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48 Journal of Advanced Science, Vol.21, No.3&4, 2009 48

Paper Development of safety and secure system of high-speed oil film journal

bearing using supply oil quantity control 供給油量制御を利用した高速油膜ジャーナル軸受の安全・安心システムの開発

Masayuki OCHIAI, Masaya KOBAYASHI and Hiromu HASHIMOTO Tokai University, 1117 Kitakaname, Hiratuka, Kanagawa, 259-1292 Japan TEL: +81-463-58-1211(EX.4264) FAX: +81-463-59-2207 e-mail:ochiaim @keyaki.cc.u-tokai.ac.jp ( Received 4, February 2010 Accepted 10, March 2010 ) This paper describes the safety operating system of oil film journal bearing using supply oil control system. Journal bearings are widely used for high speed rotating machinery such as turbines, pumps, and compressors because they can support the high speed rotating shaft across the oil lubricating film. However, in higher speed self-excited vibration which is called oil whip is generated and then they cause the seizure of bearing surface or breakdown of the machinery. It is, therefore, important to avoid the oil whip. Hashimoto et. al. suggested the stabilization method of the journal bearing using starved lubrication and the applicability of the method is verified theoretically and experimentally. The next step of the stabilization method is decreasing the several risks such as the contact of the bearing excess of decreasing the supply oil quantity. In this paper, we propose the safety and secure system by controlling the supply oil quantity for stabilization of the journal bearing using the starved lubrication and the effectiveness of the system is verified experimentally. Keywords : Jouanal bearing, Stability, Safty and secure system, Experiment, Suply oil quantity, Control

I. INTRODUCTION ジャーナル油膜軸受は，油膜を介して回転軸を非接触

支持できることから，タービン，ポンプ，コンプレッサ

ーをはじめとした多くの高速回転機械に使用されている．

このような回転機械は，機械の高効率化や環境適応の観

点から今後ますます小型・高速化を志向すると考えられ

るが，その一方で低コスト化や十分な安全性の確保が重

要になる．しかしながら，ジャーナル軸受は高速時にオ

イルホイップと呼ばれる自励振動が発生し，軸受の焼き

付きや機械の破壊を引き起こす危険性がある．したがっ

て，オイルホイップを抑止することが極めて重要となる．

現在は，安定性に優れたティルティングパッド軸受の適

用が多く見受けられるが，同軸受は構造が複雑で組み付

けが困難かつコストが高いため，特に小型の高速回転機

SAS Award was given to this paper presented as Poster Presentation at the 2009 SAS Intelligent Symposium.

械には不向きと考えられる．したがって，シンプルな軸

受形状で高い安全性を確保することが望まれる．これま

でに，形状のシンプルな真円軸受やだ円軸受などの軸受

を対象に数多くの研究がなされてきた 1-12 が，中でも

Hasimoto ら 13,14の提案するスターブ潤滑を利用した安定

化法は上述のような問題を解決する有力な方法といえる．

スターブ潤滑では軸受への供給油量を絞るため，機械の

安全運転の観点からは一見矛盾した手法に思われるが，

小口径軸受のオイルホイップの抑止に際しては極めて効

果的であることが理論，実験の両面から明らかにされて

いる．同安定化法の実用化に向けての今後の課題として

は，油量の絞り過ぎなどのリスクを低減し信頼性を高め

ることが挙げられる．そこで本研究では，スターブ潤滑

を利用した安定化法の応用として，より安全性を高める

ための軸受供給油量制御システムについて考案し，実験

によりその有効性を検証したので報告する．

©2009 Society of Advanced Science


II. SAFETY SYSTEM OF OIL FILM JOURNAL BEARING USING SUPPLY OIL QUANTITY CONTROL

Figure 1 は，真円軸受を利用した供給油量制御システ

ムの概略を示したものである．同図に示すように，真円

ジャーナル軸受の水平方向と垂直方向に設置された変位

計より軸の振動振幅や振動数，中心位置（油膜厚さ）な

どの情報を得ることが可能で，これに基づいて供給油量

が制御できるようになっている．

Figure 2 に本研究で提案する制御系のフローチャート

を示す．まず供給油量を十分に与えたフラッド潤滑下で

回転軸を起動する．フラッド潤滑下では，スターブ潤滑

下に比べて厚い油膜を確保できるが，安定性が低いため

回転数の上昇と共に安定限界に達しオイルホイップが発

生する．これを回避するために，ここではオイルホイッ

プが発生する高速回転時にスターブ潤滑に切り替える制

御法を適用する．フェイルセーフの観点から，２種類の

方法により運転状況の監視を行ない，オイルホイップの

発生による不具合を回避する．

まず，軸回転数の監視による方法ついて述べる．Figure

3(a-1) に示すように，オイルホイップが発生する前の軸

の振動数は回転数に同期しているため，これを取得する

ことにより回転数の監視が可能となる．オイルホイップ

の発生回転数は，予備実験や理論計算などによりある程

度予測することができるので，回転数の基準値を定め，

これを超えたらスターブ潤滑に切り替えることとする．

本手法によれば，オイルホイップが発生することなく安

全に運転することができると考えられる．

Rotational speed N [rpm]

Freq

uenc

y F

[Hz]

Freq

uenc

y F

[Hz]

Am

plitu

de A

[mm

] Rotational speed N [rpm]

(a-1) Monitoring of rotational speed

(a-2) Monitoring of oil whip generation

(b) Journal center positions

Fig.3 Control techniques

Stable

Stable

Amplitude

Frequency

Standard value

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.030

60

90

Attitude

angle

φ [°

]

Target value

Flooded Starved

Oil whip Ec

cent

ricity

ratio

ε

Unstable (Oil whip)

Unstable (Oil whip)

Freq. of the Journal

Freq. of rotational speed

Start

Flooded lurbrication

(a-1)Monitoring of rotational speed

Monitoring of the eccentricity ratio

(a-2) Monitoring of oil whip generation

Starved lurbrication

(b) Maintenance of oil film thickness

Stable

Unstable (Oil whip)

Larger than the target value

Smaller than the target value

Exceed the standard

value

Smaller than the standard value

Fig.2 Flowchart of coutroll system

Increasing the supply oil quantity

Decreasing the supply oil quantity

Measurement ofShaft vibration

Dicidion of Supply oil quantity

Controller of Supply oil quantity

Oil

Fig.1 Supply oil quantity control system

x,y

A,F,ε

Q

Shaft Bearing


しかしながら，何等かの要因で上記の制御システムが

正常に作動せず，オイルホイップが発生してしまう危険

性がある．そこで，このような危険に対応する安全シス

テムについても提案する．すなわち，Fig.3(a-2) に示す

ように，オイルホイップが発生すると軸の振動振幅の急

激な上昇と振動数の急激な下降が生じる．振動振幅及び

振動数は計測が可能なため，このような状況が発生した

場合には直ちにスターブ潤滑に切り替え，オイルホイッ

プが継続しないようにする．なお，スターブ潤滑に切り

替える際の目標供給油量は，予備実験により定めておく．

このことにより，フラッド潤滑からスターブ潤滑に迅速

に切り替えることができる．

ここでスターブ潤滑下では，Figure 3(b) に示すように

フラッド潤滑下に比べて油膜厚さの確保が難しく，油量

の絞り過ぎが発生した場合に軸と軸受面の接触や焼付き

が生じる危険性がある．そこで，偏心率ε（軸心位置）を

監視し，供給油量を調整することで油膜厚さの適切な確

保を行なう．一方，オイルホイップ発生の危険性を低減

する際にも，軸心位置の監視が利用できる．すなわちフ

ラッド潤滑下では，同図に示すように軸心位置が回転数

の上昇と共に円弧を描くように上昇し，オイルホイップ

が発生すると偏心率ε = 0 近傍に急激に移動する．したが

って，ここでは十分な油膜が確保できかつオイルホイッ

プも発生しない偏心率を目標値として設定し，この偏心

率を保持するように供給油量を制御することとしている．

III. EXPERIMENTAL TEST RIG AND EXPERIMANTAL METHOD 前章にて提案した制御システムの有効性を検討するた

めに，本研究では小型高速ジャーナル軸受試験装置によ

って安定性実験を行った．Figure 4 は装置の概略図であ

る．回転軸はＤＣモータによって駆動され，10000 rpm

まで連続的に回転数を上昇させることができる．軸の中

央にはロータが設置されており，左右２つの軸受で支持

されている．右側の軸受が試験軸受である．軸受の水平

方向と垂直方向に渦電流式非接触変位計が設置されてお

り，ここから得られる変位より振動振幅，振動数，軸心

位置が得られる．軸受の上方にオイルタンクが設置され

ており，途中に設けられた供給油量制御機構により流量

弁の開度を調整し潤滑油が軸受に供給される．なお，制

御機構はステッピングモータと減速機構により構成され

ている．ステッピングモータの角度により弁の開度が変

更され，供給油量を調節することができる．供給油量は

体積流量法により測定し，これに基づき弁の開度を決定

している．Table1 に実験で用いた真円ジャーナル軸受の

諸元を示す．軸受の直径は約 1inch で，小口径ジャーナ

ル油膜軸受の代表的な寸法となっている．

実験では，まずフラッド潤滑下で回転軸を起動し，連

続的に 8000 rpm まで回転数を上昇させている．運転開始

と同時に渦電流式非接触変位計より得られる振動振幅，

振動数，軸心位置を監視しながらデータを取得している．

また同時にステッピングモータの角度から供給油量を逆

算し，各回転数におけるデータを取得している．

なお，制御に使用する基準値を設定するために同試験

装置にて予備実験を実施した．フラッド潤滑下における

オイルホイップ発生回転数は概ね 4300 rpm であること

から，Fig.3(a-1)に示す回転数の基準値を 4000 rpm とした．

また，供給油量を Q=3.0×10-6 m3/s から 1.0×10-6 m3/s ま

で徐々に減少させて実験を行った結果，Q=1.0×10-6 m3/s

において高い安定性が得られたことから，同油量をスタ

ーブ潤滑に切り替える際の目標値とした．なお本研究で

Fig.4 Overview of test rig

DC motor Tacho meterRotor

Oil tank Supply oilmechanism

Eddy current proximity probe

Bearing

Shaft

Fig.5 Geometry of journal bearing

Oil supply groove

Cr

D

L

Shaft Bearing

Table 1 Specification of bearing

Clearance Cr, mm 0.175

Diamater D, mm 25.0

Length L, mm 14.5

Load W, N 5.66


は， Fig.2 中の(a-1)に示した制御系が正常に動作しなか

った場合のフェイルセーフ機能を検証するために，同制

御プログラムを停止させた実験も行った．

IV. RESULTS AND DISCUSSION

Figure 6 にジャーナル油膜軸受の安定性実験の結果を

示す． Figure 6 (a)は軸の振動振幅および振動数と回転数

の関係を示したもので，図中の実線は供給油量制御を実

施した場合の結果を，また破線と一点鎖線はフラッド潤

滑下（Q=3.0×10-6 m3/s）およびスターブ潤滑下（Q=1.0

×10-6 m3/s）での結果をそれぞれ表している．フラッド

潤滑下では，4300 rpm において急激な振動振幅の上昇と

振動数の降下が生じており，同回転数にてオイルホイッ

プが発生していることがわかる．これに対しスターブ潤

滑下では，振動振幅が広範囲の回転数領域に対して小さ

く，また振動数は回転数に同期して上昇しており，高い

安定性を有していることがわかる．ただしスターブ潤滑

下ではフラッド潤滑下に比べて軸を浮上させる油膜力や

冷却作用などが弱いため，オイルホイップが発生しない

回転数領域においては，フラッド潤滑が望ましいといえ

る．供給油量制御を適用すると，オイルホイップの発生

する回転数領域においてスターブ潤滑に切り替わるので，

このような問題を解決できると考えられる．同図中の実

線は，供給油量制御を実施した場合の実験結果である．

Freq

uenc

y F

Hz

Fig.6 Experimental results of the supply oil control (Monitoring of rotational speed)

(c) Displacement of journal center

Am

plitu

de A

mm

2000 4000 6000 8000

50

100

150

0

Rotational speed N rpm

0.2

0.3

0.1

0

(a) Variation of amplitude and frequency

Controlle

dFlooded Starved

[×10-6]

80000

1.0

2.0

3.0

4000 6000 Rotational speed N rpm

Supp

ly o

il qu

antit

y Q

[m3 /s

]

2000

(b) Variation of Supply oil quantity

Controlle

dFlooded Starved

Frequency Amplitude

Target value of ε Oil whipping 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 30

90

Ecce

ntric

ity ra

tio ε

Attitude

angle

φ [°

]

2000 3000

60

5000~ 8000

1000

2000~ 8000 500

Flooded Controlle

Starved

4000

Freq

uenc

y F

Hz

(b) Variation of Supply oil quantity

2000 4000 6000 8000

50

100

150

0

Rotational speed N rpm

0.2

0.3

0.1

Am

plitu

de A

mm

0

(a) Variation of amplitude and frequency

Controlle

dFlooded Starved

[×10-6]

80000

1.0

2.0

3.0

4000 6000 Rotational speed N rpm

Supp

ly o

il qu

antit

y Q

[m3 /s

] 2000

Controlle

dFlooded Starved

Fig.7 Experimental results of the supply oil control (Monitoring of oil whip generation)

Frequency Amplitude

Oil whipping

(c) Displacement of journal center

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.030

90

Ecce

ntric

ity ra

tio ε

Attitude

angle

φ [°

]

Target value of ε

2000 3000~4000

60

5000~8000

1000

2000~8000 500

Flooded Controlle

Starved


これより，同制御を実施した場合には広範囲の回転数領

域においてオイルホイップが発生せず，安定性に対して

極めて良好な結果が得られていることがわかる．これは

同図(b)に示すように，基準値として設定した 4000 rpm

において制御が適切に実行され，スターブ潤滑に速やか

に切り替わったことによると考えられる．ここで，同図

(b)に示すように，供給油量は 4000 rpm 付近においてア

ンダーシュートするが直ちに回復し，その後は緩やかに

調整されていることが確認できる．このことにより，ス

ターブ潤滑に切り替わった後の偏心率は同図(c)に示す

ようにε =0.4 に保持され，安全性が確保されていること

がわかる．

Figure 7 は，Fig.2 中の(a-1)に示す回転数の検出による

制御機能を意図的に停止させた場合の実験結果である．

4300 rpm において一旦オイルホイップが発生し，振動振

幅の急上昇と振動数の急降下が生じているが，直ちにも

との状態に回復し，その後も安定性が維持されているこ

とがわかる．また同図(b)に示すように，同回転数におい

て供給油量の急激な減少が確認されることから，スター

ブ潤滑への切換が速やかに行なわれていることがわかる．

なおスターブ潤滑に変更後は，Fig.6 にて示したのと同様

に偏心率がε =0.4 で一定になるように制御され，十分な

油膜厚さを保持できている．

以上のことから，回転数による制御系が作動せずオイ

ルホイップが発生した場合においても供給油量制御が機

能することが確認され，本システムで企図したフェイル

セーフシステムの有効性が検証された．

V. CONCLUSION 本研究では，ジャーナル油膜軸受の安全・安心運転の

ための供給油量制御システムについて考案し，その有効

性を検証した．得られた結論を以下に示す．

１．フェイルセーフの観点から，オイルホイップを抑止

するための２種類の方法と油膜厚さを確保する方法

を組み合わせた供給油量制御システムについて提案

した．

２．供給油量制御システムを適用した実験を行った結果，

広範囲の回転数領域においてオイルホイップが抑止

され高い安定性が得られた．

３．オイルホイップが発生してしまった場合においても，

これを検知するシステムが正常に作動し，直ちに安

定性が回復することが実験により確認された．

４．スターブ潤滑に切り替わった後においても，供給油

量制御により厚い油膜が確保できることが確かめら

れた．

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Int., 15 (6), 297-309 (1980). 3 D. F. Li, K. C. Choy and P. E. Allaire, Trans.

ASME J. Lub. Tech., 102, 291-298 (1980). 4 K. Vaidyanathan and T. G. Keith, STLE Tribology

Transactions, 32 (2), 215-224 (1989). 5 H. Hashimoto, STLE Tribology Transactions, 35

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Transactions, 13, 262-268 (1970). 7 H. Hashimoto, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. Ser. C,

56 (529), 2483-2489 (1990)． 8 H. Hashimoto, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. Ser. C,

56 (529), 2490-2496 (1990) 9 I. Matsumoto, T. Furukawa and Y. Ezaki, Trans.

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11 H. Hashimoto and K. Matsumoto, Trans. ASME J. Tribol., 123, 305-312 (2001).

12 K. Matsumoto and H. Hashimoto, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. Ser. C, 70 (692), 1199-1206 (2004)．

13 H. Hashimoto and M. Ochiai, Trans. ASME J. Tribol. 131(1),011705-1 - 011705-8 (2009).

14 H. Hashimoto and M. Ochiai, Trans. ASME J. Tribol. 132(1), 011703-1 - 011703-7 (2010).

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