CN101482148A - 用于在齿轮单元中安装轴承或轴承部件的支承环 - Google Patents

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Abstract

一种用于在齿轮单元中安装轴承或轴承部件的支承环，其特征在于该支承环在径向方向上是相对刚性的，而在轴向方向上相对柔性。该支承环适于特别是在轴向方向上具有很高载荷的应用，该支承环能成本有效地并在无须许多技术上的复杂操作的情况下生产。

Description

用于在齿轮单元中安装轴承或轴承部件的支承环
技术领域
本发明涉及一种用于在齿轮单元中安装轴承和轴承部件的支承环。
更具体地但不专门地，本发明涉及这样一种用于在风轮机中应用的支承环，通常用于安装将风轮机的转子毂连接到发电机的双级行星齿轮单元的第二行星架的轴承。
背景技术
取决于轴承的类型(圆柱形轴承、锥形滚柱轴承、球面轴承等)以及取决于所需要的定位类型，在机架中或轴上定位轴承的不同方式是公知的。
通常，通过防止外轴承环和/或内轴承环的移动来定位轴承。典型的示例是：内轴承环通过收缩过程在轴上的固定、外环与机架的栓接、螺母和开尾销的使用以防止环中的一个的移动等。
所有这些安装类型的共同之处在于一方面在外环与静机架之间和/或另一方面在内环与旋转部件，例如轴之间获得用于力传递的牢固连接或良好接触。
这样，作用在旋转部件上的载荷，如由于重量的载荷，而且是动载荷能容易地传递到机架。
然而，在具有增大尺寸的应用的情形中，轴承应承受的负载迅速增加，这导致轴承环、支承结构等的不能接受的磨损、塑性变形或过早损坏。
例如，在风轮机的典型设计中，转子毂通过一对轴承或者有时通过一个主轴承来支承。此转子毂连接到通常具有一个或多个行星级的齿轮箱，在该齿轮箱中，转子叶片的缓慢旋转转换成齿轮箱的输出处的快速旋转，该输出连接到动力发电机。
因此第一行星齿轮级的行星架通常连接到转子毂，行星架通过其自身的轴承或轴承对来支承。
为了将风轮机的总重量减到最小，近来更多的风轮机设计试图集成传动系统的不同组件。
集成部件的一种方式是使用支承行星架以及转子毂的一个主轴承或一对轴承，由此在最新设计中，70m长的转子叶片能安装在此转子毂上。
明显的是此一个主轴承或轴承对以及支承轴承的整个结构置于非常高的载荷之下。
因此不可避免的是在转子叶片的旋转期间会产生某些变形和偏差。
此外，在新的设计中，经常使用至少两个行星齿轮级。通常第一行星齿轮级的行星架通过到转子毂的连接来支承，而没有任何附加的轴承。
第一行星齿轮级的输出轴通过第一行星齿轮级的太阳轮与行星轮的相互作用来居中保持，也没有任何附加的导向轴承。
另外，第一行星齿轮级的此输出轴连接到第二行星齿轮级的行星架，从而此输出轴在两侧处被支承，而没有任何附加的导向轴承支承。
然而，第二行星级的行星架通过轴承相对于机架结构可旋转地安装，此轴承因此也间接地支承第一行星齿轮级的输出轴。
最后，第二行星齿轮级的输出轴连接到发电机，由此此输出轴通常通过轴承可旋转地安装在发电机机架中。
明显的是转子毂上的力以及变形和偏差将通过两个行星齿轮级传递，导致上述支承第二行星齿轮级的行星架的轴承上的过度载荷。
在机架中安装此轴承的典型方式不适于处理这些过度载荷。
这是为何存在对作为本发明主题的专用支承环的需求的原因。
需要注意的是轴承上载荷的轴向分量经常是如轴承或支承结构的故障和塑性变形的问题的起因。
发明内容
因此，本发明的目的是一种用于在齿轮单元中安装轴承或轴承部件的支承环，该支承环适于特别是在轴向方向上具有很高载荷的应用，在这些应用中，目前公知的定位轴承的支承或方法失去效果或不足以胜任。
因此，本发明的另一目的是获得一种支承环，该支承环能成本有效地并在无须许多技术上的复杂操作的情况下生产。
为此目的，本发明涉及一种用于在齿轮单元中安装轴承或轴承部件的支承环，该支承环在径向方向上是相对刚性的，而在轴向方向上相对柔性。
根据本发明的此支承环的第一个重要优点在于它在轴向方向上相对柔性的性能。
这意味着支承环能够在非常高的轴向载荷下承受轴向方向上的变形。这样，避免了轴承支承的故障，而通常非常刚硬的典型支承将失效或者将导致对它支承的轴承的损坏。
根据本发明的此支承环的另一重要优点在于它在径向方向上相对刚性的性能。
这样，因为轴承通过支承环固定在机架中，该环依靠其径向刚度将不允许径向方向上的明显位移，所以确保保持轴承绕中心旋转轴线集于中心。
由此，因为旋转部件，例如转子毂及其齿轮在它们转动中通过该轴承保持，所以这些部件也将保持集于中心。
按照根据本发明的支承环的优选实施例，该支承环包括分别位于支承环的径向内侧处和径向外侧处的内部件和外部件，所述内部件和外部件通过中间部件彼此相连，与内部件和外部件的轴向刚度相比，该中间部件在轴向方向上相对柔性。
根据本发明的支承环的此实施例的优点在于在轴向方向上相对柔性的部件集中在该中间部件中。
实际上，外部件和内部件优选是相对刚性的，因为这些部件分别用于将支承环连接到机架以及将轴承保持在支承环中。
按照根据本发明的支承环的更优选的实施例，内部件、外部件和中间部件或者它们中的一个部件是大致环形的。
优选，中间部件分别通过内梁和外梁连接到内部件和外部件，所述梁沿径向方向定向。
另外，优选内梁中的任何一个都不沿与外梁中的任何一个相同的径向对齐，其中优选每个内梁相对于一个外梁沿直径方向放置，并且每个外梁相对于一个内梁沿直径方向放置。
根据本发明的支承环的此特定实施例具有多个优点。
首先，梁及其特殊安置的使用提供了如根据本发明所需的轴向方向上的必要柔性。
第二，相同的梁及其特殊安置还给予了径向方向上的刚度，以便保持组件集于中心。
最后，形状适合于例如通过铸造而制成为一个整体件，从而它容易生产且不昂贵。
附图说明
为了更好地显示本发明的特征，在下文中，作为没有任何限制特性的示例，参照附图来描述根据本发明的支承环的实施例的优选形式，其中：
图1示出了根据本发明的支承环的透视图；
图2示出了由图1中的F2指示的同一支承环的正视图；
图3示出了根据图2中的线III-III的横截面；
图4以较大的比例示出了根据由图2中的线IV-IV指示的切割线的支承环的横截面，其中支承环在机架中以及轴承在支承环中的安装在虚线示出中；
图5示意性示出了典型的风轮机，其中集成了根据本发明的支承环，用于支承行星架的轴承；以及
图6以较大的比例示出了风轮机的由图5中的F6指示的部件的横截面。
具体实施方式
图1到图4中示出的支承环1作为一个整体件制成。
然而，可认为它具有三个部件：位于支承环1的径向内侧3处的内部件2、位于支承环1的径向外侧5处的外部件4以及中间部件6，外部件4和内部件2通过该中间部件6彼此相连。
内部件2、中间部件6和外部件4都是大致环形的并且安装在同中心的位置。
在图1到图4中所示的实施例中，内部件2以套管7的形式制成，该套管7的轮廓形成在内侧上以便能够接收待通过支承环1支承的轴承或轴承部件。
中间部件6分别通过内梁8和外梁9连接到内部件2和外部件4。
所有这些梁8和9均沿径向方向RR′定向。
然而，内梁8中的任何一个都不沿与外梁9中的任何一个相同的径向R对齐。
实际上，在图1到图4中示出的实施例中，每个内梁8相对于一个外梁9沿直径方向放设置，并且每个外梁9相对于一个内梁8沿直径方向放置。
内部件2以及外部件4设有孔，分别是孔10和孔11。
图4中图示了如何能例如通过穿过孔11的螺栓13来将支承环安装到机架12。
以相同的方式，孔10能用于通过盖板16来将轴承14，在此情形中为圆柱形轴承14，或者如外轴承环15的轴承部件定位在套管7中，该盖板16利用螺栓17栓接到支承环1。
将通过图5和图6来进一步说明根据本发明的支承环1的特定优点和功能。
在这些图5和图6中，将支承环1应用在风轮机18中，以便支承双级行星齿轮单元的第二行星架39的轴承45，该双级行星齿轮单元将风轮机18的转子毂22连接到发电机27。
在图5中示出了典型的风轮机18，该风轮机18由可旋转地安装在静支承结构20上的短舱19构成。以这种方式，风轮机18能朝向风的方向。
转子21安装在短舱19中，转子21包括转子毂22，转子叶片23固定到该转子毂22。转子毂22连接到齿轮单元25的输入轴24，而齿轮单元25的输出轴26连接到发电机27。
如在图6中更详细示出的，齿轮单元25具有两个行星齿轮级28和29。
因此第一行星齿轮级28的行星架30起输入轴24的作用并且连接到转子毂22。
因此，第一行星齿轮级28的行星架30刚性地连接到转子毂22，由此转子毂22和行星架30的组合通过一对轴承32相对于机架31以可旋转的方式安装。
此外，第一行星齿轮级28设有通过行星轴承34可旋转地安装在行星轴35上的行星轮33，所述行星轴35刚性地连接到行星架30。
这些行星轮33一方面与刚性连接到机架31的环形轮36相互作用，而另一方面与安装在第一行星齿轮级28的输出轴38上的太阳轮37相互作用。
因此转子毂22的缓慢旋转转换成输出轴38处的较快旋转。
第一行星齿轮级28的此输出轴38又用作第二行星齿轮级29的输入轴38，由此输入轴38驱动此第二行星齿轮级29的行星架39。
以与第一行星齿轮级28相似的方式，输入轴38通过行星轮40、固定连接到机架31的环形轮43和安装在输出轴26上的太阳轮44的相互作用来驱动输出轴26，所述行星轮40通过行星轴承42安装在行星架39上的行星轴41上。
明显地，在第二行星齿轮级29的输出轴26处获得的旋转速度比在第一行星齿轮级28的输出轴38处获得的旋转速度进一步增加。
以这种方式，输出轴26足够快速地旋转以让发电机27适当地发挥作用。
第二行星齿轮级29的行星架39设有轴承45，该轴承45完全以与图4的示例中相似的方式安装在根据本发明的支承环1中，该支承环1连接到机架31。
根据本发明，具有其内梁8和外梁9的支承环1的中间部件6起重要作用。
实际上，此中间部件6在轴向方向AA′上比内部件2和外部件4更柔性。
转子毂22上的轴向载荷通过两个行星齿轮级28和29传递到轴承45并进一步通过支承环1传递到机架31。
由此，此轴向载荷将导致支承环1的中间部件6在轴向方向AA′上的变形。
这意味着内部件2和外部件4将经历相对于彼此的轴向位移。
在轴承的经典安装中这将不能实现，轴承45与非常刚硬的支座等形成接触。
因此，在轴承45的经典安装中，轴承45必须要承受的轴向方向上的载荷更大。这也是为什么在此情形中轴承往往会失效。
通过使用支承环1而允许沿轴向方向AA′的特定位移的事实降低了轴承45上的载荷。然而，在风轮机18的设计期间，必须考虑此自由度。
具有其内梁8和外梁9的中间部件6的另一重要特征在于它在径向方向RR′上具有相对高的刚度。
这意味着径向方向RR′上的载荷不会导致相当大的变形，从而保持轴承45绕旋转轴线AA′集于中心。
这是根据本发明的支承环1的另一优点。
根据本发明的优选实施例，将支承环1铸造为一个整体件。
本发明的此实施例的优点在于生产非常简单。实际上，一旦制造了模具，就能非常快速、容易和较廉价地制造很多工件。
按照根据本发明的支承环1的又一更优选的实施例，支承环1由球墨铸铁也称为球状石墨铸铁制成。
典型的铸铁相当脆。这是由铸铁中碳的高含量导致的。当铸件固化时，此碳的一些沉淀为石墨片，该石墨片增加了裂缝的形成。
在球墨铸铁中，添加所谓的“球化剂”，如镁或铈。这些“球化剂”导致碳沉淀为石墨球而不是石墨片，从而阻碍裂缝的形成并且金属更有韧性。
使用球墨铸铁的优点在于获得更坚固的整体件，该整体件具有良好的韧性和耐磨性以及与其强度相比的相当有限的重量。
为了更进一步增强支承环1的性能，根据本发明，还优选使用奥贝球铁，也称为ADI。
奥贝球铁通过铸造为正常的球墨铸铁而获得，由此它随后经受等温淬火过程，该等温淬火过程显著地改进了它的机械性能，如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、冲击阻力、硬度等。
因此，首先使铸造金属快速达到大约900到950℃的温度。在此温度下，获得铁和碳的稳定固溶体，即所谓的γ相铁或奥氏体。
然后在几小时之后将该金属突然冷却(淬火)到220与450℃之间的温度，此时开始等温过程，在该等温过程期间，消除材料内的残余应力并允许少许重结晶，从而在损失最小强度的情况下提高韧性。
按照根据本发明的支承环1的最优选实施例，支承环1由具有最小1000MPa抗拉强度的奥贝球铁制成，根据Ferrocast ADI标准也称为F-ADI 1000或者根据欧洲标准DIN EN 15 64称为EN-GJS-1000-5。
本发明决不限于上文所述和附图中所示的实施例，而是在不偏离本发明的范围的情况下，这种用于安装轴承或轴承部件的支承环1可以不同的形状和尺寸实现。

Claims (16)

1.一种用于在齿轮单元(25)中安装轴承(14、45)或轴承部件(15)的支承环(1)，其特征在于：所述支承环在径向方向(RR′)上是相对刚性的，而在轴向方向(AA′)上是相对柔性的。
2.根据权利要求1所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)包括分别位于所述支承环(1)的径向内侧(3)处和径向外侧(5)处的内部件(2)和外部件(4)，所述内部件(2)和所述外部件(4)通过中间部件(6)彼此相连，与所述内部件(2)和所述外部件(4)的轴向刚度相比，所述中间部件(6)在所述轴向方向(AA′)上是相对柔性的。
3.根据权利要求2所述的支承环(1)，其特征在于：所述内部件(2)和所述外部件(4)、或者所述内部件(2)和所述外部件(4)中的一个部件是大致环形的。
4.根据权利要求2或3所述的支承环(1)，其特征在于：所述中间部件(6)是大致环形的。
5.根据权利要求2到4中的任一项所述的支承环(1)，其特征在于：所述中间部件(6)分别通过内梁(8)和外梁(9)连接到所述内部件(2)和所述外部件(4)。
6.根据权利要求5所述的支承环(1)，其特征在于：所述梁(8、9)沿径向方向(RR′)定向。
7.根据权利要求5和6所述的支承环(1)，其特征在于：所述内梁(8)中的任何一个都不沿与所述外梁(9)中的任何一个相同的径向(RR′)对齐。
8.根据权利要求7所述的支承环(1)，其特征在于：每个内梁(8)相对于一个外梁(9)沿直径方向放置，并且每个外梁(9)相对于一个内梁(8)沿直径方向放置。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)是一个整体件。
10.根据权利要求9所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)是铸造的。
11.根据权利要求10所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)由球墨铸铁也称为球状石墨铸铁制成。
12.根据权利要求11所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)由奥贝球铁也称为ADI制成。
13.根据权利要求12所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)由具有最小1000Mpa的抗拉强度的奥贝球铁制成，所述奥贝球铁根据Ferrocast ADI标准也称为F-ADI1000或者根据欧洲标准DIN EN1564称为EN-GJS-1000-5。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)应用在风轮机(18)的齿轮单元(25)中。
15.根据权利要求14所述的支承环(1)，其特征在于：所述支承环(1)应用于双级行星齿轮单元的第二行星架(39)的轴承(45)的安装，所述双级行星齿轮单元将所述风轮机(18)的转子毂(22)连接到发电机(27)。
16.轴承，其特征在于：所述轴承包括根据前述权利要求中的任一项所述的支承环(1)。
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