JP4964052B2 - 旋回構造 - Google Patents

Description

本発明は、上部旋回体を下部構造体に対して旋回可能に支承するための旋回構造に係り、例えば、風力発電装置のタワーに対して風車を回転自在に支承したナセルを風向きに応じてヨー旋回させるための構造、あるいはパワーショベル等に代表される建設機械においてトラックフレームに対して運転席を含めた上部フレームを旋回させるための旋回構造に関する。

例えば、風力発電装置においては、風車及びこの風車により回転駆動される発電機を収容したナセルがタワー上部に搭載されており、このナセルは風車が正面から風力を受けるよう、風向きに応じてタワーに対してヨー旋回（略水平面上の旋回）するように構成されている。

そして、前記ナセルをタワーに対してヨー旋回させる構造としては、複数のボール又はローラを介して内輪と外輪とを組み合わせた旋回軸受が使用されており、内輪又は外輪の一方がタワーに、他方がナセルに固定されるようになっている（特開２００７−１０７４１１）。

一方、パワーショベルやクレーンなどの建設機械においても、下部構造体であるトラックフレームに対して運転席やカウンタウェイトを備えた上部フレームが旋回可能に搭載されており、かかる旋回構造として前記旋回軸受が使用されている（特開２００５−６１５７４）。

前記旋回構造に使用される旋回軸受は、内周面に沿って転動体の転走面が形成された外輪と、外輪側の転走面に対向する転走面が外周面に形成された内輪と、これら外輪と内輪との間で荷重を負荷しながら転走する多数の転動体とから構成されている。転動体としてはボール又はローラのいずれを使用することも可能であるが、ボールではなくローラを使用する場合には、荷重によって内輪と外輪が分離することのないよう、１条の転走面に対してローラをクロスローラ構造で配置するか、あるいは転走面を複列とし、各転走面でローラの傾斜方向を異ならせる必要がある。
特開２００７−１０７４１１ 特開２００５−６１５７４

近年、前記風力発電装置は定格出力の増強を図るための大型化が進行しており、それに伴って風車直径が増大し、ナセルが大型化する傾向にある。このため、前記旋回構造に使用される旋回軸受も大径化が著しく、直径４ｍ以上の巨大な旋回軸受が必要とされるケースも発生している。

しかし、そのような巨大な旋回軸受の内輪及び外輪の生産には特殊な設備が必要であり、また、生産に適した大径の鋼材を調達しなければならないことから、生産コストが嵩むといった問題があった。また、近年は地球温暖化問題との関係から、風力発電等の自然エネルギか注目されており、風力発電装置に対する需要が増大化する傾向にあるが、前述した大径の旋回軸受は短期間で大量に生産することはできず、需要に対して供給が追いつかないといった問題点があった。加えて、そのように大型の旋回軸受は運搬が困難であり、更なる大型化が進行した場合には、運搬が不可能になる事態も想定される。このような問題点は建設機械の旋回構造についても同じである。

ところで、従来の旋回軸受は内輪と外輪との間に絶え間なく転動体を配列したものであり、旋回軸受の周囲３６０°のどの方向から荷重が作用した場合であっても、かかる荷重を同等に負荷することが可能であった。しかし、実際に旋回軸受を使用する場面を想定すると、例えば風力発電装置のナセルの旋回構造においては、ナセルの片側に風車が取り付けられることから、旋回軸受には局所的に大きな荷重が作用していることになる。また、建設機械の旋回構造においても、かかる建設機械の上部フレームにはカウンタウェイトが搭載されていることから、上部フレームの旋回を支承する旋回軸受にはカウンタウェイトの搭載位置に対応して局所的な荷重が作用している。すなわち、下部構造体に対して上部旋回体を支承する実際の旋回構造では、旋回軸受の内輪及び外輪に対して局所的に荷重が作用する場合が殆どであり、かかる旋回構造では旋回中心の周囲３６０°のいずれの方向に関しても同等に荷重を負荷する必要に乏しいものと考えられる。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、旋回直径の大きな構造を容易に且つ低コストで生産することが可能であり、しかも運搬が容易な旋回構造を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、旋回構造の各種用途に応じ、旋回中心の周囲３６０°における荷重負荷能力を最適に分布させることが可能な旋回構造を提供することにある。

すなわち、本発明は、下部構造体と、この下部構造体に対して旋回可能に配設された上部旋回体と、これら下部構造体と上部旋回体との間に介装される旋回ベアリング機構とからなる旋回構造である。前記旋回ベアリング機構は、一定曲率の複数の円弧状軌道レールから構成され、これら軌道レールを前記下部構造体上に連続的に配置してなる無端円環状の固定リングと、多数の転動体を介して前記固定リングに組付けられ、前記上部旋回体を担持した状態で前記固定リングに沿って自在に移動可能な少なくとも３基以上のスライドブロックと、から構成されている。

このような本発明によれば、旋回ベアリング機構は複数の円弧状軌道レールから組み立てられる無端円環状の固定リングと、この固定レールに組付けられる少なくとも３基以上のスライドブロックとから構成されているので、極めて大径の旋回構造が必要とされる場合であっても、円弧状軌道レールの本数及びスライドブロックの個数を増加させることにより、容易に旋回構造を構築することが可能である。すなわち、従来の旋回軸受のように、大径の内輪及び外輪を生産するための特別な設備が必要なく、また、固定リングの周長に適した長さの鋼材を準備する必要もない。従って、旋回直径の大きな旋回構造を容易に且つ低コストで生産することが可能となる。

尚、本発明において固定リングに組付けられるスライドブロックの数は、３基以上の複数基であれば、固定リングの直径、上部旋回体の重量などに応じ、その数を適宜変更することが可能である。また、スライドブロックの数を少なくとも３基以上と限定した理由は、固定リングに対するスライドブロックの配置によっては、２基のみだと上部旋回体の旋回中心が定まり難く、上部旋回体の旋回運動が不安定になるからである。

また、前記固定リングは複数の円弧状軌道レールを下部構造体に配置することによって円環状に作られることから、下部構造体に配置されるまでは個々の円弧状軌道レールとして取り扱うことができ、運搬を容易に行うことが可能となる。

更に、固定リングに対して組付けられる複数のスライドブロックは、かかる固定リングの円周上の任意の位置に配置できることから、上部旋回体から下部構造体に対する荷重作用点に対して前記スライドブロックを重点的に配置することが可能であり、従来の旋回軸受に比べて荷重の負荷能力を容易に増強することが可能となる。

以下、添付図面に沿って本発明の旋回構造を詳細に説明する。

図１は本発明の旋回構造を適用可能な風力発電装置１の一例を示すものである。この風力発電装置１は、風車２と、この風車２によって駆動される発電機を収容したナセル３と、このナセル３をヨー旋回可能に支持するタワー４とを具備している。前記風車２はタワー４によって地上から所定の高さに回転自在に保持され、風力エネルギによって回転して、前記ナセル３に収容された発電機を回転駆動するように構成されている。そして、前記発電機は風車２で発生した回転エネルギを電気エネルギに変換し、かかる電気エネルギを前記タワー４内に格納された送電線を通して変圧器などの地上設備に送電するようになっている。

風車２を風上へ強制的にヨー旋回させるため、上部旋回体としてのナセル３と下部構造体としてのタワー４の最上部との間には旋回ベアリング機構５が設けられている。

図２に示すように、かかる旋回ベアリング機構５は、タワー４の最上部に対して基板プレート６を介して配置された無端円環状の固定リング７と、多数のボールを介してこの固定リング７に組付けられた複数のスライドブロック８とから構成され、これらスライドブロック８には前記ナセル３を支持する旋回テーブル９が固定されている。

また、前記固定リング７の外周面には周方向に沿って歯列が設けられ、この歯列にはピニオンギヤ１０が噛み合っている。このピニオンギヤ１０は前記旋回テーブル９に搭載されたモータ１１によって任意の回転が与えられるように構成されており、モータ１１がピニオンギヤ１０を回転させると、旋回テーブル９がタワー４に対してヨー旋回し、風車２を回転自在に支承したナセル３を任意の方向へ向けることができるようになっている。

図３は、前記旋回ベアリング機構５を構成する固定リング７とスライドブロック８を示す斜視図である。前記固定リング７は複数本の円弧状軌道レール７０を連続的に配置したものであり、各軌道レール７０は一定の曲率で円弧状に形成されている。図３に示す例では３本の軌道レール７０を連続的に配置して固定リング７を形成している。また、各軌道レール７０の外周側面には前記ピニオンギヤ１０と噛み合う歯列７１が機械加工によって直接形成されている。すなわち、前記固定リング７は外歯を有するギヤリングとして機能している。尚、軌道レール７０の内周側面に歯列を設け、かかる歯列に対してピニオンギヤ１０を噛み合わせて構成することも可能である。

図４は、円弧状に形成された各軌道レール７０と、この軌道レール７０に組付けられたスライドブロック８の詳細を示す斜視図である。前記軌道レール７０は固定リング７の中心Ｏに対して所定の曲率半径Ｒで円弧状に形成されており、長手方向に垂直な断面は略矩形状に形成されている。内周側面及び外周側面には長手方向に沿って２条のボール転走溝７２が夫々形成されており、計４条のボール転走溝７２が形成されている。また、軌道レール７０の外周側面の下方には前述した歯列７１が形成されている。

一方、前記スライドブロック８は軌道レール７０のボール転走溝７２を転走するボール８０の無限循環路を具備しており、ボール８０が当該無限循環路内を循環することで、スライドブロック８が軌道レール７０に沿って連続的に移動することが可能となっている。また、図３に示すように、端部同士を接した２本の軌道レール７０はボール転走溝７２が連続しており、スライドブロック８は軌道レール７０から軌道レール７０へ乗り移って移動することができる。従って、スライドブロック８は複数の軌道レール７０から構成された固定リング７を自由に周回することが可能である。

尚、図４に示した軌道レール７０とスライドブロック８の組み合わせでは、かかるスライドブロック８が多数のボール８０を介して軌道レール７０に組付けられているが、ボール８０に代えて多数のローラを用いることも可能である。ローラを使用した場合の方が、スライドブロックの許容負荷荷重は大きく設定することが可能となり、上部旋回体の重量が大きな場合に有利である。

また、前記スライドブロック８は軌道レール７０に形成された４条のボール転走溝７２を転走するボール列によって該軌道レール７０に組付けられており、各ボール列の軌道レール７０及びスライドブロック８に対する接触方向は基板プレート６に対して４５°で傾斜している。すなわち、スライドブロック８は、固定リング７の周方向を除き、あらゆる方向へ作用する荷重を負荷しながら軌道レール７０に沿って移動可能である。このことから、スライドブロック８に具備されたボール８０には予圧を与えることが可能であり、ボール径を変更することで予圧量を調整することができる。そのような予圧量の調整を行うことで、スライドブロック８に荷重が作用した場合に、軌道レール７０に対するスライドブロック８の変位量、ひいては基板プレート６に対する旋回テーブル９の変位量を小さくすることが可能である。

前記固定リング７には３基以上のスライドブロック８が組付けられているが（図３では４基）、これらスライドブロック８は単一の旋回テーブル９に固定されている。すなわち、この旋回テーブル９が本発明における上部旋回体に相当する。固定リング７に組付けられた複数のスライドブロック８が旋回テーブル９に固定された結果として、かかる旋回テーブル９には固定リング７の中心Ｏの周囲における旋回運動のみが許容されている。

図５は固定リング７を構成する円弧状軌道レール７０の他の例を示すものである。この図５に示す例では、軌道レール７０がタワー４の最上部の基板プレート６に対して直接固定されるのではなく、外周側面に歯列７１を有するギヤリング７３を介して基板プレート６に固定されている。このため、軌道レール７０そのものには歯列７１が形成されておらず、前記ピニオンギヤ１０はギヤリング７３の歯列７１と噛み合うように構成されている。このギヤリング７３は無端の円環状に形成しても差し支えないが、運搬や生産の困難性を考慮した場合、軌道レール７０と同様に、複数の円弧状部品を組み合わせて構成するのが好ましい。尚、図５中の符号７４はギヤリング７３を貫通して軌道レール７０を基板プレート６に締結するボルトである。

そして、以上のように構成された旋回構造では、スライドブロック８が固定された旋回テーブル９は固定リング７の中心Ｏの周囲における旋回運動のみが許容されており、固定リング７の歯列７１に噛み合うピニオンギヤ１０をモータ１１で回転させると、モータ１１の回転量に応じて旋回テーブル９が基板プレート６に対して旋回運動を行うことになる。すなわち、上部旋回体としての風力発電装置１のナセル３を下部構造体としてのタワー４上で旋回させ、風車を任意の方向へ向けることができる。

風力発電装置１の大型化に伴い、前記ナセル３のヨー旋回を支承する旋回ベアリング機構５としては直径４ｍ以上の固定リング７が必要とされている。この点に関し、本発明の旋回構造では固定リング７が複数の円弧状軌道レール７０から構成されているので、かかる固定リング７が大径化した場合であっても、固定リング７の周方向の分割数、すなわち円弧状軌道レール７０の本数を増やすことにより、容易に対応することが可能である。また、固定リング７を生産するための鋼材も円弧状軌道レール７０の本数に分割することができるので、入手が容易である。従って、本発明の旋回構造によれば、旋回直径の大きな旋回構造を容易に且つ低コストで生産することが可能となる。

また、固定リング７は複数の円弧状軌道レール７０を組み合わせて構築されるので、旋回直径の大きな旋回構造を構築する場合であっても、旋回ベアリング機構５の運搬を容易に行うことが可能である。

更に、固定リング７に組付けられる複数のスライドブロック８は、かかる固定リング７の周方向に沿って均等な間隔で配置しても良いが、必ずしも均等な間隔で配置する必要はなく、上部旋回体から下部構造体に対しての荷重の作用点及びその大きさに従い、任意の配置を採用することが可能である。例えば、図１及び図３に示した風力発電装置１では、ナセル３の先端に風車が支承されていることから、ナセル３を支持する旋回テーブル９には風車２の近接した位置において最大の荷重が作用しているものと考えられる。このため、固定リング７の周方向に沿って均等な間隔でスライドブロック８を配置するのではなく、大きな荷重の作用点に対してスライドブロック８を集中的に配置することで、固定リング７に対するスライドブロック８の組み付け基数を軽減し、旋回構造の製作に必要なコストの低減化を図ることが可能となる。

ところで、このように複数の円弧状軌道レール７０を組み合わせて無端円環状の固定リング７を構成した場合、各円弧状軌道レール７０の位置決めが悪いと、固定リング７の真円度を確保することが困難となってしまう。そして、固定リング７の真円度が悪化すると、かかる固定リング７に組付けられた３基以上のスライドブロック８を単一の旋回テーブル９に固定した場合に、旋回テーブル９の回転が重くなり、固定リング７の真円度が極端に悪い場合には、旋回リング９の回転が不能となってしまう。

このような不具合を回避する方策として、固定リング７に対して組み付けた複数のスライドブロック８を固定リング７の周方向に沿って複数のグループに分割し、グループ毎にスライドブロック８に具備されたボール８０の予圧量を異ならせることが考えられる。

図６は、固定リング７に対して４基のスライドブロック８ａ〜８ｄが組み合わされている場合を示す旋回ベアリング機構５の平面図である。これら４基のスライドブロックは２基ずつのグループＧ１及びＧ２に分割されており、グループＧ１に属するスライドブロック８ａ，８ｂのボールに与えられる予圧量は、グループＧ２に属するスライドブロック８ｃ，８ｄのボールに与えられる予圧量よりも大きく設定されている。

グループＧ１に属するスライドブロック８ａ，８ｂではボールの予圧量を大きく設定しているので、旋回テーブル９からこれらスライドブロック８ａ，８ｂに対して大きな荷重が作用したとしても、スライドブロック８ａ，８ｂが固定リング７に対して大きく変位することはない。その一方、グループＧ２に属するスライドブロック８ｃ，８ｄではボールの予圧量を小さく設定し、あるいは予圧を与えていないので、スライドブロック８ｃ，８ｄはグループＧ１のスライドブロック８ａ，８ｂよりも固定リング７に対して大きく変位することが可能である。

このため、固定リング７をなす各軌道レール７０の基板プレート６上での取付け位置精度が低く、固定リング７の真円度が悪い場合であっても、旋回テーブル９はグループＧ１のスライドブロック８ａ，８ｂを基準として固定リング７上で旋回運動を行い、そのような旋回テーブル９の運動中において、グループＧ２のスライドブロック８ｃ，８ｄは固定リング７の真円度の誤差を吸収しながら当該固定リング７上を移動することになる。従って、固定リング７の真円度が悪い場合であっても、旋回テーブル９に対して無理のない円滑な旋回運動を与えることが可能となる。

一方、図７は、固定リング７に対して６基のスライドブロック８ａ〜８ｆが組み合わされている場合を示す旋回ベアリング機構５の平面図である。これら６基のスライドブロックは４つのグループＧ１〜Ｇ４に分割されており、グループＧ１及びＧ３は１基のスライドブロックを、グループＧ２及びＧ３は２基のスライドブロックを具備している。これらグループＧ１〜Ｇ４のうち、グループＧ１に属するスライドブロック８ａのボールに与えられる予圧量は他のグループと比較して最大であり、グループＧ３に属するスライドブロック８ｄのボールに与えられる予圧量が他のグループと比較して最小である。また、グループＧ２及びＧ４に属するスライドブロック８ｂ，８ｃ，８ｅ，８ｆのボールに与えられる予圧量はグループＧ１とグループＧ３における予圧量の中間程度である。

この図７の例に示されるように、複数のスライドブロック８ａ〜８ｆを分割して形成した複数のグルプＧ１〜Ｇ４のうち、スライドブロックのボールに対して最大の予圧量を与えたグループＧ１と最小の予圧量を与えたグループＧ３は、前記固定リング７の中心を挟んで対峙している。このように、最大の予圧量を与えたグループＧ１と最小の予圧量を与えたグループＧ３が固定リング７の中心を挟んで配置されると、これらグループが固定リング７の中心を挟むことなく当該固定リング７の円周上で隣接した場合と比較して、最小予圧量のスライドブロック８ｄが吸収しうる固定リング７の真円度の誤差量を高めることができる。従って、固定リング７の真円度が悪い場合であっても、一層円滑に旋回テーブル９に旋回運動を行わせることが可能となる。

このことは、４つのスライドブロック８ａ〜８ｄを２つのグループに分割した図６に示す例でも同じである。すなわち、図６に示す例でも、スライドブロックのボールに対して最大の予圧量を与えたグループＧ１とそれよりも小さな予圧量を与えたグループＧ２は、前記固定リング７の中心を挟んで対峙しており、最小予圧量のスライドブロック８ｃ，８ｄが吸収しうる固定リング７の真円度の誤差量を高めることが可能となっている。

また、旋回テーブル９に作用する荷重を確実に受け止め、かかる旋回テーブル９の変位を抑えるといった観点からすれば、スライドブロック８のボール８０に対して最大の予圧量が与えられたグループは、旋回テーブル９に対する荷重作用点の直下に位置していることが好ましい。例えば、図１及び図２に示す風力発電装置１の旋回構造に図７に示す旋回ベアリング機構５を適用するのであれば、グループＧ１のスライドブロック８ａが風車２に対して最も近接するように、旋回テーブル９に対する各スライドブロック８ａ〜８ｆの配置を決定する。

図６及び図７は複数のスライドブロックが固定リング７の周方向に沿って均等な間隔で配置された例を示していた。これに対し、図８は、複数のスライドブロック８ａ〜８ｅが固定リング７の周方向に沿って不均等な間隔で配置され、この配置状態のまま旋回テーブルに固定された例を示している。固定リングに組付けられた５基のスライドブロック８ａ〜８ｅは２つのグループＧ１及びＧ２に分割されており、グループＧ１に属するスライドブロック８ａ〜８ｃのボールに与えられる予圧量は、グループＧ２に属するスライドブロック８ｄ，８ｅのボールに与えられる予圧量よりも大きく設定されている。また、グループＧ１に属するスライドブロック８ａ〜８ｃは等間隔で配列されているが、この配列間隔はグループ１に属するスライドブロック８ｃとグループＧ２に属するスライドブロック８ｄとの間隔よりも小さく設定されている。更に、グループＧ２に属するスライドブロック８ｄ及び８ｅの配列間隔もグループ１に属するスライドブロック８ｃとグループＧ２に属するスライドブロック８ｄとの間隔よりも小さく設定されている。

このような図８に示すスライドブロックの配置は、旋回テーブル９に作用する荷重を確実に受け止めるために有効である。すなわち、旋回テーブル９に対する荷重作用点の直下にグループＧ１を設けることにより、旋回テーブルに支持された上部旋回体の重量配置に最適な旋回ベアリング機構とすることができ、固定リング上におけるスライドブロックの無駄な配置を回避し、固定リングに組み込むスライドブロックの数を軽減することが可能となる。

また、この図８に示す例でも、スライドブロックのボールに対して最大の予圧量を与えたグループＧ１とそれよりも小さな予圧量を与えたグループＧ２は、前記固定リング７の中心を挟んで対峙しており、最小予圧量のスライドブロック８ｄ，８ｅが吸収しうる固定リング７の真円度の誤差量を高めることが可能となっている。すなわち、固定リング７の真円度が悪い場合であっても、旋回テーブル９に対して無理のない円滑な旋回運動を与えることが可能となっている。

本発明の旋回構造を適用可能な風力発電装置を示す正面図である。 図１に示した風力発電装置の旋回構造を示す概略図である。 本発明の旋回構造における旋回ベアリング機構の一例を示す斜視図である。 図３に示した旋回ベアリング機構を構成する円弧状軌道レール及びスライドブロックの組み合わせを示す斜視図である。 円弧状軌道レールの他の例を示す半断面図である。 固定リングに４基のスライドブロックを等間隔に配置し、予圧量の異なる２つのグループに分割した例を示す平面図である。 固定リングに６基のスライドブロックを等間隔に配置し、予圧量の異なる４つのグループに分割した例を示す平面図である。 固定リングに５基のスライドブロックを不均等な間隔に配置し、予圧量の異なる２つのグループに分割した例を示す平面図である。

符号の説明

１…風力発電装置、２…風車、３…ナセル、４…タワー、５…旋回ベアリング機構、６…基板プレート、７…固定リング、８…スライドブロック、９…旋回テーブル

Claims (5)

1. 下部構造体と、この下部構造体に対して旋回可能に配設された上部旋回体と、これら下部構造体と上部旋回体との間に介装される旋回ベアリング機構と、からなる旋回構造において、
   前記旋回ベアリング機構は、
   一定曲率の複数の円弧状軌道レールから構成され、これら軌道レールを前記下部構造体上に連続的に配置してなる無端状の固定リングと、
   多数の転動体を介して前記固定リングに組付けられ、前記上部旋回体を担持した状態で前記固定リングに沿って自在に移動可能な少なくとも３基以上のスライドブロックと、から構成され、
   前記スライドブロックを固定リングの周方向に沿って複数のグループに分割し、グループ毎にスライドブロックの転動体の予圧量を異ならせたことを特徴とする旋回構造。
2. 前記スライドブロックが形成する複数のグループのうち、前記スライドブロックの転動体に対して最大の予圧量を与えたグループと最小の予圧量を与えたグループは、前記固定リングの中心を挟んで対峙していることを特徴とする請求項１記載の旋回構造。
3. 前記複数のスライドブロックを固定リングの周方向に沿って均等な間隔で配置したことを特徴とする請求項１記載の旋回構造。
4. 各グループ内におけるスライドブロックの配置間隔を隣接するグループの間隔よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１記載の旋回構造。
5. 内周面又は外周面に歯列を有するギヤリングが前記固定リングの軸方向に隣接して前記下部構造体に配設されると共に、かかるギヤリングの歯列と噛み合うピニオンギヤ及びこれを回転駆動するモータが前記上部旋回体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の旋回構造。

Images