CN111749983B

CN111749983B - 轴承及风力发电机组的轴承系统

Info

Publication number: CN111749983B
Application number: CN201910241997.2A
Authority: CN
Inventors: 孙振生; 古雅琦; 白欢欢
Original assignee: Xinjiang Goldwind Science and Technology Co Ltd
Current assignee: Jinfeng Technology Co ltd
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2039-03-28
Also published as: CN111749983A

Abstract

本发明提供了一种轴承及风力发电机组的轴承系统。该轴承为推力轴承，该推力轴承包括外圈和内圈，其中，外圈和内圈均为一体式结构，内圈和外圈之间形成有连续的第一环形滚道和连续的第二环形滚道，第一环形滚道中设置有第一滚动体，第二环形滚道中设置有第二滚动体，第一滚动体的结构与第二滚动体的结构不同。本发明可提高轴承的承载能力、提高轴承套圈的强度，以有效地避免套圈疲劳断裂及滚道边缘压溃等问题。

Description

轴承及风力发电机组的轴承系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种轴承及包括该轴承的风力发电机组的轴承系统。

背景技术

现有的用于风力发电机组的轴承(例如，偏航轴承或变桨轴承)普遍采用的结构为双列四点接触球轴承。

以变桨轴承为例，设置在变桨轴承的内圈和外圈之间的两列滚道中的两列滚动体均为相同尺寸的钢球，两列滚道的承载能力基本相同。随着4MW及以上风力发电机组的变桨轴承的承受载荷不断增大，双列四点接触球结构列的变桨轴承的承载能力受限，容易发生滚道椭圆截断现象，造成滚道边缘压溃。如果通过增大钢球的尺寸来提高承载能力，那么在同尺寸变桨轴承的条件下，就会使轴承套圈变薄，套圈的强度降低，从而将导致套圈环向应力超过套圈许用强度，造成套圈疲劳断裂。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种轴承、包括该轴承的风力发电机组的轴承系统，以提高轴承的承载能力。

根据本发明的一方面，提供一种轴承，该轴承为推力轴承，包括外圈和内圈，其中，外圈和内圈均为一体式结构，内圈和外圈之间形成有连续的第一环形滚道和连续的第二环形滚道，第一环形滚道中设置有第一滚动体，第二环形滚道中设置有第二滚动体，第一滚动体的结构与第二滚动体的结构不同，以提高轴承的承载能力和轴承套圈的强度，以有效地避免套圈疲劳断裂及滚道边缘压溃问题。

根据本发明的示例性实施例，第一滚动体可为滚子结构；第二滚动体可为滚珠结构。

根据本发明的示例性实施例，第一环形滚道内相邻的滚子的轴线可彼此正交且每个滚子的轴线可与推力轴承的轴线相交。

根据本发明的示例性实施例，每个滚子的轴线与推力轴承的轴线之间的角度可为45度。

根据本发明的示例性实施例，滚子可与第一环形滚道表面接触；滚珠可与第二环形滚道四点接触。第一环形滚道中滚子承载能力大于第二环形滚道中滚珠的承载能力，使得第二环形滚道中滚珠的实际承载能力相对减小，避免滚道接触椭圆截断的发生。

根据本发明的示例性实施例，第一环形滚道可靠近外圈的沿轴向方向的非安装端面设置。

根据本发明的示例性实施例，第二环形滚道可布置为一列或更多列，以提高轴承的承载能力。

根据本发明的示例性实施例，推力轴承还包括密封构件，密封构件在推力轴承的轴向上的两端设置于内圈和外圈之间，以避免外部杂质进入推力轴承的内部，同时保证推力轴承内部的润滑脂不会泄漏。并且，密封构件的安装空间在推力轴承的径向方向上，在所述两端向外圈或内圈的偏向程度不同。

根据本发明的示例性实施例，在推力轴承的内圈的径向方向分别设置第一滚动体和第二滚动体的安装块。

根据本发明的另一方面，提供一种风力发电机组的轴承系统，轴承系统包括如上所述的轴承；其中，轴承系统包括变桨轴承系统或偏航轴承系统。

根据本发明的轴承可提高轴承的承载能力、提高轴承套圈的强度，以有效地避免套圈疲劳断裂及滚道边缘压溃等问题，其可应用于大功率风电机组。

附图说明

通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的上述以及其他目的和特点将会变得更加清楚，在附图中：

图1是示出根据本发明的示例性实施例的推力轴承的剖视示意图。

图2是示出根据本发明的另一示例性实施例的推力轴承的剖视示意图。

附图标号说明：

100：外圈；110：第一外圈沟槽；120：第二外圈沟槽；200：内圈；210：第一内圈沟槽；220：第二内圈沟槽；300：滚子；400：滚珠；500：密封构件；600：第一安装块；700：第二安装块。

具体实施方式

现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。

本发明设计一种轴承。根据本发明的示例性实施例，轴承可以为推力轴承，但本发明的实施例不限于此。根据本发明的示例性实施例的推力轴承采用交叉滚子和四点接触球联合结构，即，示例性实施例中的推力轴承是一种交叉滚子与四点接触球联合式推力轴承。

首先，将参照图1来描述根据本发明的示例性实施例的推力轴承的结构。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例的推力轴承包括外圈100和内圈200，在此，内圈200和外圈100可统称为套圈。优选地，外圈100和内圈200分别为一体式结构，与现有的外圈100和/或内圈200为多个外圈块组装而成的分割型或分体型套圈相比，整体的一体式结构能够最大化地增加内、外圈的强度，并且可保证加工的精度、提高安装精度，避免轴承由此引起的应力集中现象，使得轴承整体受力均匀。在此需要说明的是，在下面所描述的示例性实施例中，一体式结构的外圈100可整体呈封闭的环状，而一体式结构的内圈200上可形成有用于装入滚动体的缺口。

其中，内圈200和外圈100之间形成有在周向方向连续的第一环形滚道和在周向方向连续的第二环形滚道，第一环形滚道和第二环形滚道沿着推力轴承的轴线方向(以下简称为轴向)排列，并且第一环形滚道和第二环形滚道的形状可被设计为彼此不同，以能够分别容纳不同结构的滚动体(即，第一滚动体和第二滚动体)。具体地，外圈100在轴向方向排列设置有两个滚道，内圈200在轴向方向排列设置有两个滚道，对应的内外圈滚道分别形成第一环形滚道和第二环形滚道。连续的滚道设置能够简化加工，并且方便滚动体的安装。

根据本发明的示例性实施例，第一滚动体可以采用滚子300结构，第二滚动体可采用滚珠400结构，例如，可以采用圆柱滚子作为滚子300，并且可以采用钢球作为滚珠400。当然，根据本发明的示例性实施例不限于此，也可以采用圆筒滚子或圆锥滚子作为滚子300。为了便于描述，在以下的示例性实施例中示出圆柱滚子作为滚子300。

为了使内圈200和外圈100可以相对于彼此旋转，可将滚动体可滚动地设置于环形滚道中，并且可根据实际工况载荷计算选用可滚动地设置于环形滚道中的滚动体的直径。在轴承的外形尺寸相同的条件下，交叉滚子轴承的承载能力比四点接触球轴承的承载能力提高15％左右，因此，较小直径的圆柱滚子可以实现与相对较大直径的四点接触钢球同样的承载能力。考虑到轴承的外圈的轴向上的非安装端面一侧的套圈强度是整个套圈的薄弱之处，因此通过应用小直径的圆柱滚子，可以使外圈100非安装端面一侧的强度得以加强。

为此，可将用于容纳滚子300的第一环形滚道靠近外圈100的轴向上的非安装端面，可将用于容纳滚珠400的第二环形滚道靠近外圈100的轴向上的与上述非安装端面相对的安装端面。根据本发明的示例性实施例，如图1所示，第一环形滚道靠近外圈100的轴向上的非安装端面且距该非安装端面预定距离，第二环形滚道靠近外圈100的轴向上的与该非安装端面相对的安装端面且距该安装端面预定距离，使得推力轴承能够承受沿着与轴承的轴线O平行的方向而作用的轴向力Fa、沿着轴承的径向而作用的径向力Fr以及倾覆力矩M。

诸如圆柱滚子的滚子300可滚动地设置于第一环形滚道中，相邻的滚子300之间的轴线彼此正交。即，相邻滚子300之间的轴线彼此呈90度地放置，因此，第一环形滚道中的滚子300可视为交叉排列，所以可将第一环形滚道中的滚子300称为交叉滚子。由于相邻滚子300之间交叉排列，滚子300的轴向长度尺寸稍微小于径向直径长度尺寸，滚子300在径向上与第一环形滚道接触并适于滚动，滚子300在轴向上与第一环形滚道之间存在间隙。这样，相邻滚子300能够相互抵靠并沿其自身轴线自由转动，而无需设置滚子支架，大大简化了推力轴承的结构。

根据本发明的示例性实施例，内圈200可形成有缺口，以用于装入滚动体。滚子300可通过缺口装入内圈200的第一内圈沟槽210与外圈100的第一外圈沟槽110之间，以装入第一环形滚道中，然后安装安装块(例如，第一安装块600)，以完成装配。

为了能够承受更大的载荷，优选地，每个滚子300的轴线与推力轴承的轴线O相交。也就是说，每个滚子300的轴线相对于推力轴承的轴线O倾斜，即，每个滚子300的轴线与推力轴承的轴线O之间的角度大于0度且小于90度。相比于滚子的轴线与轴承的轴线平行或垂直的布置方式，本发明示例中将每个滚子300的轴线设置为与推力轴承的轴线O相交，可使得每个滚子300均能够承受轴向力Fa、径向力Fr以及倾覆力矩M，优选地，滚子300的轴线与轴承的轴线O相交的角度为45度。

由于第一环形滚道采用滚子300交叉排列，所以可以承受沿着与轴承的轴线O平行的方向而作用的轴向力、沿着轴承的径向而作用的径向力及倾覆力矩。另外，在同等条件下，滚子300的承载能力大于滚珠400的承载能力，因此在同等载荷条件下，滚子300的直径可以略小于原设计滚珠400的直径，且承载能力提高，可避免滚道接触椭圆截断的问题。与双列四点接触球轴承相比，第一环形滚道中采用交叉滚子，滚动体的直径可以减小，从而减少了滚动体占用轴承套圈的空间，使套圈的有效厚度增加(即，滚道与套圈的径向厚度和轴向厚度都增大)，提高了套圈的强度，降低了套圈的环向应力，从而避免套圈发生疲劳断裂。

另外，如上所述，在第一环形滚道中的交叉滚子彼此抵靠而又互不干扰，既起到使滚子300相互隔离的作用，又能够省去诸如滚子安装架或保持架等另外设置以安装滚子的安装部件。因此，与现有的使用保持架来安装滚子的轴承相比，根据本发明的示例性实施例的推力轴承的结构更加简化，并且可降低生产成本。

滚珠400可滚动地设置于第二环形滚道中，优选地，滚珠400可与滚道四点接触。滚珠400可通过缺口装入内圈200的第二内圈沟槽220与外圈100的第二外圈沟槽120之间，装入第二环形滚道中，然后安装安装块(例如，第二安装块700)，以完成装配。

位于第一环形滚道中的交叉排列的滚子300可承受50％以上的轴向力Fa、径向力Fr以及倾覆力矩M，而位于第二环形滚道中的滚珠400可承受外部大约50％以下的轴向力Fa、径向力Fr以及倾覆力矩M。由于第一环形滚道中的滚子300的承载能力大于第二环形滚道中的滚珠400的承载能力，所以第二环形滚道中滚珠400的实际承载力相对减小，避免了滚道接触椭圆截断的发生。

与双列四点接触球轴承相比，根据本发明的示例性实施例的推力轴承的第一环形滚道采用滚子交叉排列、第二环形滚道采用四点接触球，可降低轴承对滚道变形等的敏感度，可以显著提高滚道的承载能力，降低接触应力，可防止滚道接触椭圆截断的问题的发生。

与双列交叉圆柱滚子结构相比，根据本发明的示例性实施例的推力轴承采用交叉滚子和四点接触球联合式结构可以有效避免轴承运转过程中出现卡滞现象。

根据本发明的示例性实施例，可通过如下方式形成第一环形滚道和第二环形滚道：内圈200的圆形外周面形成有第一内圈沟槽210和第二内圈沟槽220，外圈100的圆形内周面形成有第一外圈沟槽110和第二外圈沟槽120，第一外圈沟槽110面对第一内圈沟槽210且与第一内圈沟槽210一起形成第一环形滚道，第二外圈沟槽120面对第二内圈沟槽220且与第二内圈沟槽220一起形成第二环形滚道。

在横截面中第一内圈沟槽210和第一外圈沟槽110均可呈V形，例如，第一内圈沟槽210和第二外圈沟槽110可呈等腰直角三角形设置；第二内圈沟槽220和第二外圈沟槽120可呈弧形，例如，第二内圈沟槽220和第二外圈沟槽120可呈半圆形设置。

V形的第一内圈沟槽210包括相对于推力轴承的轴线O呈45度的角度而反向倾斜、且彼此正交的第一内圈表面和第二内圈表面，V形的第一外圈沟槽110包括相对于推力轴承的轴线O呈45度的角度而反向倾斜、且彼此正交的第一外圈表面和第二外圈表面。

当将滚子300装入第一环形滚道时，每个滚子300的轴线可与推力轴承的轴线O呈45度的角度，且相邻两个滚子300的轴线相对于推力轴承的轴线O的倾斜方向相反。滚子300与第一环形滚道表面接触，即，滚子300的圆周方向上的外周表面与第一环形滚道表面接触。相邻的两个滚子300中的一个与第一内圈表面和第二外圈表面(即，截面为正方形的第一环形滚道的正方形的两条对边)接触，另一个与第二内圈表面和第一外圈表面(即，截面为正方形的第一环形滚道的正方形的另外两条对边)接触。然而，本发明的实施例不限于此，在使得相邻的滚子300的轴线彼此正交的情况下，可适当改变滚子300的轴线与推力轴承的轴线O之间的角度，例如，相邻两个滚子300的轴线可分别与推力轴承的轴线O呈30度和60度。当然，这将会使得滚道的加工难度增大，生产成本升高。

如图1中所示，根据本发明的示例性实施例，第一环形滚道布置为一列，第二环形滚道布置为一列。根据轴承的受载情况，根据本发明的示例性实施例的推力轴承不限于图1中所示的单列交叉滚子300和单列四点接触球结构，也可设计为单列交叉滚子300和多列四点接触球组合结构。如图2中所示，根据本发明的另一示例性实施例，第一环形滚道布置为一列，第二环形滚道布置为两列，以进一步提高轴承的承载能力。然而，本发明的实施例不限于此，根据实际需要，在轴承的径向尺寸一定且可增大轴承的轴向尺寸的情况下，第二环形滚道可设计为多于两列。

考虑到风力发电机组的轴承系统的使用环境通常比较恶劣，根据本发明的示例性实施例的推力轴承还可设置有密封构件500，密封构件500在推力轴承的轴向上的两端设置于内圈200和外圈100之间以进行密封。例如，可将密封构件500设置为密封圈。如图1和图2所示，密封构件500的安装空间在推力轴承的径向方向上，在推力轴承的两端向外圈100或内圈200的偏向程度不同。具体地，密封构件500所形成的安装空间，沿径向方向，在推力轴承的两端中的一端偏向于内圈200设置，而在推力轴承的另一端偏向于外圈100设置。优选地，密封构件500的安装空间在滚子300的端部在径向上偏向内圈200设置，密封构件500的安装空间在滚珠400的端部在径向上偏向外圈100设置，进一步增强滚子300的外圈非安装侧的外圈强度。

通过设置密封构件500，一方面，可以避免外部杂质进入推力轴承的内部，保护内部组件不受外部环境的影响。另一方面，也可以避免推力轴承内部的润滑脂泄漏，保证轴承良好润滑的所需润油脂，防止由于泄漏引起的污染，促进轴承润滑良好，延长使用寿命，降低运维成本，提高运行稳定性。

根据本发明的示例性实施例，提供一种风力发电机组的轴承系统，该轴承系统包括如上所述的轴承。其中，轴承系统包括变桨轴承系统或偏航轴承系统。

根据本发明的示例性实施例，提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的变桨轴承系统或偏航轴承系统。该风力发电机组可以为诸如4MW及以上的大功率风力发电机组。

根据本发明的轴承及包括该轴承的风力发电机组的轴承系统可提高轴承的承载能力、提高轴承套圈的强度，以有效地避免套圈疲劳断裂及滚道边缘压溃等问题，能够降低风力发电机组的运维成本，提高风力发电机组的运行稳定性。

虽然上面已经详细描述了本发明的实施例，但本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的实施例的精神和范围内。

Claims

1.一种轴承，所述轴承为推力轴承，其特征在于，所述推力轴承包括外圈(100)和内圈(200)，其中，所述外圈(100)和所述内圈(200)均为一体式结构，所述内圈(200)和所述外圈(100)之间形成有连续的第一环形滚道和连续的第二环形滚道，所述第一环形滚道中设置有第一滚动体，所述第二环形滚道中设置有第二滚动体，所述第一滚动体的结构与所述第二滚动体的结构不同，所述第一滚动体的直径小于所述第二滚动体的直径，

其中，所述第一滚动体为滚子(300)结构，所述第一环形滚道内相邻的所述滚子(300)彼此抵靠，所述滚子的轴线相对于所述轴承的轴线倾斜设置，并且相邻的所述滚子(300)的轴线彼此正交，所述滚子(300)的轴向尺寸小于所述滚子(300)的径向尺寸，使得所述滚子(300)在径向上与所述第一环形滚道接触并适于滚动，所述滚子(300)在轴向上与所述第一环形滚道之间存在间隙，

位于第一环形滚道中的第一滚动体能够承受外部大约50％以上的轴向力Fa、径向力Fr以及倾覆力矩M，位于第二环形滚道中的第二滚动体能够承受外部大约50％以下的轴向力Fa、径向力Fr以及倾覆力矩M。

2.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述第二滚动体为滚珠(400)结构。

3.根据权利要求2所述的轴承，每个所述滚子(300)的轴线与所述推力轴承的轴线之间的角度大于0度且小于90度。

4.根据权利要求3所述的轴承，其特征在于，每个所述滚子(300)的轴线与所述推力轴承的轴线之间的角度为30度、45度或60度。

5.根据权利要求2所述的轴承，其特征在于，所述滚子(300)与第一环形滚道表面接触；所述滚珠(400)与所述第二环形滚道四点接触。

6.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述第一环形滚道靠近所述外圈(100)的沿轴向方向的非安装端面设置。

7.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述第二环形滚道布置为一列或更多列。

8.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，所述推力轴承还包括密封构件(500)，所述密封构件(500)在所述推力轴承的轴向上的两端设置于所述内圈(200)和所述外圈(100)之间，并且所述密封构件(500)的安装空间在所述推力轴承的径向方向上，在所述两端向所述外圈(100)或所述内圈(200)的偏向程度不同。

9.根据权利要求1所述的轴承，其特征在于，在所述推力轴承的内圈(200)的径向方向分别设置所述第一滚动体和所述第二滚动体的安装块。

10.一种风力发电机组的轴承系统，其特征在于，所述轴承系统包括如权利要求1-9中任一项所述的轴承；其中，所述轴承系统包括变桨轴承系统或偏航轴承系统。