JP5457004B2 - 風力発電機の主軸支持用ころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電機の主軸支持構造、およびころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法に関し、特に、周方向に配置されて一つの保持器を形成する複数の保持器セグメントを含むころ軸受、このようなころ軸受を含む風力発電機の主軸支持構造、およびこのようなころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法に関するものである。

ころ軸受は、一般的には、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、複数のころを保持する保持器とから構成される。保持器は通常、一体型、すなわち、環状の一つの部品で構成されている。

風を受けるためのブレードが取り付けられた風力発電機の主軸を支持するころ軸受については、大きな荷重を受ける必要があるため、ころ軸受自体も大型となる。そうすると、ころや保持器等、ころ軸受を構成する各構成部材も大型となり、部材の生産や組み立てが困難となる。このような場合、各部材を分割可能とすると、生産や組み立てが容易となる。

ここで、ころ軸受に含まれる保持器を軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した分割型の保持器に関する技術が、ヨーロッパ特許公報１４０８２４８Ａ２（特許文献１）に開示されている。図１０は、特許文献１に開示された分割型の保持器である保持器セグメントを示す斜視図である。図１０を参照して、保持器セグメント１０１ａは、ころを収容する複数のポケット１０４を形成するように軸受の回転軸線に沿う方向に延びる複数の柱部１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ、１０３ｅと、複数の柱部１０３ａ〜１０３ｅを連結するように周方向に延びる連結部１０２ａ、１０２ｂとを有する。

図１１は、図１０に示した保持器セグメント１０１ａを含む円錐ころ軸受の一部を示す断面図である。図１０および図１１を参照して、保持器セグメント１０１ａを含む円錐ころ軸受１１１の構成を説明すると、円錐ころ軸受１１１は、外輪１１２と、内輪１１３と、複数の円錐ころ１１４と、複数の円錐ころ１１４を保持する複数の保持器セグメント１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ等とを有する。複数の円錐ころ１１４は、最もころの挙動が安定する位置であるＰＣＤ（Ｐｉｔｃｈ Ｃｉｒｃｌｅ Ｄｉａｍｅｔｅｒ）１０５付近において、複数の保持器セグメント１０１ａ等によって保持されている。複数の円錐ころ１１４を保持する保持器セグメント１０１ａは、周方向において隣接する同一形状の保持器セグメント１０１ｂ、１０１ｃと、周方向のもっとも外側にある柱部１０３ａ、１０３ｅが当接するように連なって配置されている。複数の保持器セグメント１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ等が連なって、円錐ころ軸受１１１に組み込まれ、円錐ころ軸受１１１に含まれる一つの環状の保持器が形成される。
ヨーロッパ特許公報１４０８２４８Ａ２

特許文献１によると、樹脂製の各保持器セグメントを周方向に連ねて配置したときに、最初の保持器セグメントと最後の保持器セグメントとの間に生じる最後のすき間の寸法を、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．１５％以上、かつ、１％未満としている。このように構成することにより、保持器セグメント同士が衝突した際の衝突音等を防止すると共に、熱膨張時における保持器セグメント同士の膠着を防止することにしている。なお、特許文献１においては、保持器セグメントを、ポリフェニルサルファイド（以下、「ＰＰＳ」と称する）やポリエーテルエーテルケトン（以下、「ＰＥＥＫ」と称する）から製造している。

ここで、周方向のすき間をこのような数値範囲としても、発明者が着眼した下記問題点に対応することはできない。図１２は、円錐ころ軸受１１１を、風力発電機の主軸を支持する軸受として使用する場合の円錐ころ軸受１１１の一部を示す概略断面図である。なお、理解の容易の観点から、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃ間に生ずるすき間１１５を、誇張して大きく図示している。

図１２を参照して、円錐ころ軸受１１１に支持される風力発電機の主軸１１０は、横軸で使用される。円錐ころ軸受１１１の使用時において、保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃは、例えば、図１２中の矢印で示す方向に公転運動を行なう。保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃの公転運動は、各保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃが隣接する保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃを矢印の方向に順次押すように行われる。この場合、例えば、図１２中のＸＩＩで示す部分において円錐ころや保持器セグメント１０１ａが自由落下してしまうことになる。そうすると、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃ同士が衝突して、保持器セグメント１０１ａ、１０１ｃの変形や端面の摩耗、衝突音等が発生し、円錐ころ軸受１１１の機能を大きく低下させる恐れがある。

円錐ころ軸受１１１を風力発電機の主軸１１０を支持する軸受として使用する場合、保持器セグメント１０１ａ〜１０１ｃ自体も大型となるため、自由落下時の衝突による問題は大きい。したがって、上記に規定したすき間の寸法では不十分であり、周方向のすき間をさらに小さくする必要がある。ここで、周方向のすき間の寸法を上記の規定よりも小さくするためには、各保持器セグメントの周方向の長さを厳密に管理する必要がある。このような保持器セグメントを含むころ軸受は、容易に製造することができず、周方向のすき間の寸法が大きくなって、機能の低下を招いてしまうことになる。

この発明の目的は、容易に機能の低下を防止することができるころ軸受を提供することである。

この発明の他の目的は、容易に機能の低下を防止することができる風力発電機の主軸支持構造を提供することである。

この発明のさらに他の目的は、容易に周方向のすき間の寸法を調整することができるころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法を提供することである。

この発明に係るころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。複数の保持器セグメントは、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを少なくとも含む。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０８％よりも大きく、０．１０％よりも小さい。

ころ軸受に備えられる外輪や内輪、ころ等の軸受構成部材は、一般的には肌焼鋼等のような鋼製である。このような外輪等の軸受構成部材も、温度変化により熱膨張する。ここで、保持器セグメントの熱による線膨張係数と軸受構成部材の熱による線膨張係数とを考慮すると、実使用状況において、室温における周方向のすき間の寸法を保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０８％まで小さくすることができる。すなわち、周方向のすき間を円周の０．０８％よりも大きくすることにより、すき間の周方向の寸法が負になって保持器セグメント同士が突っ張りあい、膠着する状態を回避することができる。

また、上記した用途に使用されるころ軸受において、複数の保持器セグメントによって構成される保持器は、耐久性、信頼性向上の観点から安全率を大きくすることが好ましい。保持器の安全率は、周方向のすき間の寸法を小さくするほどその値が大きくなる。保持器の安全率は、保持器セグメントの材質の疲労強度および保持器セグメントに発生する応力等の観点から、４．０以上が要求される。ここで、室温におけるすき間の周方向の寸法を保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．１０％よりも小さくすることにより、安全率を確実に４．０以上にすることができる。そうすると、上記した問題も含め、保持器セグメント同士の衝突等による強度的な不具合を回避することができる。

ここで、少なくとも第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間に生ずる周方向のすき間の寸法を調整し、周方向のすき間の寸法を容易に小さくすることができる。このように少なくとも第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間の周方向のすき間の寸法を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメントを備えるころ軸受の機能の低下を容易に防止することができる。なお、複数の保持器セグメントが、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを少なくとも含むとは、後述するように、複数の保持器セグメントが、第一の周方向長さおよび第二の周方向長さと異なる第三の周方向長さを有する第三の保持器セグメントをさらに含んでいてもよいし、さらには、第一、第二、第三の周方向長さと異なる周方向長さを有する保持器セグメントを含んでいてもよいという意味である。

ここで、保持器セグメントとは、一つの環状の保持器を、少なくともころを収容する１つのポケットを有するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した単位体である。また、最初の保持器セグメントとは、保持器セグメントを周方向に順次連ねて配置する際に、最初に配置される保持器セグメントをいい、最後の保持器セグメントとは、隣接する保持器セグメントを当接させ、周方向に順次連ねて配置していった際に、最後に配置される保持器セグメントをいう。複数の保持器セグメントが周方向に連なってころ軸受に組み込まれ、一つの環状の保持器を構成する。

好ましくは、保持器セグメントは、樹脂製である。保持器セグメントは、一つのころ軸受に複数備えられるため、生産性の向上が要求されるが、このように構成することにより、射出成形等によって、大量に保持器セグメントを製造することが容易になる。

さらに好ましくは、樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。ＰＥＥＫは、他の樹脂と比較して熱による線膨張係数が低く、容易に充填材を含ませて熱による線膨張係数を低下させることができる。

さらに好ましくは、樹脂は、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む。このように保持器セグメントの材質を、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製とすることにより、ころ軸受を構成する外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間の寸法の変化を小さくすることができる。

さらに好ましくは、充填材は、少なくとも炭素繊維またはガラス繊維のいずれかを含む。このような充填材は、繊維状であるため、効率的に熱による線膨張係数を低下させることができる。

さらに好ましくは、樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０^−５／℃以上１．７×１０^−５／℃以下である。軸受を構成する外輪等の部材には、一般的には肌焼鋼等の鋼が使用される。このような鋼の熱による線膨張係数は、１．１２×１０^−５／℃程度である。したがって、樹脂の熱による線膨張係数を上記範囲とすることにより、実使用状況において外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を許容することができる。なお、上記したＰＥＥＫの熱による線膨張係数は、約４．７×１０^−５／℃であり、ＰＰＳの熱による線膨張係数は、約５．０×１０^−５／℃である。

さらに好ましくは、保持器セグメントの熱による線膨張係数は、外輪および内輪のうち、少なくとも一方の熱による線膨張係数と同等である。

さらに好ましくは、樹脂中の充填材の充填比率は、２０重量％以上４０重量％以下である。樹脂中の充填材の充填比率を上記範囲とすることにより、充填材の充填による他の不具合を発生させることなく、樹脂の熱による線膨張係数を大きく低下させることができる。

さらに好ましくは、ころは、円錐ころである。上記した風力発電機の主軸等に使用されるころ軸受は、大きなモーメント荷重やスラスト荷重、ラジアル荷重等を受ける必要がある。ここで、ころを円錐ころとすることにより、大きなモーメント荷重等を受けることができる。

この発明の他の局面においては、風力発電機の主軸支持構造は、風力を受けるブレードと、その一端がブレードに固定され、ブレードとともに回転する主軸と、固定部材に組み込まれ、主軸を回転自在に支持するころ軸受とを含む。ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。複数の保持器セグメントは、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを少なくとも含む。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０８％よりも大きく、０．１０％よりも小さい。

このような風力発電機の主軸支持構造は、軸受の機能の低下を容易に防止することができるころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を容易に防止することができる。

この発明のさらに他の局面においては、ころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法は、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数のころと、ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備えるころ軸受の保持器セグメント間のすき間の寸法を調整するころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法であって、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを準備し、少なくとも第一の保持器セグメントと第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間の周方向のすき間の寸法を調整する。

このようなころ軸受の保持器セグメント間のすき間を調整するすき間調整方法によると、容易に周方向のすき間量を調整することができる。

この発明によれば、少なくとも第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間に生ずる周方向のすき間の寸法を調整し、周方向のすき間の寸法を容易に小さくすることができる。このように少なくとも第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間の周方向のすき間の寸法を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメントを備えるころ軸受の機能の低下を容易に防止することができる。

また、このような風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下を容易に防止することができるころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を防止することができる。

また、このようなころ軸受の保持器セグメント間のすき間を調整するすき間調整方法によると、容易に周方向のすき間量を調整することができる。

以下、この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図２は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受に備えられる保持器セグメント１１ａを示す斜視図である。図３は、図２に示す保持器セグメント１１ａを、図２中の線ＩＩＩ−ＩＩＩを含み、軸受の回転軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。図４は、図２に示す保持器セグメント１１ａを、柱部１４ａの中央を通り、円周方向に直交する平面で切断した場合の断面図である。なお、理解の容易の観点から、図３および図４において、保持器セグメント１１ａが保持する複数の円錐ころ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを点線で示している。また、一点鎖線でＰＣＤ２２を示す。なお、このような保持器セグメント１１ａは、外輪の外径寸法が１０００ｍｍ以上であり、内輪の内径寸法が７５０ｍｍ以上である大型のころ軸受に主に適用される。

図２〜図４を参照して、まず、円錐ころ軸受に含まれる保持器セグメント１１ａの構成について説明する。保持器セグメント１１ａは、一つの環状の保持器を、少なくともころを収容する一つのポケットを有するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる分割線によって分割した形状である。保持器セグメント１１ａは、円錐ころ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを収容するポケット１３ａ、１３ｂ、１３ｃを形成するように、軸受の回転軸線に沿う方向に延びる４つの柱部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄと、軸方向の両端に位置し、４つの柱部１４ａ〜１４ｄを連結するように周方向に延びる一対の連結部１５ａ、１５ｂとを含む。ここで、保持器セグメント１１ａは、その周方向外側の端部に柱部１４ａ、１４ｄが位置するよう構成されている。

一対の連結部１５ａ、１５ｂは、複数の保持器セグメント１１ａが円錐ころ軸受に組み込まれた際に、周方向に連なって一つの環状の保持器を形成するように、周方向において所定の曲率半径を有している。一対の連結部１５ａ、１５ｂのうち、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの小径側に位置する連結部１５ａの曲率半径は、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの大径側に位置する連結部１５ｂの曲率半径よりも小さく構成されている。

ポケット１３ａの周方向両側に位置する柱部１４ａ、１４ｂおよびポケット１３ｃの周方向両側に位置する柱部１４ｃ、１４ｄのうち、柱部１４ａ〜１４ｄの側壁面の内径側には、保持器セグメント１１ａの径方向外側への移動を規制する内径側の案内爪１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄが設けられている。案内爪１７ａ〜１７ｄは、ポケット１３ａ、１３ｃに収容された円錐ころ１２ａ、１２ｃと内径側で接触する。また、ポケット１３ｂの周方向両側に位置する柱部１４ｂ、１４ｃのうち、柱部１４ｂ、１４ｃの側壁面の外径側には、保持器セグメント１１ａの径方向内側への移動を規制する外径側の案内爪１８ｂ、１８ｃが設けられている。案内爪１８ｂ、１８ｃは、ポケット１３ｂに収容された円錐ころ１２ｂと外径側で接触する。各案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃは、ポケット１３ａ〜１３ｃ側に突出した形状である。また、図３に示す断面において、各案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃの案内面は、断面円弧状であって、円錐ころ１２ａ〜１２ｃの転動面に沿う形状である。このように内径側および外径側の案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃを設けることにより、保持器セグメント１１ａを案内爪１７ａ〜１７ｄ、１８ｂ、１８ｃの案内面に接触させて、ころ案内とすることができる。なお、周方向外側に位置する柱部１４ａ、１４ｄの周方向外側の端面２１ａ、２１ｂは、平らである。

なお、保持器セグメント１１ａは、一つの円錐ころ軸受に複数備えられるため、生産性の向上が要求されるが、このように構成することにより、射出成形等によって、大量に同形状の保持器セグメントを製造することが容易になる。

また、保持器セグメント１１ａは、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製であるので、円錐ころ軸受を構成する外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間の寸法の変化を小さくすることができる。

なお、樹脂は、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、シンジオタクチック・ポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、フッ素樹脂、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍＰＰＯ）、ポリサルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポロアリレート（ＰＡＲ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、および熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）からなる群のうち、少なくともいずれか一つを含む。このような樹脂は、適切に充填材を含ませて熱による線膨張係数を上記した範囲に低下させることができる。なお、上記した樹脂を複数種類組み合わせてもよい。

ここで、樹脂は、ＰＥＥＫとすることが好ましい。ＰＥＥＫ自体の熱による線膨張係数は、４．７×１０^−５／℃程度であり、他の樹脂素材と比較して熱による線膨張係数が低いため、充填材を含ませて熱による線膨張係数を低下させることが容易になる。

また、充填材は、炭素繊維、ガラス繊維、グラファイト、カーボンブラック、アルミニウム粉末、鉄粉、および二硫化モリブデンのうち、少なくともいずれか一つを含む。このような充填材は、樹脂との親和性が良好であるため、効率的に熱による線膨張係数を低下させることができる。なお、上記した種類の充填材を複数充填させるようにしてもよい。

ここで、充填材は、少なくとも炭素繊維またはガラス繊維のいずれかを含むよう構成することが好ましい。このような充填材は、繊維状であるため、効率的に熱による線膨張係数を低下させることができる。

なお、樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０^−５／℃以上１．７×１０^−５／℃以下であることが好ましい。軸受を構成する外輪等の軸受構成部材には、一般的には肌焼鋼等の鋼が使用される。このような鋼の熱による線膨張係数は、１．１２×１０^−５／℃程度である。したがって、樹脂の熱による線膨張係数を上記範囲とすることにより、実使用状況において外輪等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を許容することができる。

また、樹脂中の充填材の充填比率は、２０重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。こうすることにより、充填材の充填による他の不具合、例えば、充填量過多による強度不足を発生させることなく、樹脂の熱による線膨張係数を大きく低下させることができる。

保持器セグメント１１ａは、具体的には、充填材として炭素繊維を３０重量％含み、線膨張係数が１．５×１０^−５／℃であるＰＥＥＫ製であることが好ましい。このような保持器セグメント１１ａは、熱による線膨張係数が４．７×１０^−５／℃であるＰＥＥＫ製の保持器セグメントや、熱による線膨張係数が５．０×１０^−５／℃であるＰＰＳ製の保持器セグメントと、熱による線膨張係数において大きく異なるものである。

ここで、上記した構成の保持器セグメント１１ａにおいて、円錐ころ軸受に備えられる複数の保持器セグメント１１ａには、周方向長さの異なるものが含まれる。すなわち、円錐ころ軸受に含まれる保持器セグメント１１ａは、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを少なくとも含む。ここで、周方向長さとは、保持器セグメント１１ａの中央を通る円の円周における周方向長さをいい、図３中のＬで示される長さである。具体的には、第一の周方向長さとしては、１００ｍｍを選び、第二の周方向長さとしては、１０１ｍｍを選ぶ。すなわち、後述する円錐ころ軸受は、１００ｍｍの周方向長さを有する第一の保持器セグメントを少なくとも１個と、１０１ｍｍの周方向長さを有する第二の保持器セグメントを少なくとも１個とを備える構成である。

保持器セグメント１１ａの周方向長さは、例えば、周方向外側に位置する柱部１４ａ、１４ｄの肉厚を減ずるようにして調整される。具体的には、保持器セグメント１１ａを成型する際に柱部１４ａ、１４ｄの周方向長さの異なる金型を用いたり、柱部１４ａ、１４ｄの周方向外側の端面２１ａ、２１ｂを削ったりして、周方向長さが異なる保持器セグメント１１ａを製造する。ここでは、各保持器セグメント１１ａのポケット１３ａ〜１３ｃおよび柱部１４ａ〜１４ｄの数を同じにしながら、周方向外側に位置する柱部１４ａ、１４ｄの周方向の寸法を調整することにより、周方向長さの異なる複数の保持器セグメント１１ａを準備する。

次に、上記した保持器セグメント１１ａを含む円錐ころ軸受の構成について説明する。図５は、複数の保持器セグメント１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ等を周方向に配置させた円錐ころ軸受３１を、軸方向から見た概略断面図である。また、図６は、図５中においてＶＩで示す部分の拡大断面図である。保持器セグメント１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、保持器セグメント１１ａと周方向長さを除いて同一の構成であるため、その説明を省略する。ここで、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄは、後述する周方向のすき間の寸法に応じて、周方向の長さが異なるものが含まれる。なお、図５においては、保持器セグメント１１ａ等に保持される円錐ころを省略している。また、ここでは、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄのうち、最初に配置される保持器セグメントを保持器セグメント１１ａとし、最後に配置される保持器セグメントを保持器セグメント１１ｄとする。

図５および図６を参照して、円錐ころ軸受３１は、外輪３２と、内輪３３と、複数の円錐ころ３４と、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄとを備える。ここで、例えば、外輪３２の外径寸法は、２５００ｍｍであり、内輪３３の内径寸法は、２０００ｍｍである。保持器セグメント１１ａ〜１１ｄは、周方向において、順次連ねられて無間隙に配置される。ここでは、まず、最初に保持器セグメント１１ａが配置され、次に、保持器セグメント１１ｂが保持器セグメント１１ａと当接するように、具体的には、保持器セグメント１１ａの端面２１ａと保持器セグメント１１ｂの端面２１ｃとが当接するように配置される。その後、保持器セグメント１１ｃが保持器セグメント１１ｂと当接するように、具体的には、保持器セグメント１１ｂの端面２１ｄと保持器セグメント１１ｃの端面２１ｅとが当接するように配置され、順次、保持器セグメントが配置されていき、最後に、保持器セグメント１１ｄが配置される。このようにして、周方向に連ねられて、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄが配置される。この場合、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間には、周方向のすき間３９を有する。

次に、最初の保持器セグメント１１ａと最後の保持器セグメント１１ｄとの間の周方向のすき間について説明する。図１は、図５においてＩで示す部分の拡大断面図である。ここで、すき間３９の周方向の寸法Ｒを、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの中央を通る円の円周の０．０８％よりも大きく、かつ、０．１０％よりも小さくする。

ここで、円錐ころ軸受３１の保持器セグメント１１ａ、１１ｄ間のすき間３９の調整方法について説明する。ここでは、一つの円錐ころ軸受３１について、２０個の保持器セグメントを備える構成とする。まず、周方向長さの異なる第一および第二の保持器セグメントを複数用意する。次に、最も周方向長さの短い第一の保持器セグメントを２０個用いて、全ての保持器セグメントを配置する。そして、すき間３９の寸法を測定する。その後、すき間３９が広すぎれば、すなわち、すき間３９の周方向の寸法が保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの中央を通る円の円周の０．１０％よりも大きければ、第一の保持器セグメントの数個を、第一の周方向長さよりも長い第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントと置き換える。すなわち、周方向長さの異なる保持器セグメントの置き換える個数を変更して、すき間３９の周方向の寸法が０．０８％よりも大きく、０．１０％よりも小さくなるようにする。このようにして、保持器セグメント間の周方向のすき間の寸法を調整する。すなわち、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを準備し、少なくとも第一の保持器セグメントと第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間の周方向のすき間の寸法を調整する。

このような方法によると、異なる周方向長さを有する複数の保持器セグメントを組み合わせて、所定のすき間３９の寸法にすることが容易になる。そうすると、容易に小さな範囲のすき間３９の寸法に調整することができる。すなわち、周方向長さの異なる保持器セグメントの種々の組み合わせにより、周方向のすき間３９の寸法を容易に調整することができる。したがって、容易に周方向のすき間３９の寸法を調整することができる。

ここで、少なくとも第一の保持器セグメントと第二の保持器セグメントとを組み合わせてとは、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメント、第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントの他に、さらに第一および第二の周方向長さと異なる第三の周方向長さを有する第三の保持器セグメント、さらに第一、第二、第三の保持器セグメントと周方向長さの異なる保持器セグメントとを組み合わせて、周方向のすき間３９の寸法を調整してもよいという意味である。

図７は、すき間３９の比率と保持器の安全率の関係を示すグラフである。図１および図７を参照して、複数の保持器セグメント１１ａ〜１１ｄによって構成される保持器の安全率は、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの材質の疲労強度および保持器セグメント１１ａ〜１１ｄに発生する応力等の観点から、４．０以上が要求される。ここで、すき間３９の周方向の寸法が円周の０．１０％である場合、安全率が約４．６であるため、すき間３９の周方向の寸法を円周の０．１０％よりも小さくすることにより、安全率を確実に４．０以上にすることができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士の衝突等による強度的な不具合を回避することができる。

ここで、上記した保持器セグメント１１ａの線膨張係数Ｋｂは、１．５×１０^−５／℃程度である。一方、軸受構成部材である外輪等は肌焼鋼であり、その線膨張係数Ｋａは、１．１２×１０^−５／℃程度である。ここで、温度上昇をΔｔとし、温度上昇時における各部材の膨張量の差をδとすると、膨張量の差δは、数１の式によって表される。

この場合、仮に保持器セグメント１１ａのみが５０℃上昇していた場合であっても、膨張量の差δは、０．０８％となる。また、焼き嵌めで円錐ころ軸受をΔｔ＝１００℃に加熱した場合であっても、膨張量の差δは、０．０３５％となる。したがって、実使用状況において、０．０８％よりも大きくすることにより、外輪３２や内輪３３等の軸受構成部材と保持器セグメント１１ａ〜１１ｄとの熱膨張の差を許容することができる。そうすると、すき間３９の周方向の寸法が負になって保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ同士が突っ張る状態を回避することができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの突っ張りあいによる変形を防止することができる。

以上より、少なくとも第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間に生ずる周方向のすき間の寸法を調整し、周方向のすき間の寸法を容易に小さくすることができる。このように少なくとも第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間の周方向のすき間の寸法を上記した範囲とすることにより、保持器セグメント同士の衝突による強度的な不具合等や、保持器セグメント同士の周方向の突っ張りあいによる変形等を防止することができる。したがって、このような保持器セグメントを備えるころ軸受の機能の低下を容易に防止することができる。

この場合、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの材質を、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含む樹脂製として、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ間の周方向のすき間３９を上記した範囲とすることにより、円錐ころ軸受３１を構成する外輪３２等の軸受構成部材との熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間の寸法の変化を小さくすることができる。

なお、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄの熱による線膨張係数は、外輪３２および内輪３３のうち、少なくとも一方の熱による線膨張係数と同等であるよう構成することが好ましい。このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄは、円錐ころ軸受３１を構成する外輪３２等の軸受構成部材と熱による線膨張係数の差を小さくすることができるため、温度変化による周方向のすき間３９の寸法の変化を小さくすることができる。そうすると、保持器セグメント１１ａ〜１１ｄ間の周方向のすき間３９を設定した範囲内に維持することができる。したがって、このような保持器セグメント１１ａ〜１１ｄを備える円錐ころ軸受３１の機能の低下を防止することができる。

図８および図９は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受を主軸支持軸受７５として適用した、風力発電機の主軸支持構造の一例を示している。主軸支持構造の主要部品を支持するナセル７２のケーシング７３は、高い位置で、旋回座軸受７１を介して支持台７０上に水平旋回自在に設置されている。風力を受けるブレード７７を一端に固定する主軸７６は、ナセル７２のケーシング７３内で、軸受ハウジング７４に組み込まれた主軸支持軸受７５を介して、回転自在に支持されている、主軸７６の他端は増速機７８に接続され、この増速機７８の出力軸が発電機７９のロータ軸に結合されている。ナセル７２は、旋回用モータ８０により、減速機８１を介して任意の角度に旋回させられる。

軸受ハウジング７４に組み込まれた主軸支持軸受７５は、この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受であって、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数の円錐ころと、円錐ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。複数の保持器セグメントは、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを少なくとも含む。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０８％よりも大きく、０．１０％よりも小さい。

主軸支持軸受７５は、大きな風力を受けるブレード７７を一端に固定する主軸７６を支持するため、大きなモーメント荷重やスラスト荷重、ラジアル荷重等を受ける必要がある。ここで、ころを円錐ころとすることにより、大きなモーメント荷重等を受けることができる。

また、このような風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下を容易に防止した円錐ころ軸受を含むため、風力発電機の主軸支持構造自体の機能の低下を容易に防止することができる。

なお、上記の実施の形態においては、室温において、すき間の周方向の寸法を、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０８％よりも大きく、０．１０％よりも小さくすることにしたが、さらに、上限値を小さく、すなわち、０．１０％よりも小さくするようにしてもよい。こうすることにより、さらに衝突による変形等を低減することができる。

なお、上記したように、円錐ころ軸受は、第一および第二の周方向長さと異なる第三の周方向長さの保持器セグメントを含む構成としてもよい。具体的には、第三の周方向長さとして、１０２ｍｍを選ぶ。すなわち、円錐ころ軸受は、第一、第二、および第三の周方向長さを有する複数の保持器セグメントを備える構成としてもよい。また、さらに周方向長さの異なる保持器セグメントを備える構成としてもよい。

また、上記の実施の形態においては、保持器セグメントは樹脂製としたが、これに限らず、金属製の保持器セグメントについても適用されるものである。

なお、上記した構成の円錐ころ軸受を、トンネル掘削機の回転軸支持構造として適用してもよい。すなわち、トンネル掘削機の回転軸支持構造は、土砂を掘削するカッターを備えたカッターヘッドと、一方端にカッターヘッドが備えられ、カッターヘッドとともに回転する回転軸と、固定部材に組み込まれ、回転軸を回転自在に支持する複列の円錐ころ軸受とを含む。複列の円錐ころ軸受は、外輪と、内輪と、外輪および内輪の間に配置される複数の円錐ころと、円錐ころを収容するポケットを有し、外輪および内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備える。複数の保持器セグメントは、第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを少なくとも含む。複数の保持器セグメントを周方向に無間隙に配置した場合に、最初に配置される保持器セグメントと最後に配置される保持器セグメントとの間にすき間を有する。ここで、室温において、すき間の周方向の寸法は、保持器セグメントの中央を通る円の円周の０．０８％よりも大きく、０．１０％よりも小さい。

このように構成することによっても、機能の低下を容易に防止したトンネル掘削機の回転軸支持構造を提供することができる。この場合、ころ軸受に、軸受内部への異物の侵入を防止するシールが設けられていてもよい。

なお、上記の実施の形態においては、保持器セグメントに収容されるころとして、円錐ころを用いたが、これに限らず、円筒ころや針状ころ、棒状ころ等を用いてもよい。

また、上記の実施の形態において、外輪の外径寸法は２５００ｍｍとし、内輪の内径寸法は、２０００ｍｍとしたが、これに限らず、外輪の外径寸法が１０００ｍｍ以上であり、内輪の内径寸法が７５０ｍｍ以上である大型のころ軸受についても適用される。なお、例えば、上記した用途において実際に使用される大型のころ軸受としては、外輪の外径寸法が５０００ｍｍ以下であり、内輪の内径寸法が４５００ｍｍ以下のものが適用される。

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。

この発明に係るころ軸受は、機能の低下の防止が要求される風力発電機の主軸支持構造に、有効に利用される。

また、この発明に係る風力発電機の主軸支持構造は、機能の低下の防止が要求される場合に、有効に利用できる。

また、この発明に係るころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法は、周方向のすき間量の容易な調整が要求される場合に、有効に利用できる。

この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受のうち、最初の保持器セグメントと最後の保持器セグメントの間のすき間を示す拡大断面図である。 この発明の一実施形態に係る円錐ころ軸受に含まれる保持器セグメントの斜視図である。 図２に示す保持器セグメントを、図２中の線ＩＩＩ−ＩＩＩを含み、軸受の回転軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。 図２に示す保持器セグメントを、柱部の中央を通り、円周方向に直交する平面で切断した場合の断面図である。 複数の保持器セグメントを周方向に配置した場合の円錐ころ軸受の概略断面図である。 隣接する保持器セグメントを示す拡大断面図である。 保持器安全率と周方向のすき間との関係を示すグラフである。 この発明に係る円錐ころ軸受を用いた風力発電機の主軸支持構造の一例を示す図である。 図８に示す風力発電機の主軸支持構造の図解的側面図である。 従来における保持器セグメントの斜視図である。 図１０に示す保持器セグメントを備える円錐ころ軸受の一部を、軸受の転動軸線に直交する平面で切断した場合の断面図である。 図１０に示す保持器セグメントを備える円錐ころ軸受を、軸受の転動軸線に直交する平面で切断した場合の概略断面図である。

符号の説明

１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ 保持器セグメント、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，３４ 円錐ころ、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ポケット、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ 柱部、１５ａ，１５ｂ 連結部、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１８ｂ，１８ｃ 案内爪、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ 端面、２２ ＰＣＤ、３１ 円錐ころ軸受、３２ 外輪、３３ 内輪、３９ すき間、７０ 支持台、７１ 旋回座軸受、７２ ナセル、７３ ケーシング、７４ 軸受ハウジング、７５ 主軸支持軸受、７６ 主軸、７７ ブレード、７８ 増速機、７９ 発電機、８０ 旋回用モータ、８１ 減速機。

Claims (1)

1. 外輪と、内輪と、前記外輪および前記内輪の間に配置される複数のころと、前記ころを収容するポケットを有し、前記外輪および前記内輪の間で周方向に順次連ねて配置される複数の保持器セグメントとを備え、前記保持器セグメントは、樹脂製であり、前記樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンであり、前記樹脂は、熱による線膨張係数を低下させる充填材を含み、前記充填材は、少なくとも炭素繊維またはガラス繊維のいずれかを含み、前記樹脂の熱による線膨張係数は、１．３×１０^−５／℃以上１．７×１０^−５／℃以下であり、前記樹脂中の前記充填材の充填比率は、２０重量％以上４０重量％以下であり、前記ころは、円錐ころであり、前記外輪および前記内輪は、鋼製であり、前記保持器セグメントの熱による線膨張係数は、前記外輪および前記内輪のうち、少なくとも一方の熱による線膨張係数と同等であり、保持器セグメント間のすき間の寸法を調整する風力発電機の主軸支持用ころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法であって、
   第一の周方向長さを有する第一の保持器セグメントと、前記第一の周方向長さと異なる第二の周方向長さを有する第二の保持器セグメントとを予め準備し、
   予め準備した少なくとも前記第一の保持器セグメントと前記第二の保持器セグメントとを組み合わせて、保持器セグメント間の周方向のすき間の寸法を調整する、風力発電機の主軸支持用ころ軸受の保持器セグメント間のすき間調整方法。
   

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