CN104819211A - 具有高铬含量的滚道的轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有高铬含量的滚道的轴承。本发明提供了一种用于风力涡轮（20）的轴承（1）。该轴承（1）包括绕旋转轴线（16）同心地设置的内部环（2）和外部环（4）。此外，轴承（1）包括被置于内部环（2）和外部环（4）之间的滚子（5）。根据本发明，所述内部环（2）和所述外部环（4）中的至少一者具有用作所述滚子（5）的滚道（17）的层（6）。内部环（2）或外部环（4）中的对应一者的主体包括具有第一铬含量的第一金属成分。所述层（6）包括具有比第一铬含量更高的第二铬含量的第二金属成分。本发明的第二方面提供制造这种轴承（1）的方法。

Description

具有高铬含量的滚道的轴承
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮的轴承和制造这样的轴承的方法。
背景技术
随着风力涡轮的名义输出功率的增加，风力涡轮的单个部件的大小和重量也增加。例如，当前大型风力涡轮的转子直径超过一百米。因此风力涡轮的轴承所承载的重量多年来显著增加。在操作期间，频繁地发生风向和风速的变化，这增加了置于轴承上的负荷。因此，需要一种轴承，其能够承载非常高的负荷而不经受由于疲劳产生的问题，例如裂缝生成等。
因此，本发明的目标是提供能够耐受非常高负荷的轴承。本发明的另一目标是提供制造这种轴承的方法。
发明内容
出于这些原因，本发明提供了一种用于风力涡轮的轴承。该轴承包括绕旋转轴线同心地设置的内部环和外部环。外部环具有在外部环的内侧处的外部滚道，并且内部环具有在内部环的外侧处的内部滚道。外部滚道和内部滚道适于承载被可旋转地设置在外部滚道和内部滚道上且在内部环和外部环之间的多个滚子。根据本发明，轴承进一步包括被设置在外部滚道和内部滚道中一者上的至少一层。此外，内部环或外部环中对应一个的主体包括具有第一铬含量的第一金属成分。该层包括具有比第一铬含量更高的第二铬含量的第二金属成分。具体地，本发明的轴承可以包括被设置在内部滚道或外部滚道中任一者上的一层，或者其可以包括两层，其中一层被设置在内部滚道上且另一层被设置在外部滚道上。在这样的情况下，每层均具有比其所置于的轴承环更高的铬含量。
滚道是在风力涡轮的操作期间经历最大负荷的轴承的部分。较高铬含量使其更加抵抗由于高负荷导致的应力，并且尤其有效地抵抗白蚀裂纹，该白蚀裂纹的特征在于形成表面下裂纹，且在裂纹周围材料变形。当使用Nital蚀刻时，围绕裂纹的材料在光学显微镜下将呈现白色。
所述层的较高铬含量导致较高的材料成本。因此，通过针对轴承环的主体和要被置于滚道上的层使用不同金属成分提供了一种既能坚固地抵抗高负荷又具有低造价的轴承。本发明尤其适用于具有主要由铁基合金制成的内部和/或外部环的轴承，因为例如镍基超合金的其他合金虽不易受白蚀裂纹的影响但是也昂贵得多。
裂纹最可能产生的精确深度取决于轴承的几何构型。因此，应该根据轴承的几何构型来选择层的厚度。优选地，层具有至少1毫米的厚度。白蚀裂纹通常出现于恰好在出现最大赫兹压力的滚道的表面之下。因此至少1毫米的厚度是有利的，以便有效地减少轴承对白蚀裂纹的易受性。
此外，层优选地具有最大4毫米的厚度。白蚀裂纹很少出现在承受负荷的表面之下超过4毫米，以致太厚的滚道将增加轴承的总成本而不会导致会证明这种增加的改进。
第二铬含量可以是按重量计至少百分之五。按重量计至少百分之十五的铬含量可能使得材料主要不受白蚀裂纹形成的影响且因此是本发明的优选实施例。然而，使用按重量计低至百分之五或十的铬含量已经可以实现坚固性的实质性改进。也可以存在其他合金元素，例如碳、钼、镍、锰、硅和/或氮。
所述层被设置在主体的接触区域上。内部环和外部环中的对应一个可以包括表面硬化区，其包括所述层和主体的邻近接触区域的部分。例如借助于表面硬化处理（例如感应硬化或者表面渗碳硬化）的表面硬化进一步增加了轴承的坚固性。
出于与上面解释的相同的原因，主体的邻近接触区域的所述部分的优选厚度是至少1毫米。此外，主体的邻近接触区域的所述部分优选地具有最大4毫米的厚度。
第一铬含量可以是按重量计在百分之一和二之间。具有这样的比较低的铬含量的材料会导致低造价的轴承。也可以存在其他合金元素，例如碳、钼、镍、锰、硅和/或氮。
本发明的第二方面提供制造根据本发明第一方面的轴承的方法。该方法包括步骤：
-形成所述轴承的内部环和外部环，其中，所述内部环和所述外部环中的至少一者包括主体，该主体包括具有第一铬含量的第一金属成分；
-设置一层，该层包括具有比所述内部环的外侧和所述外部环的内侧中一者上的所述第一铬含量更高的第二铬含量的第二金属成分；
-形成多个滚子；以及
-组装所述轴承，以致所述内部环和所述外部环绕旋转轴线同心地设置并且所述滚子被设置在所述层上且在所述内部环和所述外部环之间。
所述方法优选地进一步包括步骤：在将所述层设置在所述外部环的所述内侧或所述内部环的所述外侧上之后表面硬化所述层。能够用于表面硬化所述滚道的适当的表面硬化处理的示例是感应硬化。此外，不同硬化方法可以应用于表面硬化处理的不同步骤，例如淬透、淬火和回火、表面硬化或者表面渗碳硬化。
所述层可以通过不同方法被固定到内部环或者外部环，所述方法例如焊接、激光焊接、热喷涂或类似方法。
外部环和/或内部环的主体可以通过将第二金属成分锻造和/或辊扎到环上而形成。所述主体可以被淬火和回火。随后，在层被设置在主体上之前，主体可以被机加工成所需几何尺寸。当所述层被添加到所述主体时，外部环或者内部环可以被再次机加工，以便实现外部环或者内部环的最终几何尺寸。这种机加工处理可以包括多个步骤，例如切削、硬切削、研磨和镗磨。此外，表面硬化处理可以被应用在内部环上或者外部环上的层处。
大体而言，本发明的制造方法的不同处理步骤的次序可以根据要被制造的特定轴承的需求被互换。
附图说明
从借助于示例来描述本发明优选实施例的以下附图中将更好地理解本发明。在附图中：
图1示出了包括根据本发明的轴承的风力涡轮；
图2示出了本发明的轴承的示例性实施例；以及
图3示出图2的轴承的部分放大图。
具体实施方式
图1示出了包括根据本发明的轴承1的风力涡轮20。风力涡轮20进一步包括塔12、设置在塔12的顶端处的机舱15以及转子。转子包括多个转子叶片10和一个转子毂11。转子毂11被连接到位于机舱15内部的轴承1。此外，转子被连接到用于将转子10的旋转能量转换成电能的发电机13。轴承1和发电机13可以被连接到主轴14。转子毂11、轴承1、发电机13和主轴14绕旋转轴线16被设置。然而，在包括齿轮箱的风力涡轮中，如本领域技术人员将显而易见的，发电机13不需要绕旋转轴线16被设置。
图2示出了本发明的轴承1的示例性实施例。在图2中所示的轴承1具有静止的内部环2。然而，本发明的轴承也可以具有静止的外部环和旋转的内部环。虽然图2示出了双列圆锥滚子轴承，但是本发明不限于这样的特定轴承类型，而是可以应用于各种轴承类型，包括圆筒轴承以及单列轴承。
内部环2被固定到例如风力涡轮的结构的静止零件3。例如，内部环2能够被螺栓连接到静止零件3或被按压到静止零件3。轴承1的外部环4经由滚子5被可旋转地连接到内部环2。在本发明的一些实施例中，滚子5可以是滚珠。滚子或滚珠5的形状、大小和材料取决于轴承的特定设计。滚子5骑在滚道17上，所述滚道17代表了内部环2和外部环4的相应表面。
轴承1能够被用于例如图1所示的风力涡轮。在这种情况下，静止零件3可以是主轴或者被附接到主轴，并且叶片毂可以被附接到外部环4。
根据本发明，内部环2和外部环4中的至少一者包括至少一层6，该层6包括具有比内部环2和/或外部环4的主体9的金属成分更高的铬含量的金属成分。层6可以具有在1和4毫米之间的厚度。层6被设置在外部环4和/或内部环2的主体9的相应接触区域7上。在单列轴承中，可以提供被设置在单个接触区域7上的单个层6。此外，在双列设计中，可以使用单个层6，两列滚子5均在该单个层6上运动。
可选地，内部环2和/或外部环4的表面可以被表面硬化，例如通过使用感应硬化被表面硬化。这提供了如图3所示的硬化或渗碳区8，其包括层6和主体9的邻近接触区域7的部分18。
图3示出图2的轴承的部分放大图。该部分视图示出了在一个层6的区域内的内部环2或外部环4的一部分。如上所述，层6被设置在内部环2或外部环4的主体9的接触区域7上。接触区域7面向被置于内部环2和外部环4之间的滚子5。表面硬化区8包括层6和主体9的邻近层6的部分18二者。根据本发明，层6的铬含量高于层6所附接的主体9的铬含量。层6为轴承的滚子5提供了滚道17。
本发明的轴承尤其适用于大型风力涡轮，例如具有大于1百万瓦特的名义输出功率的风力涡轮。然而，本发明的轴承也可以被用于预期有高负荷的其他类型的旋转机器。
虽然已经参考其示例性实施例示出并描述了本发明，但是在不背离本发明精神和范围的前提下可以做出形式上和细节上的各种其他改变、省略和增加。
虽然已经结合优选实施例描述了本发明，但是其不试图将本发明范围局限于所列出的具体形式，而是相反地，本发明试图涵盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明范围内的那些替代物、改进和等价物。

Claims (10)

1. 一种轴承（1），其用于风力涡轮（20）并且包括绕旋转轴线（16）同心地设置的内部环（2）和外部环（4），所述外部环（4）具有在所述外部环（4）的内侧处的外部滚道（17）并且所述内部环（2）具有在所述内部环的外侧处的内部滚道，所述外部滚道（17）和所述内部滚道适于承载被可旋转地设置在所述外部滚道（17）和所述内部滚道（17）上且在所述内部环（2）和所述外部环（4）之间的多个滚子（5），其特征在于，在所述外部滚道（17）和所述内部滚道（17）中的一者上设置至少一层，并且所述内部环（2）或所述外部环（4）中的对应一者的主体（9）包括具有第一铬含量的第一金属成分，并且所述层包括具有比所述第一铬含量更高的第二铬含量的第二金属成分。
2. 根据前一权利要求所述的轴承（1），其中，所述层（6）具有至少1毫米的厚度。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的轴承（1），其中所述层（6）具有最大4毫米的厚度。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的轴承（1），其中所述第二铬含量按重量计是至少百分之五。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的轴承（1），其中所述层（6）被设置在所述主体 (9) 的接触区域（7）上，并且其中所述内部环（2）和所述外部环（4）中的对应一者包括表面硬化区（8），其包括所述层（6）和所述主体（9）的邻近所述接触区域（7）的部分（18）。
6. 根据前一权利要求所述的轴承（1），其中所述主体（9）的邻近所述接触区域（7）的所述部分（18）具有至少1毫米的厚度。
7. 根据权利要求5或6所述的轴承（1），其中所述主体（9）的邻近所述接触区域（7）的所述部分（18）具有最大4毫米的厚度。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的轴承（1），其中所述第一铬含量是在按重量计百分之一至按重量计百分之二之间。
9. 一种制造根据前述权利要求中任一项所述的轴承（1）方法，该方法包括步骤：
-形成所述轴承（1）的内部环（2）和外部环（4），其中，所述内部环（2）和所述外部环（4）中的至少一者包括主体（9），该主体（9）包括具有第一铬含量的第一金属成分；
-设置一层（6），该层（6）包括具有比在所述内部环（2）的外侧和所述外部环（4）的内侧中的一者上的所述第一铬含量更高的第二铬含量的第二金属成分；
-形成多个滚子（5）；以及
-组装所述轴承，以致所述内部环（2）和所述外部环（4）绕旋转轴线（16）同心地设置并且所述滚子（5）被设置在所述层上且在所述内部环（2）和所述外部环（4）之间。
10. 根据前一权利要求所述的方法，进一步包括：在将所述层（6）设置在所述内部环（2）的所述外侧或所述外部环（4）的所述内侧中的所述一者上之后表面硬化所述层（6）。
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