一种低发热风电主轴轴承

技术领域

本发明属于风电轴承技术领域，具体地说，是一种低发热风电主轴轴承。

背景技术

风力发电是清洁环保可再生能源开发利用的重要途径。近几年，风电装备技术快速发展，装机容量持续增长。

在直驱风力发电机组中，主轴轴承为风电机组中关键机械（主轴系统）的受载支承部件，由于风电机组的吊装维护难度大，因此主轴轴承在20年寿命期内的可靠性要求极高，风电机组主轴轴承的运转性能日益受到重视。在现有不同类型的风电机组中，支承主轴系统的轴承结构类型有多种，由于三排滚子轴承具有承载性能和加工工艺性方面的优势，因此其在直驱风力发电机的风电机组中，是十分具有应用潜力的主轴轴承结构形式。

现有技术中的三排滚子轴承，结构如图1所示：其主要包括外圈4a、设置在外圈内部的主推力内圈1a和副推力内圈9a、在外圈4a与两个内圈之间设置有主推力滚子3a、副推力滚子8a、径向滚子5a以及与各排滚子对应设置维持滚子沿轴承圆周均布的主推力保持架2a、副推力保持架7a和径向保持架6a。其中的主推力滚子3a和副推力滚子8a与轴承回转中心轴线垂直设置，是三排滚子轴承当中重要的承载滚动元件，在三排滚子轴承的使用回转过程中抵抗着来自风轮的轴向载荷和力矩载荷的作用。

现有技术中，三排滚子轴承中的主推力滚子3a、副推力滚子8a以及径向滚子5a均采用圆柱滚子，对于主推力滚子3a和副推力滚子8a来说，由于滚子两端所在位置的滚道圆周半径不同，所对应的滚道圆周周长也不同，从而，在滚子的公转过程中，滚子的外侧端部滞后于内侧端部，导致滚子产生歪斜的趋势。

现有技术中，为了对推力滚子进行约束，滚子外表面与对应保持架兜孔内表面的装配都是接触限定状态，因此，保持架会通过强制滚子两端相对于滚道的滑动来维持滚子的正确姿态。在风力载荷的作用下，仅单个滚子与滚道之间的接触负荷已达到数百千牛，当轴承在风电机组主机中连续不停的回转时，滚子与滚道之间在高负荷作用下的连续滑动运动导致大量的摩擦发热，致使轴承温升过高。

另外，在现有的三排滚子风电主轴轴承中，保持架兜孔表面与滚子的外圆柱面相接触，通过约束滚子的外圆柱面来维持滚子在轴承圆周方向的均匀分布。具体来说，滚子被装配在相应保持架的兜孔中，在轴承的回转过程中，滚子的外圆柱面与兜孔内表面之间存在大面积的滑动摩擦接触，也会导致轴承发热。

再者，现有技术中的三排滚子轴承中，为实现保持架在滚道型腔中的定位，保持架与滚道之间的大量滑动摩擦也会导致轴承的发热和温升。

总之，现有技术中的三排滚子风电主轴轴承中的大量滑动接触摩擦是导致轴承温升过高的根源，温升热胀进一步带来轴承配合状态的改变和力学性能的恶化、轴承寿命的缩短，甚至轴承烧损。因此亟需一种改进的三排滚子轴承结构能够解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低发热风电主轴轴承。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种低发热风电主轴轴承，包括内圈和外圈，在内圈和外圈之间安装有两排承受轴向载荷的推力滚子和一排承受径向载荷的径向滚子，其特征在于：所述的推力滚子均为锥形，每排推力滚子满足：推力滚子的中心线、推力滚子与相应推力内圈滚道的接触线以及推力滚子与相应推力外圈滚道的接触线共同交汇于轴承回转轴线上的同一点。

优选地，与每排推力滚子对应的推力内圈的滚道面为外锥面，与每排推力滚子对应的推力外圈滚道面为平面。

进一步地，与每排推力滚子对应的推力内圈滚道与推力外圈滚道的母线均设计有凸度，在径向上呈中部高、两端低的凸状。

进一步地，每排推力滚子均通过自己的推力保持架安装在内圈与外圈之间，所述的推力保持架包括内环和外环，在内环和外环之间连接有沿圆周均匀分布的过梁柱，在相邻两个过梁柱之间形成推力滚子安装窗孔，推力滚子设在推力滚子安装窗孔中，推力滚子的两端分别设有一个推力滚子定位销，推力滚子定位销的一端设有球形面，其与推力滚子端部设置的球窝形沉孔配装，推力滚子定位销的另一端设有螺纹段，位于内侧的推力滚子内定位销通过螺纹段与内环的螺纹孔相连接，位于外侧的推力滚子外定位销通过螺纹段与外环的螺纹孔相连接。

进一步地，推力滚子内定位销的螺纹段牙底直径大于相邻光轴段的直径，

在该螺纹段的末端设置有台阶头部；推力滚子外定位销螺纹段的牙顶直径比相邻光轴段的直径小，从而在推力滚子外定位销的螺纹段与相邻光轴段之间形成装配压紧定位台阶。

进一步地，所述的过梁柱一端设置有与外环上光孔配装的光轴段，另一端设置有与内环上相应螺纹孔配装的螺纹段，在该螺纹段的末端设置有直径大于该螺纹段牙顶直径的限位头部。

进一步地，与每排推力滚子对应的推力内圈滚道两侧设置有挡边，实现对推力滚子沿轴承径向的定位。

优选地，用于安装径向滚子的径向保持架包括上环和下环，在上环和下环之间连接有沿圆周均匀分布的径向过梁柱，在相邻两个径向过梁柱之间形成径向滚子安装窗孔，径向滚子设在径向滚子安装窗孔中，径向滚子的两端分别设有一个径向滚子定位销，径向滚子定位销的一端设有球形面，其与径向滚子端部设置的球窝形沉孔配装，径向滚子定位销的另一端设有螺纹段，位于上方的径向滚子安装上定位销通过螺纹段与上环的螺纹孔相连接，位于下方的径向滚子安装下定位销通过螺纹段与下环的螺纹孔相连接。

有益效果：

（1）本发明中，推力滚子采用锥形，且推力滚子的中心线、推力滚子与推力内圈滚道的接触线、推力滚子与推力外圈滚道的接触线共同交汇于轴承回转轴线上的一点，由此可实现推力滚子与推力滚道之间的纯滚动，避免了推力滚子与推力滚道之间在高负荷作用下产生滑动运动所导致的大量摩擦发热。

（2）将推力内圈滚道的滚道面设置为外锥面，推力外圈滚道的滚道面设置为垂直于轴承回转轴线的平面，从而不仅推力外圈滚道对径向载荷作用下内圈、外圈之间的相对径向位移无任何限制，避免推力滚子对径向滚子承受径向载荷的干涉；而且这种结构更便于加工制造，具有极大的工艺方便性。

（3）进一步优选方案中，将推力内圈滚道与推力外圈滚道的母线设计为具有凸度的结构，避免了推力滚子两端与滚道接触，从而可避免端部接触部位滚道面的应力集中和早期疲劳失效，减少了推力滚子接触线长度和循环弹性接触的形变发热。

（4）对滚子与保持架安装组件的设计中，通过滚子端部球窝形沉孔与滚子定位销球面形工作端之间的装配结构，并在滚道两侧设置挡边，不仅实现了保持架对滚子进行圆周均布约束的功能、保持架在滚道型腔中的定位，而且避免了保持架与滚子的滚动面之间、保持架与滚道的挡边面之间的摩擦，最大限度减小了保持架与滚子之间的滑动摩擦接触面的面积，降低了轴承工作过程中的发热。另外保持架中过梁柱均采用圆柱形结构，也十分有利于润滑脂的流动和摩擦散热。

（6）本发明的保持架与滚子的安装组件采用了特殊的安装结构，同时由于滚子采用挡边进行定位，保持架与滚道型腔周边均不接触，显著减小了滚道型腔空间的占用，从而可减小润滑脂对保持架公转的阻碍作用，降低保持架与润滑脂之间的摩擦发热，另外本发明的保持架体积的减小也带来重量的减少，从而也减少了保持架由于重力载荷造成的摩擦发热。

附图说明

图1为现有技术中三排滚子风电主轴轴承结构示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为推力滚道凸度结构示意图。

图4为推力滚子与推力保持架装配结构示意图。

图5为推力滚子结构示意图。

图6为推力保持架结构示意图。

图7为推力滚子内定位销结构示意图。

图8为推力滚子外定位销结构示意图。

图9为过梁柱。

图10为径向滚子与径向保持架装配结构图

图11为径向保持架。

图12为径向过梁柱。

图中标记：1、主推力内圈，101、推力内圈滚道，102、挡边，2、主推力保持架，21、内环，22、外环，23、推力滚子内定位销，231、球形面，232、螺纹段，233、台阶头部，234、一字槽，24、推力滚子外定位销， 242、装配压紧定位台阶，25、过梁柱，251、光轴段，252、定位台阶，253、螺纹连接段， 254、限位头部，3、主推力滚子，4、外圈，401、推力外圈滚道，5、径向滚子，6、径向保持架，61、上环，62、下环，63、径向滚子定位销 ，64、径向过梁柱，641、径向光轴段，642、连接定位段，643、径向螺纹段，7、副推力保持架，8、副推力滚子，9、副推力内圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

本文所述 “内”、“外”等方位词均与相应附图本身的方位相同，其仅仅是为了便于说明本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

“主推力内圈”、“副推力内圈”等术语中的“主” 和“副”，指的是轴承在风电机组中安装以后，承受迎风向风轮推力载荷作用的内圈为主推力内圈，相应的滚子为主推力滚子，相应的保持架为主推力保持架；另一个相对为副推力内圈、副推力滚子，副推力保持架，也即是说“主”和“副”并不构成对轴承结构本身的限定。

参照附图2所示，一种低发热风电主轴轴承，包括内圈和外圈4，在内圈和外圈4之间安装有两排承受轴向载荷的推力滚子和一排承受径向载荷的径向滚子5。

如图2所示的实施例中，内圈包括主推力内圈1和副推力内圈9，采用两个内圈部单独制作后再合为一个整体内圈的方式便于轴承装配和推力内圈滚道和径向滚道的加工。

本实施例中，参照附图2所示，主推力滚子3和副推力滚子8两排推力滚子均为锥形，每排推力滚子的结构均满足：推力滚子的中心线、推力滚子与相应推力内圈滚道的接触线以及推力滚子与相应推力外圈滚道的接触线共同交汇于轴承回转轴线上的同一点。由此可实现在轴承工作过程中，推力滚子与相应推力滚道之间的纯滚动，避免了推力滚子与相应推力滚道之间在高负荷作用下产生滑动运动所导致的大量摩擦发热。

为了实现上述技术方案，采用的具体实施方式可以是与每排推力滚子对应的推力内圈的滚道面为外锥面，与每排推力滚子对应的推力外圈滚道面为平面；也可以是将锥面设置在位于外圈的推力外圈滚道中，将平面设置在相应的推力内圈滚道中，但是相对于后者，前者的加工工艺更为方便，因此优选前者。

采用上述优选实施方案，可避免推力外圈滚道上的推力滚子对径向滚子承受径向载荷产生干涉干涉。从而保证轴承正常可靠地工作。

本优选实施方案中，与每排推力滚子对应的推力内圈滚道与推力外圈滚道的母线均设计有凸度，即在径向上呈从两端到中部渐渐凸起的形状，类似于腰鼓母线。对于推力内圈滚道101，虽然其具有凸度，但是整体上仍然是一端大一端小的锥形面。

对于推力外圈滚道401，其母线的凸度也都相同，从而推力外圈滚道401的所有母线与相应推力滚子的接触线都在同一个平面即推力外圈滚道与推力滚子的接触面仍是一个平面。

这样的技术特征可以避免推力滚子端部与推力滚道接触部位滚道面的应力集中和早期疲劳失效，减少了推力滚子与相应推力滚道的接触线长度，从而减少了循环弹性接触的形变发热，并且这样的结构易于加工。

如图2和图3所示，本实施例中，每排推力滚子即主推力滚子3、副推力滚子8 均通过自己的推力保持架安装在内圈与外圈之间，推力保持架安装在相应的滚道型腔中，在本实施例中，与每排推力滚子对应的推力内圈滚道两侧均设置有挡边102，实现对推力滚子沿轴承径向的定位，推力滚子在推力内圈滚道和推力外圈滚道中滚动。

如图2所示，径向滚子和径向保持架构成的组件（如附图10）被装配在轴承内圈和外圈之间所构成的径向滚道型腔中。具体地，本实施例中，主推力内圈1与副推力内圈9在径向滚道型腔的下边缘处相连接，径向滚子在径向内圈滚道和径向外圈滚道中滚动运动，径向内圈滚道两侧也设置有挡边实现滚子沿轴承轴向的定位（具体结构与推力内圈滚道101的挡边的设置相似，可参照图3推力内圈滚道101的挡边设置）。

如图4-图6所示，以主推力保持架2为例对推力保持架的结构进行说明。所述的推力保持架包括内环21和外环22，在内环21和外环22之间连接有沿圆周均匀分布的过梁柱25，在相邻两个过梁柱之间形成推力滚子安装窗孔，推力滚子设在推力滚子安装窗孔中。

具体地，在推力滚子的两端分别设有一个推力滚子定位销，推力滚子通过两个推力滚子定位销与推力保持架的内环21和外环22配合安装。

推力滚子定位销的结构如图7和图8所示，两个推力滚子定位销的一端设有球形面231，其与推力滚子端部设置的球窝形沉孔32配装，推力滚子定位销的另一端设有螺纹段232。

位于内侧的推力滚子内定位销23通过螺纹段与内环21上的相应螺纹孔相连接，位于外侧的推力滚子外定位销通过螺纹段与外环22上的螺纹孔相连接。

如图7所示，推力滚子内定位销23的螺纹段牙底直径大于与相邻光轴段的直径，在该螺纹段的末端设置有台阶头部233，在台阶头部233的端面设置有用于与螺丝刀配合旋紧引导销的一字槽234。

如图8所示，推力滚子外定位销24的螺纹段的牙顶直径比相邻光轴段的直径小，从而在推力滚子外定位销的螺纹段与相邻光轴段之间形成装配压紧定位台阶242。

如图9所示，本实施例中，所述的过梁柱 25一端设置有与外环22上光孔配装的光轴段251，另一端设置有与内环21上相应螺纹孔配装的螺纹段253，在该螺纹段253的末端设置有直径大于该螺纹段253牙顶直径的限位头部254。

为了便于过梁柱25与外环22的安装定位，其中的光轴段251与螺纹段253之间具有一段直径大于光轴段251的过渡段（该过渡段的直径小于螺纹段253的牙底直径），从而在过渡段与光轴段251之间形成定位台阶252。

上述推力保持架与推力滚子的装配结构中，由于推力滚子两端均通过球窝形沉孔和对应的定位销与推力保持架的内环与外环对应安装，在轴承工作过程中，推力滚子与相应的定位销之间接触面积小，且为球面接触，能够相对进行转动运动，相对摩擦力小，因此发热量也大大减小。推力滚子公转过程中带动推力保持架进行公转运动。推力保持架与相应滚道面之间不存在接触，因此不会由于相对滑动产生发热，从而进一步从整体上降低了轴承的发热量。

在进行安装时，在外环22的相应螺纹孔中对应旋入推力滚子外定位销24，放入推力滚子，再放入内环，将推力滚子内定位销23从内环21上相应的螺纹孔穿出，使其球形面的工作端与推力滚子的球窝形沉孔配合安装，可通过调整两个推力滚子定位销的位置对推力滚子在推力保持架中的位置进行控制调整以满足预定要求。外定位销24在外环22上均布。

最后采用过梁柱 25将内环21与外环22固定连接，具体可将过梁柱 25从内环21上的相应螺纹孔中穿出后插入外环22中的光孔中与光孔间隙配合安装（过梁柱25也沿着内环21和外环22均布），调整内环和外环同轴后，将过梁柱 25与外环22固定连接，可采用焊接的方式。（由于过梁柱25的一端设有螺纹段，另一端设有定位台阶252，因此通过调整螺纹段与内环的配合位置后，外环利用定位台阶252进行定位，即也可以不用将过梁柱与外环焊接固定，实现可拆卸装配的效果）。

通过采用挡边对推力滚子的沿轴承径向进行定位实现对整个推力滚子及推力保持架组件进行径向定位，与现有技术中采用保持架直接与内圈和外圈接触进行定位相比，由于减少了定位接触面，因此可进一步降低轴承工作过程中相对摩擦运动所产生的发热量，同理，采用挡边对径向滚子进行轴向定位也具有降低轴承发热的效果。

如图10和图11所示，本实施例中，用于安装径向滚子5的径向保持架6包括上环61和下环62，在上环61和下环62之间连接有沿圆周均匀分布的径向过梁柱64，在相邻两个径向过梁柱之间形成径向滚子安装窗孔，径向滚子5设在径向滚子安装窗孔中，径向滚子5的两端分别设有一个径向滚子定位销 63，径向滚子定位销的一端设有球形面，其与径向滚子端部设置的球窝形沉孔配装，径向滚子定位销的另一端设有螺纹段，位于上方的径向滚子上定位销通过螺纹段与上环的螺纹孔连接，位于下方的径向滚子下定位销通过螺纹段与下环的螺纹孔连接。

径向螺纹销可采用如图8所示的推力滚子外定位销的结构。

径向滚子在径向保持架6中的具体安装可采用和推力滚子与推力保持架组件相似的安装结构，只在径向过梁柱64与过梁柱25的结构有一些差异。

如图12所示，径向过梁柱64具有一个径向光轴段641和一个径向螺纹段643，在径向光轴段641与径向螺纹段643之间具有一个直径大于径向光轴段641和径向螺纹段643的连接定位段642。径向过梁柱64在上环和下环中的安装没有方向性，既可以上端与上环61螺纹连接，另一端与下环62焊接连接，也可以下端与下环螺纹连接，上端与上环焊接连接。本段中“径向光轴段和“径向螺纹段”中的“径向”限定只是为了与其余部位的螺纹段和光轴进行区分，结构上并不受“径向”两字的限定。

轴承工作过程中，由于径向滚子5通过设在径向滚道两侧的挡边进行轴向定位，径向滚子5在径向内圈滚道和径向外圈滚道中除了绕环绕自身的两个引导销滚动转动的同时也进行围绕轴承回转轴线进行公转运动，径向滚子公转的同时引导径向保持架6的公转运动。径向保持架6与相应的滚道面之间不存在接触，因此不会由于相对滑动产生发热，从而进一步从整体上降低了轴承的发热量。

本实施例中，过梁柱 25与径向过梁柱64均采用圆柱形结构，并且他们与对应的滚子之间具有间隙，从而也十分有利于润滑脂的流动和摩擦散热。

本文未详述部分为现有技术。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。