JP2008032148A - 転がり軸受、転がり軸受用密封部材、および風力発電機の回転軸支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】リップ部の回転側軌道輪への押し付け力を調整して、密封性の低下を防止した転がり軸受を提供する。
【解決手段】転がり軸受３１は、回転側軌道輪としての内輪３２と、非回転側軌道輪としての外輪３３と、内輪３２および外輪３３の間に配置される転動体としての複数の円錐ころ３４と、内輪３２に当接する円環形状のリップ部３６ｄ、およびリップ部３６ｄの内輪３２への押し付け力を調整するリング部３６ｃとを含み、外輪３３に固定される密封部材としての密封シール３６とを備える。また、リング部３６ｃは、形状記憶合金により形成される第１のリングを含む。そして、第１のリングは、形状回復温度を超えると拡径する。
【選択図】図１

Description

この発明は、転がり軸受、特に、風力発電機の回転軸、圧延機用ローラ、および車輪ハブ等を支持する軸受に関するものである。

従来の転がり軸受は、例えば、特開２００２−３３３０３１号公報（特許文献１）に記載されている。図６を参照して、同公報に記載されている転がり軸受は、回転側軌道輪としての内輪１０２と、非回転側軌道輪としての外輪１０３と、内輪１０２および外輪１０３の間に配置される複数の円錐ころ１０４と、隣接する円錐ころ１０４の間隔を保持する保持器１０５と、軸受内部空間を密封する密封シール１０６とを備える円錐ころ軸受１０１である。

上記の密封シール１０６は、非回転側軌道輪である外輪１０３に固定されて、リップ部１０６ａが回転側軌道輪である内輪１０２に当接している。これにより、潤滑剤の軸受外部への流出を防止すると共に、軸受内部への塵埃の混入を防止する。
特開２００２−３３３０３１号公報

上記構成の円錐ころ軸受１０１において、リップ部１０６ａの内輪１０２への押し付け力が強すぎる場合、または内輪１０２とリップ部１０６ａとの当接部分の潤滑が不十分な場合、当接部分から発熱することがある。その結果、リップ部１０６ａの内輪１０２に当接する部分が摩耗すると、潤滑剤の流出や塵埃の混入を阻止することができなくなる。

そこで、この発明の目的は、リップ部の回転側軌道輪への押し付け力を調整して、密封性の低下を防止した転がり軸受用密封部材、および転がり軸受を提供することである。また、このような転がり軸受を採用することにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の回転軸支持構造を提供することを目的とする。

この発明に係る転がり軸受は、回転側軌道輪と、非回転側軌道輪と、回転側軌道輪および非回転側軌道輪の間に配置される複数の転動体と、回転側軌道輪に当接する円環形状のリップ部、およびリップ部の回転側軌道輪への押し付け力を調整するリング部とを含み、非回転側軌道輪に固定される密封部材とを備える。また、リング部は形状記憶合金により形成される第１のリングを含む。そして、第１のリングは形状回復温度を超えると拡径する。

上記構成の転がり軸受は、第１のリングが予め設定した形状回復温度を超えると、直径が大きくなる方向、すなわち、リップ部の回転側軌道輪への押し付け力を弱める方向に変位する。その結果、回転側軌道輪とリップ部との当接部分が発熱した場合でもリップ部の回転側軌道輪と当接する部分の摩耗を緩和することができるので、長期間にわたって密封性の低下を防止することができる。

好ましくは、リング部は第１のリングを縮径させる方向に付勢する第２のリングをさらに含む。このように、形状回復温度を超えると拡径する第１のリングと、第１のリングを縮径させる方向に付勢する第２のリングとを組み合わせることにより、形状回復温度以下ではリップ部の回転側軌道輪への押し付け力が相対的に強く、形状回復温度を超えると押し付け力が相対的に弱くなる。これにより、上記の効果に加えて、通常の温度状態における密封性の低下を防止することができる。

一実施形態として、第１のリングはＮｉ−Ｔｉ系合金で形成されている。

この発明に係る転がり軸受用密封部材は、円環形状のリップ部と、形状記憶合金により形成される第１のリングを含み、リップ部の径方向内側への押し付け力を調整するリング部とを備える。そして、第１のリングは、形状回復温度を超えると拡径する。

この発明に係る風力発電機の回転軸支持構造は、風を受けて回転するブレードと、ブレードの回転に伴って回転する回転軸と、回転軸を回転自在に支持する転がり軸受とを備える。転がり軸受に注目すると、回転側軌道輪と、非回転側軌道輪と、回転側軌道輪および非回転側軌道輪の間に配置される複数の転動体と、回転側軌道輪に当接する円環形状のリップ部、およびリップ部の回転側軌道輪への押し付け力を調整するリング部とを含み、非回転側軌道輪に固定される密封部材とを備える。また、リング部は形状記憶合金により形成される第１のリングを含む。そして、第１のリングは、形状回復温度を超えると拡径する。

このような転がり軸受を風力発電機の回転軸を支持する軸受として採用することにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。

この発明によれば、リップ部の回転側軌道輪への押し付け力を温度によって調整することができるので、長期間にわたって高い密封性を維持可能な転がり軸受用密封部材、および転がり軸受を得ることができる。また、このような転がり軸受を採用することにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。

図１および図２を参照して、この発明の一実施形態に係る転がり軸受用密封部材および転がり軸受を説明する。なお、図１はこの発明の一実施形態に係る転がり軸受としての円錐ころ軸受３１を示す図、図２は円錐ころ軸受３１に採用されるこの発明の一実施形態に係る密封部材としての密封シール３６を示す図である。

まず、図１を参照して、円錐ころ軸受３１は、回転側軌道輪としての内輪３２と、非回転側軌道輪としての外輪３３と、内輪３２および外輪３３の間に配置される転動体としての複数の円錐ころ３４と、隣接する円錐ころ３４の間隔を保持する保持器３５と、内輪３２および外輪３３の間の隙間を密封する密封部材としての密封シール３６とを備える。

内輪３２は、２つの内輪部材３２ａ，３２ｂと、２つの内輪部材の間に配置される間座３２ｆとで構成される。内輪部材３２ａは、外径面に軌道面３２ｃと、軌道面３２ｃの一方側端部に小鍔３２ｄと、他方側端部に大鍔３２ｅとを有する。内輪部材３２ｂも同様の構成である。そして、２つの内輪部材３２ａ，３２ｂは、間座３２ｆを挟んで互いの小鍔３２ｄ同士を突き合わせるようにして配置されている。

外輪３３は、左右の軌道輪３３ａ，３３ｂを有する。円錐ころ３４は、小端面３４ａと、大端面３４ｂと、転動面３４ｃとを有し、小端面３４ａを内輪３２の小鍔３２ｄ側に向けて内輪３２および外輪３３の間に配置される。保持器３５は、リング形状の部材であって、円錐ころ３４を収容する複数のポケットを有しており、隣接する円錐ころ３４の間隔を保持する。

この円錐ころ軸受３１は、円錐ころ３４が軸方向に複列に配置されており、左右の列の円錐ころ３４の小端面３４ａ同士を突き合わせた背面組み合わせ軸受である。

図２を参照して、円錐ころ軸受３１に採用されるこの発明の一実施形態に係る密封シール３６は、外環３６ａと、パッキン３６ｂと、リング部としてのガーターリング３６ｃとを備える。外環３６ａは、金属等で形成される断面がＬ字型のリング部材であって、密封シール３６全体の形状を保持する。パッキン３６ｂは、樹脂材料等で形成されるリング部材であって、内輪３２に当接するリップ部３６ｄを有する。

ガーターリング３６ｃは、コイルばねの両端を接続してリング状としたものであり、リップ部３６ｄの径方向内側への押し付け力、すなわち内輪３２への押し付け力を調整する。具体的には、Ｔｉ−Ｎｉ系合金やＣｕ−Ｚｕ−Ａｌ系合金等の形状記憶合金により形成された第１のリング３６ｅと、通常のばね鋼で形成された第２のリング３６ｆとを組み合わせて構成する。

第１のリング３６ｅは、まず、密封シール３６に組み込む時の直径（以下「第１の径」という）よりも大きい状態（以下「第２の径」）で形状記憶処理される。そして、形状回復温度以下で第１の径に縮径されて密封シール３６に組み込まれる。

一方、第２のリング３６ｆの直径は第１の径に設定されている。この第２のリング３６ｆは、第１のリング３６ｅを径方向内側、すなわち第２の径から第１の径まで縮径させる方向に付勢する。その弾性力は、第１のリング３６ｅの形状回復力、すなわち第１のリング３６ｅが第１の径から第２の径まで拡径しようとする力より小さく設定する。

このガーターリング３６ｃは、形状回復温度以下で第１の径となっているので、リップ部３６ｄを内輪３２に押し付ける力は相対的に大きい。一方、形状回復温度を超えると第１のリング３６ｅが第２のリングに逆らって第２の径まで拡径するので、リップ部３６ｄを内輪３２に押し付ける力は相対的に小さい。さらに、第１のリング３６ｅが拡径した状態で形状回復温度以下になると、第２のリング３６ｆの弾性力によって、ガーターリング３６ｃが第１の径まで縮径する。

上記構成とすることにより、適切な押し付け力でリップ部３６ｄと内輪３２とを当接させることができる。その結果、当接部分の摩擦によるリップ部３６ｄの損耗を防止することができると共に、円錐ころ軸受３１の密封性の低下を阻止することができる。

なお、第１の径は、内輪３２と外輪３３の径方向の隙間等によって決定する。一方、第２の径は、円錐ころ軸受３１の密封性を損なわない範囲で用途に応じて決定すればよい。例えば、高速回転下で使用される場合には第２の径を大きく設定し、低速回転下で使用される場合には小さく設定する等してもよい。同様に、形状回復温度も用途によって任意に設定することができる。

また、上記構成の密封シール３６において、第２のリング３６ｆは必須の構成要素ではなく、第１のリング３６ｅのみを含むガーターリング３６ｃを採用してもこの発明の効果を得ることはできる。また、形状回復温度以下で第１のリング３６ｅを縮径させる機構は、上記の実施形態に限られず任意の機構を採用することができる。

また、円錐ころ軸受３１は、背面組み合わせの例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ３４の大端面３４ｂ同士を突き合わせた正面組み合わせの軸受であってもよい。

背面組み合わせとした場合には、軸受の回転中心線ｌ_０と、左右の列の円錐ころ３４および内外輪３２，３３の接触線ｌ_１，ｌ_２との交点α，βの間の距離（「作用点間距離」という）が長くなるので、円錐ころ軸受け３１の剛性が向上する。

また、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１の保持器３５は、あらゆる構成の保持器を採用することができる。例えば、円環状の一体型保持器であってもよいし、円弧形状の保持器セグメントを円周方向に連ねて形成されるセグメント保持器であってもよい。さらには、保持器を有しない総ころ形式の円錐ころ軸受にもこの発明を適用することができる。

次に図３および図４を参照して、この発明の一実施形態に係る回転軸支持構造を採用した風力発電機１１を説明する。風力発電機１１は、支持台１２と、旋回座軸受１３と、ナセル１４と、ブレード１５と、回転軸としての主軸１６と、増速機１７と、発電機１８と、軸受ハウジング１９と、主軸支持用軸受２２と、旋回用モータ２０と、減速機２１とを備える。

ナセル１４は、支持台１２の上に旋回座軸受１３を介して設置されており、旋回用モータ２０および減速機２１によって水平旋回自在となっている。また、風力発電機１１の主要部品である主軸１６、増速機１７、発電機１８、主軸支持用軸受２２、旋回用モータ２０、および減速機２１等を収容するハウジングとして機能する。

ブレード１５は、主軸１６の一端に固定されて風を受けて回転する。主軸１６は、一端がブレード１５に他端が増速機１７それぞれに接続されて、ブレード１５の回転を増速機１７を介して発電機１８に伝達する。また、軸受ハウジング１９に組み込まれた主軸支持用軸受２２によって、回転自在に支持されている。

この主軸支持用軸受２２には、ブレード１５が受ける風力等によって大きなアキシアル荷重が負荷されると共に、ブレード１５の自重等によって大きなラジアル荷重および大きなモーメント荷重が負荷される。また、主軸支持用軸受２２の交換には多くの作業工数と高額の作業費用が必要となる。そこで、このような環境で使用される主軸支持用軸受２２として、図１に示すような円錐ころ軸受３１を採用する。これにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。

なお、上記の実施形態においては、風力発電機の主軸支持構造にこの発明を適用した例を示したが、これに限ることなく、この発明は、風力発電機の他の回転軸支持構造にも適用することが可能である。例えば、増速機１７の低速軸（入力軸）、中間軸、および高速軸（出力軸）等に適用してもこの発明の効果を得ることができる。

なお、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１は、複列の例を示したが、これに限ることなく、単列であってもよいし、軌道面が３列以上ある多列の軸受であってもよい。例えば、図５を参照して、この発明の他の実施形態に係る円錐ころ軸受４１を説明する。

円錐ころ軸受４１は、４つの軌道面４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを有する回転側軌道輪としての内輪４２と、同じく４つの軌道面４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄを有する非回転側軌道輪としての外輪４３と、各軌道面に複数配置される転動体としての円錐ころ４４と、隣接する円錐ころ４４の間隔を保持する保持器４５と、内輪４２および外輪４３の間の隙間を密封する密封シール４６とを備える。なお、密封シール４６は、図２に示す密封シール３６と同様の構成であるので、説明は省略する。上記構成の円錐ころ軸受４１は、圧延機の圧延ローラを支持する圧延機ロールネック用軸受として使用される。

なお、上記の各実施形態においては、転がり軸受として円錐ころ軸受３１，４１の例を示したが、これに限ることなく、自動調心ころ軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、および４点接触玉軸受等、転動体がころであるか玉であるかを問わず、軌道輪を有するあらゆる転がり軸受を採用することができる。

また、上記の各実施形態においては、内輪３２，４２を回転側軌道輪とし、外輪３３，４３を非回転側軌道輪とした例を示したが、これに限ることなく、内輪を非回転側軌道輪とし、外輪を回転側軌道輪とする軸受にも適用することができる。この場合、図２に示すような密封シール３６は、外環３６ａを内輪に固定し、リップ部３６ｄを外輪に当接させて使用する。

さらに、この発明は、あらゆる回転軸を支持する軸受に適用することができるが、交換作業が困難で長寿命が要求される部分に使用することによって、特に有利な効果を奏する。例えば、風力発電機の回転軸を支持する軸受、圧延機の圧延ロールを支持する軸受、および自動車のホイールを支持するハブ軸受等が考えられる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、密封部材を有する転がり軸受に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係る転がり軸受を示す図である。 この発明の一実施形態に係る密封シールを示す図である。 この発明の一実施形態に係る主軸支持構造を採用した風力発電機を示す図である。 図３に示す風力発電機の図解的側面図である。 この発明の他の実施形態に係る転がり軸受を示す図である。 従来の転がり軸受を示す図である。

符号の説明

１１ 風力発電機、１２ 支持台、１３ 旋回座軸、１４ ナセル、１５ ブレード、１６ 主軸、１７ 増速機、１８ 発電機、１９ 軸受ハウジング、２０ 旋回モータ、２１ 減速機、２２ 主軸支持用軸受、３１，４１ 円錐ころ軸受、３２，４２ 内輪、３２ａ，３２ｂ 内輪部材、３２ｃ，３３ａ，３３ｂ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ 軌道面、３２ｄ 小鍔、３２ｅ 大鍔、３３，４３ 外輪、３４，４４ 円錐ころ、３４ａ 小鍔、３４ｂ 大鍔、３４ｃ 転動面、３５，４５ 保持器、３６，４６ 密封部材、３６ａ 外環、３６ｂ パッキン、３６ｃ ガーターリング、３６ｄ リップ部、３６ｅ 第１のリング、３６ｆ 第２のリング。

Claims (5)

1. 回転側軌道輪と、
   非回転側軌道輪と、
   前記回転側軌道輪および前記非回転側軌道輪の間に配置される複数の転動体と、
   前記回転側軌道輪に当接する円環形状のリップ部、および前記リップ部の前記回転側軌道輪への押し付け力を調整するリング部とを含み、前記非回転側軌道輪に固定される密封部材とを備え、
   前記リング部は、形状記憶合金により形成される第１のリングを含み、
   前記第１のリングは、形状回復温度を超えると拡径する、転がり軸受。
2. 前記リング部は、前記第１のリングを縮径させる方向に付勢する第２のリングをさらに含む、請求項１に記載の転がり軸受。
3. 前記第１のリングは、Ｎｉ−Ｔｉ系合金で形成されている、請求項１または２に記載の転がり軸受。
4. 円環形状のリップ部と、
   形状記憶合金により形成される第１のリングを含み、前記リップ部の径方向内側への押し付け力を調整するリング部とを備え、
   前記第１のリングは、形状回復温度を超えると拡径する、転がり軸受用密封部材。
5. 風を受けて回転するブレードと、
   前記ブレードの回転に伴って回転する回転軸と、
   前記回転軸を回転自在に支持する転がり軸受とを備える風力発電機の回転軸支持構造であって、
   前記転がり軸受は、回転側軌道輪と、非回転側軌道輪と、前記回転側軌道輪および前記非回転側軌道輪の間に配置される複数の転動体と、前記回転側軌道輪に当接する円環形状のリップ部、および前記リップ部の前記回転側軌道輪への押し付け力を調整するリング部とを含み、前記非回転側軌道輪に固定される密封部材とを備え、
   前記リング部は、形状記憶合金により形成される第１のリングを含み、
   前記第１のリングは、形状回復温度を超えると拡径する、風力発電機の回転軸支持構造。

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