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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5735904
(24)【登録日】2015年4月24日
(45)【発行日】2015年6月17日
(54)【発明の名称】ポンプシステムおよび該ポンプシステムの運転方法
(51)【国際特許分類】
F04B 17/05 20060101AFI20150528BHJP
F04D 13/06 20060101ALI20150528BHJP
【ＦＩ】
F04B17/05
F04D13/06 Z
【請求項の数】4
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2011-259002(P2011-259002)
(22)【出願日】2011年11月28日
(65)【公開番号】特開2013-113185(P2013-113185A)
(43)【公開日】2013年6月10日
【審査請求日】2014年3月17日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000239
【氏名又は名称】株式会社荏原製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100091498
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 勇
(74)【代理人】
【識別番号】100093942
【弁理士】
【氏名又は名称】小杉 良二
(74)【代理人】
【識別番号】100118500
【弁理士】
【氏名又は名称】廣澤 哲也
(72)【発明者】
【氏名】塚田 高弘
(72)【発明者】
【氏名】清水 栄
(72)【発明者】
【氏名】今村 衆
(72)【発明者】
【氏名】内田 義弘
【審査官】
松浦 久夫
(56)【参考文献】
【文献】
実開昭５１−０８６８０３（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
特開２００８−２３２０９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
実開昭６１−０５３５７６（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０４Ｂ １７／０５
Ｆ０４Ｂ １７／０３
Ｆ０４Ｄ ２９／６０
Ｆ０４Ｄ １３／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
水を移送するためのポンプと、
前記ポンプを駆動する駆動源と、
前記駆動源の駆動力を前記ポンプに伝達するための中間軸と、
ベルト駆動用のプーリユニットとを備え、
前記プーリユニットは、少なくとも１つのプーリと、前記プーリを支持する支持軸と、前記支持軸を回転自在に支持するラジアル軸受とを有し、
前記中間軸および前記支持軸のうちいずれか一方が選択的に前記ポンプに連結されており、
前記プーリユニットは、前記駆動源とは別に用意される応急運転用のモータの駆動力を前記プーリを介して前記ポンプに伝達するための動力伝達機構であることを特徴とするポンプシステム。
前記ポンプを駆動する駆動源と、
前記駆動源の駆動力を前記ポンプに伝達するための中間軸と、
ベルト駆動用のプーリユニットとを備え、
前記プーリユニットは、少なくとも１つのプーリと、前記プーリを支持する支持軸と、前記支持軸を回転自在に支持するラジアル軸受とを有し、
前記中間軸および前記支持軸のうちいずれか一方が選択的に前記ポンプに連結されており、
前記プーリユニットは、前記駆動源とは別に用意される応急運転用のモータの駆動力を前記プーリを介して前記ポンプに伝達するための動力伝達機構であることを特徴とするポンプシステム。
【請求項2】
前記中間軸は、前記プーリユニットの軸方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
【請求項3】
前記プーリは、直径の異なる複数のプーリであることを特徴とする請求項１または２に記載のポンプシステム。
【請求項4】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のポンプシステムを運転する方法であって、
通常運転では、前記駆動源により前記中間軸を介して前記ポンプをシャフト駆動し、
応急運転では、前記中間軸に代えて前記支持軸が前記ポンプに連結され、前記モータにより前記プーリを介して前記ポンプをベルト駆動することを特徴とする方法。
通常運転では、前記駆動源により前記中間軸を介して前記ポンプをシャフト駆動し、
応急運転では、前記中間軸に代えて前記支持軸が前記ポンプに連結され、前記モータにより前記プーリを介して前記ポンプをベルト駆動することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、河川などに接続される吸込水槽内の水を汲み上げる治水用のポンプシステムに関し、特に、地震や津波などの災害時に応急運転をすることができるポンプシステムに関する。また、本発明は、このようなポンプシステムを運転する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
治水用のポンプシステムが地震や津波などの被害を受けた場合には、その迅速な復旧が必要とされる。ポンプシステムの排水機能が停止すると、浸水などの二次災害を引き起こし、当該地域は大きな被害を受けてしまうからである。
【0003】
ポンプを駆動する駆動機器としては、恒久設備としてのポンプシステムの信頼性および維持管理性の観点から、エンジンと減速機との組み合わせが広く使用され、エンジンには、ディーゼルエンジンまたはガスタービンエンジンが一般的に使用される。このような駆動機器は、地震による損傷（歯車等の細密部分の損傷）や、津波による機器内部への浸水、錆等が発生しやすい構成となっている。一方、ポンプは、その構造が比較的簡単、且つ堅牢であり、地震や津波などの災害時には大きな被害を受けることが少ない。したがって、駆動機器が正常に回復すれば、ポンプシステムは運転が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００８−２３２０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
災害により駆動機器が故障した場合、この駆動機器を現地で補修、復旧することは難しい。このため、故障した駆動機器を工場に持ち込んで修理を行い、現地に再搬入してポンプ機能を復旧するのが従来の方法であった。しかしながら、このような従来の方法では、ポンプ本体が運転できる状態にあるにもかかわらず、ポンプシステム全体の排水機能が復旧するまでに数週間から数ヶ月を要してしまうため、二次災害を発生させてしまう危険性が大きかった。
【0006】
上記のような機能回復が間に合わない場合の応急対応として、排水ポンプ車等の移動式排水設備を設置することもある。しかしながら、治水用のポンプシステムは、ポンプ口径が１０００ｍｍを超えるような大型の設備であり、移動式排水設備のような小容量のポンプ（口径は通常２００ｍｍ前後）では容量不足であった。
【0007】
本発明は、東日本大震災で実際に起きた上記課題を解決するためになされたものであり、地震や津波などの災害によりダメージを受けた場合に、迅速に応急運転を行うことができるポンプシステムを提供することを目的とする。また、本発明は、かかるポンプシステムを運転する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した目的を達成するために、本発明の一参考例は、水を移送するためのポンプと、前記ポンプを駆動する駆動源と、ベルト駆動用のプーリユニットとを備え、前記プーリユニットは、少なくとも１つのプーリと、前記プーリを支持する支持軸と、前記支持軸を回転自在に支持するラジアル軸受とを有し、前記駆動源は、前記支持軸を介して前記ポンプに連結されており、前記プーリユニットは、前記支持軸を介して前記駆動源の駆動力を前記ポンプに伝達し、さらに前記駆動源とは別に用意される応急運転用のモータの駆動力を前記プーリを介して前記ポンプに伝達するための動力伝達機構であることを特徴とするポンプシステムである。
【0009】
本発明の他の参考例は、上記ポンプシステムを運転する方法であって、通常運転では、前記駆動源により前記支持軸を介して前記ポンプをシャフト駆動し、応急運転では、前記モータにより前記プーリを介して前記ポンプをベルト駆動することを特徴とする。
【0010】
本発明の一態様は、水を移送するためのポンプと、前記ポンプを駆動する駆動源と、前記駆動源の駆動力を前記ポンプに伝達するための中間軸と、ベルト駆動用のプーリユニットとを備え、前記プーリユニットは、少なくとも１つのプーリと、前記プーリを支持する支持軸と、前記支持軸を回転自在に支持するラジアル軸受とを有し、前記中間軸および前記支持軸のうちいずれか一方が選択的に前記ポンプに連結されており、前記プーリユニットは、前記駆動源とは別に用意される応急運転用のモータの駆動力を前記プーリを介して前記ポンプに伝達するための動力伝達機構であることを特徴とするポンプシステムである。
【0011】
本発明の他の態様は、上記ポンプシステムを運転する方法であって、通常運転では、前記駆動源により前記中間軸を介して前記ポンプをシャフト駆動し、応急運転では、前記中間軸に代えて前記支持軸が前記ポンプに連結され、前記モータにより前記プーリを介して前記ポンプをベルト駆動することを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、ポンプシステムに本来備わっている駆動源に代えて、短期間で現地に納入可能な市販のモータを用いてベルトを介してポンプを駆動することができる。したがって、地震や津波などの災害の発生により駆動機器が故障した場合に、ポンプシステムを速やかに応急運転させることができ、ポンプシステムの排水機能を復旧させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一実施形態に係るポンプシステムを示す図である。
【図4】ポンプ軸にプーリを直接固定した例を示す図である。
【図5】本発明の他の実施形態に係るポンプシステムを示す図である。
【図8】プーリユニットの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態に係るポンプシステムについて図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は横軸斜流、軸流ポンプに関するものであるが、本発明はこの例に限らず、渦巻ポンプなどの他のポンプ型式に使用してもよく、また、立軸ポンプに応用することもできる。
【0015】
図１に示すように、このポンプシステムは、吸込水槽１から吐出水槽２に水を移送するポンプ１０と、ポンプ１０を駆動する駆動源１５と、ポンプ１０と駆動源１５との間に配置されたベルト駆動用のプーリユニット４０とを備えている。ポンプ１０は、ポンプケーシング１０ａと、このポンプケーシング１０ａに収容される図示しない羽根車と、ポンプケーシング１０ａと吸込水槽１とを接続する吸込管１１と、ポンプケーシング１０ａと吐出水槽２とを接続する吐出管１２とを備えている。吐出管１２には吐出弁１３が設けられている。
【0016】
ポンプ１０のポンプ軸１６はカップリング３２を介してプーリユニット４０に連結されている。プーリユニット４０は、カップリング３３を介して減速機１８の出力軸１８ａに連結されている。駆動源１５はカップリング３４を介して減速機１８に連結されている。駆動源１５としては、ディーゼルエンジンまたはガスタービンエンジンが用いられている。ポンプ１０は、ポンプ軸１６が水平方向に延びる、いわゆる横軸ポンプである。
【0017】
吸込管１１は鉛直方向に延び、その下端に形成された吸込口１１ａは吸込水槽１内の水中に位置している。吸込管１１の下端部はベルマウスとして構成されている。ポンプ１０の羽根車は吸込水槽１内の水面よりも上方に配置され、ポンプケーシング１０ａは吸込水槽１の上部を構成する設置床２０に架台２１を介して設置されている。吸込管１１の下流側部分は曲管部となっており、これにより吸込管１１とポンプケーシング１０ａとが滑らかに接続されている。吐出管１２は、吐出水槽２内で開口する吐出口１２ａを有している。この吐出口１２ａはポンプ１０の羽根車よりも低い位置にある。吐出口１２ａには、吐出水槽２に移送された水の逆流を防止するためのフラップ弁２２が設けられている。
【0018】
図１から分かるように、吸込管１１、ポンプケーシング１０ａ、および吐出管１２は、全体としてサイフォン型通路を形成している。ポンプケーシング１０ａの上部には、内部に電極棒を有する満水検知器３０が設けられており、この満水検知器３０によりポンプケーシング１０ａ内が水で満たされているかどうかが検知される。さらに、ポンプケーシング１０ａの内部は満水検知器３０を介して真空ポンプ３１に連通している。この真空ポンプ３１はモータＭによって駆動される。
【0019】
ポンプシステムを起動するときは、モータＭを作動させて真空ポンプ３１によりポンプケーシング１０ａの内部を真空引きして負圧を形成し、吸込管１１内の水位を上昇させる。ポンプケーシング１０ａの内部が水で満たされていることを満水検知器３０が検知すると、駆動源１５により羽根車が回転し、吐出弁１３が開かれ、これにより水が吸込水槽１から汲み上げられ、吐出水槽２に移送される。
【0020】
プーリユニット４０の一方の端部は、カップリング３２を介してポンプ軸１６に連結され、他方の端部はカップリング３３を介して減速機１８の出力軸１８ａに連結されている。図２に示すように、プーリユニット４０は、ベルトが掛けられるプーリ４１と、プーリ４１を支持する支持軸４２と、プーリ４１の両側に配置され、支持軸４２を回転自在に支持するラジアル軸受４３，４３と、ラジアル軸受４３，４３が固定される基台４４とを備えている。基台４４は、図１に示す設置床２０に着脱可能に固定されている。
【0021】
支持軸４２の両端には、カップリング３２，３３の一部を構成するフランジ部４５，４６がそれぞれ固定されている。支持軸４２の一端は、ポンプ軸１６を介してポンプ１０に連結されており、支持軸４２の他端は、減速機１８を介して駆動源１５に連結されている。より具体的には、支持軸４２の一端は、カップリング３２を介してポンプ軸１６に連結されており、支持軸４２の他端は、カップリング３３を介して減速機１８の出力軸１８ａに連結され、さらに減速機１８はカップリング３４を介して駆動源１５に連結されている。カップリング３２，３３のボルト（図示せず）を外すことにより、プーリユニット４０をポンプ軸１６および出力軸１８ａから切り離すことが可能となっている。さらに基台４０を設置床２０から外すことにより、プーリユニット４０全体をポンプシステムから取り外すことができる。
【0022】
このプーリユニット４０は、地震や津波などの災害時において、駆動源１５および／または減速機１８が故障したときに、応急運転用の外部モータによってベルトを介してポンプ１０を駆動するための動力伝達機構として設けられている。通常の運転状態では、プーリ４１にベルトは掛けられておらず、外部モータも配置されていない。したがって、通常運転時では、プーリユニット４０は、駆動源１５の駆動力をポンプ１０に伝達するのみである。すなわち、通常運転では、ポンプ１０は、駆動源１５によりプーリユニット４０の支持軸４２を介してシャフト駆動される。
【0023】
災害の発生に起因して駆動源１５および／または減速機１８が故障したときは、図３に示すように、駆動源１５とは別にモータ５０が用意される。このモータ５０は、このポンプシステム専用のモータではなく、市販の汎用のモータである。モータ５０はプーリユニット４０に隣接して配置される。プーリ４１と、モータ５０の出力軸５０ａに固定されたモータプーリ５１とにはベルト５５が掛け渡され、モータ５０の駆動力はベルト５５を通じてプーリユニット４０に伝達される。したがって、ポンプ１０は、プーリユニット４０およびベルト５５を介してモータ５０によってベルト駆動される。ベルト駆動時には、カップリング３３のボルト（図示せず）を外して、プーリユニット４０と減速機１８の出力軸１８ａとを切り離し、モータ５０の駆動力が減速機１８および駆動源１５に伝達されないようにすることが好ましい。あるいは、駆動源１５および／または減速機１８を取り外し、モータによる応急運転中に製作工場で修理を行うようにしてもよい。
【0024】
プーリユニット４０のプーリ４１は、モータ５０に固定されたモータプーリ５１の直径よりも大きな直径を有している。したがって、モータ５０の回転速度は、モータプーリ５１およびプーリユニット４０のプーリ４１により減速される。緊急時に比較的入手しやすい汎用モータの多くは、極数の小さい高速のモータである。これに対して、治水用のポンプシステムにおけるポンプ１０の回転速度は低速である。このため、汎用の高速モータでは仕様が異なるため、ポンプ１０を直接駆動することができない。本実施形態に係るプーリユニット４０のプーリ４１は、市販の汎用モータに固定されるモータプーリ５１よりも大きい直径を有しているので、汎用の高速モータを用いてポンプシステムの緊急運転を行うことが可能となっている。
【0025】
ベルト駆動を行うと、ベルト張力によるラジアル荷重がポンプ軸に作用する。一般のポンプシステムに設けられている軸受では、このラジアル荷重は考慮されていない。そのため、ベルト張力を受けるために十分な強度を持たせるためには、設計・構造（木型を含む）の見直しが必要となり、非常に高価なものとなってしまう。この点、プーリユニット４０は、ベルトの張力によるラジアル荷重を受けることができるラジアル軸受４３，４３を備えているので、信頼性のある、確実な応急運転が可能となる。なお、ポンプシステムがベルト駆動時のラジアル荷重を許容できる場合には、図４に示すように、ポンプ軸１６にプーリ４１を直接固定してもよい。
【0026】
本実施形態に係るポンプシステムでは、通常運転時にはプーリユニット４０を用いたベルト駆動は行われず、災害発生時などの応急運転時にのみ、プーリユニット４０を用いたベルト駆動が行われる。上記特許文献１のように、緊急時の運転だけでなく、通常の運転においてもベルト駆動をすることも考えられるが、ベルトは歯車減速機と比較して伝達効率が悪く、また、ベルトのテンションの管理などの維持管理上の課題がある。このため、数十年に１回あるかどうかの災害を想定して、ベルト駆動型のポンプシステムを構成することは、過剰なリスク管理であり、維持管理性や運転効率を低下させてしまう。
【0027】
本発明は、通常運転では減速機１８を介した駆動源１５によるシャフト駆動が行われ、緊急時にはベルト駆動に切り替えることが可能なポンプシステムであるので、通常運転時では維持管理性や運転効率が低下することはない。しかも、地震や津波などの災害発生時には、ポンプ１０の駆動方式をシャフト駆動からベルト駆動に迅速に切り替えることができる。さらに、駆動源１５および／または減速機１８が故障した場合でも、これらを撤去、修復することなく、ポンプ１０を駆動することができる。したがって、災害の発生時において、迅速にポンプシステムの排水機能を復旧することができる。
【0028】
図３に示す例では、外部モータ５０はプーリユニット４０の横に配置されているが、外部モータ５０をプーリユニット４０の上方に配置してもよい。津波や洪水の発生時には、床上浸水していることがあり、図１に示す設置床２０の上に外部モータ５０を設置することができない場合もありうる。このような場合には、外部モータ５０をプーリユニット４０の上方に設置することにより、外部モータ５０の浸水を避けることができる。
【0029】
図５は、本発明の他の実施形態に係るポンプシステムを示す図である。この実施形態では、プーリユニット４０は常設されておらず、別途保管される。プーリユニット４０に代えて、中間軸６０がポンプ軸１６および減速機１８の出力軸１８ａに連結されている。この中間軸６０は着脱可能に構成されており、その両側のカップリング３２，３３のボルト（図示せず）を取り外すことにより、ポンプ軸１６および減速機１８の出力軸１８ａから中間軸６０を切り離すことが可能となっている。
【0030】
図６（ａ）に示すように、中間軸６０は、軸部６１と、その両端部に固定されたフランジ部６２，６３とを備えている。これらフランジ部６２，６３は、それぞれポンプ軸１６および減速機１８の出力軸１８ａと接続するためのカップリング３２，３３の一部を構成する。中間軸６０は、別途保管されるプーリユニット４０の軸方向の長さよりも長く構成されている。図６（ｂ）は、本実施形態に係るポンプシステムに使用されるプーリユニット４０を示す図である。図６（ｂ）に示すように、プーリユニット４０の基本的構成は、図２に示すプーリユニット４０と同じであるが、支持軸４２の長さは、図２に記載のものよりも短くなっている。さらに、ポンプ軸１６に連結するためのカップリング３２を構成するフランジ部４５のみが支持軸４２の一端に設けられ、他端にはフランジ部は設けられていない。図６（ａ）に示す中間軸６０の長さＬは、図６（ｂ）に示すプーリユニット４０の軸方向長さｍよりも長くなっている（Ｌ＞ｍ）。
【0031】
この実施形態においては、通常運転では、駆動源１５により中間軸６０を介してポンプ１０が駆動されるが、災害発生により駆動源１５および／または減速機１８が故障した場合には、中間軸６０がポンプシステムから取り外され、図６（ｂ）に示すプーリユニット４０がポンプ軸１６に連結される。中間軸６０はプーリユニット４０の軸方向長さよりも長く構成されているので、プーリユニット４０はポンプ１０に連結されるが、駆動源１５には連結されない。すなわち、図７に示すように、プーリユニット４０はポンプ軸１６にのみ接続され、駆動源１５に連結された減速機１８の出力軸１８ａには接続されない。
【0032】
応急運転時には、図３に示す態様と同じように、プーリユニット４０に隣接して配置された外部モータ５０によりベルト５５およびプーリユニット４０を介してポンプ１０が駆動される。このように、本実施形態においても、ポンプ１０の駆動方式を、駆動源１５による中間軸６０を介したシャフト駆動から、外部モータ５０によるプーリユニット４０を介したベルト駆動に迅速に切り替えることができる。
【0033】
プーリユニット４０とは異なり、中間軸６０には軸受は使用されないので、通常の運転が行われる限りにおいては軸受の管理が不要である。したがって、図１に示す実施形態に比較して維持管理費を低くすることができる。さらに、通常運転ではプーリユニット４０は使用されないので、このプーリユニット４０を、同一構成を有する複数のポンプシステムに共通する緊急時対応用の予備品として使用することができる。したがって、ポンプシステムに必要とされる危機管理費を低減することができる。
【0034】
図８は、プーリユニット４０の他の例を示す図である。この例では、プーリユニット４０は、３つのプーリ４１ａ，４１ｂ，４１ｃを備えている。これら３つのプーリ４１ａ，４１ｂ，４１ｃは互いに異なる直径を有しており、それぞれ支持軸４２に固定されている。プーリ４１ａは低速用の大径プーリであり、プーリ４１ｂは中速用の中径プーリであり、プーリ４１ｃは高速用の小径プーリである。緊急運転時において、市販の汎用モータが出力不足である場合、より大きな径を有するプーリを使用することで、モータへの負荷を低減することができる。
【0035】
また、モータの出力がポンプ１０の要求する出力よりも低い場合にポンプを定格回転速度で運転してしまうと、過負荷によりモータが故障するおそれがある。本実施形態では、より大きな径のプーリを選択することにより、ポンプをその定格回転速度よりも低い回転速度で駆動させ、モータに掛かる負荷を低減させることができる。このように、本実施形態に係るプーリユニット４０は、緊急時に入手可能な汎用モータの出力に応じたポンプ駆動を可能とするので、緊急時の対応の幅が広い（すなわち、出力の低いモータでも駆動可能な）信頼性の高いポンプシステムとなる。
【0036】
図９は、図８に示すプーリユニット４０を使用してポンプ１０を駆動した場合の性能曲線を示すグラフである。小径のプーリ４１ｃを使用した場合に比べて、中径のプーリ４１ｂを使用すると、ポンプ駆動のための動力Ｐは下がるが、排水量Ｑも若干低下する。しかしながら、この場合でも、ポンプシステムを運転させて最低限の排水機能を確保することはできる。したがって、“排水能力ゼロ”という最悪の事態を回避することができ、信頼性の高い緊急用のポンプシステムとしても機能する。
【0037】
径の異なる複数のプーリを具備させたことにより、容量の違う（回転速度の異なる）種々のポンプシステムにプーリユニット４０を使用することが可能となる。したがって、本プーリユニット４０は、多くのポンプシステムに使用可能な共通備品として保管することができ、経済性・維持管理性を更に向上させることが可能となる。図２に示すプーリユニット４０にも、図８に示す複数のプーリを適用することは当然に可能である。なお、いままでに述べたプーリユニット４０においては、安全上の観点より、プーリを覆う保護カバーを設けることが好ましい。
【0038】
これまで、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲から定義される技術的概念の範囲内において種々変更が可能である。
【符号の説明】
【0039】
１ 吸込水槽２ 吐出水槽
１０ ポンプ
１０ａ ポンプケーシング
１１ 吸込管
１１ａ 吸込口
１２ 吐出管
１３ 吐出弁
１５ 駆動源
１６ ポンプ軸
１８ 減速機
２０ 設置床
２１ 架台
２２ フラップ弁
３０ 満水検知器
３１ 真空ポンプ
３２，３３，３４ カップリング
４０ プーリユニット
４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ プーリ
４２ 支持軸
４３ ラジアル軸受
４４ 基台
４５，４６ フランジ部
５０ 外部モータ
５１ モータプーリ
５５ ベルト
６０ 中間軸
６１ 軸部
６２，６３ フランジ部