CN110621896B - 圆锥滚子轴承以及风力设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆锥滚子轴承，其具有内圈(1)，外圈(2)以及两行在内圈(1)与外圈(2)之间以O形排布布置的圆锥滚子(3)，其中，内圈(1)沿着轴向(X)延伸经过比外圈(2)更大的长度，并且其中，内圈(1)与外圈(2)之间的间隙在圆锥滚子轴承的至少一侧处通过密封装置密封。根据本发明，密封装置包含旋转固定地连接在内圈(1)上的主密封件(4)以及旋转固定地连接在外圈(2)上的密封滚圈(5)，其中，密封滚圈(5)构成用于主密封件(4)的密封作用面(6)。

Description

圆锥滚子轴承以及风力设备

技术领域

本发明涉及一种圆锥滚子轴承，尤其圆锥滚子大滚动轴承，其具有内圈、外圈和两行圆锥滚子，该圆锥滚子在内圈和外圈之间以O形排布布置，其中，内圈沿着轴向延伸经过比外圈更大的长度，并且其中，内圈与外圈之间的间隙在至少一侧通过密封装置密封。

此外，本发明的主体还为一种风力设备，其具有放置在塔上的机器外壳以及承载转子叶片的转子，其中，转子借助圆锥滚子轴承能够相对于机器外壳旋转地支承。因此，圆锥滚子轴承构成转子轴承，其在风力设备中也称作主轴承。

背景技术

圆锥滚子轴承优选实施为圆锥滚子大滚动轴承。在本发明范围内，大滚动轴承用于描述滚道直径大于500mm并通常也大于1000mm的滚动轴承。

在设计大滚动轴承时存在特殊的要求。仅由于其尺寸和需要承受的负载就产生大的材料需求和高的重量，该重量在安装状态下必须通过相应的支承结构承载。在制造大滚动轴承时，材料和制造费用也是可观的，尤其因为内圈和外圈通常由受到圆周无缝地辊压的环构成，并且对用于滚动体的工作面进行额外的硬化。

小的滚动轴承通常设计为容易更换的磨损件，而在大滚动轴承中，在不完全拆卸的条件下长的使用寿命以及简单的维护和修理是有利的，因为大滚动轴承由于其重量和尺寸仅能够在显著投入的情况下操作和更换。对于在风力设备中作为主轴承而支撑承载转子叶片的转子的大滚动轴承尤其如此。

在用于风力设备中时，圆锥滚子轴承必须承受径向力、轴向力以及尤其也承受显著的倾翻力矩。在转子方向基本水平的情况下，倾翻力矩可能一方面由连接的部件的重量、另一方面由高度上不同的风载荷引起。

为了能够承受相应的负载，在实践中验证了具有两行O形排布的圆锥滚子的双排式圆锥滚子轴承。在O形排布中，两行中的圆锥滚子的纵轴的交点向着内圈的方向推移。O形排布的命名是由于对应于两行的压力线在横截面内基本构成O形。

为了能够在内圈与外圈之间布置圆锥滚子，内圈通常沿着轴向分为至少两部分，而在横截面内具有鼻形的外圈可一件式地构造。然而根据需求，也可考虑将外圈设计为沿着轴向多件式的，其中，内圈和外圈也可沿着圆周方向由多个区段构成。

此种用作风力设备主轴承的圆锥滚子轴承由DE 10 2009 014 923 C5以及WO2007/119953 A1(图3)已知。

在已知的此类圆锥滚子轴承中，在圆锥滚子轴承的两侧分别设置密封装置，其密封内圈与外圈之间的间隙。密封环形式的密封件在两个密封装置中分别通过固定环旋转固定地连接在圆锥滚子轴承的外圈上。与外圈旋转固定地相连的密封件可例如按照轴密封圈的形式实施为具有弹性的密封臂或密封唇的。用于密封件的密封作用面由沿轴向分割的内圈的径向外表面构成。

根据DE 10 2009 014 923 C5，密封作用面可作为用于密封件的滑动面进行硬化并以高精度制造，为此，密封作用面可以例如非螺旋地打磨。通过相应的措施应实现低摩擦系数以及低磨损。

对内圈的径向外表面的相应加工是复杂的。在密封作用面由于磨损而损伤或在装配期间机械损伤的情况下，如果不再确保充分的密封性，则必须更换整个圆锥滚子轴承。

发明内容

在此背景下，本发明的目的在于，改善此类圆锥滚子轴承，从而除了长的寿命以外还提供扩展的维修方案。此外，应提供一种具有此种圆锥滚子轴承的风力设备，其中，风力设备中的轴承更换引起很大的开支。

本发明的主体以及上述目的的解决方案为根据本发明的圆锥滚子轴承以及风力设备。

因此，在此类圆锥滚子轴承的基础上，根据本发明规定，密封装置包含旋转固定地连接在内圈上的主密封件以及旋转固定地连接在外圈上的密封滚圈，其中，密封滚圈构成用于主密封件的密封作用面。

在本发明的范围内，密封滚圈集成了多种功能。一方面，密封滚圈实现了轴向距离的桥接，从而补偿外圈和内圈的不同长度。在此，外圈可以构造得尽可能窄，其中，内圈的宽度通过两行圆锥滚子的作用面的位置确定。

此外，密封滚圈也构成了用于主密封件的密封作用面。单独制造且连接在外圈上的密封滚圈也可在不拆卸整个圆锥滚子轴承的情况下事后地拆下并在必要时进行更换或加工。因此，存在以下优点，其上构成密封作用面的密封滚圈能够在磨损时更换或者后续加工。在维修时，仅须至少部分地拆卸密封装置，然而其中，通常沿着轴向分为至少两部分的内圈以及外圈可以保留在其装配位置。

也存在以下优点，密封滚圈由于其相比于内圈和外圈更小的横截面积而可以更简单地操作。因此，显著地简化了密封作用面的精加工、涂层或硬化，其中，涂层也可在拆卸之后轻易地更新。

最后，也可在考虑特殊要求的条件下选择密封滚圈的材料，并且可尤其使密封滚圈的材料不同于内圈和外圈的材料。可选择例如适用于构成尤其平滑的密封作用面、并且与主密封件的材料配合具有特别低的摩擦系数的材料。

密封滚圈通常由金属制成，然而其中，根据出现的负载也考虑其他材料，包括塑料和复合材料。

因为密封滚圈构造为单独的零件，所以几何尺寸也可轻易地匹配于相应需求。在最简单的情况下，密封滚圈具有圆柱形的形状。然而基于此种基础形状的变体也是可行的。如果例如在外圈以及布置在内圈上的主密封件之间不仅需要桥接轴向间距、而且需要桥接径向间距，密封滚圈则也可具有展开部。密封滚圈可例如具有L形。此外，也可在密封作用面的区域内设置阶梯，从而实现与主密封件尺寸的匹配。

根据本发明一种优选的设计方案提出，由密封滚圈的径向内表面构成密封作用面。

最后，不同于圆柱形的其他变体也是可能的。

根据本发明的一种扩展方案规定，通过一侧的内圈与另一侧的密封滚圈处彼此互补的外形构成迷宫式阻隔。在内圈和密封滚圈上可例如轴向偏置地设置突起，其沿着径向重叠并因此构成迷宫式阻隔。此种迷宫式阻隔可设置用于进一步保护密封间隙并降低润滑剂的漏损率。

在本发明的范围内，内圈与外圈之间的间隙在圆锥滚子轴承的至少一侧通过所述密封装置密封。然而，此种密封装置通常存在于圆锥滚子轴承的两侧，其中，根据常规设计方案的圆锥滚子轴承也可实施为相对于中心平面镜像对称或基本镜像对称的。

在本发明的范围内，密封装置位于圆锥滚子轴承的至少一侧、即端侧上，其中，优选两个端侧都设有相应的密封装置。作为轴承的端侧，在本发明的范围内指代沿着轴向连接在外圈的两侧上的轴向末端区域。

主密封件优选由弹性塑料制成。在此，主密封件可完全由弹性塑料构成，或者也可与其他材料结合。例如，也可设置由金属制成的弹性弹簧圈、弹簧或其他附件，从而改善密封特性。额外地或替代地，也可为弹性塑料添加添加剂以及尤其强化的纤维。

适用于作为主密封件的弹性塑料例如为腈-丁二烯橡胶(NBR)、氢化的腈-丁二烯橡胶(HNBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)和基于聚氨酯的弹性体。列举的弹性塑料仅为示例性的。尤其考虑通过硫化交联的材料。然而此外，也考虑热塑性弹性体。

主密封件可尤其具有密封足以及连接在密封足上的、弹簧弹性的密封臂，其中，密封臂贴靠在密封作用面上。主密封件可例如具有传统轴密封圈的构型，其也可选择性地具有弹簧或金属附件。

除了主密封件以外，密封装置还包含至少一个单独的副密封件。例如，由圆锥滚子轴承的端侧观察，主密封件可布置在简单的防尘密封件后方，从而能够使主密封件远离污染以及尤其颗粒。

额外地或替代地，副密封件也可设置在主密封件以及圆锥滚子之间的间隙内。

如果圆锥滚子轴承借助油或油脂润滑，则可例如在一侧的圆锥滚子与另一侧的主密封件之间设置填料盒形式的密封件，其中，毛毡密封件尤其适用。也可设置其他密封件和擦拭元件，从而使存在于密封件上的油脂量或油量最小化。

密封滚圈借助连接装置旋转固定地连接在外圈上。作为连接元件优选设置螺栓，该螺栓插入外圈的盲孔中。在此种设计方案的范围内，密封滚圈可以在拆卸螺栓之后得以拆卸，其中，圆锥滚子轴承的其他组成部件、尤其外圈和内圈可保持在组装状态。然而原则上也可考虑其他固定类型。如果例如在圆锥滚子轴承的两个端侧上设置所述密封装置，则可以通过共同的螺纹连接固定两个在外圈上彼此相对的密封滚圈。为此可例如设置长的螺栓，其贯穿两个密封滚圈并借助螺母拉紧。原则上，密封滚圈也可在没有单独的螺栓的条件下夹持在壳体中。此外，至少一个的密封滚圈也可通过共同的螺纹连接与外圈固定。也可设置定心销或其他引导装置和定位装置，以实现密封滚圈简单和精确的定位。

在外圈与旋转固定地连接在至少一端侧上的密封滚圈之间优选设置静态的密封件，从而避免在外圈与密封滚圈之间的接触面上润滑剂的流出。然而对此种静态的密封件的要求相对较低。例如，可设置简单的O形圈作为静态的密封件，其中，此种O形圈则布置在加工在外圈内或者密封滚圈的对应接触面内的凹槽中。

根据本发明，主密封件旋转固定地连接在内圈上。根据本发明的一个优选的扩展方案，内圈具有端侧的凹槽，从而能够容纳主密封件。然而，也考虑其他用于固定的设计方案，因此，主密封件也可例如通过单独的连接环旋转固定地连接在内圈上。

主密封件在内圈上的固定可例如通过压环或围绕圆周彼此相继的压紧区段实现。此种压紧装置通过连接元件、尤其螺栓固定在内圈上，其中，内圈具有用于容纳螺栓的盲孔。在使用压紧区段向主密封件施力的情况下，也可在围绕圆周彼此相继的压紧区段之间保留距离或间隙，由此在装配时能够可靠地避免区段之间的夹持。

如果借助压环或以其他方式通过压紧连接固定主密封件，则也可使单独的副密封件与主密封件一同夹紧地固定。因此，可以沿着圆锥滚子轴承的纵向布置相同的或者结构和功能不同的密封件，并在必要时共同地夹紧。

根据本发明的一个优选的设计方案，优选在密封滚圈的径向内表面上构成的密封作用面受到硬化。

在大滚动轴承中，在考虑到制造投入以及轴承稳定性的前提下，通常设置例如可电感地实现的表面硬化。如果电感地在推进过程中进行硬化，表层则连续地形成为环。在硬化开始和结束之间的交接位置则可进行特殊的保护措施。根据材料必须留有较软的区域，以避免开裂。相应未硬化的区域也称作滑行区(Schlupf)。然而，还已知也可电感地硬化的具有高镍含量的钢，其中，即便在重叠的情况下也不会在硬化过程中出现裂纹。

除了对密封作用面的硬化，也可替代地或额外地在那设置涂层。尤其在本发明范围内可设置促使摩擦系数特别低的涂层。在此需要注意，由主密封件施加的力通常远远小于作用于圆锥滚子的导轨上的力，从而也可以进行其他表面处理或表面调质。

在本发明范围内，圆锥滚子轴承能够以不同的方式组装。根据向机器或设备中的集成方式，可以选择性地固定地安装内圈或外圈。

如果固定地安装外圈并且圆锥滚子轴承的转轴为水平的或大概水平的，密封滚圈则可在合适的、位于深处的位置处也具有用于润滑剂的排放槽或流出孔。

此种流出孔有利地从圆锥滚子开始设置于主密封件后方，从而避免润滑剂流出到端面区域内并从而能够受控地导出润滑剂。尤其可以在此种设计方案的范围内也通过合适的输入部向轴承间隙内补充油脂或油形式的润滑剂。

根据本发明的一种扩展方案规定，主密封件安装有至少一个间隔圈。该间隔圈可设置用于使不同宽度的主密封件能够安装到预设的容纳空间中。此外，借助至少一个间隔圈也可变化主密封件的位置，例如根据间隔圈沿着轴向观察处于主密封件的前方还是后方。相应地，也可变化主密封件在密封圈的对应密封作用面上的贴靠位置。通过此种变化可以针对磨损而进一步提高圆锥滚子轴承的寿命。如果密封作用面局部到达其磨损极限，则可通过间隔圈的另一种布置而将主密封件的贴靠点或贴靠面推移到尚未磨损的区域内。

本发明的主体也为一种风力设备，其具有布置在塔上的机器外壳以及承载转子叶片的转子，其中，转子借助前述圆锥滚子轴承相对于机器外壳可旋转地支承。也称作吊舱的机器外壳通常可旋转地布置在塔上，从而转子的纵轴追随相应的风向。

原则上，根据本发明的圆锥滚子轴承也可用于机器外壳在塔上可旋转的布置。塔可通过不同的结构形式实现。塔可例如由预制的支柱或钢管区段构成，其在法兰连接处彼此螺纹连接。额外地，也已知混合型塔，其由钢和混凝土构成。此外，也可例如使用栅格结构。

如开头所述，在根据本发明的两行圆锥滚子的O形排布中，内圈至少沿着轴向分为两部分，从而能够将滚动体以预设的倾角安装在外圈与内圈之间。

另一个圈，即外圈，设置在至少一侧上的密封滚圈以及可选设置的压环可以沿着轴向以及沿着圆周方向为未分割的。但当然，也考虑沿着轴向和/或沿着圆周方向分区段的环。

附图说明

在下文中根据仅示出了一个实施例的附图阐述本发明。

其中示出了：

图1至图3示出了根据本发明的圆锥滚子轴承的不同设计方案的剖视图

具体实施方式

图1至图3示出了根据本发明的圆锥滚子轴承，其设计为滚道直径大于500mm、尤其大于1000mm的圆锥滚子大滚动轴承。

圆锥滚子轴承包含沿着轴向X分割的内圈1，外圈2以及在内圈1与外圈2之间O形排布的两行圆锥滚子3。根据O形排布，该两行的圆锥滚子3的中轴M布置成V形，其中，中轴M与内圈1的方向偏移地相交。

为了更好的可视性，在附图中仅示出了圆锥滚子轴承的上部区段。圆锥滚子轴承的下部区段通过所示区段关于圆锥滚子轴承水平布置的转轴的镜像得出。针对整个圆锥滚子轴承，图1中所示的压力线D构成广义上的O形，由此得出名称O形排布。

通过圆锥滚子3在O形排布中的倾斜放置，外圈1上的滚动面相对于外圈2的滚动面沿着轴向X向着中间的区域偏移。仅由此即导致了为了构造滚动面，在内圈1上需要相比于外圈2更大的沿着X方向的长度。为了节约材料和重量，外圈2制造得尽可能窄。

内圈1与外圈2之间的间隙在圆锥滚子轴承的两个端面上分别通过一个密封装置密封。根据本发明，每个密封装置包含旋转固定地连接在内圈1上的主密封件4以及旋转固定地连接在外圈2上的密封滚圈5，其构成用于主密封件4的密封作用面6。

根据本发明，密封作用面6因此构造在密封滚圈5形式的单独的元件上，从而在密封作用面6损伤的情况下可以进行更换或维修。密封作用面6可例如受到磨损影响。此外，密封作用面6也可能在装配时损伤，例如刮坏，其中，在本发明范围内则能够相对轻易地消除此类损伤。

即使在圆锥滚子轴承装配后的情况下，至少在所示的实施例中可以直接取下具有密封滚圈5和主密封件4的密封装置，而无须拆卸或分解整个圆锥滚子轴承。

这实现了以下优点，密封滚圈5可以构造为由合适的材料制成的单独的元件。不同于在内圈1以及外圈2的滚动面中，不出现高的点状的机械负载，然而其中，长远来看，密封作用面6与对应的主密封件4之间的低滑动摩擦是所期望的。

由图1同样可见，密封滚圈5相比于内圈1和外圈2相对小且轻，并因此在制造、装配和维修时也能够更轻易地操纵。尤其以较低的投入可以为密封作用面6进行表面处理或表面涂层。密封作用面6可例如进行硬化，尤其进行表面硬化和/或设置合适的滑动层。

主密封件4在所示实施例中按照轴密封圈的形式实施。相应地，主密封件4具有密封足7以及连接在密封足7上的密封臂8，其以其末端贴靠在密封作用面6上。密封滚圈5通过螺栓9a旋转固定地、但可拆卸地连接在外圈2上，其中，在外圈2与密封滚圈5之间设置静态的密封件10，例如在对应凹槽内的O形圈。用于静态密封件10的该凹槽可选择性地构造在外圈2内或密封滚圈5的对应的接触面内。

内圈1具有用于容纳主密封件4的端侧的凹槽11，其中，主密封件4在该端侧的凹槽11内通过压环12或压紧区段固定。压环12借助螺栓9b固定在内圈1上，其中，螺栓9b插入对应的盲孔内。

压环12也承载防尘密封件13，其保护主密封件4免受外部污染。

上述特征在图1至3的实施例中相应地实施，其中，不同实施例的区别在于密封装置的具体设计。

根据图1，密封作用面6位于密封滚圈5的阶梯区域上，从而实现与主密封件4的几何形状的匹配。

根据图2，通过一侧的内圈1与另一侧的密封滚圈5上的彼此互补的成形构成迷宫式阻隔14。为了构造该迷宫式阻隔14，在内圈1上设置指向外部的突起，并且在密封滚圈5上设置指向内部的突起，两个突起彼此轴向偏置。

此外，在图2中作为变体示出了，为了借助压环12沿着轴向X夹紧主密封件4，也可设置间隔圈15以实现长度调整。

根据图1和图2中的实施例，设置在圆锥滚子轴承的两个端面上的密封装置分别具有主密封件4和防尘密封件13形式的副密封件。此种密封件的组合仅为示例性的。原则上也可沿着轴向彼此前后地布置两个主密封件4。

图3示出了另一种可能的变体，其中，为了改善密封而设置毡圈16。毡圈16插入密封滚圈5的与密封作用面6相邻的凹处17中，其中，毡圈16旋转固定地连接在内圈1上。具体来说，毡圈16通过中间圈18与主密封件4一同通过压圈12沿着轴向X夹持固定。

Claims (11)

1.圆锥滚子轴承，该圆锥滚子轴承具有内圈(1)，外圈(2)以及两行在内圈(1)与外圈(2)之间以O形排布布置的圆锥滚子(3)，其中，内圈(1)沿着轴向(X)延伸经过比外圈(2)更大的长度，并且其中，内圈(1)与外圈(2)之间的间隙在至少一侧通过密封装置密封，其特征在于，该密封装置包含旋转固定地连接在内圈(1)上的主密封件(4)以及旋转固定地连接在外圈(2)上的密封滚圈(5)，其中，密封滚圈(5)构成用于主密封件(4)的密封作用面(6)；主密封件(4)嵌在内圈(1)的端侧的凹槽(11)中，并且主密封件(4)通过压环(12)或者围绕圆周分布的压紧区段保持在内圈(1)的对应的端侧上。

2.根据权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，密封滚圈(5)与外圈(2)螺栓连接。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，通过一侧的内圈(1)与另一侧的密封滚圈(5)处彼此互补的外形构成迷宫式阻隔(14)。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，除了主密封件(4)以外，密封装置还额外地具有至少一个单独的副密封件。

5.根据权利要求4所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，主密封件(4)和至少一个单独的副密封件通过共同的压紧连接固定。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，主密封件(4)以弹性塑料构造，并且具有密封足(7)以及连接在密封足(7)上的密封臂(8)，其中，密封臂(8)贴靠在密封作用面(6)上。

7.根据权利要求6所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，密封臂由弹簧支撑。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，硬化密封作用面(6)。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，密封作用面(6)设有涂层。

10.根据权利要求1至2中任一项所述的圆锥滚子轴承，其特征在于，主密封件(4)借助至少一个间隔圈(15)安装。

11.风力设备，该风力设备具有布置在塔上的机械外壳和承载转子叶片的转子，其中，该转子借助根据权利要求1至10中任一项所述的圆锥滚子轴承相对于机械外壳可旋转地支承。

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