JP2009133403A - 風力発電装置の主軸支持用転がり軸受 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軌道輪である内輪11および外輪12と、この内輪11および外輪12間に介在する転動体13と、転動体13を回転自在に保持する保持器14とを備えてなり、風力発電装置においてブレードが取り付けられた主軸3を支持するための主軸支持用転がり軸受5であって、上記保持器14の表面に、合成樹脂にフラーレンと、二硫化モリブデンおよび二硫化タングステンから選ばれた少なくとも1つの二硫化物とが含まれる樹脂組成物からなる被膜が形成され、上記樹脂組成物全体に対して、上記フラーレンが 0.1〜10 容量%、上記二硫化物が 0.5〜20 容量%含まれる。
【選択図】図3
Description
一方、風力発電装置はブレードが取り付けられた主軸を風力により回転させるものであり、風力が弱い時には極めて低い回転数で回転するため、この主軸を支える軸受の油膜は比較的薄く、不安定である。このような状態で運転が継続されると、前述のように滑り条件である保持器のポケット面や案内面では発熱により温度上昇が生じ、潤滑油の低粘度化によりますます油膜が薄くなって、摩耗や焼付きが生じることになる。これらの摩耗粉はグリース等の潤滑性能を劣化させ、軸受の早期損傷を助長するものである。
一方、保持器表面に四ふっ化エチレン樹脂と二硫化モリブデンを配合した樹脂被膜を形成する方法では、運動中の反応に頼らず、最初から被膜を設けておく方法であるため確実に効果が得られるが、大型軸受で荷重が大きく、案内面で繰り返しの荷重負荷を受けると剥離したり、風力発電装置のように低速回転で油膜が形成されにくいような条件では摩滅するなどの問題があった。また、風力が強く回転数が高くなると、被膜に作用する繰返し応力の負荷回数が大きくなり、被膜が剥離しやすくなるという問題もあった。
NTN社カタログ「新世代風車用軸受」A65. CAT. No.8 404/4/JE、2003年5月1日発行
また、上記被膜の厚みが 1μm〜50μm であることを特徴とする。
また、上記保持器と接触する軌道輪の表面粗さRaが 0.6μm 以下であることを特徴とする。
また、上記被膜が保持器表面の少なくとも軌道輪と接触する部位およびポケット面に形成されたことを特徴とする。
また、上記被膜が軌道輪の保持器案内面に形成されたことを特徴とする。
以上より、軽荷重から突風時の重荷重まで幅広い荷重域で、かつ風向の変化が絶えず生じる状態で運転される風力発電装置の主軸支持用転がり軸受においても、被膜の摩滅や剥離を防止でき、長期間にわたり上記の優れた摺動性能を維持できる。
本発明における風力発電装置の主軸支持装置を図1および図2より説明する。図1は該支持装置を含む風力発電装置全体の模式図であり、図2は図1の主軸支持装置を示す図である。
図1または図2に示すように、風力発電装置1は、風車となる羽根(ブレード)2が取り付けられた主軸3を、ナセル4内の軸受ハウジング15に設置された主軸支持用転がり軸受5により回転自在に支持し、さらにナセル4内に増速機6および発電機7を設置したものである。増速機6は、主軸3の回転を増速して発電機7の入力軸に伝達するものである。ナセル4は、支持台8上に旋回座軸受17を介して旋回自在に設置され、図2の旋回用のモータ9の駆動により、減速機10を介して旋回させられる。ナセル4の旋回は、風向きに羽根2の方向を対向させるために行なわれる。主軸支持用転がり軸受5は、図2の例では2個設けているが、1個であってもよい。
主軸支持用転がり軸受5は、一対の軌道輪となる内輪11および外輪12と、これら内外輪11、12間に介在した複数の転動体13とを有する複列の自動調心ころ軸受である。軸受5の外輪12は軌道面12aが球面状とされ、各転動体13は外周面が外輪軌道面12aに沿う球面状のころとされている。内輪11は各列の軌道面11a、11aを個別に有するつば付きの構造とされている。転動体13は、各列毎に保持器14で保持されている。軸受5内部には、潤滑油やグリースが封入される。
外輪12は軸受ハウジング15の内径面に嵌合して設置され、内輪11は主軸3の外周に嵌合して主軸3を支持している。軸受ハウジング15は、軸受5の両端を覆う側壁部15aと主軸3との間にラビリンスシール等のシール16が構成されている。軸受ハウジング15で密封性が得られるため、軸受5にはシールなしの構造が用いられている。
なお、この被膜は、保持器14の表面の少なくとも軌道輪と接触する部位およびポケット面に形成されていればよい。また、該被膜は、軌道輪の保持器案内面にそれぞれ形成することも可能である。
また、本発明の主軸支持用転がり軸受は、上記旋回座軸受17としても利用できる。
ポリカルボン酸としてはジカルボン酸、トリカルボン酸、およびテトラカルボン酸が挙げられ、ポリアミドイミド樹脂は、(1)ジカルボン酸およびトリカルボン酸とジアミンとの組み合わせ、(2)ジカルボン酸およびテトラカルボン酸とジアミンとの組み合わせ、(3)トリカルボン酸とジアミンとの組み合わせ、(4)トリカルボン酸およびテトラカルボン酸とジアミンとの組み合わせにより得られる。ポリカルボン酸とジアミンとはそれぞれ誘導体であってもよい。ポリカルボン酸の誘導体としては酸無水物、酸塩化物が挙げられ、ジアミンの誘導体としてはジイソシアネートが挙げられる。ジイソシアネートはイソシアネート基の経日変化を避けるために必要なブロック剤で安定化したものを使用してもよい。ブロック剤としては、アルコール、フェノール、オキシム等が挙げられる。
また、ポリカルボン酸とジアミンとはそれぞれ芳香族および脂肪族化合物を用いることができる。本発明に使用できるポリアミドイミド樹脂は伸び率に優れたものが好ましく、芳香族化合物に脂肪族化合物を併用することが好ましい。
また、エポキシ化合物で変性することができる。
これらの中で量産化されており、工業的利用のしやすさからトリメリット酸無水物が好ましい。
ポリアミドイミド樹脂溶液を、アセトン脱脂後窒素ガスブローにより表面清浄化されたガラス基板上に塗布し、80℃で 30分、その後 150℃で 10分予備乾燥を行ない、最後にポリアミドイミド樹脂の分子構造に適した硬化温度で 30分乾燥する。硬化塗膜をガラス基板より剥離して 80 ± 8μm 厚さの樹脂フィルムを得て、このフィルムを 10 mm×60 mm の短冊状の試験片とし、チャック間距離 20 mm 、引張速度 5 mm/分で室温にて引張試験機により伸び率(%)を測定する。
本発明で用いるフラーレンとしては、構造や製造法を特に限定するものではないが、特にC60、C70 の炭素数のもの、あるいはこれらの混合物が好ましい。
さらにより分散性を良好にするため、混合時の平均粒子径は 100μm 以下、好ましくは 50μm 以下、より好ましくは 10μm 以下である。
本発明において被膜の好ましい態様としては、ポリイミド系樹脂に、フラーレンと、二硫化モリブデンおよび二硫化タングステンから選ばれた少なくとも1つの二硫化物とが分散配合された樹脂組成物からなる被膜である。
鉄系金属材料としては、肌焼き鋼(SNCM、SCM)、冷間圧延鋼(SPCC)、熱間圧延鋼(SPHC)、炭素鋼(S25C〜S55C)、ステンレス鋼(SUS304〜SUS316)、軟鋼(SS400)、耐熱鋼(M50、M50Nilなど)等を使用できる。
保持器本体としては、軸受鋼、浸炭鋼、または機械構造用炭素鋼、を用いることができ、これらの中で安価で加工が容易な炭素鋼を用いることが好ましい。炭素鋼としては例えばS30C、またこれらの切削性を改良した快削鋼S35CBN、S35CSなどを挙げることができる。
また、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン等の樹脂材料を使用することができる。樹脂材料に補強材としてガラス繊維や炭素繊維等を含有したものも使用できる。
まず、鉄系金属材料で形成された基材となる保持器等を十分に洗浄し、表面の汚染を除去する。この洗浄方法としては、有機溶剤による浸漬洗浄、超音波洗浄、蒸気洗浄、酸・アルカリ洗浄等による方法が挙げられる。
被膜の密着性を向上させる目的で、前処理としてショットブラスト(ショットピーニング、WPC等を含む)、化学的エッチング、リン酸塩被膜処理を保持器に施すことも可能である。基材の表面粗さはRa=0.3μm 以上の範囲で設定することが可能であり、好ましくはRa=0.3〜2.0μm である。Ra=0.3μm 未満であると、十分なアンカー効果を得ることができず、密着性を向上することができない。一方、基材の表面粗さが大きい場合は仕上がり表面が粗くなるが、研磨などの機械加工により表面粗さを小さく調整すれば保持器として使用可能となる。また、Ra=0.3〜2.0μm であれば機械加工を施すことなく小さな表面粗さを得ることができ、十分な密着性を得ることが可能である。
また、被膜形成の過程で、余分に付着したワニスはふき取り、遠心分離、エアーブロー等の物理的、化学的方法により除去し、所望の厚さに調整することもできる。
被膜形成後は、加熱処理によって溶媒除去、乾燥、融解、架橋等を行ない、表面に被膜が形成された保持器を完成させる。膜厚を増す場合には、重ね塗りをしてもよい。また、被膜完成後に機械加工やタンブラー処理等を行なうことも可能である。
(1)ポリアミドイミド樹脂ワニス[PAI]
日立化成工業社製:HPC-5020、伸び率:70%
(2)芳香族ポリイミド樹脂ワニス[PI]
宇部興産社製:Uワニス-A
(3)混合フラーレン[ミックスフラーレン]
フロンティアカーボン社製:混合フラーレン、C60(直径:0.71 nm )が約 60 質量%、C70(長軸径:0.796 nm、短軸径:0.712 nm )が約 25 質量%で残部が高次フラーレンの混合物である。
(4)炭化ケイ素[SiC]
添川理化学社製:試薬、平均粒子径 1μm
(5)二硫化モリブデン粉末[MoS2−0.5μm ]
日本モリブデン社製:M5、平均粒子径 0.5μm
(6)二硫化タングステン粉末[WS2−1μm ]
日本潤滑剤社製:WS2A、平均粒子径 1μm
(7)ポリテトラフルオロエチレン粉末[PTFE−0.3μm ]
喜多村社製:KD-1000ASディスパージョン(溶媒:NMP)、平均粒子径 0.3μm
(8)黒鉛粉末[黒鉛−6μm]
ロンザ社製KS-6、平均粒子径 6μm
ポリアミドイミド樹脂ワニス(溶剤:N-メチル-2-ピロリドン)の固形分に対し各種充填材を表2に記載の割合でボールミルで十分に均一分散するまで混合して、混合液を摩擦試験用SUJ2リング〔外径 40 mm×内径 20 mm×厚さ 10 mm (副曲率R 60 )、ショットブラストにより表面粗さRa 0.7μm:図4の18〕の外径面にスプレー法にてコーティングした。コーティング後 100 ℃で 1 時間、さらに 150 ℃で 1 時間乾燥し、250℃で 1 時間焼成した。スプレー回数を変化させ、被膜厚みを調整した。なお、フラーレンを配合したコーティング液は、トルエンとN-メチル-2-ピロリドンとの混合溶媒(混合重量比率 50:50 )にフラーレンを 5 重量%濃度で溶解させた濃縮液をあらかじめ用意し、これをポリアミドイミド樹脂ワニスに所定濃度となるよう添加し調製した。なお、表2に記載の各成分の配合割合は固形分での割合であり、すべて容量%である。
得られたリング状試験片を以下に示す摩擦試験に供し、摩擦係数、試験後の被膜の状態を評価した。結果を表2に示す。
芳香族ポリイミド樹脂ワニス(溶剤:N-メチル-2-ピロリドン)を用いて、表2に示す割合でフラーレンと二硫化モリブデンを配合し、コーティング後の焼成温度を 350℃とする以外は実施例1と同様の方法で試験片を作製し、実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。
実施例1と同様の試験片を無処理のまま使用し、実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。
摩擦試験用SUJ2リング〔外径 40 mm×内径 20 mm×厚さ 10 mm (副曲率R 60 )〕の表面粗さをRa 0.08μm に調整し、実施例4と同様の被膜を形成し、実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。
実施例4と同じリングに対し、鋼鈑21〔SCM415浸炭焼入れ焼戻し処理品(Hv 700)〕の表面粗さをRa 3.0μm とし、実施例1と同様に評価した。結果を表2に示す。
得られたリング状試験片を用いて摩擦試験を行なった。図4は摩擦試験機を示す図である。図4(a)は正面図を、図4(b)は側面図をそれぞれ表す。
回転軸19にリング状試験片18を取り付け、アーム部20のエアスライダー22に鋼鈑21を固定する。リング状試験片18は所定の荷重23(50N)を図面上方から印加されながら鋼鈑21〔SCM415浸炭焼入れ焼戻し処理品(Hv 700 、表面粗さ Ra 0.1μm )〕に回転接触する。リング状試験片18を回転させたときに発生する摩擦力はロードセル24により検出される。
リング状試験片18と鋼鈑21の滑り速度は 毎秒 0.05 m 、および 毎秒 5 m の2条件とした。潤滑油モービルベロシティオイルNo.3(VG2、エクソンモービル社製)をフェルトパッド25に含浸し、フェルトパッド25をリング状試験片18に接触させることにより潤滑油を摺動面に供給した。なお、試験時間は、毎秒 0.05 m の時は 60 分、毎秒 5 m の時は 30 分とした。
試験終了前 10分間の摩擦係数の平均値を比較した。また、試験後、リング状試験片18の外径面に形成された被膜の状態を目視により観察し、顕著な摩耗および剥離ともにないものを合格と評価して「○」を、顕著な摩耗はないが剥離あるものを不合格と評価して「△」を、摩耗大のものも不合格と評価して「×」を、それぞれ表記する。
2 羽根(ブレード)
3 主軸
4 ナセル
5 転がり軸受
6 増速機
7 発電機
8 支持台
9 モータ
10 減速機
11 内輪
12 外輪
13 転動体
14 保持器
15 軸受ハウジング
16 シール
17 旋回座軸受
18 リング状試験片
19 回転軸
20 アーム部
21 鋼鈑
22 エアスライダー
23 荷重
24 ロードセル
25 フェルトパッド
Claims (8)
- 風力発電装置において、ブレードが取り付けられた主軸を支持するための主軸支持用転がり軸受であって、
前記転がり軸受は、軌道輪である内輪および外輪と、この内輪および外輪間に介在する転動体と、前記転動体を回転自在に保持する保持器とを備えてなり、
前記保持器の表面に、合成樹脂にフラーレンと、二硫化モリブデンおよび二硫化タングステンから選ばれた少なくとも1つの二硫化物とが含まれる樹脂組成物からなる被膜が形成され、前記樹脂組成物全体に対して、前記フラーレンが 0.1〜10 容量%、前記二硫化物が 0.5〜20 容量%含まれることを特徴とする風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。 - 前記合成樹脂がポリイミド系樹脂であることを特徴とする請求項1記載の風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。
- 前記ポリイミド系樹脂が、伸び率が 60〜120%であるポリアミドイミド樹脂であることを特徴とする請求項2記載の風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。
- 前記被膜の厚みが 1〜50μm であることを特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。
- 前記保持器の表面は前記被膜を形成する前において表面粗さRaが 0.3〜2.0μm であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項記載の風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。
- 前記保持器と接触する軌道輪の表面粗さRaが 0.6μm 以下であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項記載の風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。
- 前記被膜が保持器表面の少なくとも軌道輪と接触する部位およびポケット面に形成されたことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項記載の風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。
- 前記被膜が軌道輪の保持器案内面に形成されたことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項記載の風力発電装置の主軸支持用転がり軸受。
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