CN111594549A - 滚动轴承和包括滚动轴承的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滚动轴承和包括滚动轴承的风力涡轮机。特别是用于风力涡轮机（1）的滚动轴承（10）包括：内座圈（12）；外座圈（14）；布置在内座圈（12）和外座圈（14）间的多个滚动元件（19）；及用于润滑滚动轴承（10）的润滑剂（18），其中内座圈（12）和外座圈（14）各自具有轴承表面，该表面具有与滚动元件（19）接触的接触区域（15、28）；内座圈（12）和/或外座圈（14）的轴承表面具有带有用于排斥润滑剂（18）的疏脂表面的部分（16）。所提滚动轴承具有轴承中的润滑剂不会粘附到其对润滑轴承无用的部分的优点。因此滚动轴承可具有更好的润滑，因为润滑剂被引向在座圈和滚动元件间发生接触的接触区域。

Description

滚动轴承和包括滚动轴承的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及滚动轴承和包括这样的滚动轴承的风力涡轮机。

背景技术

已知的风力涡轮机包括具有大直径的转子并且可能非常重。这些转子被支撑在能够承受高载荷的轴承中。此外，为了优化效率，这样的轴承优选地具有低内部摩擦。为此，使用润滑剂。然而，仅当在轴承的相对彼此移动的部分之间形成膜时，润滑剂才有效。

US 8,783,959 B2描述了一种用于滚动元件轴承的轴承保持架（bearing cage），该滚动元件轴承具有至少一个具有疏脂和/或疏油性质的表面。轴承中所使用的润滑剂在具有疏脂和/或疏油性质的表面上形成至少90°的接触角。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种改进的滚动轴承，特别是用于风力涡轮机中的滚动轴承。

根据第一方面，提供了一种特别是用于风力涡轮机的滚动轴承。该滚动轴承包括内座圈、外座圈、布置在该内座圈和该外座圈之间的多个滚动元件以及用于润滑该滚动轴承的润滑剂。该内座圈和该外座圈各自具有轴承表面，该轴承表面具有与该滚动元件接触的接触区域。该内座圈和/或外座圈的轴承表面具有如下部分，即：该部分具有用于排斥润滑剂的疏脂表面。

有利地，由于该疏脂表面，该滚动轴承中的润滑剂不会粘附到该部分，在那里其无法润滑滚动元件。因此，该滚动轴承具有改善的润滑。

因为润滑剂不会损耗在该滚动轴承的例如所述部分的其没有作用的区域中，所以可减少所提出的滚动轴承的总体滚动阻力或摩擦。特别是在用于在持久恒定的载荷下具有长操作时间的装置中的滚动轴承中，例如在用于风力涡轮机中的滚动轴承中，滚动轴承的保养间隔或寿命可显著增加。这是由于更高效的润滑，从而减少了滚动轴承、特别是滚动元件和/或座圈的磨损。因此，可避免滚动轴承的意外或过早的故障或者由于滚动轴承的不良性能而导致的后续影响。

润滑剂，例如油或脂，特别是用于减少滚动元件与座圈之间的摩擦。为此，润滑剂优选地在相对彼此移动的元件、即滚动元件与座圈之间形成薄层。为了实现非常低的摩擦，润滑剂优选地表现为具有低粘度的液体，这是因为这样的液体无法传递大的剪切力。然而，这样的液体可能由于滚动轴承上的载荷所施加的滚动元件和座圈之间的压力而快速移位，这不是优选的。因此，润滑剂优选地具有一定粘度。

因此，根据关于载荷和旋转速度的滚动轴承的预期操作点，可关于如上所述的参数来优化润滑剂。可能关注的其他参数是磨屑的水吸收和/或容量。

可相应地称为内圈和外圈的内座圈和外座圈优选地包括硬化材料，例如硬化钢。

所述接触区域优选地包括非常硬的表面，该表面具有高耐磨性。所述接触区域的宽度特别是取决于滚动元件的几何构型。

所述部分具有疏脂表面，这意味着其排斥脂质。这也称为疏脂性（或疏油性，lipophobicity）。所述部分也可被称为疏油的。如本文所用的，“疏脂”和“疏油”具有相同的含义。所述润滑剂包括脂质，例如脂肪、油或脂。因此，所述润滑剂被所述部分的表面排斥。排斥意味着润滑剂与所述部分之间的粘附力相对低，使得当相对于表面的切向力被施加于润滑剂时，该润滑剂将容易地滚离。

疏脂性例如可通过确定润滑剂的微滴与所述部分的表面之间的接触角来测量。该接触角可被定义为所述表面与在润滑剂与例如空气的包覆相（surrounding phase）之间的边界线处所述微滴与该包覆相之间的界面上的切线之间形成的角度。接触角可被表示为静态、前进或后退接触角。前进接触角当在测量期间所述微滴的体积增加时、即所述边界线向前移动（前进）时获得。后退接触角当在测量期间所述微滴的体积减小时、即所述边界线向后移动（后退）时获得。静态接触角当该体积固定时且在使得所述微滴能够安定（settle）后获得。例如，静态接触角具有处于前进接触角的值与后退接触角的值之间的值。

例如，当该接触角、优选为该后退接触角大于60°、优选地大于90°时，表面被称为疏脂的。该接触角可取决于表面性质和润滑剂两者。例如，润滑剂分子的极性与疏脂性相关。

在实施例中，所述部分具有超疏脂性的表面。例如，这是当接触角大于120°时的情况。

例如，当润滑剂被滚动元件中的一个移位时，从接触区域被推到所述部分的该润滑剂由于疏脂性质而不会粘附到所述部分，而是返回到接触区域，在那里其可有助于滚动元件的润滑。当所述润滑剂是比油更强地趋于粘附到表面的脂时，这是特别有利的。

所提出的滚动轴承可被用于任何应用中。优选地，所述滚动轴承用于需要旋转地支撑高载荷的应用中。

根据一个实施例，所述部分与所述接触区域直接相邻。

所述部分与所述接触区域直接相邻。这意味着在所述接触区域和所述部分之间没有留下空间。在实施例中，所述部分可被布置在被所述部分隔开的两个接触区域之间。也就是说，可实现若干分离的接触区域和若干具有疏脂表面的部分。

根据一个实施例，所述部分包括疏脂材料。

该疏脂材料具有疏脂表面，从而提供所提到的优点。

根据另一实施例，该疏脂表面形成为涂层。

例如，该涂层可包括聚合物涂层，特别是含氟聚合物。示例是全氟烷氧基烷烃（perfluoroalkoxy alkanes）、四氟乙烯的共聚物、全氟醚（perfluoroethers）或聚四氟乙烯（PTFE）。

根据另一实施例，所述部分包括微结构材料，特别是微孔材料。

例如，该微结构材料具有微结构表面，该微结构表面进一步允许调整表面性质，例如与各种流体的相互作用。特别地，可通过使用这样的材料来增强所述部分的疏脂表面性质。

根据另一实施例，用于密封所述滚动轴承的密封部分被布置在所述内座圈和所述外座圈之间，并且与该密封部分直接相邻的表面部分具有用于排斥所述润滑剂的疏脂表面。

该密封部分防止润滑剂脱离所述滚动轴承，并且防止灰尘或污垢以及水或湿气进入所述滚动轴承。该密封部分包括密封件或密封元件。通过在该密封部分旁边布置疏脂表面，较少的润滑剂将积聚在形成于所述滚动元件与该密封部分之间的空间中。这具有如下优点，即：由于该空间不会被粘附到靠近密封件的表面的润滑剂预先占据，因此减小了被滚动元件推向密封件的润滑剂引起的密封件上的压力。因此改善了密封件的密封性能，这进一步增加了所述滚动轴承的使用寿命。

根据另一实施例，所述接触区域具有亲脂表面。

该亲脂表面可通过在所述接触区域上施加亲脂涂层来实现。该实施例具有如下优点，即：润滑剂优选地粘附到所述接触区域。这提高了润滑剂效率。

例如，当润滑剂在表面上的接触角小于90°、优选地小于60°时，该表面被称为亲脂的。

根据另一实施例，所述滚动元件具有亲脂表面。

该实施例进一步提高了润滑剂的效率。

根据另一实施例，所述润滑剂是油。

优选地，该油包括用于增强其性质的添加剂。例如，添加剂是去垢剂和分散剂。

根据另一实施例，所述润滑剂是脂。

脂包括油和给予其增强的性质的某些添加剂。脂可能是优选的，这是因为其在高载荷或甚至静态条件下可具有更好的性质。

根据另一实施例，所述部分包括聚合物涂层。

聚合物涂层具有如下优点，即：可容易地关于其官能团来调整聚合物。也就是说，可以实施多种不同的官能团，特别是作为沿聚合物主链的侧基（side group），这些官能团在聚合物中具有不同的功能性质。因此，该聚合物涂层除疏脂之外还可具有某些特定性质。

根据另一实施例，该涂层是含氟聚合物涂层。

根据另一实施例，所述滚动轴承被实施为滚珠轴承、圆柱形滚动轴承、球面滚动轴承和/或锥形滚动轴承。

所述滚动轴承还可包括用于将滚动元件固定在某些位置的保持架。优选地，该保持架至少部分地具有疏脂表面。例如，该保持架由疏脂材料制成或涂覆有疏脂涂层。这确保了润滑剂不会粘附到该保持架。

根据第二方面，提出了一种风力涡轮机。该风力涡轮机具有根据第一方面的滚动轴承作为主轴承和/或叶片轴承。

该风力涡轮机具有如下优点，即：由于摩擦减小而提高了效率。此外，因为磨损减少而增加了所述滚动轴承的使用寿命。因此，该风力涡轮机的总体经济效率显著提高。

本发明的其他可能的实施方式或替代方案还包括本文未明确提及的上文所述或下文关于实施例所述的特征的组合。本领域技术人员还可向本发明的最基本形式添加个别或孤立的方面和特征。

附图说明

结合附图，通过后续的描述和从属权利要求，本发明的其他实施例、特征和优点将变得显而易见，附图中：

图1示出了滚动轴承的一个示例的示意性剖面图；

图2示出了通过两个滚动轴承旋转地支撑的轴的一个示例的示意性剖面图；

图3示出了滚动轴承的另一示例的示意性剖面图；以及

图4示出了风力涡轮机的示意图。

在附图中，除非另有指示，否则相同的附图标记标示相同或功能上等同的元件。

具体实施方式

图1示出了滚动轴承10的一个示例的示意性剖面图。滚动轴承10被实施为滚珠轴承。滚珠轴承10包括由硬化钢制成的内座圈12和外座圈14。在内座圈12和外座圈14之间布置有滚动元件19。在这种情况下，滚动元件19是滚珠。滚珠轴承10还可包括用于保持滚珠19的保持架（未示出）。

内座圈12和外座圈14两者均在其面向彼此的侧面上被特别地设计。特别地，在滚珠19在正常操作条件下与内座圈12或外座圈14具有接触的位置处布置有接触区域15。该接触区域15优选地被加工成非常坚硬和坚固。在接触区域15旁边在两侧上布置有（侧部）部分16。部分16被布置在滚珠19在正常操作条件下将不具有接触的位置。滚珠轴承10通过使用例如油和/或脂之类的润滑剂18来润滑。

部分16具有疏脂表面17（为了更好地概述，附图标记仅在左侧上示出）。例如，这通过疏脂涂层提供。因此，润滑剂18从疏脂表面17被排斥。也就是说，润滑剂不粘附到疏脂表面17。此外，接触区域15包括亲脂涂层，其为接触区域15提供亲脂性质。因此，由于部分16是疏脂的并且接触区域15是亲脂的，所以润滑剂18停留在接触区域15上。即使润滑剂18例如被滚珠19推到部分16，润滑剂17也优选地返回到接触区域15。因此，润滑剂17在润滑滚珠轴承10方面保持有效。也就是说，滚珠19与内座圈12和外座圈14两者的接触区域15之间的摩擦被减小。此外，还减少了滚珠轴承10的磨损。

图2示出了通过两个滚动轴承10旋转地支撑的轴22的一个示例的示意性剖面图，所述滚动轴承10例如参照图1描述的滚珠轴承10。在图2中，仅示出了该轴的上半部。例如，轴22是风力涡轮机1的转子的轴（参见图3），并且具有2.5m的直径。轴22绕旋转轴线X旋转地支撑。

滚动轴承10的内座圈12被布置在轴22上。滚动轴承10的外座圈14被布置在轴承凸缘20上。例如，轴承凸缘20被实施在支撑转子和发电机（未示出）的壳体4（参见图3）中。

通过使用滚动轴承10，轴22被非常平稳地支撑并且具有非常低的摩擦。这是由于通过内座圈12和外座圈14的特别设计，润滑剂18（参见图1）被保持在滚动轴承10的接触区域15（参见图1）中，如参照图1所述。

图3示出了滚动轴承10的另一示例的示意性剖面图。滚动轴承10具有两排锥形或圆柱形的滚动元件19。在图3中，仅示出了滚动轴承10的一半，另一半对称相同。内座圈12和外座圈14上的接触区域15具有对应于滚动元件19的有效长度的宽度，该有效长度是滚动元件19的与内座圈12或外座圈14接触接合的部分。滚动元件19例如通过形成在内座圈12上的边缘24、26来保持就位和引导。然而，代替边缘24、26或者除边缘24、26之外，还可采用保持架（未示出）以便引导滚动元件19。

在图3中，仅在滚动元件19的一侧上示出了布置在内座圈12和外座圈14两者上的具有疏脂表面17的部分16。然而，这样的部分16也可存在于滚动元件19的另一侧上。

滚动轴承10具有用于将密封元件31固定在内座圈12和外座圈14之间的固定元件29。也就是说，密封部分30被布置在内座圈12与外座圈14之间。在密封部分30或密封件31旁边的是内座圈12的表面部分32，类似于部分16，该表面部分32具有疏脂表面。边缘26的表面部分28基本上平行于滚动元件19的侧面，并且是用于滚动元件19的引导件。因此，滚动元件19和表面部分28之间可能发生接触。表面部分28因此通过润滑剂18（图3中未示出）来润滑。因此，表面部分28不是疏脂的，但是优选地具有亲脂表面。

在滚动元件19、内座圈12、外座圈14和固定元件29之间形成空间A。由于表面部分32具有疏脂表面，因此润滑剂18不会粘附到它。因此，减少了在空间A中积聚的润滑剂18。因为空间A未被润滑剂18预先占据，所以当润滑剂18被滚动元件19推入到空间A中时可能施加在密封件31上的润滑剂18的压力减小。此外，还增强了表面部分28的润滑。除此处所描述的之外的其他表面可被修改为具有疏脂性质。

图4示出了风力涡轮机1的示意图。该风力涡轮机1包括具有三个叶片2的转子。这些叶片2驱动轴22（参见图2），该轴22通过两个滚动轴承10旋转地支撑，所述滚动轴承10例如参照图1至图3之一所描述的滚动轴承10。因此，滚动轴承10是风力涡轮机1的主轴承。滚动轴承10以其外座圈14固定在布置于风力涡轮机1的壳体3中的主轴承凸缘（未示出）上。轴22驱动布置在壳体3中的发电机（未示出）。壳体3被布置在杆4上。例如，风力涡轮机1具有超过100m高，并且风力涡轮机1的转子具有50m且多达250m的直径。

Claims (14)

1.一种特别是用于风力涡轮机（1）的滚动轴承（10），包括：

内座圈（12），

外座圈（14），

布置在所述内座圈（12）和所述外座圈（14）之间的多个滚动元件（19），以及

用于润滑所述滚动轴承（10）的润滑剂（18），

其中，

所述内座圈（12）和所述外座圈（14）各自具有轴承表面，所述轴承表面具有与所述滚动元件（19）接触的接触区域（15、28），

所述内座圈（12）和/或所述外座圈（14）的所述轴承表面具有部分（16），所述部分（16）具有用于排斥所述润滑剂（18）的疏脂表面（17）。

2.根据权利要求1所述的滚动轴承，其特征在于，所述部分（16）与所述接触区域（15、28）直接相邻。

3.根据权利要求1或2所述的滚动轴承，其特征在于，所述部分（16）包括疏脂材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述疏脂表面（17）形成为涂层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述部分（16）包括微结构材料，特别是微孔材料。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，用于密封所述滚动轴承（10）的密封部分（30）被布置在所述内座圈（12）和所述外座圈（14）之间，并且与所述密封部分（30）直接相邻的表面部分（32）具有用于排斥所述润滑剂（18）的疏脂表面。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述接触区域（15、28）具有亲脂表面。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚动元件（19）具有亲脂表面。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述润滑剂（18）是油。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述润滑剂（18）是脂。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述部分（16）包括聚合物涂层。

12.根据权利要求11所述的滚动轴承，其特征在于，所述聚合物涂层是含氟聚合物涂层。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的滚动轴承，其特征在于，所述滚动轴承（10）被实施为滚珠轴承、圆柱形滚动轴承、球面滚动轴承和/或锥形滚动轴承。

14.一种风力涡轮机（1），其具有根据权利要求1至13中任一项所述的滚动轴承（10）作为主轴承和/或作为叶片轴承。

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