CN101194110B - 旋转环轴承结构 - Google Patents

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Abstract

一种旋转环轴承，具有：外环，其具有平行地形成在内周面的第一和第二圆周槽；内环，其设置于所述外环的内侧，具有与所述外环的所述第一和第二圆周槽对应而平行地形成在外周面的第一和第二圆周槽；第一滚动体列，其设置于所述外环的所述第一圆周槽和所述内环的所述第一圆周槽；第二滚动体列，其设置于所述外环的所述第二圆周槽和所述内环的所述第二圆周槽。经由所述第一滚动体列和所述第二滚动体列，所述内环绕旋转轴向与所述外环相对的相反方向旋转。所述旋转环轴承具有如下载荷分配结构，在该载荷分配结构中，使施加于第一滚动体列的第一载荷分配与施加于第二滚动体列的第二载荷分配之间的差异切实地减小；所述载荷分配结构包括与外环连接的第一侧板和第二侧板，或与内环连接的第一侧板和第二侧板；所述第一侧板和第二侧板向所述外环或内环提供不同的刚性。

Description

旋转环轴承结构 
技术领域
本发明涉及一种旋转环轴承结构，特别涉及双列化的旋转环轴承结构。 
背景技术
为了保护地球环境而希望利用对环境而言负担小的自然能源。作为一种自然能源，风能有发展前途。风车发电机是将风能转化为电能的旋转机械。如图1所示，风车发电机构成为，包括支承塔、被支承塔旋转自如地支承的风车基体102、被风车基体102旋转自如地支承的叶轮基体(旋翼头)103。多个翼(在该例中有三片翼)104A、104B、104C分别经由旋转环轴承105A、105B、105C被旋翼头103旋转自如地(间距可自由改变)支承。如图2所示，旋转环轴承105B由旋翼头侧的非旋转外环106和翼侧的旋转内环107形成。在外环106和内环107之间，设置有环状的滚动体列108。作为滚动体列108要素的滚动体具有滚珠或大致圆柱面或球面的转动滚轮的形状。 
在支承图1所示的三片翼中的一片翼104B的旋转环轴承105B中，作用有如下的力：轴向XB的外力Fxb、围绕该方向XB的旋转转矩Mxb、径向YB的外力Fyb、围绕该方向YB的旋转转矩Myb、与旋翼头103的旋转轴正交的径向ZB的外力Fzb、围绕该轴向ZB的旋转转矩Mzb。这样的三维作用力相对于外环106、内环107及滚动体列108的多个滚动体产生表面压力。这样的表面压力作为弹性变形力作用于外环106、内环107及滚动体列108。这样的变形力作为对应于排列在同一圆周上多个滚动体的滚珠号的圆周方向位置的分布函数而表示，滚动体所受的球载荷或其位置的表面压力不固定，而是产生大的变动。这样的变形力作为在旋转轴承105A、105B、105C上产生的大的摩擦的原因而显现，缩短旋转环轴承的寿命。 
与上述说明相关联，在(日本)特开2002-13540号公报中记载了双列旋转轴承。在该现有例中，在外环或内环的半径方向设置插入孔并将滚动体插入。虽然记载有伴随着滚轮的插入，预压量逐渐增加，但并未记载每 一列的预压量。 
另外，在(日本)特开平7-310645号公报中公开了风车翼。在该现有例中，翼部经由旋转环轴承被旋翼头可改变间距地支承，旋转环轴承同时支承径向载荷和轴向载荷。该旋转环轴承是单列轴承。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以同时实现旋转环轴承的双列化和表面压力均一化(滚动体载荷的均一化)的旋转环轴承。 
本发明的其它目的在于提供一种通过将旋转环轴承双列化、且将滚动体载荷分配适当地等载荷分配，从而实现表面压力均一化的旋转环轴承。 
本发明的另一其它目的在于提供一种将旋转环轴承双列化，在载荷不等分配时实现表面压力均一化的旋转环轴承。 
本发明的另一其它目的在于提供一种使用上述旋转环轴承的风力发电装置。 
根据本发明的观点，旋转环轴承具有：外环部，其具有平行地形成在内周面的第一和第二圆周槽；内环部，其设置于所述外环部的内侧，具有与所述外环部的所述第一和第二圆周槽对应而平行地形成在外周面的第一和第二圆周槽；第一滚动体列，其设置于所述外环部的所述第一圆周槽和所述内环部的所述第一圆周槽；第二滚动体列，其设置于所述外环部的所述第二圆周槽和所述内环部的所述第二圆周槽。经由所述第一滚动体列和所述第二滚动体列，所述内环部绕旋转轴向相对于所述外环部相反的方向旋转。 
在此，优选为，与所述第一外周部对应的所述第一滚动体列的滚动体的第一预压力，比与所述第二外周部对应的所述第二滚动体列的滚动体的第二预压力大。 
此时，所述外环部的所述第一外周部半径方向的厚度也可比所述外环部的所述第二外周部半径方向的厚度厚。另外，所述第一滚动体列的滚动体半径方向的第一直径也可比所述第二滚动体列的滚动体半径方向的第二直径小。 
另外，既可为所述外环部的所述旋转轴方向的宽度与所述内环部的所述旋转轴方向的宽度相等，也可为所述外环部的所述旋转轴方向的宽度比 所述内环部的所述旋转轴方向的宽度大。 
当所述外环部的所述旋转轴方向的宽度比所述内环部的所述旋转轴方向的宽度大时，所述外环部也可进一步具有与所述旋转轴方向正交的所述外环部的面结合的侧板。在此基础上，所述内环部也可进一步具有与所述旋转轴方向正交的所述外环部的面结合的侧板。 
另外，所述第一和第二滚动体列的滚动体既可为球，也可为滚轮。 
另外，在本发明的其它观点中，风力发电装置具有：与风力输出用旋转轴连接的旋翼头；多个翼；为了将所述多个翼分别与所述旋翼头结合而设置的所述旋转环轴承。 
附图说明
图1是表示公知的旋转环轴承结构的立体图； 
图2是表示公知的旋转环轴承的立体图； 
图3是表示本发明适用对象的旋转环轴承结构的立体图； 
图4是图3一部分的立体剖面图； 
图5是表示旋转环轴承的区域划分的剖面图； 
图6是表示本发明风车用旋转环轴承结构的实施例的剖面图； 
图7是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它实施例的剖面图； 
图8是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它实施例的剖面图； 
图9是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它实施例的剖面图； 
图10是表示本发明的风车用旋转环轴承结构的其它实施例的剖面图； 
图11是表示本发明风车用旋转环轴承结构的滚珠载荷分布的图； 
图12是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它滚珠载荷分布的图； 
图13是表示本发明风车用旋转环轴承结构的表面压力分布的图； 
图14是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它表面压力分布的图； 
图15是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它滚珠载荷分布的图； 
图16是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它滚珠载荷分布的图； 
图17是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它表面压力分布的图； 
图18是表示本发明风车用旋转环轴承结构的其它表面压力分布的图。 
具体实施方式
下面，参照附图详细地说明本发明的旋转环轴承。虽然以风车用旋转环轴承为例说明旋转环轴承，但对本领域技术人员来说，不言而喻，本发明可以适用于一般的旋转环轴承。 
图3是表示本发明第一实施例的风车用旋转环轴承结构的立体图。参照图3，在叶轮本体(旋翼头)1上设置有风力输出用旋转轴2和三组旋转环轴承3。三片可改变间距的翼(未图示)分别被三组旋转环轴承3支承。三组旋转环轴承3各自的旋转轴以120度的等角度间隔配置在同一平面上。 
在图4中，旋转环轴承3由固定在旋翼头1的外环4和固定在翼上的内环5形成。在外环4的内周面和内环5的外周面之间，设置有第一滚动体列6和第二滚动体列7。第一滚动体列6和第二滚动体列7各自的滚动体具有滚珠或滚轮这样的形状。第一滚动体列6和第二滚动体列7在旋转轴L的轴向以间隔D分离。 
对在外环4和内环5表面产生的表面压力实施FEM(有限元法)分析，其结果，在该表面上描线表示。保持第一滚动体列6和第二滚动体列7各自滚动体的护圈(保持器)可单独形成，或与外环4或内环5一体形成。作为第一滚动体列6和第二滚动体列7，可以利用滚珠、球面滚轮。 
图5表示通过等载荷分配或不等载荷分配，载荷f1和载荷f2在旋转轴方向被分配，圆周方向的表面压力被均一化(将表面压力差分布平坦化)的两区域。圆周方向的坐标使用对同一圆周上排列的多个滚动体的滚珠分配的滚珠号来表示。因此，圆周方向的坐标被离散化。在旋转轴方向上，作为一体而形成的外环4假想被划分为与第一滚动体列6对应的第一外环部8和与第二滚动体列7对应的第二外环部9。在旋转轴方向上，作为一体而形成的内环5假想被划分为与第一滚动体列6对应的第一内环部11和与第二滚动体列7对应的第二内环部12。第一外环部8和第二外环部9通过与旋转轴L正交的假想的中心面S在旋转轴方向被划分。第一内环部11和第二内环部12通过假想的中心面S在旋转轴方向被划分。 
图6表示本发明适用的风车用旋转环轴承结构的载荷分配的例子。作用于第一外环部8外侧周面的载荷f1比作用于第二外环部9外侧周面的载荷f2小时，优选为，第一滚动体列6的滚珠直径比第二滚动体列7的滚珠直径小。因滚珠直径越大则滚珠的载重负荷能力越大，因此，在该例中，第一外环部8和第二外环部9的变形度或内部应力分布可以均一化。 
图7表示本发明适用的风车用旋转环轴承机构的载荷分配的其它例。在该例中，第一滚动体列6和第二滚动体列7的滚珠直径相等。作用于第一外环部8外侧周面的载荷f1比作用于第二外环部9外侧周面的载荷f2大时，为了使第一外环部8的刚性比第二外环部9的刚性大，第一外环部8的半径方向的厚度增厚为比第二外环部9的半径方向厚度厚。其结果，载荷更多地作用于刚性大的一方，从而实现第一滚动体列6和第二滚动体列7的载荷的等分配。通过等载荷分配，轴承的表面压力(表面压力差分布)被均一化。第一外环部8和第二外环部9的这样的大小关系作为一般性倾向是正确的。但是，事实上基于对实际结构的FEM分析的结果来确定其厚度、形状、假想中心面S的旋转轴方向的位置。在该例中，可实现等载荷分配。 
图8表示本发明适用的风车用旋转环轴承机构的载荷分配的另外其它例。在该例中，在调整外环4和内环5的形状这一点上与图7的实施例相同。对应f1和f2的大小关系来确定外环4和内环5的旋转轴方向的宽度的大小关系。另外，基于f1和f2的大小关系来确定第一外环部8和第二外环部9的旋转轴方向的宽度的大小关系，或第一内环部11和第二内环部12的旋转轴方向宽度的大小关系。在该例中，可实现等载荷分配。 
图9表示本发明适用的风车用旋转环轴承机构的载荷分配的其它例。基于f1和f2的大小关系，对第一滚动体列6的滚珠直径D1和第二滚动体列7的滚珠直径D2赋值很小的差ΔD。 
ΔD＝D2-D1＝K*(f2-f1)    K：微小常数 
外环4和内环5之间设置有第一滚动体列6和第二滚动体列7，第一滚动体列6和第二滚动体列7被外环4和内环5用力夹持。此时，作用于第一外环部8外侧周面的载荷f1比作用于第二外环部9外侧周面的载荷f2大时，因滚珠直径稍大的滚珠7一方的预压力大，所以，滚珠7的刚性变大。其结果，载荷更多地作用于刚性大的一方，从而实现第一滚动体列6和第二滚动体列7的载荷的等分配。在该例中，通过调节滚珠直径并调整预压力，可以将轴承的表面压力均一化，表面压力差分布平坦化。按照该例的调整预压力的想法，虽然未图示，但通过在第一滚动体列6的外环的直径D1’和第二滚动体列7的外环的直径D2’之间设置很小的差，从而可以在两列间将轴承的表面压力分布均一化(平坦化)。 
图10表示等载荷分配的其它例。基于f1和f2大小关系确定厚度的环板(侧板)13安装于第一外环部8的侧周面，基于f1和f2大小关系确定厚度的环板(侧板)13安装于第二外环部9的侧周面。另外，基于f1和f2大小关系确定厚度的环板13’安装于第一内环部11的侧周面，基于f1和f2大小关系确定厚度的环板13’安装于第二内环部12的侧周面。安装于第一外环部8的环板13的厚度和安装于第一内环部11的环板13’的厚度也可基于f1和f2的大小关系进行调整。安装于第二外环部9的环板13的厚度和安装于第二内环部12的环板13’的厚度也可基于f1和f2的大小关系进行调整。通过刚性调整从而可以实现等载荷分配。 
另外，上述的环板也可仅设置于外环部4，或仅设置于内环部5。该环板也可以与内环部5结合的旋转轴不干涉的方式一直延伸到旋转轴附近。 
图11～图14表示通过上述载荷分配被分配的载荷的FEM分析结果。在此，横轴是绕内外环一周的角度坐标，由滚珠号离散化。图11表示改变f1和f2的分配率进行FEM分析时旋翼头侧的滚动体载荷分布。旋翼头侧的滚珠载荷比翼侧的滚珠载荷大。加载分配率50％的正常载荷时的滚珠载荷分布，与加载分配率59％或分配率61％的载荷时的滚珠载荷分布相比，在整个圆周区域在旋翼头侧被抑制得小。图13表示与图11所示的滚珠载荷分布对应的旋翼头侧的表面压力分布。加载分配率50％的载荷时的表面压力分布，与加载分配率59％或分配率61％的正常载荷时的表面压力分布相比，在整个圆周区域在旋翼头侧被抑制得小。这样，在滚珠载荷分布和表面压力分布大的一侧，它们的值被抑制得小，在滚珠载荷分布和表面压力分布小的一侧，它们的值变大，两种分布被平坦化。图12和图14表示两列滚珠载荷差分布和表面压力差分布被平坦化，等分配适当地分配。 
图15～图18表示附加图10所示的环板(一块侧板)13、13’时载荷的FEM分析结果。表示分配率为靠近50％的48％时，在滚珠载荷和表面压力大的旋翼头侧，其滚珠载荷差分布和表面压力差分布在整体上进一步被平坦化。 
(第二实施例) 
作为不等载荷分配的其它例，使用双列球面滚轮轴承，通过对滚轮调节预压力，轴承的载荷能力上升，可以吸收一些载荷不均等。将第一滚动体列6的保持器和第二滚动体列7的保持器一体化，有利于表面压力的均 一化(平坦化)。可以有效地将一个圆周上的滚珠载荷均一化。为了将该滚珠载荷均一化，将外环4的滚动面和内环5的滚动面一并形成非正圆形，或将外环4和内环5中的一方形成非正圆形，通过调整对该滚珠施加的预压力，可以将轴承的表面压力分布均一化(平坦化)。 
如上所述，根据本发明的双列旋转环轴承，通过载荷差分布的平坦化而将表面压力差分布平坦化，从而可以同时实现旋转环轴承的双列化和表面压力差均一化。由此，对应双列滚动体列，外环和内环分担的载荷可以均一地被分配。等载荷分配可以通过双列旋转环轴承为高刚性或对应各滚动体列的总刚性(轴承刚性+支承刚性)相等来实现。 

Claims (12)

1.一种旋转环轴承，其特征在于，具有：
外环，其具有平行地形成在内周面的第一和第二圆周槽；
内环，其设置于所述外环的内侧，具有与所述外环的所述第一和第二圆周槽对应而平行地形成在外周面的第一和第二圆周槽；
第一滚动体列，其设置于所述外环的所述第一圆周槽和所述内环的所述第一圆周槽；
第二滚动体列，其设置于所述外环的所述第二圆周槽和所述内环的所述第二圆周槽，
经由所述第一滚动体列和所述第二滚动体列，所述内环绕旋转轴向相对于所述外环相反的圆周方向旋转，
所述旋转环轴承具有如下载荷分配结构，在该载荷分配结构中，使施加于第一滚动体列的第一载荷分配与施加于第二滚动体列的第二载荷分配之间的差异切实地减小，
其中所述外环包括：
具有所述外环的所述第一圆周槽的第一外环部、和
具有所述外环的所述第二圆周槽的第二外环部，
所述载荷分配结构包括分别与所述第一外环部和第二外环部连接的第一侧板和第二侧板，
所述第一侧板和第二侧板向所述第一外环部和第二外环部提供不同的刚性。
2.如权利要求1所述的旋转环轴承，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚珠。
3.如权利要求1所述的旋转环轴承，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚轮。
4.一种旋转环轴承，其特征在于，具有：
外环，其具有平行地形成在内周面的第一和第二圆周槽；
内环，其设置于所述外环的内侧，具有与所述外环的所述第一和第二圆周槽对应而平行地形成在外周面的第一和第二圆周槽；
第一滚动体列，其设置于所述外环的所述第一圆周槽和所述内环的所述第一圆周槽；
第二滚动体列，其设置于所述外环的所述第二圆周槽和所述内环的所述第二圆周槽，
经由所述第一滚动体列和所述第二滚动体列，所述内环绕旋转轴向相对于所述外环相反的圆周方向旋转，
所述旋转环轴承具有如下载荷分配结构，在该载荷分配结构中，使施加于第一滚动体列的第一载荷分配与施加于第二滚动体列的第二载荷分配之间的差异切实地减小，
其中所述内环包括：
具有所述内环的所述第一圆周槽的第一内环部、和
具有所述内环的所述第二圆周槽的第二内环部，
所述载荷分配结构包括分别与所述第一内环部和第二内环部连接的第一侧板和第二侧板，
所述第一侧板和第二侧板向所述第一内环部和第二内环部提供不同的刚性。
5.如权利要求4所述的旋转环轴承，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚珠。
6.如权利要求4所述的旋转环轴承，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚轮。
7.一种风力发电装置，其具有：
与风力输出用旋转轴连接的旋翼头；
多个翼；
为了将所述多个翼分别与所述旋翼头结合而设置的旋转环轴承，
其中，所述旋转环轴承具有：
外环，其具有平行地形成在内周面的第一和第二圆周槽；
内环，其设置于所述外环的内侧，具有与所述外环的所述第一和第二圆周槽对应而平行地形成在外周面的第一和第二圆周槽；
第一滚动体列，其设置于所述外环的所述第一圆周槽和所述内环的所述第一圆周槽；
第二滚动体列，其设置于所述外环的所述第二圆周槽和所述内环的所述第二圆周槽，
经由所述第一滚动体列和所述第二滚动体列，所述内环绕旋转轴向相对于所述外环相反的圆周方向旋转，
所述旋转环轴承具有如下载荷分配结构，在该载荷分配结构中，使施加于第一滚动体列的第一载荷分配与施加于第二滚动体列的第二载荷分配之间的差异切实地减小，
其中所述外环包括：
具有所述外环的所述第一圆周槽的第一外环部、和
具有所述外环的所述第二圆周槽的第二外环部，
所述载荷分配结构包括分别与所述第一外环部和第二外环部连接的第一侧板和第二侧板，
所述第一侧板和第二侧板向所述第一外环部和第二外环部提供不同的刚性。
8.如权利要求7所述的风力发电装置，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚珠。
9.如权利要求7所述的风力发电装置，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚轮。
10.一种风力发电装置，其具有：
与风力输出用旋转轴连接的旋翼头；
多个翼；
为了将所述多个翼分别与所述旋翼头结合而设置的旋转环轴承，
其中，所述旋转环轴承具有：
外环，其具有平行地形成在内周面的第一和第二圆周槽；
内环，其设置于所述外环的内侧，具有与所述外环的所述第一和第二圆周槽对应而平行地形成在外周面的第一和第二圆周槽；
第一滚动体列，其设置于所述外环的所述第一圆周槽和所述内环的所述第一圆周槽；
第二滚动体列，其设置于所述外环的所述第二圆周槽和所述内环的所述第二圆周槽，
经由所述第一滚动体列和所述第二滚动体列，所述内环绕旋转轴向相对于所述外环相反的圆周方向旋转，
所述旋转环轴承具有如下载荷分配结构，在该载荷分配结构中，使施加于第一滚动体列的第一载荷分配与施加于第二滚动体列的第二载荷分配之间的差异切实地减小，
其中所述内环包括：
具有所述内环的所述第一圆周槽的第一内环部、和
具有所述内环的所述第二圆周槽的第二内环部，
所述载荷分配结构包括分别与所述第一内环部和第二内环部连接的第一侧板和第二侧板，
所述第一侧板和第二侧板向所述第一内环部和第二内环部提供不同的刚性。
11.如权利要求10所述的风力发电装置，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚珠。
12.如权利要求10所述的风力发电装置，其特征在于，所述第一和第二滚动体列的滚动体是滚轮。
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