CN102537033A - 具有沿径向延伸的半隔离环的轴承 - Google Patents

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CN102537033A CN2011104527424A CN201110452742A CN102537033A CN 102537033 A CN102537033 A CN 102537033A CN 2011104527424 A CN2011104527424 A CN 2011104527424A CN 201110452742 A CN201110452742 A CN 201110452742A CN 102537033 A CN102537033 A CN 102537033A
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Abstract

本发明提供一种具有沿径向延伸的半隔离环的轴承，所述轴承包括具有一个或多个内滚道的内环，以及从所述内环处大体沿径向朝外放置的外环。所述外环具有一个或多个外滚道。多个滚动元件位于所述内滚道和所述外滚道之间。一种用于分隔相邻滚动元件的隔离环，所述隔离环大体沿径向延伸，并环绕所述多个滚动元件中的每个元件的至少一部分延伸。

Description

具有沿径向延伸的半隔离环的轴承
技术领域
本发明大体上涉及轴承，确切地说，涉及具有沿径向延伸的半隔离环(radial half cage)的轴承。
背景技术
近来，由于风力机具有环境安全性，并且是成本较为低廉的替代能源，因此已受到人们的广泛关注。随着这种兴趣的日益增长，人们已在开发可靠且高效的风力机方面做出了极大的努力。
一般而言，风力机包括具有多片叶片的转子。转子安装在机壳或机舱中，位于桁架(trus)或管状塔筒的顶部。公用事业级别的风力机(即，可用于向公用设施电网提供电能的风力机)可具有大型转子(例如直径大于30米)。这些转子上的叶片将风能转化为可以驱动一个或多个发电机的转动扭矩或力，这些发电机可能会通过齿轮箱以可旋转的方式连接到转子。齿轮箱可提升风力机转子固有的低转速，以使发电机有效地将机械能转化成电能，从而输送到公用设施电网中。
风力机包括直接驱动发电机，这样可以免去齿轮箱并消除与齿轮箱有关的可靠性问题。但是，至少在一些已知的风力机中，转子轴承、变桨轴承、发电机轴承和其他轴承可能会过早地发生故障。由于轴承难以接近并进行替换，因此轴承的修理过程通常耗时较长且费用高昂。
为帮助在优化风力机的可用性的同时降低成本，应在最少的基础设施和最低的技能要求的条件下，在风力机现场快速地替换和/或修理轴承。然而，用于风力机中的已知轴承一般都需要在工厂进行更换，如果要在现场修理，则需要耗费大量的劳动力和高昂的费用。
发明内容
一方面，本发明提供一种轴承，所述轴承包括具有一个或多个内滚道的内环，以及从内环处大体沿径向朝外放置的外环。所述外环具有一个或多个外滚道。多个滚动元件位于一个或多个内滚道和一个或多个外滚道之间。一种用于分隔多个滚动元件中的相邻滚动元件的隔离环(cage)，所述隔离环大体沿径向设置/定向(oriented)，并环绕多个滚动元件中每个元件的至少一部分延伸。
所述隔离环包括分段式隔离环元件，其中所述分段式隔离环元件连接在一起形成所述隔离环，并通过锁定槽口接头连在一起。所述隔离环包括用于增加所述隔离环的灵活性的多个槽口。所述隔离环位于由相邻滚动元件形成的两个切向接触点之间。所述隔离环位于所述内环周围，或者位于所述外环周围。所述多个滚动元件从以下项中的至少一项选择：球、球体、滚柱、圆锥滚柱、桶状滚柱和管状元件。所述多个滚动元件中包括两组轴向隔开的滚动元件，所述两组轴向隔开的滚动元件中的每个元件均沿径向设置，且周向环绕所述内环和所述外环中的至少一个。所述轴承可用作风力机的一片或多片叶片中的变桨轴承，或者机舱与塔筒之间的偏航轴承。
另一方面，本发明提供一种风力机，所述风力机具有塔筒、安装在塔筒顶部的机舱和具有一片或多片叶片的转子，其中转子与机舱相连。所述风力机还包括轴承，所述轴承包括具有一个或多个内滚道的内环，以及从内环处大体沿径向朝外放置的外环。所述外环具有一个或多个外滚道。多个滚动元件位于一个或多个内滚道和一个或多个外滚道之间。一种用于分隔多个滚动元件中的相邻滚动元件的隔离环，所述隔离环大体沿径向设置/定向，并环绕多个滚动元件中每个元件的至少一部分延伸。
所述隔离环包括分段式隔离环元件，其中所述分段式隔离环元件连接在一起形成所述隔离环，并通过锁定槽口接头连接在一起。所述隔离环包括用于增加所述隔离环的灵活性的多个槽口。所述隔离环环绕每个滚动元件的一半延伸。所述隔离环位于所述内环和所述外环中的至少一个的周围或内部。所述多个滚动元件从以下项中的至少一项选择：球、球体、滚柱、圆锥滚柱、桶状滚柱和管状元件。所述轴承包括两行滚动元件，所述两行滚动元件中的每个元件均沿径向设置，且周向环绕所述内环和所述外环中的至少一个。所述轴承可用作变桨轴承和偏航轴承中的至少一个。
附图说明
图1为风力机的示例性配置的图解；
图2为图1所示的示例性风力机配置的机舱的剖视图；
图3为偏航轴承的剖视图，图示的偏航轴承连接在风力机的塔筒和底座之间；
图4是根据本发明的一个方面的轴承一部分的截面示意图；
图5为根据本发明的一个方面的轴承的局部俯视图；
图6为根据本发明的一个方面的轴承的径向视图；
图7为根据本发明的一个方面的轴承的局部俯视图；以及
图8-11为根据本发明的另一个方面的轴承装配方法的局部截面示意图。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  100   风力机   102   机舱
  104   塔筒   106   转子
  108   叶片   110   轮毂
  112   控制面板   114   变桨驱动
  116   轴   118   齿轮箱
  120   发电机   122   联轴器
  124   偏航驱动   126   偏航板
  128   测风架   130   主轴承
  132   主机架   310   轴承
  400   轴承   411   滚动元件
  420   内环   421   内滚道
  430   外环   431   外滚道
  440   隔离环   440a   隔离环部分
  440b   隔离环部分   450   径向方向
  451   轴向方向   751   隔离环
  752   槽口
具体实施方式
参照图1，在某些配置中，风力机100包括设有发电机(图1中未显示)的机舱102。机舱102安装在高塔筒104的顶部，图1中仅显示了所述高塔筒的一部分。风力机100还包括转子106，所述转子106包括连接到旋转轮毂110的一片或多片转子叶片108。尽管图1所示的风力机100包括三片转子叶片108，但本发明对所需的转子叶片108的数量没有特定限制。
参照图2，在某些配置中，位于风力机100的塔筒104顶部的机舱102中设有各种组件。塔筒104的高度是根据所属领域中公知的因素和条件进行选择的。在某些配置中，控制面板112内的一个或多个微控制器中包括用于监控和控制整体系统的控制系统。某些配置中会使用替代分布式或集中控制式结构。
某些配置中还会提供可变的叶片变桨驱动114，用于控制在风力的作用下驱动轮毂110的叶片108(图2中未显示)的间距。在某些配置中，叶片108的桨距角由叶片变桨驱动114单独控制。轮毂110和叶片108共同组成风力机转子106。
风力机的驱动系统包括通过主轴承130连接到轮毂110的主转子轴116(也称“低速轴”)，(在某些配置中)轴116的另一端连接到齿轮箱118。齿轮箱118驱动发电机120的高速轴。在其他配置中，主转子轴116直接连接到发电机120。高速轴(图2中未指出)安装在主机架132上，用于驱动发电机120。在某些配置中，转子转矩通过联轴器122传递。在本发明的某些配置中，发电机120是直接驱动永磁发电机。
偏航驱动124和偏航板126共同为风力机100提供了偏航方向系统。测风架128为风力机控制系统提供诸如风向和/或风速等信息。在某些配置中，偏航系统安装在塔筒104顶部的法兰上。
图3所示为双行类型(double row type)的轴承。这种类型的轴承可用于风力机的变桨或偏航系统中。此配置可以补偿偶尔发生的高负载。轴承310位于塔筒104与机舱底座或主机架132的连接处。外环320可形成为或连接至塔筒104的一部分，内环330可形成为或连接至主机架132的一部分。滚动元件311设置于内环与外环之间。风力机100可能需要承受偶尔发生的狂风。这些狂风的持续时间通常较短，但会对风力机施加极大的负载。风会迫使机舱向轴承310的一侧倾斜。这种力会通过偏航轴承310从主机架132传送到塔筒104中。双行轴承310的优势在于可以承受比单行轴承更高的负载。图3所示的偏航轴承的外部带有齿轮，但应了解，齿轮可位于变桨和/或偏航系统的外部或内部。
轴承，尤其是球状轴承，中的滚动元件需要分开放置，以便在转动时产生较低且均匀的摩擦转矩。两种示例解决方案为垫片(spacer)和隔离环(cage)。垫片的优点在于不会对滚道产生影响，因此就弯矩而言，此类轴承具有最高的承载能力。但是，垫片对防止滚动元件出现拥塞(congestion)的能力极为有限。可将隔离环放置在两个环中间以进行安装。但是，隔离环会占据滚道的位置，而滚道在弯矩中是最有效的承载元件。
图4所示为根据本发明的一个方面的轴承的局部截面图。轴承400包括一组或多组滚动元件411，这些滚动元件位于内环420和外环430之间。内环420可包括塔筒104的一部分，外环430可包括机舱102或底座132的一部分，或者内环420可包括机舱102或底座132的一部分，外环430可包括塔筒104的一部分。内环420包括一个或多个内滚道421，外环430包括一个或多个与内滚道421对齐的外滚道431。
轴承400可具有一组或多组滚动元件(图中显示了两个)，这些滚动元件可以是球状轴承、球体、滚柱轴承、圆锥滚柱轴承、桶状滚柱轴承和筒形元件球状轴承，或其他任何合适的轴承装置。图4所示为带有两组轴向隔开的滚动元件的轴承，其中两组轴向隔开的滚动元件中的每个元件均沿径向设置，且周向环绕内环和/或外环。各滚动元件411分别与隔离环440配对，所述隔离环440在一个径向平面上部分环绕滚动元件411。轴向方向用箭头451表示，并且大体沿塔筒104的中心轴向向上和向下延伸，而所述径向平面用箭头450表示，且以环绕轴向方向360°的正交方向延伸。通过将隔离环440设置在径向平面上，可以利用滚道421和431的最低负载发生区域设置隔离环。隔离环440并没有360°完全包封球411，因为这样会防止内环420和外环430设于彼此周围。但是，大体以180°或更低角度环绕滚动元件411延伸的隔离环440解决方案可使得环420和430设于彼此周围。在某些应用中，需要使隔离环440以稍大于180°的角度环绕滚动元件411延伸。在某些应用中，需要将隔离环设计为完全环绕滚动元件，同时仍然允许内环和外环设于彼此周围。
图5所示为轴承400的局部俯视图。滚动元件411位于内环420和外环430之间。滚动元件411(图中仅显示两个)在一个或多个径向平面上位于周向环绕塔筒设置。径向平面用箭头450表示，且沿附图页延伸。轴向方向用箭头451表示，且与页面垂直向内或向外延伸。隔离环440可由多个元件组成，这些元件合在一起形成圆环或类环的元件。隔离环440环绕各滚动元件411的一半延伸，但也可设计为环绕少于或多于各滚动元件的一半延伸。两个相邻的滚动元件之间具有两个切向接触点，隔离环可设于这两个切向接触点之间。
在此类设计中隔离环可以稍厚一些，这样它就不会占据内环或外环中隔离环的有效支撑表面。如果径向隔离环是一个整体，那么它们在装配时就会出现问题。整体的隔离环无法自动滑入相应的槽内，而是要像轮圈上的轮胎一样安装。通常，轮圈在轮胎齿跟的位置之间带有一个凹槽，因此如果周向长度不够，则可将轮胎的一部分推入凹槽的最深处来进行调节。
图6所示为轴承400的一部分的局部侧视图，采用径向向内或向外的视角。在某些应用中，轴承环可能无法提供更深的凹槽，因为这样会破坏穿过轴承的螺栓的负载路径。一种解决方案是在相邻隔离环的两端之间添加槽型连接。每个隔离环440都可以通过任何符合具体应用所需的适合的接头与相邻的隔离环连接。例如，隔离环440a是通过一种锁定槽口接头(locking rabbet joint)与隔离环440b相连的。其他类型的接口也可使用，包括使用机械紧固件或粘合剂来连接相邻的隔离环。
图7所示为根据本发明的一个方面的隔离环751的俯视图。另一个解决方案是提供的更加灵活的隔离环，所述隔离环能够以一个整体或多个部分的形式设于内环或外环的周围。隔离环751包括多个槽口752，所述槽口752可位于隔离环751的内半径或外半径上。槽口752让隔离环能够弯曲，且使得隔离环能够置于内环周围或外环以内。
本说明书所述的隔离环的宽径比可能较低。这样就可采用以下方法来制造隔离环：使用适当的原材料将隔离环打造成一个直条，然后将隔离环弯曲成一个个曲段或完整的圆形。最后通过焊接、铜焊或任何符合具体应用所需的适合的方式将隔离环连接起来。
图8-11所示为根据本发明的一个方面的装配流程。图8所示为某些主要元件的分解图，主要目的是展示装配前的单独元件。内环420与一个或多个隔离环440配对。外环430设于内环420的上方。滚动元件411尚未安装。
图9显示了安装在内环420的较低滚道上的一个隔离环440(较低者)。第二个隔离环440(较高者)正在安装到内环420的较高滚道上。隔离环440可能被构造为一个整体或包括多部分的元件。
图10所示为装配流程中的一点，其中两个隔离环440均已安装到内环420上，而外环430正在向下移动至环绕内环420的位置。滚动元件411尚未安装。
图11所示为装配流程中的一个步骤，其中外环430已设于内环420上方的位置。滚动元件411正在安装到两个环的相应滚道中。槽或通道1150可提供在外环(如图所示)和/或内环420中(未图示)。这些通道1150可用于将滚动元件411插入滚道中的相应位置以及隔离环440的相应部分中。然后可采用塞子、楔子或螺栓或任何其他符合具体应用所需的合适的装置将通道411堵住。
应了解，本发明的所有方面均可应用于风力机中的变桨轴承和/或偏航轴承。此外，本发明还可应用于需要轴承系统的任何其他风力机系统或元件中。
本说明书使用了各种实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (11)

1.一种轴承(400)，包括：
一个具有一个或多个内滚道(421)的内环(420)；
一个从所述内环(420)处大体沿径向朝外放置的外环(430)，所述外环(430)具有一个或多个外滚道(431)；
多个位于所述一个或多个内滚道(421)与所述一个或多个外滚道(431)之间的滚动元件(411)；
一个用于分隔所述多个滚动元件(411)中的相邻滚动元件的隔离环(440)，所述隔离环(440)大体沿径向设置，且环绕所述多个滚动元件(411)中的每个元件的至少一部分延伸。
2.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述隔离环(440)包括分段式隔离环元件(440a、440b)，其中所述分段式隔离环元件连接在一起形成所述隔离环。
3.根据权利要求2所述的轴承，其特征在于，所述分段式隔离环元件(440a、440b)通过一个锁定槽口接头连在一起。
4.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述隔离环(440)包括多个用于增加所述隔离环的灵活性的槽口(752)。
5.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述隔离环(440)位于由相邻滚动元件形成的两个切向接触点之间。
6.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述隔离环位于所述内环(420)上。
7.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述隔离环位于所述外环(430)上。
8.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述多个滚动元件(411)从以下项中的至少一项选择：球、球体、滚柱、圆锥滚柱、桶状滚柱和管状元件。
9.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，其中包括两组轴向隔开的滚动元件，所述两组轴向隔开的滚动元件中的每个元件均沿径向设置，且周向环绕所述内环和所述外环中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述轴承用作风力机的一片或多片叶片中的变桨轴承。
11.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述轴承用作风力机的机舱与塔筒之间的偏航轴承。
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