CN111853071A - 一种滚子轴承、风力涡轮机和风力涡轮机的控制方法 - Google Patents

一种滚子轴承、风力涡轮机和风力涡轮机的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种滚子轴承，包括外圈、内圈和设置在所述外圈与所述内圈之间的至少一列滚子，所述外圈或所述内圈设置有光纤线缆，所述光纤线缆包括至少一个布拉格光栅，所述光纤线缆中的信号被用于确定所述滚子轴承的预载荷或载荷。由此能够方便地测量滚子轴承的预载荷或载荷。

Description

一种滚子轴承、风力涡轮机和风力涡轮机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种滚子轴承，特别是用于风力涡轮机(/风力发电机)用的大型双列圆锥滚子轴承。本发明还涉及风力涡轮机和风力涡轮机的控制方法。
背景技术
风力涡轮机通常采用预载荷(/预紧)的(preloaded)大型双列圆锥滚子轴承，其通常具有直径为至少1米的外圈。所涉及的轴承大小明显大于例如车辆中应用的外径为几厘米的轴承。对于这种大型轴承来说，在安装期间确定预载荷是重要和困难的。另外，在滚子轴承工作期间，常会发生大的和未知的变形。例如，轴承因未被足够刚性的结构支撑，因此可能在负载下产生严重变形，这可能会对性能产生危害，因此在运行期间确定滚子轴承的载荷也是同样重要的。
传统的方法是通过摩擦扭矩来测量预载荷/载荷，然而，该方法对于这种巨大尺寸的轴承来说并不是非常有效，测量结果也不准确。因此需要一种能够方便地测量出预载荷/载荷情况的滚子轴承。
发明内容
发明要解决的问题
本发明克服了上述技术问题，提供了一种能够方便地测量轴承的预载荷和载荷的滚子轴承。
用于解决问题的方案
本发明的一个主题涉及一种滚子轴承，包括外圈、内圈和设置在所述外圈与所述内圈之间的至少一列滚子，所述外圈或所述内圈设置有光纤线缆，所述光纤线缆包括至少一个布拉格光栅，所述光纤线缆中的信号被用于确定所述滚子轴承的预载荷或载荷。
通过具有布拉格光栅的光纤线缆，本发明能够使得滚子轴承能够方便地测量出预载荷或载荷。从而为后续工作(例如设计轴承、控制风力涡轮机)提供了参考。
有利的是，所述预载荷或载荷被在所述滚子轴承的安装过程和/或在所述滚子轴承的运行期间确定，使得确定所述滚子轴承在外部影响下的载荷状况，特别是在周向上的载荷分布(load profile)。
有利的是，所述预载荷或载荷被监控，以在它们偏离预定正常状态时发出报警。可以通过状况监测系统来监测预载荷或载荷，由此能够在安装和运行期间实时得到预载荷/载荷大小，以便根据测量结果及时调整轴承的安装和运行状态，大量的监控数据还可以用于为轴承设计提供有利的参考。
有利的是，所述滚子轴承特别是所述滚子轴承的外圈设置有多个凹部(recess)，各凹部分别容纳有独立的用于测量周向载荷分布的光纤线缆。进一步地，凹部本身可以沿周向延伸，各凹部沿轴向排布。通过设置多根光纤线缆，能够更加全面的获取圆周应变在轴向上的变化。
有利的是，所述外圈和/或所述内圈为具有用于容纳所述光纤线缆的凹部的分裂式(比如双列)外圈和/或内圈。分裂式外圈和/或内圈便于制造、运输和安装。
有利的是，所述光纤线缆还包括至少一根用于测量所述至少一个布拉格光栅的温度的温度测量线。通过设置温度测量线，可以对应变测量结果进行温度补偿，以进一步提高预载荷/载荷的测量精度。
有利的是，滚子轴承还包括控制和存储单元，控制和存储单元被设置用于在温度、振动、速度超过阈值范围时测量和存储载荷分布以及(测量和存储)以下参数：温度、振动、速度、载荷中的至少一者。由此可以更好地获取各参数对应变的影响，并在必要时对轴承进行调整。
有利的是，所述滚子轴承为双列圆锥滚子轴承，特别是具有两个外圈的X布置的双列圆锥滚子轴承，每一外圈上均设置有光纤线缆。
有利的是，在所述外圈的与各列滚子的载荷区对应的外周缘处设置有：槽，所述槽的截面为等腰梯形形状，构成所述槽的等腰梯形的上底位于所述外圈的径向外侧、下底位于所述外圈的径向内侧、底角大于等于70度且小于等于85度；和盖，所述盖的截面为矩形形状，构成所述盖的矩形的宽度大于等于所述等腰梯形的上底的长度、高度大于所述等腰梯形的高度与光纤线缆的直径之差，所述盖被插入所述槽内以封盖所述槽；其中在构成所述槽的每个等腰梯形的各腰、下底和所述盖所围成的空间内分别容纳有一根光纤线缆。
有利的是，所述盖的高度等于所述等腰梯形的高度。
有利的是，所述盖为密封圈。
有利的是，所述下底的长度小于等于所述滚子在轴向上的长度且大于等于所述滚子在轴向上的长度的一半。
有利的是，所述下底的端部与所述滚子的端部之间的轴向距离小于等于所述滚子在轴向上的长度的10％。
有利的是，所述槽和所述盖均在所述外圈的整周上沿周向延伸。
有利的是，所述下底的设置所述光纤线缆的位置设置有与所述光纤线缆的底部配合的圆弧形凹入部(/凹部)(recessed portion)。
有利的是，所述下底位于用于固定所述外圈的螺栓孔的径向外侧。
本发明的另一主题涉及一种风力涡轮机，包括根据前述技术方案中的任一项所述的滚子轴承。
本发明的再一个主题涉及一种根据前述技术方案中的任一项所述的风力涡轮机的控制方法，当所述光纤线缆测量的预载荷或载荷超出预定的阈值时，使所述风力涡轮机的叶片进入失风状态，使得减小作用在所述滚子轴承上的力。这能够有效地保护轴承，提高轴承的使用寿命。
发明的效果
通过设置具有布拉格光栅的光纤线缆，滚子轴承能够方便地测量预载荷/载荷，从而为设备安装、运行控制和轴承设计提供了有利的参考，使得滚子轴承能够充分发挥性能，并提高了轴承的使用寿命。
各光纤线缆周围空间大，因此光纤线缆的布置、安装和更换(尽管更换很少发生)都更加容易。本发明的结构简单、实现成本低，另外，还能够在光纤线缆本身固定失效的情况下，通过盖的阻挡来最终防止光纤线缆移动。
利用本发明的双列圆锥滚子上的多根测量滚子载荷区的光纤线缆，能够更加全面地监测载荷区的负载变化情况，这有利于更全面地分析滚子载荷与各方面因素(如环境)之间的关系，进而改进轴承的设计。
另外的优点和有利的实施方式被在说明书、附图和权利要求中详细说明。这里特别是在说明书和附图中详细说明的特征的组合纯粹是示例性的，使得这些特征还可以单个存在或以其它方式组合。
附图说明
以下，基于附图所描绘的示例性实施方式更详细地描述本发明。这里，示例性实施方式和在示例性实施方式中示出的组合纯粹是示例性的，而不意在限定本发明的范围。本发明的范围仅由待定的权利要求限定。为了清楚显示起见，附图中的某些特征可能被夸大。
图1是根据一个实施方式的双列圆锥滚子轴承的示意截面图；
图2是根据图1的双列圆锥滚子轴承的外圈上的槽和盖处于未安装状态的示意图；以及
图3是根据图1的双列圆锥滚子轴承的外圈上的槽和盖处于安装状态的示意图。
附图标记说明
1、外圈，2、内圈，3、滚子，4、槽，5、盖，6、光纤线缆，8、圆弧形凹入部，9、螺栓孔，
p1、p2 外圈上与载荷区对应的点
es 下底的端部与滚子的端部之间的轴向距离
er 滚子在轴向上的长度
gub 等腰梯形的上底
glb 等腰梯形的下底
gh 等腰梯形的高度
α 等腰梯形的底角
cw 盖的宽度
ch 盖的高度
d 光纤线缆的直径
ha 沿高度方向穿过上底的端部的辅助线
具体实施方式
本公开涉及一种滚子轴承，包括外圈1、内圈2和设置在所述外圈1与内圈2之间的至少一列滚子3，外圈1或内圈2设置有光纤线缆6，光纤线缆6包括至少一个布拉格光栅。光纤线缆6中的信号被用于确定滚子轴承的预载荷或载荷(preload or load)。由此，借助于具有布拉格光栅的光纤线缆6，能够在滚子轴承的安装过程确定预载荷以及在滚子轴承的运行期间确定载荷，以确定滚子轴承在外部影响下的载荷分布状况，特别是在周向上的载荷分布。其中，外部影响下的载荷分布可以通过总载荷减去预载荷计算得出。
还可以设置有控制和存储单元，以便对所检测到应变进行计算分析，特别是圆周方向上的应变，从而为诸如风力涡轮机用的大型轴承的设计、安装和运行提供参考。此外，还可以设置有监测机构和执行机构，以便形成自动控制系统。例如，监测机构监测预载荷或载荷，当其偏离预设定的正常状态时发出报警，提示工作人员。作为另一种选择，当光纤线缆测量的预载荷或载荷超出预定的阈值时，使风力涡轮机的叶片进入失风(pitch out)状态(例如通过调整风力涡轮机的叶片的角度来实现)，从而减小作用在滚子轴承上的力。这能够有效地保护轴承，提高轴承的使用寿命。
除了测量应变之外，具有布拉格光栅的光纤线缆6还可以测量：压力、温度、加速度、位移，具体地说，例如轴承的温度、振动、速度、载荷测量。
为此，光纤线缆6被固定于滚子轴承。滚子轴承包括圆锥滚子轴承、球面滚子轴承和圆柱滚子轴承。根据一个实施方式，在外圈1设置有多个凹部，各凹部分别容纳有独立的用于测量周向载荷分布的光纤线缆6。
根据一个实施方式，图1示出了双列圆锥滚子轴承，其为具有两个外圈的X布置的双列圆锥滚子轴承，常被用于风力涡轮机(/风力发电机)中。其中，“X布置”在业内指的是TDO或背靠背的型式。双列布置的圆锥滚子轴承能够承受来自双向的轴向负荷。在典型情况下，双列圆锥滚子轴承(double-row tapered roller bearings)可以采用背靠背式(back-to-back)和面对面式(face-to-face)两种布置方式。在背靠背的布置方式中，双列圆锥滚子以小端端面彼此相对，用于承载轴向负荷的引导挡边分别位于彼此抵靠的双列内圈的轴向两侧。在面对面的布置方式中，双列圆锥滚子以大端端面彼此相对，用于承载轴向负荷的引导挡边位于双列内圈彼此抵靠的轴向内侧。双列圆锥滚子轴承彼此抵靠的内圈可以进一步融合为一体，形成为具有一体内圈结构的双列面对面布置的圆锥滚子轴承。
如图1所示，双列圆锥滚子轴承包括：外圈1、内圈2和设置在外圈1与内圈2之间的两列滚子3，在外圈1的与各列滚子的载荷区对应的外周缘处设置有槽4和盖5。这里，“所述外圈的与各列滚子的载荷区对应的外周缘处”可以被理解成：滚子在轴承的外圈的径向外表面上的投影区域，即，图1中外圈1上的点p1与p2之间的区域。其中“载荷区”指的是滚子与外圈1/内圈2直接作用的区域。
槽4的截面为等腰梯形形状，构成所述槽4的等腰梯形的上底位于外圈1的径向外侧、下底位于外圈1的径向内侧、底角大于等于70度且小于等于85度。这里，“槽的截面为等腰梯形的形状”指的是槽在轴向截面上呈等腰梯形形状。“等腰梯形的上底位于径向外侧、下底位于径向内侧”意在用于规定出梯形槽的方向，即如图1所示，构成所述槽的等腰梯形的在外圈的外边缘处开口小、朝向径向内侧逐渐扩大。如果等腰梯形的底角α的角度过大，则槽的深度也会相应增大以便足够容纳光纤线缆(即，光纤传感器)6，然而深度过大可能对安装和更换光纤线缆6带来不利影响，并且可能会对其它部件(例如用于固定的螺栓孔9)造成干涉；如果底角α的角度过小，光纤线缆6附近的空间也将变小，这同样不利于光纤线缆的安装和更换。
盖5的截面为矩形形状，构成盖5的矩形的宽度cw大于等于所述等腰梯形的上底的长度gub。具体地说，盖5的宽度(即盖在轴向上的长度)cw可以等于等腰梯形的上底gub的长度，以适配在槽4内，作为另一种选择，盖的宽度cw可以略大于等腰梯形的上底gub的长度，以使得盖能够被紧密地(/略微过盈地)压配在槽4内。
另外，盖5的高度ch大于所述等腰梯形的高度gh与所述光纤线缆的直径d之差，即ch>(gh-d)，盖5被插入所述槽4内以封盖槽4。换言之，盖5的高度ch被设计成使得当盖5被放置在槽4内时，盖5能够进一步分隔和防止/阻挡光纤线缆6移动。例如，根据一个实施方式，盖5的高度ch被设计成等于等腰梯形的高度gh。如此，盖5可以被完全插入槽4中固定，而无需考虑设置其它的用于固定盖5的布置。
需要说明的是，盖5可以是密封圈。如此，盖5能够防止外部异物进入轴承。另外，利用密封圈自身的弹性，盖5的安装和拆卸将会更加方便。
根据本发明，在构成槽4的每个等腰梯形的各腰、下底和盖5所围成的空间内分别容纳有一根光纤线缆6。换言之，如图1、图2和图3所示，各光纤线缆6被放置在每个等腰梯形的各腰、下底和沿高度方向穿过上底的端部的辅助线ha之间。
由此，在本发明中，如图1所示，一共有四根光纤线缆6，其中在每列滚子的载荷区的每一端附近，分别设置有一根光纤线缆。如此，能够测量出每列滚子的载荷区两端附近的载荷变化。从而在风电机组的整个寿命周期过程中全面地监测轴承的负载变化和趋势，为轴承乃至系统的设计改进提供数据参考。例如，可以根据预载(preload)数据实现风电轴承的完美安装；观测载荷与风向风速之间的关系，从而进一步改进轴承设计；通过观测载荷，能够得知整个吊舱系统的载荷分布，从而为吊舱尤其是轴承座系统结构的改进提供参考。
槽5和盖5均在外圈1的整周上沿周向延伸。光纤线缆6被埋设到轴承外圈1内。外圈1的变形导致所埋设的光纤线缆变形(拉长)。通过线缆的光被控制并用作主信号，用于被转换成局部和全局的变形和负载分布。通过外圈的变形，能够更准确地测量轴承在安装期间的预载。
如图1、图2所示，下底的长度glb小于等于滚子3在轴向上的长度(即p1与p2之间的距离)且大于等于滚子在轴向上的长度的一半(即p1与p2之间的距离的一半)。换言之，槽4在轴向上的长度被完全包含在滚子/载荷区的范围之内，因此光纤线缆将测量滚子载荷区内的状况。
特别地，根据一个实施方式，(相邻的/相对应的)下底的端部与滚子的端部之间的轴向距离es小于等于滚子3在轴向上的长度er的10％。如此，光纤线缆6测量的是邻近滚子3的两端的载荷区内的状况。两端部处的载荷对于全面反映轴承的载荷状况而言将更具代表性。
根据一个实施方式，如图3所示，下底的设置光纤线缆6的位置可以设置有与光纤线缆6的底部配合的圆弧形凹入部(/圆弧形托座)8。圆弧形凹入部8可以被预先加工出轮廓，以使得通常为圆形的光纤的固定更加稳固。圆弧形凹入部8不一定完全设置在下底的上方，作为另一种选择(未示出)，圆弧形凹入部8可以被设置在等腰梯形的下底的下方(即从下底起向下凹)，或者至少部分被设置在下底的下方。
另外需要说明，在本申请中，相对于用于风力涡轮机的轴承而言(直径在1米以上)，所述槽的深度较浅，这使得更易于安装和更换光纤线缆。只要所形成的空间能够容纳光纤线缆即可。如此，所述槽不会与其它部件(例如沿轴向贯穿外圈的螺栓孔)冲突，也就是说，不会给轴承设计带来影响和限制。
以上参照附图详细说明了本发明的代表性的非限制性示例。该详细说明仅意在用于教导本领域技术人员用于实践本教导的优选方面的进一步细节，而不意在限制本发明的范围。此外，以上公开的附加特征和教导中的每一个可以被单独使用或者与其它特征和教导结合使用。
此外，上述代表性示例以及各独立和从属技术方案的各个特征可以以未具体和明确列举的方式组合，以便提供本教导的另外有用的实施方式。

Claims (15)

1.一种滚子轴承，包括外圈(1)、内圈(2)和设置在所述外圈(1)与所述内圈(2)之间的至少一列滚子(3)，其特征在于，所述外圈(1)或所述内圈(2)设置有光纤线缆(6)，所述光纤线缆(6)包括至少一个布拉格光栅，所述光纤线缆(6)中的信号被用于确定所述滚子轴承的预载荷或载荷。
2.根据权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述预载荷或载荷被在所述滚子轴承的安装过程和/或在所述滚子轴承的运行期间确定，用于确定所述滚子轴承在外部影响下的载荷状况，特别是在周向上的载荷分布。
3.根据权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述预载荷或载荷被监控，以在其偏离预定正常状态时发出报警。
4.根据权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述滚子轴承特别是所述滚子轴承的外圈(1)设置有多个凹部，各凹部分别容纳有独立的用于测量周向载荷分布的光纤线缆(6)。
5.根据权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述外圈(1)和/或所述内圈(2)为具有用于容纳所述光纤线缆(6)的凹部的分裂式外圈和/或内圈。
6.根据权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，还包括控制和存储单元，所述控制和存储单元被设置用于在温度、振动、速度超过阈值时测量和存储载荷分布以及测量和存储温度、振动、速度、载荷中的至少一者。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的滚子轴承，其特征在于，所述滚子轴承为双列圆锥滚子轴承，特别是具有两个外圈的X布置的双列圆锥滚子轴承，每一外圈上均设置有光纤线缆(6)。
8.根据权利要求7所述的滚子轴承，其特征在于，在所述外圈(1)的与各列滚子的载荷区对应的外周缘处设置有：
槽(4)，所述槽(4)的截面为等腰梯形形状，构成所述槽的等腰梯形的上底位于所述外圈(1)的径向外侧、下底位于所述外圈(1)的径向内侧、底角(α)大于等于70度且小于等于85度；和
盖(5)，所述盖(5)的截面为矩形形状，构成所述盖的矩形的宽度(cw)大于等于所述等腰梯形的上底的长度(gub)、高度(ch)大于所述等腰梯形的高度(gh)与光纤线缆的直径(d)之差，所述盖(5)被插入所述槽(4)内以封盖所述槽(4)；
其中所述光纤线缆(6)被容纳在构成所述槽(4)的每个等腰梯形的各腰、下底和所述盖(5)所围成的空间内。
9.根据权利要求8所述的滚子轴承，其特征在于，所述盖的高度(ch)等于所述等腰梯形的高度(gh)。
10.根据权利要求8所述的滚子轴承，其特征在于，所述下底的长度(glb)小于等于所述滚子在轴向上的长度(er)且大于等于所述滚子在轴向上的长度(er)的一半。
11.根据权利要求8所述的滚子轴承，其特征在于，所述下底的端部与所述滚子的端部之间的轴向距离(es)小于等于所述滚子在轴向上的长度(er)的10％。
12.根据权利要求8所述的滚子轴承，其特征在于，所述下底的设置所述光纤线缆(6)的位置处设置有与所述光纤线缆(6)的底部配合的圆弧形凹入部(8)。
13.根据权利要求8所述的滚子轴承，其特征在于，所述下底位于用于固定所述外圈(1)的螺栓孔(9)的径向外侧。
14.一种风力涡轮机，其特征在于，包括根据权利要求1至13中的任一项所述的滚子轴承。
15.一种根据权利要求14所述的风力涡轮机的控制方法，其特征在于，当所述光纤线缆(6)测量的预载荷或载荷超出预定的阈值时，使所述风力涡轮机的叶片进入失风状态，用于减小作用在所述滚子轴承上的负荷。
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