CN101568735B - 轴承及通过风轮机的轴承传递力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个滚动体列的轴承，其中所述至少一个滚动体列中的至少一个包括适于基本传递轴向力的多个第一滚动体和适于基本传递径向力的多个第二滚动体。为使摩擦最小，所述至少一个滚动体列中的至少一个包括用于分开滚动体的装置，所述用于分开滚动体的装置包括用于保持所述滚动体的一个或多个保持架，所述一个或多个保持架包括凹穴，所述凹穴适合于使滚动体能在所述滚动体列的纵向方向上位移。本发明还涉及一种用于通过风轮机的轴承传递力的方法。

Description

轴承及通过风轮机的轴承传递力的方法
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的轴承，以及一种用于通过风轮机的轴承传递力的方法。
背景技术
通常，较大的风轮机使用专门构造的四点接触球轴承或交叉滚子轴承，以供在风轮机中应用。尤其是对于变桨轴承和偏航轴承更是这样。
轴承的滚珠和/或滚柱承载施加到它们的包括轴承套圈的支承结构上的载荷，并提供围绕轴承的轴向转动轴线的低摩擦运动。
上述类型的轴承具有用于滚动体的截然不同的载荷路线，并能承载同时的力矩及径向和轴向载荷。内圈和外圈上的硬化的表面提供轴承的固定元件和活动元件之间接触的点。
德国专利申请DE19510182A1公开了一种用在风轮机中的偏航滚柱轴承，其中滚柱(图3，标号10)与最终轴向力成45°角设置。
上述类型的滚柱轴承的缺点是，因为变桨轴承主要受轴向载荷影响，所以成45°角设置的滚柱在它们的主方向上不受载荷，并因此增加了每个分开的滚柱上和轴承构造自身上的载荷。
德国专利申请D10257195A1公开了一种通用交叉滚子轴承，其中将一个或多个滚珠元件插入滚柱元件列中，以便调节滚柱元件之间的间隙。
所述轴承的缺点是，对于承载大载荷的大规模风轮机轴承来说，相邻滚柱元件之间的惯性力导致增加了轴承的退化，并缩短了它的使用寿命。另一些不在加载方向上的滚柱接触角兼顾概率寿命。作为例子，现代的3MW风轮机上的最大力矩约为800KNm。
本发明的目的是提供没有上述缺点的技术，尤其是目的是简化轴承的构造并由此增加它们的工作可靠性。
发明内容
本发明涉及一种轴承，所述轴承具有至少一个滚动体列，所述至少一个滚动体列中的至少一个包括多个第一滚动体和多个第二滚动体，所述第一滚动体适合于基本传递轴向力，所述第二滚动体适合于基本传递径向力，其中所述至少一个滚动体列中的至少一个包括用于分开滚动体的装置，其中所述用于分开滚动体的装置包括用于保持所述滚动体的一个或多个保持架(cage)，其中所述一个或多个保持架包括凹穴，所述凹穴适于使所述滚动列可以沿滚动体列的纵向方向位移。
因此达到了使各滚动体分开，并相对于相邻的滚动体和相对于轴承的总体构造保持在所希望的位置，凹穴使滚动体可以在所述滚动体列的纵向方向上位移，因此减少了尤其是由轴承的较小角运动所产生的轴承的摩擦。通过使用分开的滚动体来在轴承中分别传递轴向力和径向力，确保了轴承可以合适地定尺寸，以便传递作用在轴承上的力。
还可保证轴承的所述分开的滚动体基本只传递用以使轴承上的磨损和撕裂减至最小的力。
此外，保证了滚动体的列数可以减至最少，由此简化了轴承的构造，甚至还可以降低生产和安装成本。
在本发明的另一方面，所述第一滚动体具有基本垂直于所述轴承的转动轴线定向的转动轴线。因此，可以保证所述第一滚动体传递力矩和主要是作用在固定到轴承上的结构上的轴向力，及轴承可以设计成处理所述力矩和力。
在本发明的另一方面，所述第二滚动体具有基本平行于所述轴承的转动轴线定向的转动轴线。因此，可以保证所述第二滚动体主要传递作用在固定到轴承上的结构上的径向力，及轴承可以设计成处理所述力。
在本发明的另一方面，所述第一滚动体与所述第二滚动体不同。因此可以保证基本通过分开的滚动体将作用在轴承上的轴向力和径向力传递到轴承支承结构，因此，轴承和轴承支承结构的设计可以简化。
在本发明的另一方面，所述轴承包括至少两个滚动体列。因此，可以保证，在作用到轴承上的力矩和力的分布、在轴承中的滑动等方面更好地稳定和优化轴承结构。
滚动体可以具有任意外轮廓，然而，按照本发明的一个方面，滚动体是基本柱状的滚柱，例如中凸的滚柱或滚珠滚柱。因此，可以保证，轴承可以朝所希望的方向传递最大载荷，并因此将轴承的最大工作能力用于特定目的。
在本发明的另一方面，所述滚动体与支承结构例如座圈上的轴承圈接触。因此，可以保证，滚动体和支承结构之间的接触在硬化的结构上设计成能处理所产生的力矩和力，并设计成使支承结构上的磨损和撕裂最小。
在本发明的另一方面，所述第一滚动体的数量与第二滚动体的数量间的比值在1∶2-1∶50的范围内，更优选在1∶5-1∶20的范围内，例如为1∶8。因此，可以保证，轴承可以设计成传递作用在轴承上的实际径向力和轴向力，而同时还考虑所述力之间的大小关系。
本发明的另一方面涉及风轮机，所述风轮机包括如上所述的轴承。该轴承非常适于用作风轮机的重载轴承，尤其是常常进行小角度运动的轴承。
在本发明的另一方面，所述轴承是变桨轴承，其用于使所述风轮机的一个或多个叶片相对于所述风轮机的轮毂俯仰(变桨，pitch)。因此，可以保证，所述变桨轴承可以设计成处理作用在风轮机转子叶片到轮毂连接部分上的力，从而保证转子叶片的俯仰的控制可以方便而准确地进行。此外，可以保证，轴承可以设计和优化到特定的操作参数如工作范围。所谓工作范围是指所述轴承使用的角度范围，例如非完全的转动范围，例如90°。作为例子，俯仰运动常常是在20°的范围内，而小的俯仰角的校正，即5°以内的俯仰运动是常见的。
在本发明的另一方面，所述轴承是偏航轴承，其用于使所述风轮机的机舱相对于所述风轮机的塔架偏航。因此，可以保证，所述偏航轴承可以设计成处理作用在风轮机机舱到塔架连接部分上的力，从而保证机舱的偏航的控制可以方便而准确地进行。
所述滚动体列的纵向方向是指用于滚动体的滚动的方向，即它的座圈的方向。对于圆形轴承来说，纵向方向是与轴承的圆周(圆弧)相切的方向。
凹穴的直径di大于滚动体的直径dr，则可供滚动体在到达所述保持架的壁之前的滚动运动的范围更大，而不是由于分别用于轴向滚柱和径向滚柱的座圈的不同速度而产生滑动。
尤其是，对于具有绕某一平均点前后运动的轴承，如运动不是重复的360°转动的变桨轴承，可以保证，保持在所述包括凹穴的保持架中的径向滚动体可以在凹穴的范围内自由地滚动。
此外，本发明还涉及一种用于通过轴承传递力的方法，所述方法包括为轴承设置至少一个滚动体列的步骤，其中所述至少一个滚动体列中的至少一个包括多个第一滚动体和多个第二滚动体，所述第一滚动体适于基本传递轴向力，而所述第二滚动体适于基本传递径向力，该方法还包括为所述至少一个滚动体列中的至少一个设置用于分开滚动体的装置的步骤，其中所述用于分开滚动体的装置包括用于保持所述滚动体的一个或多个保持架，其中所述一个或多个保持架包括凹穴，所述凹穴适合于供滚动体在所述滚动体列的纵向方向上位移之用。
因此，得到一种有利的方法，因此尤其是对于轴承的小角运动来说，较大的载荷可以用较低的摩擦传递。
附图说明
下面将参照附图说明本发明，在附图中：
图1示出在风轮机转子中包括三个风轮机叶片的大型现代风轮机，
图2示意性示出作用在风轮机转子叶片变桨轴承上的力和力矩，
图3示出包括现有技术已知的滚珠滚柱的变桨轴承的一部分的截面，
图4a示意性示出包括隔离件的常规单列轴承的原理，
图4b示意性示出包括保持架的常规单列轴承的原理，
图5示出包括现有技术已知滚柱的风轮机变桨轴承一部分的剖视图，
图6示意性示出本发明的一个实施例的原理，其作为包括隔离件和保持架的组合的交叉滚子轴承，
图7a示意性示出按照本发明的一个实施例所述的轴承的原理，其中保持架包括凹穴，
图7b示意性示出本发明的另一实施例的原理，其作为包括隔离件和保持架的组合的交叉滚子轴承，该保持架包括凹穴，
图8示意性示出按照本发明的另一实施例所述的轴承的原理，其包括两列交叉滚子，所述交叉滚子包括隔离件和保持架，该保持架包括凹穴，以及
图9示出用于本发明的一个实施例的按照本发明所述的轴承。
具体实施方式
图1示出现代风轮机1，该风轮机1具有塔架2和风轮机机舱3，该机舱3位于塔架2的顶部上。
风轮机转子通过变桨机构6连接到轮毂4上，所述风轮机转子包括至少一个叶片，例如如图1所示的三个风轮机叶片5。每个变桨机构都包括一叶片轴承和单独的变桨致动装置，所述变桨致动装置使叶能俯仰。变桨过程由桨距控制器控制。
如图1所示，超过某一等级的风将致动转子，并使转子能沿基本与风向垂直的方向旋转。旋转运动被转变成电力，所述电力通常供应到公用电网，如本领域技术人员已知的。
图2示出风轮机轮毂4的前视图。风轮机转子叶片5通过变桨机构6连接到轮毂4上，所述变桨机构6包括变桨轴承，该变桨轴承支承转子叶片5朝轴向(纵向)和径向二个方向作用的力及力矩M，如图2所示。
图3示意性示出用在现有技术已知的风轮机1中的双列球轴承的一个实施例的一部分的剖视图。
该轴承包括前端轴承圈(nose bearing ring)8、剖分式C形轴承圈9和两列滚珠滚动体10，所述滚珠滚动体10控制弯曲力矩及轴向力和径向力。力矩和力的施加方向在图3中用箭头表示。
此外，轴承包括通孔11，以用于通过附装装置例如螺钉、短柱(柱螺栓)、螺栓或铆钉附装到它的支承结构上。
图4a示意性示出用在常规滚柱轴承的一个实施例中的隔离件12的原理。隔离件12位于滚动体13之间，并形成为大体上配合其相邻滚动体的形状。
在本发明的一个实施例中，滚动体13形成为中凸形滚柱，即其直径有意地在中部处大于端部处的滚柱。滚动体的中凸用于减少滚柱边缘载荷。
这种类型的滚柱轴承可以支承很大的载荷。在许多实施例中，这种滚柱轴承可以分开，并因此可以更容易地装配和拆卸。
隔离件12可以用各种不同的耐用材料例如铝、黄铜、不锈钢、铬钢、青铜、合成材料等制成，并用来围绕轴承座圈14以基本相等的间隔分开和定位滚动体13，以使效率最大而磨损最小。此外，隔离件12减少了振动脉冲，所述振动脉冲可以由座圈的表面施加。
图4b示意性示出保持架15的原理，该保持架包括用在常规滚柱轴承实施例中的滚动体13。
保持架15具有与所述隔离件12相同的分离和定位的用途，并用相同的材料制成。
图5示意性示出用在现有技术已知的风轮机1中的三列滚柱变桨轴承16的一个实施例的剖视图各部分。
该轴承包括前端轴承圈8、剖分式C形轴承圈9、控制轴向力17的滚动体列和控制径向力18的滚动体列，其中轴向滚动体和径向滚动体基本相互垂直地设置。滚动体17、18包括在保持架15中。
前端轴承圈8和C形轴承圈9上的轴承座圈14保证由滚动体17、18和轴承圈8、9间的接触所产生的磨损和撕裂最小，从而延长轴承的使用寿命。当然，相反的布局同等地可行，即，前端轴承圈/C形轴承圈均可用作外圈或内圈。
此外，轴承包括通常11，以用于通过附装装置例如螺钉、短柱、螺栓或铆钉附装到它的支承结构。
所施加的轴向力和径向力的方向在图中用箭头表示。
图6示出用于本发明的一个实施例的交叉滚子轴承16的原理，其中单列滚动体包括控制轴向力的滚动体17和控制径向力的滚动体18的组合。
与仅包括控制轴向力的滚动体17的常规轴承相比，多个滚动体更换为基本垂直设置的径向滚动体18。两个轴向滚动体17之间的隔离件12未作修改，并具有与常规轴承类似的形式。用于支承一个或多个滚动体18的专门形成的保持架15形成为适配与它相邻的滚动体17的形状。
在本发明的另一实施例中，利用隔离件12和/或保持架15来分开和定位某些或全部滚动体17、18。
在本发明的一个实施例中，每隔一个滚动体是轴向滚动体17，而另外的每隔一个滚动体是径向滚动体18，即控制轴向力的滚动体17的数量与控制径向力的滚动体18的数量之间的比值为1∶1。
在本发明的优选实施例中，控制轴向力的滚动体的数量与控制径向力的滚动体的数量之间的比值大于1∶1，优选地在1∶2-1∶50的范围内，更优选地在1∶5-1∶20的范围内，例如为1∶8，即，轴向滚动体17的数量大于径向滚动体18的数量。
对按照本发明所述的轴承来说，所述比值根据对分别在轴向和径向方向上轴承必须能控制的载荷、力矩和偏转的需要确定。
在所发明类型的转动轴承中，径向滚动体18的中心的速度可以与轴向滚动体17的中心的速度不同，这例如由于座圈14中的长度不同。当径向滚动体被保持架保持就位时，这可能导致所述径向滚动体部分地滑动而不是滚动移动。
图7a和7b示出用于本发明另一实施例的轴承的一列的结构原理，它包括轴向滚动体17，所述轴向滚动体17隔离件12和包括径向滚动体18的保持架15分开。
图7A示出一个保持架15的前视图，所述保持架15包括一个径向滚动体18，其中该保持架15构造成包括凹穴19，即用于使径向滚柱18在如箭头所示的运动方向上自由运动的室。保持架15中凹穴19的直径di大于径向滚动体18的直径dr。由于径向滚动体18的中心的速度可以例如因座圈14中的不同长度而与轴向滚动体17的中心的速度不同，所以比直径dr大的直径di使得径向滚动体18的滚动自由度能大于滑动自由度。因此，径向滚动体18可在到达它周围的保持架15的壁之前在一定距离范围内自由地移动。
目前可以预期，最大间隙是径向滚动体的直径(即，di＝2＊dr)，但在许多情况下，该间隙可以为0.1-0.5的间隔(即，di＝1.1＊dr-1.5＊dr)，更经常的是该间隙为约0.25(即，di＝1.25＊dr)。作为例子，轴承可以是直径为1m至5m的变桨轴承。在变桨轴承的直径为2m的情况下，例如5°的俯仰运动等于小于9cm的距离，即滚动体必须行进的距离。在上述间隙的情况下，径向滚动体可以自由地行进该距离的至少一部分。
图7b示出轴承的一列的一部分，包括轴向滚动体17、将所述轴向滚动体隔开的隔离件12以及径向滚动体18，所述径向滚动体18包括在保持架15中，所述保持架15包括凹穴19，以使径向滚动体18能自由移动。
图8示出按照本发明的一个实施例的变桨轴承的剖视图。
该轴承包括前端轴承圈8、剖分式C形轴承圈9和控制轴向力和径向力的成列的滚动体17、18以及隔离件12和保持架15，其中所述轴向和径向滚动体17、18基本相互垂直地设置。轴向和径向滚动体17、18的数量的比值可以例如在1∶1-1∶100之间，优选在1∶2-1∶50的范围内，更优选在1∶5-1∶20的范围内，例如为1∶8，即轴向滚动体17的数量大于径向滚动体18的数量。
所施加的轴向力和径向力的方向在图中用箭头示出。
此外，轴承包括通孔11，以用于通过附装装置例如螺钉、短柱、螺栓或铆钉附装在它的支承结构上。
如可从图中看出的，前端轴承圈8和C形轴承圈9上的硬化的轴承座圈14保证由滚动体17、18和轴承圈8、9间的接触产生的磨损和撕裂最小。
图9示意性示出本发明的一个实施例，其中滚动体列13包括轴向和径向滚动体17、18二者，并形成一完整的360°的圆。在该实施例中，轴向和径向滚动体17、18的数量的比值为1∶4。
本领域技术人员可以容易地针对特定应用选择合适的滚动体数量。对于直径在1m-5m的范围内的变桨轴承，每列中的滚动体的数量通常为每列50-500个滚动体。同样，本领域技术人员可以针对特定应用适当地建立滚动体的尺寸。对于上述尺寸的变桨轴承来说，合适的尺寸是长度和直径为30mm-150mm。
标号明细表
1、风轮机；
2、塔架；
3、机舱；
4、轮毂；
5、转子叶片；
6、变桨机构；
7、变桨轴承；
8、前端轴承圈；
9、剖分式C形轴承圈；
10、滚珠滚动体；
11、通孔；
12、隔离件；
13、滚动体；
14、轴承座圈；
15、保持架；
16、较长滚子变桨轴承；
17、控制轴向力的滚动体；
18、控制径向力的滚动体；
19、保持架中的凹穴。

Claims (11)

1.一种用于允许围绕一轴线进行转动运动的轴承，具有至少一个滚动体列，其中所述至少一个滚动体列中的至少一个包括适于传递轴向力的多个第一滚动体和适于传递径向力的多个第二滚动体，其中，所述包括第一和第二滚动体的至少一个滚动体列包括用于分开所述滚动体的装置，其中所述用于分开滚动体的装置包括用于保持所述滚动体的一个或多个保持架，其中所述一个或多个保持架中的至少一些包括凹穴，所述凹穴适于使滚动体能相对于所述用于分开滚动体的装置在所述滚动体列的纵向方向上位移，
其特征在于，所述第一滚动体具有垂直于所述轴承的转动轴线定向的转动轴线。
2.按照权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述第二滚动体具有平行于所述轴承的转动轴线定向的转动轴线。
3.按照权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述第一滚动体与所述第二滚动体不同。
4.按照权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述轴承包括至少两个滚动体列。
5.按照前述权利要求之一所述的轴承，其特征在于，所述滚动体是柱状的滚柱。
6.按照权利要求1-4之一所述的轴承，其特征在于，所述滚动体与支承结构形成接触。
7.按照权利要求1-4之一所述的轴承，其特征在于，所述第一滚动体的数量与所述第二滚动体的数量的比值在1∶2-1∶50的范围内。
8.一种风轮机，包括按照前述权利要求之一所述的轴承。
9.按照权利要求8所述的风轮机，其特征在于，所述轴承是变桨轴承，以用于使所述风轮机的一个或多个叶片相对于所述风轮机的轮毂俯仰。
10.按照权利要求8所述的风轮机，其特征在于，所述轴承是偏航轴承，以用于使所述风轮机的机舱相对于所述风轮机的塔架偏航。
11.一种用于通过用于允许围绕一轴线进行转动运动的轴承传递力的方法，包括为轴承设置至少一个滚动体列的步骤，其中所述至少一个滚动体列中的至少一个包括适于传递轴向力的多个第一滚动体和适于传递径向力的多个第二滚动体，其中，还包括为所述包括第一和第二滚动体的至少一个滚动体列设置用于分开所述滚动体的装置的步骤，其中所述用于分开滚动体的装置包括用于保持所述滚动体的一个或多个保持架，其中所述一个或多个保持架中的至少一些包括凹穴，所述凹穴适于使滚动体能相对于所述用于分开滚动体的装置在所述滚动体列的纵向方向上位移，其特征在于，所述第一滚动体具有垂直于所述轴承的转动轴线定向的转动轴线。
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