高速回転シールの信頼性試験とバランス調整

私は長年、高速回転シールの開発に携わってきました。この記事では、要求の厳しい回転機器における信頼性の高い動作を実現するために、シールの試験とバランス調整に用いる手法を概説します。測定可能な指標（漏れ率、摩擦トルク、温度上昇、振動/振れ、材料適合性）と、故障リスクを低減し、耐用年数を延ばす実証済みのバランス調整および試験手順に焦点を当てます。以下の推奨事項は、検証と実装を容易にするために、業界標準や技術サプライヤーなどの参考資料によって裏付けられています。メカニカルシールと回転シールの基本概念については、概要をご覧ください。メカニカルシール（Wikipedia）ラジアル/回転軸シールの背景ラジアルシャフトシール（Wikipedia）。

回転機器の動的試験が重要な理由

高速回転シールの故障モード

私の経験では、高速回転シールの最も一般的な故障モードは次のとおりです。

• シーリング リップに過度の熱が蓄積され、硬化、押し出し、またはエラストマー特性の損失が発生します。
• リップの摩耗、溝の摩耗、またはシャフトの振れによるプリロードの損失による漏れ。
• 粉塵/汚染物質または不適合な液体による摩耗および物質移動。
• 不均衡が共振を刺激すると、振動によってフレッティングが発生したり、壊滅的な損失が発生します。

これらのモードを理解すると、代表的なシャフト速度、圧力、温度でのベンチおよび現場での動的テストが、シーリング ソリューションを検証するために不可欠であることがわかります。

信頼性とライフサイクルへの影響

動的試験は、実験結果と現場での信頼性を結び付けます。私が常に記録する指標は、リーク量（ml/分または滴数/分）、定常摩擦トルク（N·m）、リップ部の温度上昇（°C）、振動振幅（mmまたはg）です。これらはシール寿命と強い相関関係にあります。回転機械の場合、必要な回転数と圧力範囲全体にわたって許容できるリーク量と安定した摩擦トルクを維持するシールは、一般的に予測可能な耐用年数を実現します。

高速回転シールの主な試験方法

漏れとトライボロジー試験

リークテストは、シャフト速度、流体圧力、および流体温度を制御した状態で実施する必要があります。私はステップテストを実施しており、圧力と速度を段階的に増加させ、定常状態（システムの熱慣性に応じて通常10～30分）に達した後、各ステップでリークを記録します。トライボロジーテストでは、シールハウジングに校正済みのトルクトランスデューサーを設置し、定常状態および離脱時のトルクを測定します。

Oリングおよびシールの寸法と公差に関する規格としては、ISO 3601などがあります。シールの一般的な使用方法については、パーカーOリングハンドブックなどのサプライヤーの技術ハンドブックを参照してください。ISO概要は以下をご覧ください。ISO 3601 - 流体動力 - Oリング。

熱および摩擦測定

シャフトが目標回転数で回転している間、リップ付近に埋め込まれた熱電対と表面赤外線サーモグラフィーを用いてホットスポットをマッピングします。一定速度での温度と時間のプロットは、慣らし運転時の挙動を明らかにし、潤滑不足や過度の摩擦を検出するのに役立ちます。一般的な計測機器には以下が含まれます。

• 高解像度トルクトランスデューサー（校正済み）。
• 高速応答の K タイプ熱電対または RTD。
• 視覚的な熱マッピング用の赤外線カメラ。

周速度（表面速度）は非常に重要です。式V = π·D·n/60（Vはm/s、Dはメートル、nは回転数）を使用します。例えば、直径50mmのシャフト（D = 0.05m）を20,000回転で回転させた場合、V = π·0.05·20000/60 ≈ 52.36 m/sとなります。この計算は、エラストマーリップシールが適切か、PTFE/複合材料シールまたはメカニカルフェースシールが必要かを判断するのに役立ちます。

振動と振れ解析

バランス調整と振れ制御は不可欠です。シール面における過度のシャフト振れは、周期的な接触力と摩耗の加速につながります。ダイヤルゲージまたは変位センサーを用いてラジアル振れとアキシャル振れを測定し、加速度計で振動スペクトルを記録することをお勧めします。アンバランス基準としては、ISO 1940回転部品の許容バランス品質をガイドします。アンバランスを修正すると、シールの動的負荷が大幅に軽減されます。

バランス調整技術と実践的なセットアップ

静的バランスと動的バランス

静的バランス調整は単面偏重心を除去します。動的バランス調整は二面偏重心に対処するもので、高速で動作するアセンブリには不可欠です。多くの高速回転シールアセンブリでは、私は二段階のアプローチを採用しています。

1. 静的チェックと粗い修正（重量または機械加工）。
2. ISO 1940 許容値に従って補正した後、動作速度またはそれに近い速度でバランシング マシン上で動的バランス調整を行います。

動的バランス調整は、シール アセンブリに金属アダプタ、PTFE キャリア、または不均衡力を増幅する可能性のある剛性ハウジングが含まれている場合に特に重要です。

計装とバランス調整手順

私が使用している実用的なバランス調整ワークフロー:

1. ローターに 2 つの加速度計または単相基準ピックアップを取り付けます。
2. 動作 RPM まで段階的に速度を上げて回転させ、振動の振幅と位相を記録します。
3. バランシング マシン ソフトウェアまたは標準の 2 平面バランシング計算を使用して、必要な補正質量とその角度位置を計算します。
4. 振動とアンバランスがアプリケーションに指定された目標値を下回るまで、修正を適用し、再テストを繰り返します。

シールの検証では、シール自体の形状と質量分布がローターのバランスとランアウトに影響を及ぼす可能性があるため、可能な場合はシールを取り付けた状態でバランス調整を実行します (代表的なアセンブリ)。

ケーススタディ: PTFE 回転シールアセンブリのバランス調整

かつて、25,000 RPMのコンプレッサー用PTFEライニング回転軸シールアセンブリのバランス調整を行いました。V = π·D·n/60の式を用いて周速度が50 m/sを超えると計算したため、充填剤入りPTFEリップ材を選択しました。ダイナミックバランサーで2面アンバランス（0.35 g·mm相当）を検出しました。補正質量を追加し、PTFEキャリアの小さな偏心を再加工した結果、運転時の振動は78%減少し、シール温度は12 °C低下しました。初期試験で測定された慣らし運転時の摩耗率に基づくと、予想寿命は3倍以上延長されました。

材料の選択、設計のヒント、およびポリパックの機能

材料の比較と適合性

材料の選択は高速性能を決定づける重要な要素です。私は、温度範囲、耐薬品性、硬度、許容周速に基づいて材料を比較しました。以下の表は、代表的な特性と適切な使用例をまとめたものです。これらの値は一般的な業界ガイドラインであり、お客様の流体および動作条件に合わせて検証する必要があります。

出典: メーカーのデータシートおよび業界の技術文献（サプライヤーの技術ページを参照）トレルボルグ ロータリーシール一般的なメカニカルシールのガイダンスウィキペディア）。

設計と設置のベストプラクティス

私のプロジェクトでは、次の実践的なステップを重視しています。

• コントロール シャフトの表面仕上げ: 慣らし運転と漏れのバランスをとるために、PTFE ベースのシールの場合は通常 Ra 0.2 ～ 0.8 μm、エラストマー リップの場合は 0.4 ～ 1.6 μm が推奨されます。
• 圧力スパイク時の押し出しを防ぐために、正しい半径方向および軸方向のクリアランスとバックアップ リング サポートを指定します。
• 組み立て中のシール歪みを防ぐために、堅牢なハウジングの位置合わせと保持を確保します。
• 慣らし運転プロトコルを使用します。最初の数時間は速度と圧力を下げて開始し、接触面を安定させてから、サービス条件に移行します。

ポリパック：製造、研究開発、製品範囲

Polypacは、シール製造、シール材開発、そして特殊な作動条件に対応するカスタマイズされたシールソリューションを専門とする、科学技術に裏付けされた油圧シールメーカーおよびオイルシールサプライヤーです。2008年に設立されたPolypacは、充填PTFEシール（ブロンズ充填PTFE、カーボン充填PTFE、グラファイトPTFE、MoS₂充填PTFE、ガラス充填PTFE）の製造から事業を開始し、現在ではNBR、FKM、シリコン、EPDM、FFKM製のOリングも製造しています。

ポリパックのカスタムゴムリングおよびOリング工場は、10,000平方メートルを超える敷地に8,000平方メートルの工場スペースを有しています。当社の生産・試験設備は業界最先端の水準を誇り、国内外の大学や研究機関と長期的な協力関係を維持しています。主要製品には、Oリング、ロッドシール、ピストンシール、エンドフェイススプリングシール、スクレーパーシール、ロータリーシール、バックアップリング、ダストリングなどがあります。これらの能力は、私が推奨する、現場展開前に代表的な試験装置で材料と設計を検証するというアプローチを支えています。

Polypacの強みは、PTFEコンパウンドに関する豊富な経験、幅広いエラストマーポートフォリオ、社内成形・加工、そして動的リーク、摩擦、熱、耐久性試験が可能な高度な試験ラボです。これにより、試験結果と想定されるフィールド寿命を直接結び付けることができます。複雑な高速アプリケーションでは、既製の部品だけで対応するのではなく、このレベルの垂直的対応力を持つサプライヤーに依頼して、最適化されたシーリングシステムを開発してもらうことがよくあります。

実践的なチェックリストと計算例

テスト前チェックリスト

• シャフトの形状、表面仕上げ、振れ、および材料データを収集します。
• 候補となるシール材料と形状 (リップ タイプ、スプリング プリロード、バックアップ機能) を選択します。
• 計測機器を準備します: トルク センサー、熱電対、赤外線カメラ、加速度計。
• テスト マトリックスを定義します: 速度ステップ、圧力ステップ、温度設定点、ステップごとの期間。
• 受け入れ基準を含めます: 最大漏れ、最大温度上昇、許容振動。

例: 周速計算

V = π·D·n/60 を使用します。40 mm シャフト、18,000 RPM の場合：

V = π × 0.04 m × 18000 / 60 ≈ π × 0.04 × 300 = π × 12 ≈ 37.7 m/s

この周速は、エラストマーリップとPTFE/複合シールのどちらが適しているかを判断する指標となります。約38 m/sの場合、通常は充填剤入りPTFEまたは専用の高速リップコンパウンドを使用し、動的バランス調整と保守的な慣らし運転を計画します。

FAQ - 高速回転シールに関するよくある質問

1. 高速回転シールの定義は何ですか?

高速とは、アプリケーションによって異なりますが、一般的には周速度が約20～30 m/sを超える状況を指します。この速度では、熱の影響、摩擦熱、動的アンバランスが重要な設計要因となります。

2. シールに動的バランス調整が必要かどうかはどうすればわかりますか?

アセンブリが高回転数（周速が大きい）で動作する場合、または振動/振れが許容限度を超える場合は、ローターと代表的なシールアセンブリの動的バランス調整が推奨されます。ISO 1940は、バランス品質の期待値に関するガイダンスを提供しています（ISO 1940）。

3. エラストマーシールは非常に高速で使用できますか?

エラストマーシールは、発熱と摩耗によって制限されます。周速度が非常に高い場合（30～40 m/s超）、圧力と流体の適合性に応じて、PTFEまたは充填PTFEシール、あるいはメカニカルフェイスシールがより良い選択肢となることがよくあります。

4. 現場でのパフォーマンスを最もよく予測できるテストは何ですか?

代表的な速度と圧力下での漏れ、定常摩擦トルク、温度マッピング、振動/振れ試験を組み合わせることが、最も予測力の高い方法です。制御された慣らし運転試験は、長期的な摩耗率に関するさらなる知見を提供します。

5. 特定の流体に適したシール材質はどのように選択すればよいですか?

化学適合性チャートおよびサプライヤーのデータシートを参照し、動作温度および圧力下でのベンチテストで検証してください。高粘度または高活性の流体には、FFKMまたは充填PTFEオプションが一般的に使用されます。油圧油システムでは、温度に応じてFKMまたはNBRバリアントが適している場合があります。

連絡先と次のステップ

高速回転シールの仕様策定や検証についてサポートが必要な場合は、リーク、トルク、熱、振動などの測定項目を含む、お客様の受入基準に照らした短期認定試験プログラムを実施することをお勧めします。カスタムソリューションについては、Polypacが材料開発、試作、動的試験サービスを提供しています。製品選定、慣らし運転プロトコル、現地検証、またはお客様のアプリケーションに合わせたデータシートや試験機能のご依頼については、Polypacまでお問い合わせください。

行動喚起: ご相談や製品仕様（O リング、ロッド シール、ピストン シール、エンド フェイス スプリング シール、スクレーパー シール、ロータリー シール、バックアップ リング、ダスト リング）をご覧になるには、Polypac の技術チームにお問い合わせいただき、技術レビューとカスタマイズされたテスト プランを手配してください。