JP2006071031A - 自動調心ころ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】 両列に不均等な荷重が負荷される用途に使用された場合に、アキシアル荷重の反負荷側列におけるころの滑りを防止できる自動調心ころ軸受を提供する。例えば、風力発電機の主軸支持用の軸受等に適用される。
【解決手段】 自動調心ころ軸受１は、内輪２と外輪３との間に２列にころ４，５を介在させ、各列のころ４，５をたる形としたものである。上記２列のころ４，５のうち、アキシアル荷重の負荷側列のころ４の本数に比べて、反負荷側列のころ５の本数を減らす。
【選択図】 図１

Description

この発明は、両列に不均等な荷重が負荷される用途、例えば風力発電機の主軸を支持する軸受等に適用される複列の自動調心ころ軸受に関する。

風力発電機は、近年のクリーンなエネルギーを求めたいという要求に合致した発電手段であり、原子力発電機を全面撤退するドイツをはじめ、全世界的に普及している。また、風力発電機は風という無尽蔵なエネルギーを電気エネルギーに変換することから、環境汚染もなく、設置スペースさえ確保できれば半永久的に電気エネルギーを生み出すことができ、日本でもその需要は高まってきている。
風力発電機において、大型のものでは、その主軸用軸受に図６に示すような大型の複列自動調心ころ軸受５１が用いられることが多い。主軸５０は、ブレード４９が取付けられた軸であり、風力を受けることによって回転し、その回転を増速機（図示せず）で増速して発電機を回転させ、発電する。

風を受けて発電している際に、ブレード４９を支える主軸５０は、ブレード４９にかかる風力による軸方向荷重（アキシアル荷重）と、径方向荷重（ラジアル荷重）が負荷される。複列自動調心ころ軸受５１は、ラジアル荷重とアキシアル荷重を同時に負荷することができ、かつ調心性を持つため、軸受ハウジング４８の精度誤差や、取付誤差による主軸５０の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸５０の撓みを吸収できる。そのため、風力発電機主軸用軸受に適した軸受であり、利用されている（例えば、非特許文献１）。
ＮＴＮ社カタログ「新世代風車用軸受」Ａ６５．ＣＡＴ．Ｎｏ．８ ４０４／０４／ＪＥ、２００３年５月１日発行

風力発電機は、現在においては、翼長が３５ｍ級という非常に大きなものが開発されており、ますますその翼は大型化し、その主軸５０を支承する軸受５１に加わるラジアル荷重は大きくなっている。それと共に負荷されるアキシアル荷重も大きくなっている。
例えば、強風時などにおいては翼に非常に大きなアキシアル荷重が加わる。このような場合、主軸５０を支承する自動調心ころ軸受５１では、アキシアル荷重を受ける列（ころ５４の列）とは反対側の列のころ５５に正規の荷重が加わらず、ころ５５が遊ぶという現象、つまりころ５５が回転せずに内外輪５２，５３の軌道面５２ａ，５３ａ上を滑る現象が顕著に起きる。その結果、軌道面５２ａ，５３ａやころ５５の転動面にスミアリング等の表面損傷が生じるという問題がある。

また、風況を考慮して、風力発電機は出来るだけ高所に設置したいという要望がある。そのため、風力発電機の主軸用軸受に対しては、メンテナンスフリーが望まれている。
この要請に応える対策として、上記自動調心ころ軸受５１における内輪５２もしくは外輪５３を２つ割り形状にして、軸方向の予圧をかける構造とすることも可能である（特願２００３−１５０２５４）。
しかし、この予圧を付与する方法は、内輪５２または外輪５３を、軸方向に別れた２つの部材に分割した構造となるため、軸受全体としてみたときに、構造が複雑になり、コストアップに繋がる。

また、上記スミアリングによる損傷を抑制する対策として、例えば内外輪５２，５３に特殊熱処理を施すことも考えられるが、外径がφ９００にもなる大きな軸受には適用困難である。

この発明の目的は、両列に不均等な荷重が負荷される用途に使用された場合に、アキシアル荷重の反負荷側列のころに生じる滑りを防止できて、滑りに起因する表面損傷を防止することができる自動調心ころ軸受を提供することである。
この発明の他の目的は、両列に不均等な荷重が負荷される用途に使用された場合に、アキシアル荷重の反負荷側列の転動体に生じる滑りを防止できて、滑りに起因する表面損傷を防止することができる複列自動調心転がり軸受を提供することである。

この発明の自動調心ころ軸受は、内輪と外輪との間に２列にころを介在させ、各列のころをたる形とした自動調心ころ軸受において、アキシアル荷重の負荷側列のころの本数に比べて、反負荷側列のころの本数を減らしたものである。
この構成によると、反負荷側列のころの本数を減らしたため、負荷に応じた適正な支持が各列で行える。これにより、反負荷側列で、軽負荷のために生じるころの滑り運動が発生し難くなり、滑りに起因する内外輪の軌道面やころの転動面にスミアリング等の表面損傷が生じることが防止できる。このため、軸受の実質寿命が向上する。また、ころ本数を減らすだけで良いため、滑り防止を図りながら、構造が簡単で、製造が容易である。

反負荷側列のころの本数をどの程度とするかは、例えば、次の条件を充足するように定めることが推奨される。
すなわち、ころ本数を減らした列の軸受部分における静等価荷重Ｃ₀ の値が、使用条件とされる等価荷重Ｐに対して、
Ｐ≧０．０４Ｃ₀ ……（１）
となるようにころ本数を設定することが好ましい。
上記の式（１）は、アキシアル荷重を受けない列のころの滑り運動の防止のために一般に推奨されている条件式である。使用条件とされる等価荷重Ｐに対して、上記の式（１）を満足させるためには、静等価荷重Ｃ₀ の値を小さくする必要がある。静等価荷重Ｃ₀ の値を小さくする対策としては、種々の構成を採ることが可能であるが、ころ本数を少なくすることによっても静等価荷重Ｃ₀ の値を小さくすることができ、これにより簡易な構成で推奨条件を満足させることができる。

この発明において、アキシアル荷重の反負荷側列のころを保持する保持器に、グリース溜まりを設けても良い。また、アキシアル荷重の反負荷側列のころを保持する保持器に円周方向に並んで設けられた複数のポケットのうち、少なくとも一つをグリース溜まりとしても良い。
反負荷側列の保持器は、保持するころの本数が少ないため、グリース溜まりを形成する空間が得易い。上記のようにポケットを、ころの保持の代わりにグリース溜まりとして用いることも可能となり、簡易にグリース溜まりを形成することができる。反負荷側列は、滑りが生じた場合の対策として、負荷側列よりも封入グリース量を多くすることが望ましい。そのため、上記のように保持器にグリース溜まりを成形してグリース封入量を確保することで、高所に設置される等の理由でメンテナンスフリーが要請される風力発電機の主軸用軸受として使用する場合等に、グリース補給回数を少なくでき、それだけメンテナンスフリーに寄与することができる。

この発明において、アキシアル荷重の反負荷側のころの列に、上記ころである負荷ころに対して外径が小さなころであるスペーサころを、少なくとも一つ組み込んでも良い。スペーサころは、潤滑剤を保持したものであることが好ましい。例えば、スペーサころは、表面に潤滑剤を被覆したものであっても良く、また固体潤滑剤単体でころを形成したものであっても良い。
この構成の場合、スペーサころが潤滑に寄与することになる。この潤滑剤により、例えば風力発電機の主軸用軸受に使用した場合、この用途に特有のドライランの課題を解決することができる。すなわち、風力発電機の主軸は、無風状態により回転停止が長く続くと、その後の回転開始時に軌道面が潤滑剤で覆われない状態で動作することがあるが、このような無潤滑での回転開始が防止される。また、スペーサころは同じ列の荷重を受けるころに比べて外径を小さくしているので、ラジアル荷重を受けずに済ますことができる。スペーサころは、軸受の運転に伴い潤滑剤部が痩せ細り、その外径が次第に小さくなるが、これはラジアル荷重を受けてはいけないという条件に叶った望ましい現象であり、問題とはならない。

この発明において、前記自動調心ころ軸受は、風力発電機の主軸を支持する軸受とされるものであっても良い。
風力発電機の主軸支持軸受は、主軸に取付けられたブレードに作用する風圧で、片方の列にアキシアル荷重が偏って作用するため、この発明における自動調心ころ軸受の効果が有効に発揮され、実質軸受寿命の向上効果が得られる。

この発明における他の複列自動調心転がり軸受は、内輪と外輪との間に２列に転動体を介在させた複列自動調心転がり軸受において、アキシアル荷重の負荷側列の転動体の個数に比べて、反負荷側列の転動体の個数を減らしたことを特徴とする。この複列自動調心転がり軸受は、自動調心ころ軸受であっても、自動調心玉軸受であっても良い。
この構成の場合も、上記構成の自動調心ころ軸受と同様に、両列に不均等な荷重が負荷される用途に使用された場合に、アキシアル荷重の反負荷側列の転動体に生じる滑りを防止できて、滑りに起因する表面損傷を防止することができる。

この発明の自動調心ころ軸受は、内輪と外輪との間に２列にころを介在させ、各列のころをたる形とした自動調心ころ軸受において、アキシアル荷重の負荷側列のころの本数に比べて、反負荷側列のころの本数を減らしたため、両列に不均等な荷重が負荷される用途に使用された場合に、アキシアル荷重の反負荷側列のころに生じる滑りを防止できて、滑りに起因する表面損傷を防止することができる。
この発明の複列自動調心転がり軸受は、内輪と外輪との間に２列に転動体を介在させた複列自動調心転がり軸受において、アキシアル荷重の負荷側列の転動体の個数に比べて、反負荷側列の転動体の個数を減らしたため、両列に不均等な荷重が負荷される用途に使用された場合に、アキシアル荷重の反負荷側列の転動体に生じる滑りを防止できて、滑りに起因する表面損傷を防止することができる。

この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この自動調心ころ軸受１は、左右の列に非対称の負荷が作用する用途、例えば片方の列にアキシアル荷重とラジアル荷重とを受け、もう片方の列には殆どラジアル荷重のみを受けるような用途に用いられるものである。具体的には、風力発電機の主軸支持軸受等に用いられる。

この自動調心ころ軸受１は、内輪２と外輪３との間に複列にころ４，５を介在させてある。ここでは、図１において、右側のころ４の列がアキシアル荷重の負荷側列であり、左側のころ５の列がアキシアル荷重の反負荷側の列である。各列のころ４，５はたる形のものであり、それぞれ保持器６により保持されている。保持器６は、各列毎に別個に設けられたものである。外輪３の軌道面３ａは球面状とし、各列のころ４，５の外周面は、外輪３の軌道面３ａに沿う断面形状としてある。外輪３は、外径面における両列間の中間に油溝（グリース等の油滑剤を封入する溝）７を有し、油溝７から内径面に貫通する油孔８が、円周方向の１箇所または複数箇所に設けられている。内輪２は、各列のころ４，５の外周面に沿う断面形状の複列の軌道面２ａ，２ｂを有し、両軌道面２ａ，２ｂの間、および両端に、鍔９〜１１がそれぞれ設けられている。内輪２は、鍔無しのものであっても良い。

アキシアル荷重の反負荷側列のころ５は、負荷側列のころ４に比べて本数を減らしてある。この場合、反負荷側列の軸受部分における静等価荷重をＣ_0r、使用条件とされる等価荷重をＰとすると、
Ｐ≧０．０４Ｃ_0r……（１）
となるように、反負荷側列のころ５の本数が少なく設定されており、これによりころ５の滑り運動防止が図られている。

その根拠を以下に説明する。アキシアル荷重を受けない反負荷側列のころ５の滑り運動防止のためには、
Ｆ_a ／Ｆ_r ≦２ｅ……（２）
ただし、Ｆ_a ：アキシアル荷重？
Ｆ_r ：ラジアル荷重？
ｅ：軸受によって決定される定数
を満たす条件での使用が推奨される。

これを別の見方から表すと、（１）式を満たす条件での使用が推奨されることになる。考えられる荷重Ｐに対して、（１）式を満足させるためには、静等価荷重Ｃ_0rを小さくする必要がある。そのために、ころ５の本数を少なくしている。例えば、前記自動調心ころ軸受１が２３０／６００Ｂ（Ｂ：ＮＴＮ製でころが非対称形状であり、内輪と一体の中つばをする自動調心ころ軸受）である場合、Ｃ_0rは１２０００ｋＮであり、１列あたり６０００ｋＮとなる。その結果、必要最小荷重としては、Ｐ≧２４０ｋＮが目安となる。しかし、風力発電機は無風時などには軸受にナセルの自重のみしか加わらず、１列あたりＰ＝２３０ｋＮ程度の負荷は十分に考えられ、ころ５の滑りが発生する。そこで、反負荷側列のころ５を例えば４本減らすことで、この例によるＣ₀ を５２５０ｋＮとし、必要最小荷重を２１０ｋＮまで下げることが可能で、使用上、反負荷側のころ５の滑りを防止することができる。

なお、片側列のころ本数を減らすことは、軸受全体の負荷容量を低下させることになるが、軸受全体の負荷容量としては高々１０％程度の低下量に過ぎず、強風を受けるときの過大なアキシアル荷重や、巨大な翼を支持することから発生するラジアル荷重を十分に支持することができる。

図２に示す正面図では、反負荷側の保持器６に円周方向に並んで設けられた複数のポケット６ａのうち、一部のポケット６ａにころ５が保持されていない。この場合に、ころ５の保持されていないポケット６ａの数が、ころ５を減らした本数となる。ころ５の保持されていないポケット６ａのうち、少なくとも一つはグリース溜まり６ａａとして使用される。

このように、この自動調心ころ軸受１では、アキシアル荷重の負荷側列のころ４の本数に比べて、反負荷側のころ５の本数を減らしているため、反負荷側列でのころ５の滑り運動を防止することができ、滑りに起因して内外輪２，３の軌道面２ａ，３ａやころ５の転動面にスミアリング等の表面損傷が生じることを防止できる。

また、反負荷側の保持器６におけるころ５を保持しないポケット６ａをグリース溜まりとして使用できることから、従来例の場合より多くのグリースを封入できる。そのため、高所に設置される等の理由でメンテナンスフリーが要請される風力発電機の主軸用軸受として使用する場合には、グリース補給作業を少なくでき、それだけメンテナンスフリーに寄与することができる。

図３は、この発明の他の実施形態を示す部分正面図である。この実施形態の自動調心ころ軸受１Ａは、図１および図２に示す第１の実施形態において、アキシアル荷重の反負荷側のころ５を保持する保持器６におけるころ５を保持しない複数のポケット６ａに、少なくとも１つのスペーサころ１５を組み込んだものである。このスペーサころ１５は、その表面に潤滑剤を被覆したものであり、同じ列の荷重を受ける他のころ５の外径ｄに比べて、外径ｄ１を小さくすることで、ラジアル荷重を受けないようにされている。スペーサころ１５に被覆する潤滑剤としては、二硫化モリブデン等が採用できる。
なお、このスペーサころ１５は、表面に潤滑剤を被覆するのに代えて、固体潤滑剤単体でころ形状に形成したものであっても良い。固体潤滑剤としては、例えば合成樹脂内にグリースを含浸させたもの等が用いられる。
この実施形態におけるその他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

この実施形態の自動調心ころ軸受１Ａでは、アキシアル荷重の反負荷側の保持器６に、潤滑剤を表面に被覆したスペーサころ１５、あるいは固定潤滑剤単体からなるスペーサころ１５を組み込んでいるので、スペーサころ１５が潤滑に寄与することになる。この潤滑剤により、例えば風力発電機の主軸用軸受に使用した場合、この用途に特有のドライランの課題を解決することができる。また、スペーサころ１５は同じ列の荷重を受けるころ５に比べて外径ｄ１を小さくしているので、ラジアル荷重を受けずに済ますことができる。スペーサころ１５の外径ｄ１は、軸受の運転に伴い潤滑剤部が痩せ細ることにより次第に小さくなるが、これはラジアル荷重を受けてはいけないという条件に叶った望ましい現象であり、問題とはならない。

なお上記各実施形態は、いずれも自動調心ころ軸受に適用した場合につき説明したが、この発明は、複列自動調心玉軸受等の複列自動調心転がり軸受一般に適用することができる。

図４，図５は、この発明の自動調心ころ軸受を用いた風力発電機の一例を示す。支持台３１上に旋回座軸受３２（図５）を介してナセル３３のケーシング３３ａが水平旋回自在に設置されている。ナセル３３のケーシング３３ａ内には、軸受ハウジング３４に設置された主軸支持軸受３５を介して主軸３６が回転自在に設置され、主軸３６のケーシング３３ａ外に突出した部分に、旋回翼となるブレード３７が取付けられている。主軸３６の他端は、増速機３８に接続され、増速機３８の出力軸が発電機３９のロータ軸に結合されている。ナセル３３は、旋回用モータ４０により、減速機４１を介して任意の角度に旋回させられる。

主軸支持軸受３５は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であっても良い。この主軸支持軸受３５に、上記のいずれかの実施形態における自動調心ころ軸受１，１Ａが用いられる。

このように風力発電機の主軸支持軸受３５に、上記実施形態の自動調心ころ軸受１，１Ａを適用した場合、ブレード３７に対して近い方の列がアキシアル荷重の反負荷側列となる。そのため、この反負荷側列に、ころ本数を減らした列が配置されるように自動調心ころ軸受１，１Ａを設置する。
風力発電機の主軸支持軸受３５は、主軸３６に取付けられたブレード３７に作用する風圧で、片方の列にアキシアル荷重が偏って作用するため、この発明における自動調心ころ軸受１，１Ａの効果が有効に発揮され、実質軸受寿命の向上効果が得られる。

この発明の第１の実施形態にかかる自動調心ころ軸受の部分断面図である。 同自動調心ころ軸受の部分正面図である。 この発明の他の実施形態にかかる自動調心ころ軸受の部分正面図である。 この発明の上記いずれかの自動調心ころ軸受を用いた風力発電機の切欠斜視図である。 同風力発電機の破断側面図である。 従来例の断面図である。

符号の説明

１，１Ａ…自動調心ころ軸受
２…内輪
３…外輪
４，５…ころ
６…保持器
６ａ…ポケット
１５…スペーサころ

Claims (8)

1. 内輪と外輪との間に２列にころを介在させ、各列のころをたる形とした自動調心ころ軸受において、アキシアル荷重の負荷側列のころの本数に比べて、反負荷側列のころの本数を減らしたことを特徴とする自動調心ころ軸受。
2. 請求項１において、ころ本数を減らした列の軸受部分における静等価荷重Ｃ₀ の値が、使用条件とされる等価荷重Ｐに対して、Ｐ≧０．０４Ｃ₀ となるころ本数となるものとした自動調心ころ軸受。
3. 請求項１または請求項２において、アキシアル荷重の反負荷側列のころを保持する保持器にグリース溜まりを設けた自動調心ころ軸受。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、アキシアル荷重の反負荷側列のころを保持する保持器に円周方向に並んで設けられた複数のポケットのうち、少なくとも一つをグリース溜まりとした自動調心ころ軸受。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、アキシアル荷重の反負荷側列のころの列に、上記ころである負荷ころに対して外径が小さいスペーサころを、少なくとも一つ組み込みんだ自動調心ころ軸受。
6. 請求項５において、前記スペーサころは、潤滑剤を保持したものである自動調心ころ軸受。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、風力発電機の主軸を支持する軸受とされる自動調心ころ軸受。
8. 内輪と外輪との間に２列に転動体を介在させた複列自動調心転がり軸受において、アキシアル荷重の負荷側列の転動体の個数に比べて、反負荷側列の転動体の個数を減らしたことを特徴とする複列自動調心転がり軸受。

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