JP2019060465A - 旋回軸受のシール構造および旋回軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】通常の運転時に旋回軸受の低トルク化を図り、軸受内圧が上昇したときシール性を確保することができる旋回軸受のシール構造および旋回軸受を提供する。
【解決手段】この旋回軸受のシール構造は、内輪１および外輪２の互いに対向する周面にそれぞれ軌道溝１ｂ，２ｂが形成され、これら内外輪１，２の軌道溝１ｂ，２ｂ間に複数の転動体３が設けられ、内外輪１，２間の軸受空間８の軸方向端部を密封する弾性体製のシール部材７Ａ，７Ｂを備える。シール部材７Ａは、外輪２に保持される基部２０と、この基部２０から旋回軸受の軸方向の内側に延びて、リップ溝３１に、自然状態でリップ溝３１の内面にラビリンスすきまδａを介して収容される主リップ２１と、部２０からこの旋回軸受の軸方向の外側に斜めに延びる副リップ２２とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、風力発電装置のヨー、ブレード用の旋回座、デッキクレーン、建設機械、物揚機械等、屋外または屋内に近接して使用される諸機械の旋回部に使用される旋回軸受のシール構造および旋回軸受に関する。

図９に示すように、一般的な風力発電装置のヨー、ブレード用の旋回座等に使用される旋回軸受は、内外輪４３，４４、内外輪４３，４４間に介在する複数の鋼球４５、これら鋼球４５を円周方向等間隔に保持する保持器４６、および潤滑用グリースを軸受内部に保持するシール部材４０を主要な構成要素としている。
シール部材４０は二枚のシールリップ４１，４２がそれぞれラジアル接触する構造が知られているが、この構造では軸受のトルク増大が避けられず、軸受の内圧上昇に伴いシール部材４０の姿勢が大きく変化するので、グリース漏れの懸念が生じる。

ここで、シール性を確保しつつ軸受のトルクを抑制するシール構造として、摺動面に接触する主リップと、非接触でラビリンスシールを形成する副リップとを有する先行技術（特許文献１，２）がある。

特開２００６−１７０３１３号公報 特開２００７−１９２２５８号公報

図９の従来技術では、内圧上昇に伴いシールの姿勢が大きく変化する（図６-(8)）ので、グリース漏れの懸念があり、シール姿勢の変化を抑制するためには、リップの厚みを増やす等、シール剛性を上げる必要がある。しかし、この場合、さらに軸受のトルクが増大する結果となる。
前記先行技術では、摺動面に接触する主リップと、非接触でラビリンスシールを形成する副リップとを有するシール構造なので、軸受のトルクの軽減効果は期待できるものの、内圧が上昇したときのシール性は期待できない。

この発明の目的は、通常の運転時に旋回軸受の低トルク化を図り、軸受内圧が上昇したときシール性を確保することができる旋回軸受のシール構造および旋回軸受を提供することである。

この発明の旋回軸受のシール構造は、軌道輪である内輪および外輪の互いに対向する周面にそれぞれ軌道溝が形成され、これら内外輪の軌道溝間に複数の転動体が設けられ、前記内外輪間の軸受空間の軸方向端部を密封する弾性体製のシール部材を備えた旋回軸受のシール構造において、
前記内外輪のうちのいずれか一方の軌道輪の前記周面に、環状のリップ溝を備え、
前記シール部材は、
前記内外輪のうちの他方の軌道輪に保持される基部と、
この基部から前記旋回軸受の軸方向の内側に延びて、前記リップ溝に、自然状態で前記リップ溝の内面にラビリンスすきまを介して収容される前記主リップと、を備えている。
前記自然状態とは、軌道輪にシール部材を組み込んだシール組立状態であり、シール部材に外力が作用しない状態である。
前記ラビリンスすきまは、設計等によって任意に定めるラビリンスすきまであって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切なラビリンスすきまを求めて定められる。

この構成によると、主リップが、リップ溝に、自然状態で前記リップ溝の内面にラビリンスすきまを介して収容されるため、通常の運転時、旋回軸受の低トルク化を図ることができる。また設定されたラビリンスすきまに応じてグリース漏れの防止を図れる。
旋回軸受への追加給脂または運転時の遠心力等によって軸受内圧が上昇すると、軸受空間のグリースが主リップを押し出そうとする力が働き、主リップをリップ溝へ接触させる。主リップが、リップ溝に、自然状態で前記リップ溝の内面にラビリンスすきまを介して収容されるため、軸受内圧の上昇時、主リップをリップ溝に確実に接触させることができる。このように、非接触シールまたは軽接触シールから接触シールへとシール部材の機能が変化する。これによりグリース漏れを防止する効果を高めることができる。軸受内圧が下がると、再び主リップは元の自然状態の位置に戻る。

前記シール部材は、前記基部から前記旋回軸受の軸方向の外側に延びて、前記一方の軌道輪の前記周面に接する副リップを有してもよい。この副リップにより、ラビリンスすきまからのグリース漏れを抑制することができる。したがって、通常の運転時のシール性能を高めることができる。

前記他方の軌道輪に、前記基部の一部分を嵌め込む嵌合凹部を備えてもよい。この場合、前記軌道輪の嵌合凹部に基部の一部分を嵌め込むこと等により、基部を軌道輪に容易に且つ確実に保持することが可能となる。

この発明の旋回軸受は、前記いずれかのシール構造を備えている。
この構成によると、上述したこの発明の作用および効果が得られる。したがって、この旋回軸受を様々な用途の機械の旋回部に使用することができる。

この発明の旋回軸受のシール構造は、軌道輪である内輪および外輪の互いに対向する周面にそれぞれ軌道溝が形成され、これら内外輪の軌道溝間に複数の転動体が設けられ、前記内外輪間の軸受空間の軸方向端部を密封する弾性体製のシール部材を備えた旋回軸受のシール構造において、前記内外輪のうちのいずれか一方の軌道輪の前記周面に、環状のリップ溝を備え、前記シール部材は、前記内外輪のうちの他方の軌道輪に保持される基部と、この基部から前記旋回軸受の軸方向の内側に延びて、前記リップ溝に、自然状態で前記リップ溝の内面にラビリンスすきまを介して収容される前記主リップと、を備えた。このため、通常の運転時に旋回軸受の低トルク化を図り、軸受内圧が上昇したときシール性を確保することができる。

この発明の一実施形態に係るシール構造が適用された旋回軸受の断面図に部分拡大図を付け加えた図である。 同旋回軸受のシール部材の断面図である。 同旋回軸受のリップ溝等を示す部分拡大断面図である。 同旋回軸受のシール部材の組込み状態を示す部分拡大断面図である。 同旋回軸受の内圧上昇時の部分拡大断面図である。 同シール構造と従来仕様のシール構造とを比較して示す図である。 風力発電装置の一例の一部を切り欠いて表わした斜視図である。 同風力発電装置の破断側面図である。 従来技術のシール構造が適用された旋回軸受の断面図に部分拡大図を付け加えた図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図６と共に説明する。
この旋回軸受は、例えば風力発電装置のブレードを主軸に対して主軸軸心に略垂直な軸心回りに旋回自在に支持する軸受、または風力発電装置のナセルを支持台に対して旋回自在に支持する軸受として使用される。

＜旋回軸受について＞
図１に示すように、旋回軸受は、軌道輪である内輪１および外輪２と、複数の転動体３と、保持器４と、シール部材７Ａ，７Ｂとを備える。この例の旋回軸受は、後述するように、四点接触玉軸受として構成されている。内輪１の外周面１ａおよび外輪２の内周面２ａは、径方向に互いに対向する周面である。内輪１の外周面１ａに二列の軌道溝１ｂ，１ｂが形成され、外輪２の内周面２ａに二列の軌道溝２ｂ，２ｂが形成されている。これら軌道溝１ｂ，１ｂと軌道溝２ｂ，２ｂとは径方向に互いに対向する。

軌道溝１ｂ，２ｂ間には、各列複数の転動体３が転動自在に設けられている。この例の転動体３はボールである。保持器４は、例えば鉄板から成り、内輪１および外輪２の間に配置され、転動体３が入るポケットを有する。内輪１の外周面１ａは、シール部材７Ａに対向するリップ摺動面１ａａ（後述する）と、このリップ摺動面１ａａに段差を介して繋がる保持器収容面１ａｂとを有する。この保持器収容面１ａｂは、リップ摺動面１ａａよりも段差分半径方向内方に位置する円筒面状である。

外輪２の内周面２ａは、シール部材７Ｂに対向するリップ摺動面２ａａと、このリップ摺動面２ａａに段差を介して繋がる保持器収容面２ａｂとを有する。この保持器収容面２ａｂは、リップ摺動面２ａａよりも段差分半径方向外方に位置する円筒面状である。これら保持器収容面１ａｂ，２ａｂ間に、所定隙間を介して保持器４が設けられている。なお保持器４の代わりに間座（図示せず）を用いてもよい。

内輪１および外輪２の各軌道溝１ｂ，２ｂは、いずれも二つの曲面で構成されている。各軌道溝１ｂ，２ｂを構成する二つの曲面は、それぞれ転動体３よりも曲率半径が大きく、曲率中心が互いに異なるゴシックアーチ状の断面円弧状である。この旋回軸受は、各転動体３が、内輪１の軌道溝１ｂおよび外輪２の軌道溝２ｂの前記各曲面に接点で接して四点接触する四点接触玉軸受である。

内輪１には、複数の貫通孔５が円周方向一定間隔おきに設けられている。これら貫通孔５は、例えば、内輪１を後述のナセルのケーシング、ブレード等に連結固定するために用いられる。外輪２にも、複数の貫通孔６が円周方向一定間隔おきに設けられている。これら貫通孔６は、例えば、外輪２を後述の支持台等に連結固定するために用いられる。各貫通孔５，６は、軸受軸方向に平行に形成されている。

内輪１および外輪２は、軸方向端の位置、この例では上下端の位置が互いに段差δ分だけ異なっている。この例の場合、上端については、内輪１の軸方向端の方が外輪２の軸方向端よりも軸方向外側つまり上側に位置し、下端については、外輪２の軸方向端の方が内輪１の軸方向端よりも軸方向外側につまり下側に位置している。

軸方向端が軸方向の内側に位置する軌道輪に、環状のシール部材７Ａ，７Ｂが取り付けられている。シール部材７Ａ，７Ｂにより、内輪１と外輪２間の軸受空間８の上下端がそれぞれ密封されている。軸受空間８内にはグリースが充填される。なお、軸受空間８の軸方向の一方からグリースが漏れるのを防止する場合は、漏らしたくない側だけにシール部材を設けても良い。例えば、ブレード支持用の軸受の場合、軸受空間８のブレード側端にだけシール部材を設けることがある。

＜シール構造について＞
以下、シール部材７Ａ，７Ｂによるシール構造について説明するが、軸受空間８の上端のシール構造も下端のシール構造も基本的に同じであるので、代表して図２〜図５に示す上端のシール構造７Ａについて説明し、下端のシール構造については説明を省略する。
図１の部分拡大図に示すように、外輪２の内周面２ａの上端部には、シール部材７Ａを取り付けるための環状切欠き１０が設けられている。

図３に示すように、環状切欠き１０は、外輪２の内周面２ａから上端面２ｃに渡る断面形状が略長方形の主部１１と、この主部１１の径方向中間部から下方に延びる嵌合凹部１２とを有する。主部１１の底面となる外輪２の上面の高さは嵌合凹部１２の両側で異なっており、内径側上面１３の方が外径側上面１４よりも低く形成されている。嵌合凹部１２の外周側の壁面には、圧入代としての環状溝１５が形成されている。この例の場合、環状溝１５は、嵌合凹部１２の軸方向の中間部よりも若干上側に位置し、断面形状が円弧状である。

図２および図４に示すように、シール部材７Ａは、例えば、ニトリル系、アクリル系等の弾性体からなり、環状切欠き１０に取り付けられる基部２０と、基部２０からこの旋回軸受の軸方向の内側に斜めに延びる主リップ２１と、基部２０からこの旋回軸受の軸方向の外側に斜めに延びる副リップ２２とを備える。後述する主リップ２１は、主に軸受空間８からのグリース漏れを防ぐ。副リップ２２は、シール部材７Ａの組込み状態において内輪１の外周面１ａに接触し、主に外部から水分、塵埃等の異物が軸受空間８へ侵入するのを防ぐ。

基部２０は、基部本体２３と、嵌合凸部２４とを有する。基部本体２３は、環状切欠き１０の主部１１に配置される。基部２０の一部分である嵌合凸部２４は、基部本体２３から軸方向の内側に突出し、嵌合凹部１２に嵌まり込む。嵌合凸部２４の軸方向の突出長さは、嵌合凹部１２の軸方向深さよりも寸法が短い。また、嵌合凸部２４の径方向の幅は、嵌合凹部１２の径方向の幅よりも若干狭い。

嵌合凸部２４の外径側の面には、嵌合凹部１２の環状溝１５に圧入嵌合させる第１の環状突起２５が突出している。この第１の環状突起２５は、環状溝１５に対応する軸方向の位置にあり、かつ断面形状が円弧状である。また、嵌合凸部２４の内径側の面には、第１の環状突起２５よりも径方向寸法および軸方向寸法が共に小さい第２の環状突起２６が突出している。

シール部材７Ａを外輪２の環状切欠き１０に組み込むにあたっては、基部本体２３を環状切欠き１０の主部１１に配置させ、かつ嵌合凸部２４を嵌合凹部１２に圧入により嵌め込む。嵌合凸部２４を嵌合凹部１２に嵌め込んだ状態において、環状切欠き１０の主部１１の周面１６（図１）と基部本体２３の端面２９とが互いに離れている。また、嵌合凹部１２の底面１７と嵌合凸部２４の下面３０とが互いに離れている。

このシール部材７Ａの組込み状態では、嵌合凹部１２に嵌合凸部２４が嵌まり込むことで、シール部材７Ａの基部２０が外輪２の環状切欠き１０に保持される。このとき、第１の環状突起２５が環状溝１５に係合することで、嵌合凹部１２から嵌合凸部２４が抜けなくしている。また、第２の環状突起２６が嵌合凹部１２の内周側の壁面に押されて変形し、圧入代として機能する。これにより、シール部材７Ａの嵌合凸部２４は、外輪２に対して固定された状態となる。嵌合凹部１２を嵌合凸部２４の底面および壁面に接着剤で固定すれば、嵌合凸部２４の固定力がより一層高まる。

図３に示すように、内輪１の外周面１ａには、主リップ２１（図２）の先端部を収容する環状のリップ溝３１が形成されている。リップ溝３１は、このリップ溝３１の底面を成す溝底面部３１ａ、この溝底面部３１ａの軸方向内側縁から外周面１ａまで延びる溝側面部３１ｂ、および溝底面部３１ａの軸方向外側縁から外周面１ａまで延びる溝テーパ側面部３１ｃを含む。この溝テーパ側面部３１ｃは、軸方向を含む平面で内輪１を切断した断面において、外径側に向かうに従って軸方向外側に傾斜するテーパ形状に形成されている。図４に示すように、外周面１ａに対する溝テーパ側面部３１ｃの傾斜角度は、自然状態における主リップ２１の軸方向外側面２１ａに対し平行になるように形成されている。

図４に示すシール部材７Ａの組込み状態では、主リップ２１の先端部がリップ溝３１に、自然状態でリップ溝３１の内面にラビリンスすきまδａを介して収容される。このラビリンスすきまδａは、シール部材７Ａに外力が作用しない自然状態で形成されるすきまであり、主リップ２１の軸方向外側面２１ａと溝テーパ側面部３１ｃとの間に形成される第１すきまδａａ，主リップ２１の先端縁部と溝底面部３１ａとの間に形成される第２すきまδａｂおよび主リップ２１の先端縁部と溝側面部３１ｂとの間に形成される第３すきまδａｃを含む。主リップ２１は、前記自然状態において、第１，第２および第３すきまδａａ，δａｂ，δａｃが連通する（換言すればリップ溝３１に接触しない）非接触シールとして機能する。軸受空間８の内圧上昇時には、シール部材７Ａは、主リップ２１の軸方向外側面２１ａがリップ溝３１の溝テーパ側面部３１ｃに接触する接触シールとして機能する（図５）。

前記ラビリンスすきまδａの設定によってシール部材７Ａの特性を調整し得る。
例えば、ラビリンスすきまδａを大きくすると、主リップ２１の「非接触→接触」に移行する内圧が高くなり、多少のグリース漏れを許容しても旋回軸受の低トルク化が必要な場合に有効である。

逆に、ラビリンスすきまδａを小さくすると、主リップ２１の「非接触→接触」に移行する内圧が低くなり、トルク上昇を許容してでもグリース漏れを防ぐ場合に有効である。ここで、主リップ２１の自然状態で、ラビリンスすきまδａを若干のマイナス（主リップ２１がリップ溝３１に軽接触しラビリンスシールでなくなる）とすることも可能である。この場合、さらにグリース漏れし難いシール部材７Ａを提供し得る。

＜実施形態のシール構造と従来仕様のシール構造との比較＞
図６の左側の図６-(1)，図６-(2)，図６-(3)，図６-(4)が実施形態のシール構造であり、図６の右側の図６-(5)，図６-(6)，図６-(7)，図６-(8)が従来仕様のシール構造である。
図６-(3)に示すように、シール部材７Ａの組込み状態で通常の運転時には、副リップ２２が内輪１のリップ摺動面１ａａに接触しているものの、主リップ２１が自然状態でリップ溝３１にラビリンスすきまδａを介して設けられるラビリンスシールとして機能しているため、低トルク化を図れる。

軸受への追加給脂または運転時の遠心力等によって軸受内圧が上昇すると、図６-(4)に示すように、軸受空間８のグリースが主リップ２１を押し出そうとする力が働き、主リップ２１をリップ溝３１へ接触させる。このとき、前記ラビリンスシールは、接触シールへと機能変化することで、グリース漏れを防止し得る。
その後、軸受空間８のグリースが図示外の排脂ボトルへ排出されて軸受内圧が下がると、図６-(3)に示すように、再び、主リップ２１は元の位置に戻り、前記接触シールからラビリンスシールへと機能変化する。つまり、本シール構造であれば、軸受内圧の状態に応じて、適切なシール機能を発揮する。

これに対して従来仕様のシール構造では、図６-(7)に示すように、シール部材４０の組込み状態で通常の運転時には、主リップ４１および副リップ４２が共に内輪外周面に接触しているため、グリース漏れを防止する効果は高いものの軸受のトルクが増大する。軸受内圧が上昇すると、図６-(8)に示すように、内圧上昇に伴いシール部材４０の姿勢が大きく変化するので、グリース漏れの懸念がある。

＜作用効果について＞
以上説明した旋回軸受のシール構造によれば、主リップ２１が、リップ溝３１に、自然状態で前記リップ溝３１の内面にラビリンスすきまδａを介して収容されるため、通常の運転時、旋回軸受の低トルク化を図ることができる。また設定されたラビリンスすきまδａに応じてグリース漏れの防止を図れる。
旋回軸受への追加給脂または運転時の遠心力等によって軸受内圧が上昇すると、軸受空間８のグリースが主リップ２１を押し出そうとする力が働き、主リップ２１をリップ溝３１へ接触させる。主リップ２１が、リップ溝３１に、自然状態でリップ溝３１の内面にラビリンスすきまδａを介して収容されるため、軸受内圧の上昇時、主リップ２１をリップ溝３１に確実に接触させることができる。このように、非接触シールまたは軽接触シールから接触シールへとシール部材７Ａ，７Ｂの機能が変化する。これによりグリース漏れを防止する効果を高めることができる。また副リップ２２がリップ摺動面１ａａに常に接触しているため、通常の運転時にラビリンスすきまδａからのグリース漏れを抑制することができる。したがって、通常の運転時のシール性能を高めることができる。

いずれかのシール構造を適用可能な旋回軸受としては、四点接触玉軸受以外に、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、自動調心ころ軸受、クロスローラー軸受および三点接触玉軸受等が挙げられる。なお四点接触玉軸受は単列であっても良い。

＜旋回軸受の適用例について＞
図７および図８は風力発電装置の一例を示す。この風力発電装置５１は、支持台５２上にナセル５３を水平旋回自在に設け、このナセル５３のケーシング５４内に主軸５５を回転自在に支持し、この主軸５５のケーシング５４外に突出した一端に、旋回翼であるブレード５６を取り付けてなる。主軸５５の他端は増速機５７に接続され、増速機５７の出力軸５８が発電機５９のロータ軸に結合されている。

ナセル５３は、旋回軸受ＢＲ１により旋回自在に支持される。前記各実施形態のうちのいずれかのシール構造が適用された旋回軸受において、例えば、外輪２の外周面にギヤ等が設けられたものが、前記ナセル５３用の旋回軸受ＢＲ１に用いられる。図７に示すように、ケーシング５４に複数の駆動源６０が設置され、各駆動源６０に図示しない減速機を介してピニオンギヤが固定される。外輪２（図１）の前記ギヤが前記ピニオンギヤに噛み合うように配置される。例えば、外輪２が複数の貫通孔５により支持台５２に連結固定され、内輪１（図１）がケーシング５４に固定される。複数の駆動源６０を同期して駆動させ、この旋回駆動力を外輪２へ伝達する。よって、支持台５２に対してナセル５３が相対的に旋回可能となる。

ブレード５６は、旋回軸受ＢＲ２により旋回自在に支持される。この旋回軸受ＢＲ２は、前記各実施形態のうちのいずれかのシール構造が適用された旋回軸受において、例えば、内輪１の内周面にギヤを設けたものが適用される。主軸５５の突出した先端部５５ａには、ブレード５６を旋回駆動する駆動源が設けられる。前記先端部５５ａにこの旋回軸受の外輪２が連結固定され、内輪１の内周面に設けたギヤが、前記駆動軸のピニオンギヤに噛み合っている。この駆動源を駆動させ、この旋回駆動力を内輪１に伝達することで、ブレード５６が旋回可能となる。したがって、旋回軸受ＢＲ２は、風力発電装置のブレード５６を主軸５５に対して、主軸軸心Ｌ１に略垂直な軸心Ｌ２回りに旋回自在に支持する。このように、ブレード５６の角度およびナセル５３の向きを風の状態に合わせて随時変更する。

この発明の旋回軸受は、風力発電装置以外にも、例えば油圧ショベル、クレーン等の建設機械、工作機械の回転テーブル、砲座、パラボラアンテナ等に適用できる。

以上、実施形態に基づいてこの発明を実施するための形態を説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１…内輪（軌道輪）
１ｂ…軌道溝
２…外輪（軌道輪）
２ｂ…軌道溝
３…転動体
７Ａ，７Ｂ…シール部材
８…軸受空間
１２…嵌合凹部
２０…基部
２１…主リップ
２２…副リップ
３１…リップ溝
δａ…ラビリンスすきま
ＢＲ１，ＢＲ２…旋回軸受

Claims (4)

1. 軌道輪である内輪および外輪の互いに対向する周面にそれぞれ軌道溝が形成され、これら内外輪の軌道溝間に複数の転動体が設けられ、前記内外輪間の軸受空間の軸方向端部を密封する弾性体製のシール部材を備えた旋回軸受のシール構造において、
   前記内外輪のうちのいずれか一方の軌道輪の前記周面に、環状のリップ溝を備え、
   前記シール部材は、
   前記内外輪のうちの他方の軌道輪に保持される基部と、
   この基部から前記旋回軸受の軸方向の内側に延びて、前記リップ溝に、自然状態で前記リップ溝の内面にラビリンスすきまを介して収容される前記主リップと、を備えた旋回軸受のシール構造。
2. 請求項１に記載の旋回軸受のシール構造において、前記シール部材は、前記基部から前記旋回軸受の軸方向の外側に延びて、前記一方の軌道輪の前記周面に接する副リップを有する旋回軸受のシール構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の旋回軸受のシール構造において、前記他方の軌道輪に、前記基部の一部分を嵌め込む嵌合凹部を備えた旋回軸受のシール構造。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のシール構造を備えた旋回軸受。

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