JP2008256168A - 転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受 - Google Patents

転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受 Download PDF

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Abstract

【課題】 例えば油浴潤滑と強制給油ポンプとの組合せで潤滑されている転がり軸受において、強制給油ポンプが停止したときであっても、潤滑不良を防止することができる転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受を提供する。
【解決手段】 保持器14の大径リング21に、潤滑油溜まり24が設けられている。潤滑油溜まり24は、円すいころ13に当接しないように、円すいころ13と円すいころ13との間に設けられている。これにより、軸受下部に溜められている潤滑油内に潤滑油溜まり24があるときにこれに潤滑油が保持され、その後の回転に伴って潤滑油溜まり24に保持された潤滑油が滴下されるようになされている。
【選択図】 図４

Description

この発明は、例えば風力発電機の主軸を支持するために使用される転がり軸受に適した保持器およびそれを具備した風力発電用軸受に関する。
風力発電機の主軸を支持するために使用される転がり軸受としては、例えば円すいころ軸受が使用されており、その保持器としては、ピン型保持器が使用されている（特許文献１）。
転がり軸受では、潤滑性向上のために、保持器に潤滑油溜まりを設けることが知られており、このような潤滑油溜まりは、転動体に近接する位置に配置されるとともに、その開口を転動体に向けるようになされている。
特許文献１にも、ピン型保持器において、円すいころの大端面に当接する面に潤滑油溜まりを設けることが開示されている。
特開２００６−３００１２８号公報
従来の潤滑油溜まりは、軸受にとって厳しい条件として高速回転を考え、高速回転時の軸受の焼付きを防止することを目的として設けられている。
一方、風力発電装置で使用される軸受では、高速回転だけでなく、次のような厳しい条件での使用に耐えることが必要である。
すなわち、風力発電では、強風の場合、回転翼が回らないような制御が行われているが、その場合であっても、回転翼は極低速で回転する。このとき、送電が止まると強制給油を行うポンプが止まることになる。油浴潤滑によると、転がり軸受の最下部部分は、潤滑油内に浸漬しているが、負荷圏が広い場合、油浴潤滑の潤滑油レベルより上方でも負荷を受ける。また、風力発電の主軸は、一端に回転翼が設けられていることから、片持ちの状態となっており、他端側の転がり軸受には、上向きの力が作用しており、負荷圏は、真下（最下部部分）ではなく、油浴潤滑の潤滑油レベルよりも上方にある。この場合、転がり軸受の上部では、大きな負荷を受けているにもかかわらず、潤滑油が全く供給されないことになる。風力発電用転がり軸受に限らず、負荷圏が真下でも負荷圏が広い転がり軸受および負荷圏が真下にない転がり軸受では、停電時等に、同様の潤滑不良が起こる可能性があり、また、種々の潤滑油供給方法において、通常の潤滑ルートが遮断された場合には、負荷圏の位置に関係なく、潤滑不良が起こりうる。
この発明の目的は、例えば油浴潤滑と強制給油ポンプとの組合せで潤滑されている転がり軸受において、強制給油ポンプが停止したときであっても、潤滑不良を防止することができる転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受を提供することにある。
この発明による転がり軸受用保持器は、転動体と接触しない面に潤滑油溜まりが設けられており、軸受下部に溜められている潤滑油内に潤滑油溜まりがあるときにこれに潤滑油が保持され、その後の回転に伴って潤滑油溜まりに保持された潤滑油が滴下されるようになされていることを特徴とするものである。
従来の潤滑油溜まりは、高速回転時（通常時）の潤滑油不良を防止するためのもので、潤滑油溜まりから転動体に潤滑油が移動しやすいように、潤滑油溜まりは転動体と接触する面に設けられている。これに対して、この発明における潤滑油溜まりは、非通常時（例えば、後述する風力発電における強風時の極低速運転時や、駆動装置が停止したときの惰性回転時など）における潤滑油不良を防止するためのもので、そのため、転動体と接触しない面に（潤滑油溜まりと転動体との間に仕切りとなる部分があるように）形成される。そして、保持器の回転に伴って、潤滑油溜まりに保持された潤滑油が転動体または転動体近傍に滴下されることで潤滑不良が防止される。潤滑油溜まりの形状や数などは、潤滑油の保持および滴下が適当に行われるように調整される。
この発明による転がり軸受用保持器は、転がり軸受が支持する回転軸が一端側に下向きに負荷がかかった状態で回転するものである場合に、特に有効なものとなる。通常、水平な回転軸を支持する転がり軸受の場合、軸などの自重により、その負荷圏は、下方（最下部部分）にあるが、油浴潤滑でも、負荷圏が広い場合、油浴潤滑の潤滑油レベルより上方でも負荷を受けるため、潤滑不良の心配がある。さらに、一端側に下向きに負荷がかかった状態（片持ち支持状態）で回転する回転軸の場合、他端側の転がり軸受設置部分では、力が上向きに作用して負荷圏が上方（油浴のレベルよりも上）になることがあり、上方での潤滑油不足が焼付きの原因となることが考えられる。そこで、油浴の潤滑油を潤滑油溜まりによって保持し、保持器の回転に伴って、潤滑油溜まりから流れ出す潤滑油を回転方向後方にある転動体に滴下することにより、負荷圏にある転動体に潤滑油が供給されるようになり、この問題が解消する。
保持器は、例えば、ピン型保持器とされる。ピン型保持器は、大荷重を受ける場合に適しており、軸方向に所定間隔をおいて配置される１対のリングと、両リング間に架け渡される複数のピンとからなるものとされ、１対のリングのいずれか一方または両方に潤滑油溜まりが形成される。ピン型保持器を使用した軸受としては、例えば、円すいころ軸受（２つのリングの径が異なる）があり、円すいころ軸受以外の自動調心ころ軸受（２つのリングの径が異なる）や円筒ころ軸受（２つのリングの径が同じ）であってもよい。
保持器は、ピン型保持器に限定されるものではなく、一体型の保持器でもよく、その他種々のタイプのものであってもよい。材料（樹脂製か金属製か）や加工方法なども限定されない。一体型の保持器は、例えば、プレス成形や鍛造成形により形成され、少なくとも１つの環状部と、環状部の周方向に所定間隔で設けられてポケットを形成する複数の柱部からなるものとされ、少なくとも１つの環状部に潤滑油溜まりが形成される。一体型の保持器を有する軸受としては、例えば、円すいころ軸受、自動調心ころ軸受および円筒ころ軸受があり、これ以外の深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受などであってもよい。
転がり軸受は、単列のものであってもよく、複列のものであってもよく、３列以上とされてもよい。また、２つの軸受を接触するように配置してもよく、所定間隔をおいて配置してもよい。複列以上の軸受においては、正面合わせで使用されてもよく、背面合わせで使用されてもよい。
潤滑油溜まりは、例えば、保持器に孔（有底の孔）があけられることによって形成される。保持器は、通常、転動体よりも軸方向外側に位置するリングまたは環状部を有しており、このリングまたは環状部の軸方向内面または径方向内面に潤滑油溜まりとしての孔が加工される。孔の数や孔の位置は、限定されない。また、円形の孔であってもよく、長孔であってもよい。孔の加工を容易とするために、保持器の形状を変更してもよく、面取りなどによって、保持器の一部に孔加工を容易とする面を形成してもよい。通常、孔をあける場合には、面に垂直な孔とされるが、これに限定されることはなく、面に対して傾斜していてもよい。傾斜させる場合に、保持器の面が垂直面に対して傾斜していて、孔の方向が水平方向であってもよく、保持器の面が垂直面に対して傾斜していて、孔の方向が保持器の面に対しても水平に対しても傾斜していてもよい。また、回転方向に対して傾斜させるようにしてもよい。回転方向に対して傾斜させることで、回転の初期段階で流出する潤滑油の量を減らすことができ、軸受上部における潤滑性をより向上させることができる。
潤滑油溜まりは、また、容器状部材が保持器に固定されることによって形成されることがある。容器状部材は、既にある保持器に溶接によって後から取付け可能とされていることが好ましい。孔加工の場合、開口の向きが制限されるの対し、容器状部材の溶接とする場合には、潤滑油を供給したい位置に応じて容器状部材の開口の向きを設定することが容易となる。例えば、開口の向きを回転方向に対して傾斜させることができ、また、孔の加工では得ることができない最下部で開口の向きが真上向き、最上部で開口の向きが真下向きとすることもできる。しかも、既に配置されている軸受の保持器に後から潤滑油溜まりを設けることも容易となる。
風力発電機の主軸は、一端側に大きくて重い回転翼が設けられていることで、片持ち状態であり、また、回転翼が極低速で回転中に強制給油を行うポンプが止まることがあり、この主軸を支持する軸受では、上記保持器とすることが好ましい。このような風力発電用軸受は、外輪、内輪、複数の転動体および複数の転動体を保持する保持器を有しており、一端側に風力発電用の回転翼が設けられた主軸を支持する軸受であって、保持器が上記いずれかのものとされる。
この発明の転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受によると、油浴の潤滑油が潤滑油溜まりに保持されて、軸受の上方において滴下されるので、潤滑性が向上し、例えば油浴潤滑と強制給油ポンプとの組合せで潤滑されている転がり軸受において、強制給油ポンプが停止したときであっても、極低速での潤滑が確保され、潤滑不良を防止することができる。
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、左右は、図２の左右をいうものとする。
図１は、この発明による転がり軸受用保持器が使用される１例である風力発電装置の概略構成を示している。また、図２から図４までに、この発明による転がり軸受用保持器の第１実施形態を示している。
風力発電装置(1)は、支持台(2)に水平旋回自在に支持されたハウジング(3)と、先端に回転翼(5)を有し水平軸回りに回転自在に支持された主軸(4)と、主軸(4)を支持する１対の転がり軸受(6)と、ハウジング(3)内に装着された発電機(7)と、主軸(4)と発電機(7)の入力軸とを結合する増速機(8)とを備えている。
転がり軸受(6)を支持している軸受ハウジング部(3a)には、潤滑油が保持されるようになされており、転がり軸受(6)は、油浴潤滑とされているとともに、図示省略したポンプにより強制的に給油されるようになされている。
転がり軸受(6)としては、１対の円すいころ軸受が使用されており、各円すいころ軸受(6)は、図２に示すように、ハウジング(3)に取り付けられる外輪(11)と、主軸(4)に取り付けられる内輪(12)と、両輪(11)(12)間に配置された複数の円すいころ(13)と、複数の円すいころ(13)を保持するピン型保持器(14)とを有している。
風力発電装置(1)で使用されている円すいころ軸受(6)は、図２に一点鎖線で示すように、例えば内輪(12)の外径の最下端位置よりも少し上方のレベルまで潤滑油がある油浴潤滑とされている。風力発電装置(1)の主軸(4)は、左端側に大きくて重い回転翼(5)が設けられていることで、片持ち状態であり、右端側の転がり軸受(6)には、上向きの力が作用している。このため、転がり軸受(6)の負荷圏は、真下（最下部部分）ではなく、油浴潤滑の潤滑油レベルよりも上方にあり、転がり軸受(6)の上部では、大きな負荷を受けているにもかかわらず、潤滑油が供給されないことが起こり得る。
内輪(12)には、円すい状の軌道面(12a)の左端部に設けられて円すいころ(13)の軸方向の移動を規制する小鍔部(12b)と、同右端部に設けられて円すいころ(13)の軸方向の移動を規制する大鍔部(12c)とが設けられている。
外輪(11)は、円すい状の軌道面(11a)を有しており、その右端面は、内輪(12)の右端面よりも左方（軸方向内方）にあり、その左端面は、内輪(3)の左端面よりも左方（軸方向外方）にある。
ピン型保持器(14)は、軸方向に所定間隔をおいて配置される大径リング（大径環状部）(21)および小径リング（小径環状部）(22)と、両リング(21)(22)間に架け渡される複数のピン(23)とからなる。各ピン(23)とリング(21)(22)とは、大径リング(21)側では、ピン(23)端部に形成されたおねじがめねじにねじ合わされるねじ固定とされ、小径リング(22)側では、ピン(23)端部がリング(22)に設けられた嵌合孔に挿入されて溶接される溶接固定とされている。各リング(21)(22)およびピン(23)は、合金鋼製とされており、リング(21)(22)は熱処理されず、ピン(23)は焼入れ有りまたは高硬度材（通常、焼入れも有り）とされている。
図４（ａ）（ｂ）に示すように、ピン型保持器(14)の大径リング(21)の軸方向内側の面には、負荷圏が真下にない転がり軸受(6)または負荷圏が真下でも負荷圏が広い転がり軸受(6)に生じやすい潤滑油供給不良を解消可能なように、潤滑油溜まり(24)が設けられている。ここで、従来のものでは、円すいころ(13)に少なくとも一部が当接するように潤滑油溜まりが設けられていたが、この潤滑油溜まり(24)は、円すいころ(13)には当接しないように円すいころ(13)と円すいころ(13)との間に設けられている。潤滑油溜まり(24)は、鍛造成形などで得られた大径リング(21)に断面円形の有底の孔を加工することで得ることができる。図４では、潤滑油溜まり(24)が大径リング(21)の径方向外側寄りでかつ軸方向内側に設けられているが、潤滑油溜まり(24)は、大径リング(21)の径方向任意の位置に設けることができ、また、大径リング(21)の軸方向外側に設けるようにしてもよい。また、潤滑油溜まり(24)の底面形状については、図示したように円すい状のものであってもよいが、平坦状でもよい。
図３は、大径リング(21)の１回転に伴う潤滑油溜まり(24)による潤滑油供給の原理を模式的に示している。同図において、大径リング(21)は反時計回りに回転するとして、ＡおよびＢで示す潤滑油溜まりは、油浴内にあり、内部が潤滑油で満たされている。油浴から出た潤滑油溜まりＣおよびＤからは自重によって潤滑油が流れ出す。これにより、ＣおよびＤの潤滑油溜まりの回転方向後方にある円すいころ(13c)(13d)に潤滑油が滴下される。この状態では、潤滑油の粘性や潤滑油溜まり(24)の形状および開口の向きにより、ある程度の量の潤滑油が潤滑油溜まり(24)内に残っており、この後、さらに回転して、ＥおよびＦの潤滑油溜まり位置に来ると、潤滑油溜まり(24)内の潤滑油はほぼ空になる。こうして、Ｃ、ＤおよびＥの潤滑油溜まりによって、(13c)〜(13e)の円すいころに潤滑油が滴下される。
上記原理から分かるように、潤滑油溜まり(24)の位置、数、形は種々変更可能であり、保持器(14)および／または内輪(12)の形状を潤滑油溜まり(24)の位置や形に応じて変更するようにしてもよい。
例えば、潤滑油溜まりは、軸方向内側の面ではなく、大径リング(21)の径方向内側の面に設けられてもよく、この際、図５（ａ）に示すように、大径リング(21)の円筒状内径面に径方向内方から潤滑油溜まり(25)が設けられてもよく、図５（ｂ）に示すように、大径リング(21)の内径面にテーパ状の面取り部(21a)を形成して、この面取り部に垂直となるように潤滑油溜まり(26)が設けられてもよい。
また、潤滑油溜まりの形状も断面円形に限られるものではなく、図６に示すように、潤滑油溜まり(27)が径方向に長い長孔からなるようにしてもよい。
また、図７に示すように、潤滑油溜まり(27)の形状を変更するとともに、大径リング(28)の形状を変更してもよい。図７において、大径リング(28)は、軸方向内側の面としてのテーパ面(28a)と軸方向外側の面としての垂直面(28b)とを有しており、従来軸方向内側のテーパ面(28a)と略平行のテーパ面とされていた軸方向外側の面を垂直面(28b)とすることにより、径方向外側の部分が厚肉とされており、これにより、潤滑油溜まり(29)の深さ増（潤滑油保持容量アップ）が図られている。
また、図８に示すように、内輪(12)の形状を一部変更してもよい。図８におい潤滑油溜まり(25)は、図５（ａ）に示したものと同じく、大径リング(21)の円筒状内径面に径方向内方から孔が加工されることにより形成されたものであり、その開口は、内輪(12)の大鍔部(12c)の外周面に臨まされている。そして、内輪(12)の大鍔部(12c)の外周面には、この部分に滴下された潤滑油を円すいころ(13)の大端面(13a)に向けて移動させるテーパ面(30)が形成されている。内輪(12)の大鍔部(12c)と円すいころ(13)の大端面(13a)との接触面は、円すいころ軸受(6)において最も焼付きが起こりやすいところであり、この部分の潤滑油の供給が内輪(12)のテーパ面(30)によって補助されていることで、耐焼付き性が向上している。
また、孔加工の上からは、面に対して垂直にあけるのが容易であることから、潤滑油溜まりの開口の向きを調整するために、大径リング(21)の軸方向内面に所定の角度で潤滑油溜まり設置用面を形成してもよい。例えば、図９（ａ）では、潤滑油溜まり設置用面(21b)は、垂直面とされており、この潤滑油溜まり設置用面(21b)に垂直に孔があけられることにより、水平に開口する潤滑油溜まり(31)が形成されている。また、図９（ｂ）では、潤滑油溜まり設置用面(21c)は、図９（ａ）の垂直の潤滑油溜まり設置用面(21b)面よりもさらに逆方向に傾斜したテーパ面とされており、この潤滑油溜まり設置用面(21c)に垂直に孔があけられることにより、水平よりも上方に開口する潤滑油溜まり(32)が形成されている。
なお、面に対して垂直に孔をあけることに限定されるものではなく、図１０（ａ）に示すように、大径リング(21)の軸方向内面は加工せずに、水平に開口する潤滑油溜まり(33)を形成するようにしてもよく、また、図１０（ｂ）に示すように、大径リング(21)の軸方向内面は加工せずに、水平よりも上方に開口する潤滑油溜まり(34)を形成するようにしてもよい。
また、大径リング(21)の軸方向内面を基準にして潤滑油溜まりの開口を傾斜させる場合に、図１０に示したような傾斜の他に、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、潤滑油溜まり(35)の開口を回転方向に対して傾斜させるようにしてもよい。このようにすることで、回転時に、潤滑油溜まり(35)内に潤滑油が保持されやすいものとなる。
上記図４から図１１までに示す各実施形態では、潤滑油溜まり(24)(25)(26)(27)(29)(31)(32)(33)(34)は、大径リング(21)(28)に孔加工を施すことで形成されているが、これに限定されるものではない。すなわち、潤滑油溜まりとなる容器状の部材を例えば溶接により既存の大径リング(21)に一体化することで潤滑油溜まりを形成することもできる。その例を図１２に示す。図１２において、図４に示した潤滑油溜まり(24)に似た形状を有する軸方向内方に開口した方形状の容器状部材からなる潤滑油溜まり(41)が大径リング(21)の径方向外側面に固定されている。上記図３に示した潤滑効果は、このような容器状部材からなる潤滑油溜まり(41)によっても得ることができる。しかも、容器状部材とする場合、孔加工に伴う制約（開口の向きが大径リング形状によって制限される点、厚みが薄い場合に強度確保が難しくなる点、孔加工に手間がかかる点）がなく、プレス鋼板製の保持器のような場合にも、容易に潤滑油溜まりを追加することができる。
なお、上記実施形態においては、単列の円すいころ軸受(6)を例にとって説明したが、上記潤滑油溜まり(24)(25)(26)(27)(29)(31)(32)(33)(34)(41)を設ける軸受としては、複列の円すいころ軸受であってもよいことはもちろんであり、同様のピン型保持器を使用する円筒ころ軸受や自動調心ころ軸受に適用することもできる。また、図示省略するが、保持器(14)についても、ピン型保持器に限られるものではない。各種保持器は、少なくとも１つの環状部を有しており、この環状部を上記の大径リング(21)(28)と同等の構成とみなして、これに上記の(24)(25)(26)(27)(29)(31)(32)(33)(34)(41)を設けることにより、各種保持器を潤滑不足改良可能な保持器に変更することができる。
図１は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受が対象とする風力発電装置の概略構成を示す垂直断面図である。 図２は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の１例としての円すいころ軸受を示す縦断面図である。 図３は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の潤滑油供給の原理を模式的に示す図である。 図４は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第１実施形態を示す図で，（ａ）は、要部の縦断面図、（ｂ）は、要部の軸方向内面側から見た図である。 図５（ａ）（ｂ）は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第２実施形態を示す要部の縦断面図である。 図６は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第３実施形態を示す図で，（ａ）は、要部の縦断面図、（ｂ）は、要部の軸方向内面側から見た図である。 図７は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第４実施形態を示す要部の縦断面図である。 図８は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第５実施形態を示す要部の縦断面図である。 図９（ａ）（ｂ）は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第６実施形態を示す要部の縦断面図である。 図１０（ａ）（ｂ）は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第７実施形態を示す要部の縦断面図である。 図１１は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第８実施形態を示す図で，（ａ）は、要部の軸方向内面側から見た図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。 図１２は、この発明による転がり軸受用保持器およびそれを具備した風力発電用軸受の第９実施形態を示す図で，（ａ）は、要部の縦断面図、（ｂ）は、要部の軸方向内面側から見た図である。
符号の説明
(1) 風力発電装置
(4) 主軸
(5) 回転翼
(6) 円すいころ軸受（軸受）
(11) 外輪
(12) 内輪
(13) 円すいころ（転動体）
(14) ピン型保持器（保持器）
(24)(25)(26)(27)(29)(31)(32)(33)(34) 潤滑油溜まり
(41) 容器状部材（潤滑油溜まり）

Claims (4)

  1. 転動体と接触しない面に潤滑油溜まりが設けられており、軸受下部に溜められている潤滑油内に潤滑油溜まりがあるときにこれに潤滑油が保持され、その後の回転に伴って潤滑油溜まりに保持された潤滑油が滴下されるようになされていることを特徴とする転がり軸受用保持器。
  2. 潤滑油溜まりは、保持器に孔があけられることによって形成されていることを特徴とする請求項１の転がり軸受用保持器。
  3. 潤滑油溜まりは、容器状部材が保持器に固定されることによって形成されていることを特徴とする請求項１の転がり軸受用保持器。
  4. 外輪、内輪、複数の転動体および複数の転動体を保持する保持器を有しており、一端側に風力発電用の回転翼が設けられた主軸を支持する軸受において、保持器が請求項１から３までのいずれかのものとされていることを特徴とする風力発電用軸受。
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