシング等の金属面１９と、当該金属面１９に付着した潤滑油７の接触角θで定義される。

具体的には、表面処理を施さない金属面１９に滴下した潤滑油７の接触角θ（図２の紙面中央）よりも、表面処理を施した金属面１９に滴下した潤滑油７の接触角θが大きければ撥油性を有するということである（図２の紙面右側）。

一方、表面処理を施さない金属面１９に滴下した潤滑油７の接触角θ（図２の紙面中央）よりも、表面処理を施した金属面１９に滴下した潤滑油７の接触角θが小さければ親油性を有するということである（図２の紙面左側）。

上記構成の非接触シール装置の場合、軸受側から狭間隙１４を通って大空間１５に大量の潤滑油７が浸入すると、スリンガ１１や回転スリーブ１３の表面、大空間１５を形成するケーシング６の内面に潤滑油７が付着する。

その際、本発明では、大空間１５を形成するケーシング６の内面に撥油処理を施しているので、ケーシング６の内面に付着した潤滑油７のケーシング６の内面からの剥離が促進される。

その結果、スリンガ１１や回転スリーブ１３の回転により発生する空気流により、ケーシング６の内面から剥離した潤滑油７をケーシング６の内部に戻す作用が向上する。

また、スリンガ１１や回転スリーブ１３の表面に親油処理を施すことで、スリンガ１１や回転スリーブ１３の表面への潤滑油７の付着が促進されるので、その結果、回転遠心力により、スリンガ１１や回転スリーブ１３の表面に付着した潤滑油７をケーシング７の内部に戻す作用が向上する。

従来技術に対する本発明の進歩性を確認するために、発明者らは、混相流数値解析及びベンチ回転試験を実施した。

混相流数値解析は、汎用のＣＦＤ（数値流体力学）の一つであるFluentを使用して行った。

具体的には、スリンガ１１の外周側に位置するケーシング６の内面への撥油処理と、スリンガ１１の表面への親油処理を行わない、図７に示す非接触シール構造を軸対称三次元計算モデルで表現し、回転スリーブ１３の外周面に運動壁面境界条件を、ケーシング６の内面に静止壁面境界条件を設定した。

そして、ラビリンス流路１０の入口付近と出口付近の気圧に差をつける境界条件を設定することで、空気と油滴が軸受部からラビリンス流路１０を通過して外部に流出する気液流れを誘起した。流体モデルとして、気体と液体の二相流状態を精度良く計算することが可能なVOF（Volume of Fluid）法を利用した。

スリンガ１１の外周側に位置するケーシング６の内面への撥油処理と、スリンガ１１の表面への親油処理を行わない、図７に示す非接触シール装置について混相流数値解析した結果を図３に示す。

図３では、狭間隙１４を通って大空間１５（ケーシング６）の内面を伝って漏れていく油滴７ａや、回転遠心力により振り切られて大空間１５（ケーシング６）の内面に捕捉されるスリンガ１１に接触した油滴７ｂなどが明確に捉えられている。なお、大空間１５の下部にはケーシング６の内部まで連通する戻し孔が設置されており、重力により油をケーシング６の内部に戻すことができる。

図３の結果を踏まえ、図１に示した非接触シール構造を備え、スリンガ１１の外周側に位置するケーシング６の内面に撥油処理を施した本発明の非接触シール装置と、スリンガ１１の表面にも親油処理を施した本発明の非接触シール装置を組み込んだ歯車装置を試作し、ベンチ回転試験により潤滑油７が漏出するか否かを判定した。

このベンチ回転試験で使用した歯車装置のケーシングは新幹線用のもので、油漏れを促進するために定格よりも多量の潤滑油を封入した。撥油の表面処理剤として株式会社ソフト99コーポレーション製の超ガラコ（商品名）を、親油の表面処理剤としてハリマ化成株式会社製の親水型機能性コート剤HFC-P01/H-240Mを使用した。

ベンチ回転試験の結果を下記表１に示す。下記表１に示したように、スリンガ１１の外周側に位置するケーシング６の内面に撥油処理を施した本発明の非接触シール装置や、スリンガ１１の表面にも親油処理を施した本発明の非接触シール装置では潤滑油の漏れが発生していないことがわかる。

つまり、本発明では、大空間１５（ケーシング６）の内面に付着した油滴７ａや、スリンガ１１に接触した油滴７ｂをケーシング６の内部に戻す作用が向上するので、非接触式シール装置のシール性能が向上する。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。

例えば、上記の例は、車軸５がケーシング６を貫通して突出する部分に本発明の非接触シール装置を適用したものであるが、小歯車軸２がケーシング６を貫通して突出する部分に適用してもよい。

また、上記の例では、軸受蓋１２と回転スリーブ１３でラビリンス流路１０を形成しているが、軸受蓋１２とケーシング６の間に固定スリーブを介在させ、この固定スリーブと回転スリーブ１３でラビリンス流路１０を形成してもよい。

また、上記の例に加えて、あるいは上記の例に代えて、ラビリンス流路１０を形成する回転スリーブ１３の表面に親油処理を施したり、ラビリンス流路１０の外周側に位置する軸受蓋１２や固定スリーブの内面に撥油処理を施してもよい。

以上の本発明は、鉄道車両用の歯車装置に限らず、どのような歯車装置にも適用できる。

１ 歯車装置
２ 小歯車軸
５ 車軸
６ ケーシング
７ 潤滑油
８，９ 軸受
１０ ラビリンス流路
１１ スリンガ
１２ 軸受蓋
１３ 回転スリーブ
２１ 撥油処理を施した面
２２ 親油処理を施した面

Claims (6)

1. ケーシングを貫通する回転軸の軸受より外部に突出する突出部分に設けられる鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置であって、
   前記回転軸の軸方向において前記ケーシングに固定される軸受蓋を有し、
   前記軸受蓋は、前記軸受に供給された潤滑油が外部に漏出することを防ぐラビリンス流路の非回転部を形成するラビリンス流路部分と、前記ラビリンス流路部分の外周側に位置し、小空間を形成する小空間部分と、を備え、
   前記小空間部分を形成する内面のうち、少なくとも一部に撥油処理が施されていることを特徴とする鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置。
2. ケーシングを貫通する回転軸の軸受より外部に突出する突出部分に設けられる鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置であって、
   前記ケーシングは、前記回転軸に設けたスリンガが配置される大空間を形成する大空間部分を備え、
   前記大空間部分を形成する内面のうち、少なくとも一部に撥油処理が施されていることを特徴とする鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置。
3. 前記回転軸の軸方向において前記ケーシングに固定される軸受蓋を有し、
   前記軸受蓋は、前記軸受に供給された潤滑油が外部に漏出することを防ぐラビリンス流路の非回転部を形成するラビリンス流路部分と、前記ラビリンス流路部分の外周側に位置し、小空間を形成する小空間部分と、を備え、
   前記小空間部分及び前記大空間部分を形成する内面のうち、少なくとも一部に撥油処理が施されていることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置。
4. ケーシングを貫通する回転軸の軸受より外部に突出する突出部分に設けられる鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置であって、
   前記回転軸の軸方向において前記ケーシングに固定される軸受蓋と、
   前記回転軸の軸方向において前記ケーシングと前記軸受蓋の間に介在される固定スリーブとを有し、
   前記固定スリーブは、前記軸受に供給された潤滑油が外部に漏出することを防ぐラビリンス流路の非回転部を形成するラビリンス流路部分と、前記ラビリンス流路部分の外周側に位置する外周部分と、を備え、
   前記外周部分を形成する内面のうち、少なくとも一部に撥油処理が施されていることを特徴とする鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置。
5. 前記ケーシングは、前記回転軸に設けたスリンガが配置される大空間を形成する大空間部分を備え、
   前記外周部分及び前記大空間部分を形成する内面のうち、少なくとも一部に撥油処理が施されていることを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置。
6. 前記非接触式シール装置の回転部の表面のうち、少なくとも一部に親油処理が施されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の鉄道車両用歯車装置の非接触式シール装置。