专利名称：复合钢轴承及制造方法
技术领域：
本公开涉及复合钢轴承。更具体地，本公开涉及复合钢轴承及制造工艺和应用，包括但不限于风力发电机和其它重型设备。利用本发明的方面可以制造多个环轴承和平面轴 7 C (flat bearing)。
背景技术：
由于众所周知的冶金学和化学性能，硬化层的厚度、特别是采用表面硬化处理时的厚度受到严格限制。结果，对于给定的负载和/或环境，轴承工程师经常受限于硬化层的深度。例如，图3a、4a和5a示出了多个穿过钢轴承滚道所截取的不同横截面图，其中硬度模式(hardness pattern)以“hp”指代。硬化钢的深度受到限制、特别是对感应式硬化的滚道而言。在本发明之前，对于大轴承而言，不能在钢座圈中完全令人满意地满足这种大轴承的需求，因为在滚动元件附近的座圈金属太软或不能被硬化、或者在其中切割有齿轮齿的或在其中机加工或焊接紧固设备的座圈部分的金属太硬或太脆而不能提供完全期望的延展性、韧性和强度特性。如果轴承座圈的与滚珠或其它旋转元件所接触的金属部分因其不能被硬化到足够的程度而太软的话，那么座圈的该部分将变形或磨损或另外有害地影响轴承的特性；但是如果座圈的剩余的金属部分太硬的话，那么他们将是易碎的且发生破裂而使得它们对于它们应该执行的功能不是足够强的、坚韧的、和延展的，并且将不能被机加工以形成诸如齿轮齿等的结构，该结构具有足够的抗拉强度和坚韧性或者能够被顺利地焊接。
发明内容
本发明涉及用于制造复合钢轴承的工艺及该工艺的产品，该轴承在轴承的不同部分处，例如在环形构件的上/下或内/外周边处具有不同的特性。例如，构件可以形成为环形坯件以用于轴承座圈或座圈自身，其中在构件的一个周边处金属能够被硬化到期望高的硬度的程度，而在远离该周边的部分，金属可以具有明显小的硬度和大的延展性和韧性。本发明的实施方式可以用于多个目的，不过当使用在大直径轴承的轴承座圈、比如使用在支撑诸如用于发电的风力塔之类的设备的旋转部的轴承中时，以及当使用在制造能够获得这种轴承座圈的环形坯件的过程及从该坯件制造座圈的过程中时能够获得突出的优点。因此，将结合这些用途来说明本发明。轴承座圈理想地包括如下的金属其能够被很大程度地硬化，并且因此向抵靠地承载轴承的滚珠或其它滚动或滑动元件以使得磨损最小化的凹槽或滚道的表面及表面下的一定距离处赋予了相当的脆性。然而，这种座圈还必须包括离开该硬金属的如下金属 其具有足够的延展性和韧性，并且拥有足够的抗拉强度以抵抗座圈在操作中可能经受的应力、作用力、和撞击；并且通常这种座圈必须包括具有足够延展性、韧性和强度的金属以允许将与滚道相对的周边缘机加工成齿轮齿，该齿轮齿能够用于通过动力设备(例如风力塔的回转部分)来旋转座圈，或者允许在离开滚道的位置机加工或焊接诸如紧固设备之类的部件。因此，本发明的实施方式提供了包括两种或更多种明显不同的合金的新型轴承。 根据该解决方案，基于工艺或轴承应用的必要性，不但能够改变合金，而且能够预定全部硬化(through harden)的区或层的厚度。结果，全部硬化的层的厚度不会受非基于工艺或应用的参数(如在滚柱轴承钢的表面内的碳扩散)来限定。本发明的实施方式还涉及以不同的复合材料生产滚柱轴承的内座圈和外座圈。在一些实施方式中，能够将基础的复合环环轧到期望的直径，同时高合金轴承表面层与软钢基本层之间的比率保持恒定。利用该工艺，全部硬化的深度可能不受固定的碳扩散参数限定。通过选择性组合复合钢环的外壳和芯部之间的厚度比率，可以基于应用的需求和/或预期的使用环境来预定环的特性。本发明的实施方式特别适用于较大的轴承，其中全部硬化的层与基底材料之间的比率随直径的增大而持续地下降(由于受限的硬化深度)。一个主要的考虑是这些大轴承的期望负载随直径而持续地增加。现有技术的对于大直径轴承的解决方案包括具有增大的尺寸和重量的多排轴承。 相比之下，本发明的负载平衡的大轴承的实施方式是明显更轻且更坚固的，因为可以不需要多排的轴承。本发明的实施方式涉及到利用协作的轴承部件之间的小的相对运动来传递高的轴向力和大的弯矩的轴承。风电设施将从设置在其塔架支撑的机器头部与塔架头部之间的这种复合轴承中获益。本发明的涉及到上述所需结构的轴承能够被用于例如作为起重机、某些休闲娱乐设施以及甚至风力设施中的枢转轴承(如所谓的方位轴承)。就此而言，因如下的事实出现结构问题即使在竖直旋转轴线的情况下，轴承也不得不沿所施加负载的方向以及提升的方向承受作用力。前面宽泛地概述了本发明的特征和技术优点，从而可以更好地理解随后的本发明的详细描述。下文中将描述本发明的另外的优点和特征，其形成本发明的权利要求的主题。 本领域的技术人员应该意识到，所公开的概念和特定的实施方式可以容易地作为用于修改或设计用于实现本发明的相同目的其它结构的基础。本领域的技术人员还应该理解，这些等同的结构并未偏离如在所附权利要求中阐明的本发明的精神和范围。从以下的描述中， 在结合附图考虑时可以更好地理解被认为是本发明的特征(对其构造及操作的方法)的新的特征、以及进一步的目的和优点。但是应该清楚理解的是，每个附图仅是出于描述和说明的目的而被提供并且并非意在作为限定本发明的限制。
图1是根据本发明的复合钢滚柱轴承的俯视平面图；图2是图1所示的轴承的横截面图；图3a_图北是轴承滚道的横截面图，提供了现有技术的滚道与根据本发明的滚道之间的对比；图4a_图4b是轴承滚道的横截面图，提供了现有技术的滚道与根据本发明的滚道之间的对比；图5a_图恥是轴承滚道的横截面图，提供了现有技术的滚道与根据本发明的滚道之间的对比；图6是根据本发明的轴承的另一实施方式的横截面图；图7是根据本发明的轴承的另一实施方式的横截面图；图8描绘了图7所示的轴承的一部分的制造工艺；图9描述了图7所示的轴承的一部分的另一制造过程；图10描绘了在制造根据本发明的轴承的方法中使用的材料加工；图11描绘了制造根据本发明的轴承的多个部分的方法；图12描绘了制造根据本发明的轴承的多个部分的另一方法；图13描绘了适于在制造根据本发明的轴承的多个部分的方法中使用的环轧工艺；图14描绘了适于在制造根据本发明的轴承的多个部分的方法中使用的环轧工艺；图15描绘了利用本发明的轴承技术的风力发电机；图16描绘了图15所示的风力发电机的内部方面；图17描绘了利用本发明的方面的、适于与图15所示的风力发电机一起使用的圆环轴承的实施方式。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的复合钢滚柱轴承的俯视平面图。如此处详细描述的，该滚柱轴承包括高合金轴承部分10和软钢轴承部分12。图2描绘了穿过根据本发明的环状轴承所截取的横截面的侧视图。类似于图1所示的实施方式，该轴承包括高合金层20和软钢层22。这种环状轴承可以特别适合于用作风力发电机的方位轴承(azimuth bearing)。这种环状复合钢轴承很适合于以协作的轴承部件之间的小的相对运动来传递高的轴向力和大的弯矩。风力设施可以在其塔架支撑的机器头部与塔架头部之间包括这种轴承，比如在图15-图16中公开的。本发明的涉及到上述所需结构的轴承可以用作例如起重机或其它大型设备中的枢转轴承。在另一实施方式中，本发明的轴承可以用来替代流体动压油膜轴承，比如由 Morgan公司制造的M0RG0IL轴承。流体动压轴承已经被使用在很高负载的应用中，如辊轧机中的底部和顶部的支持辊轴承座。本发明的轴承还可以在辊轧机中的工作辊轴承座的有限空间条件下承受增大的工作负载。图3-图5提供了现有技术的滚道与根据本发明制造的轴承的滚道之间的对比示图。图3A、4A和5A示出了现有技术的具有硬化部分hp的滚道(沿横截面截取)。对比地， 图;3B、4B和5B示出了本发明的轴承的滚道，其中硬化部分hp具有明显更大的深度尺寸。重要地，硬化部分的深度并非由已知的硬化工艺限定，而是能够由设计者根据期望负载来选定硬化部分的深度。图6描绘了穿过现有技术的大齿轮轴承所截取的横截面，该大齿轮轴承具有在与外轴承环64的外滚道63相接触的轴承62上旋转的内齿轮60。再次地，滚道的硬化部分的深度根据已知制造工艺限定。相比之下，图7描绘了类似的大齿轮轴承，该大齿轮轴承具有在与外轴承环74的滚道73相接触的轴承72上旋转的内齿轮70。在该实施方式中，内轴承环与外轴承环的整个部分都由硬化钢限定。如图7中所示，轴承的硬化部分以“hp”指代。 保持结构73包括孔75，穿过该孔75接收紧固件(未示出)以将内齿轮70紧固至下面的支撑结构(未示出)。图8描绘了利用原始的型材环件来制备根据本发明的轴承80的一部分的制造工艺。图9描绘了利用原始的型材环件来制备根据本发明的轴承90的一部分的制造工艺。参照图10至图14公开了制造根据本发明的环轴承的优选的方法。为了方便，下面首先结合外座圈来讨论该工艺。在制造外座圈时，第一步骤是制造具有两种或更多种不同钢合金的坯件或坯段。如图10中所示，随后可以将坯件110切割成圆环构件或者环112 以用于后续的加工。图11公开了一种制造坯段的方法，其中利用离心铸造法首先形成外壳层并随后形成芯层。使用在外壳和芯中的具体的合金可以根据轴承的应用、环境、负载等而改变。通过选取合适的外壳和芯合金，环的碳含量可以在环的内周与外周之间改变。图12公开了另一种制造坯段的方法，其中外壳和芯例如经由电子束焊接(EBW)工艺之类的工艺焊接到一起。焊接工艺理想地创建外壳与芯元件之间的较窄的熔合区。EBW 工艺的特别有利的特征是能够结合特性极大不同的元件。一旦形成坯段，就将它切割成圆环构件或者环112(图11)以用于后续的加工。接着，可以将环加热到热加工温度或锻造温度。之后，在传统的液压机中将环压平。在可选的工艺中，可以跳过环的热加工或锻造而使环前进到冷加工过程。图13中所示类型的装置130可以有利地用于辊锻或热加工。在该装置中，将环112 支撑在基座139的上表面138上，并且在将环112径向地压在驱动辊141与能够自由旋转的压辊143之间的同时使其旋转，该驱动辊141由诸如齿轮142之类的合适的驱动设备正向地驱动，该压辊143朝向驱动辊141被压在环112上，环112由侧辊144进一步地引导。 辊143由上下纵向活动构件145和146可旋转地支撑，该上下纵向活动构件145和146能够由未示出的合适的设备移动以使辊143将环112压靠驱动辊141，压在环的内周侧和外周侧上的力足以导致所期望的热加工。在所示的装置中，能够移动构件145和146以将辊143 从其施压位置收回，并且也能够升起构件146以从构件145处提升辊143，以允许将环112 插入到装置内和从装置中移除。侧辊144也可以朝向和远离环112移动，以允许将环放到机器内和从机器中移除。该围绕环的整个圆周辊锻的热加工明显减小了环在其内周与外周之间的横截面厚度，并且明显扩大了内环周与外环周的直径。环的厚度能够被减小到辊锻之前的厚度的大约50%到75%，并且优选的是大约65%。环所经受的辊锻的量是预定的，以实现期望的尺寸变化。辊锻对于从环的内周和外周向内的明显距离(优选地完全围绕环的周边的环的整个横截面)产生了环金属的晶粒尺寸的明显减小。充分的辊锻热加工也导致晶粒结构的晶向大致平行于环的周向表面，以增大金属沿周向方向的韧度和强度。
重要地，径向热加工消除了可能存在于铸造的金属或焊接的坯段中的孔穴，并且提供了更均勻的金属物理结构，使金属坚韧，且提高了金属的抗拉强度。利用足够大的辊锻作用力，可以将两种不同的合金冶金地结合到一起。这种形成复合钢环形坯段的方法比例如上述的离心铸造法便宜很多。另外，利用上述的独特的辊锻工艺能够结合可变性较大的芯和外壳。随后可以利用传统的设备和方法将环112机加工成期望的尺寸和形状。滚道的形状以传统的方式设计并以传统的方式机加工。通过传统的设备和方法将座圈的剩余部分机加工成期望的形状和尺寸；并且如果期望齿轮齿在外周边上，那么它们也被机加工。最后， 可以随后利用已知的硬化工艺对环112进行热处理。现在参照图14，公开了形成轴承元件的工艺。在步骤1，确定和选取了两种不同的合金。在该示例中，基于轴承负载、使用环境等选取了高强度钢环和软钢环。在步骤2，不同钢的两个环经由电子束焊接EBW工艺焊接到一起。EBW工艺的显著益处在于相对窄且深的熔合区。在步骤3，经由已知的环轧装置加工该组合的环，以获得期望的轴承厚度、直径和高度尺寸。在该步骤之后，可以以类似于现有技术的轴承环的方式对轴承元件进行热处理或机加工。在另一轴承应用中，制造工艺开始于具有至少两个不同层的复合钢板。熔合区存在于高合金钢层与软钢基底之间。利用已知的平面轴承生产工艺，可以将复合钢板设计成运行于多种负载条件、环境等。例如，可以预定硬的高合金层和软钢基底的厚度。重要地， 该设计工艺不受在传统的硬化工艺中所需的碳在钢基体内的扩散能力限定。现在可以描述根据本发明制造的大轴承的独特应用。本发明的一个实施方式涉及到方位轴承，该方位轴承用于以轴承部件之间的较小的运动来传递高的轴向力和大的弯矩，比如在具有将机器头部支撑在塔架头部之上的方位轴承的风电设施中所见的。本发明在其特定的方面涉及具有在塔架支撑的机器头部与塔架头部之间的上述类型的滑动轴承的风电设施，其中在塔架头部与机器头部之间设置跟踪驱动器，该跟踪驱动器用于基于风向使得机器头部围绕塔架的竖向轴线旋转，其中滑动轴承适于沿径向方向引导机器头部。通常称为方位轴承的回转轴承——借助于跟踪驱动器——使得可以以如下的方式调节接收风力的转子基于对应的风向获得最高水平的效率，并且另外地，当设施停止时，使得设施的所有部件上的负载保持尽可能小。通常，在高输出风电设施中必须是大直径的回转轴承包括滚珠类型的连接。当涉及到小的运动时，根据本发明的复合钢轴承基本上更适于承载高的力。根据本发明的轴承能够沿所施加负载的方向及提升方向来承载发生在轴向方向上的竖向力。通常，风力涡轮机包括具有多个叶片的转子。转子安装至定位在机架或管状塔的顶部上的壳体或机舱。公共应用级风力涡轮机(即，设计成向公用电网提供电力的风力涡轮机)可以具有大的转子(例如，直径为30m或更高)。这些转子上的叶片将风能转变成驱动一个或更多个发电机的旋转力矩或力，该一个或更多个发电机能够经齿轮箱可旋转地联接至转子。齿轮箱逐级地提高涡轮机转子的内在的低旋转速度，以用于发电机将机械能有效地转化成电能，该电能将被输送到公用电网内。在某些构造中，参照图15和图16，风力涡轮机500包括容纳发电机(图15中未示出)的机舱502。机舱502安装在高塔504的顶部，图15中仅示出了该高塔504的一部分。风力涡轮机500还包括转子506，该转子506包括附接至旋转毂510的一个或更多个转子叶片508。虽然图15中所示的风力涡轮机500包括三个转子叶片508，但是本发明所需的转子叶片508的数量没有具体的限制。风力涡轮机的传动系包括主转子轴516(也称为 “低速轴”)，该主转子轴516经由主轴承530连接至毂510并(在某些构造中)在轴516的相反端连接至齿轮箱518。齿轮箱518驱动发电机520的高速轴。在其它的构造中，主转子轴516直接联接至发电机520。偏航驱动器5M和偏航平台5 提供了用于风力涡轮机 500的偏航导向系统。大的方位轴承530定位在偏航平台5 与塔504之间。风力涡轮机的效率取决于多个参数，包括机舱的定向、或者更具体的是转子平面相对于气流方向的位置。这典型地由偏航驱动器或方位驱动器控制，使得机舱在风中定向。 在现代风力涡轮机中，电动部件和机械部件形成偏航驱动器。更具体地，电动高速驱动马达联接至齿轮减速器，该齿轮减速器具有与大齿轮啮合的驱动小齿轮。通常，电动马达、齿轮减速器及驱动小齿轮安装在机舱的底座板上，而大齿轮固定至塔上。因此，应该观察到，本发明的构造提供了具有轴承的风力涡轮机，其制造起来是节省成本的。此外，还应该观察到，本发明的某些构造提供了其它的优点，比如结构重量轻。在根据本发明的新型的轴承制造工艺中，包括以下步骤确认在轴承的相关区域上的负载并且考虑到负载条件、环境等来选取合适的合金用在所确认的区域中。理想地，可以选取两种或更多种不同的合金以用在轴承中。可以经由摩擦配合或上述的EBW工艺将不同的合金预熔接到一起。随后在合适的环轧工艺中将合金元件熔接到一起。可选地，对于某些轴承来说，可以经由EBW工艺来简单地熔接合金元件。在熔接加工之后，可以对坯件进行机加工和/或热处理以适应于特定的应用或环境。可以对上述的工艺和产品进行多种变型。例如，可以在上述的辊锻之后而非之前、 或者在辊锻热加工之前及之后都执行压缩或锻粗热加工。此外，在一定的情况下能够完全略去锻粗热加工，不过一般而言，提供横向于由辊锻提供的热加工的热加工是有利的。另外，可以铸造较宽的环并通过辊锻对环进行热加工，随后在冷却之后，在可以提供轴承座圈的每个部分将环切割成多于一个的环坯件。另外，取决于期望的特征，在滚道的机加工和硬化之后，座圈可以不经受进一步的处理，或者可以在离开滚道的部分或全部的金属上经受另外的热处理。例如，可以利用已知的方法和设备来使切入座圈内的齿轮齿表面硬化。作为另一示例，可以利用已知的设备和方法来中度硬化离开滚道的所有金属以向齿轮齿提供中度的硬度，或者可以使用齿轮齿的该中度硬化和表面硬化的结合。另外，虽然以上讨论了滚珠轴承及其座圈，但是明显的是本发明可以应用至滚柱轴承或其它类型的轴承及它们的座圈。例如，图17示出了根据本发明制造的方位轴承170 的底半部分，其已经被分段以允许较高效的安装、损坏后的修理或更换。轴承170包括安装孔172，通过该安装孔172利用紧固件(未示出)将轴承段紧固至框架或其它的结构。如上所述，每个轴承段的部分可以具有高合金区域和软钢基底。在图17所示的轴承170中，高合金区域以174指代，而软钢基底以176指代。在硬化部分hp内切割有环形凹槽178，并且多个滚珠(未示出)能够在凹槽178内移动。利用多个紧固件180将轴承170固定至其支撑部上。方位轴承170的顶半部可以与图17中所示的大致相同。应该理解的是，能够利用多种不同的段构造来实践不同的轴承类型。虽然以上公开的大部分涉及到使用不同碳含量的钢，但是明显的是，根据本发明可以使用不同于以上讨论的合金成分的钢并对其进行铸造和加工，并且根据本发明所产生的坯件还可以用于除所示的轴承座圈之外的目的。虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应该理解的是，在此可进行多种的改变、替代和修改而不偏离本发明的精神和范围。此外，本应用的范围并非意在限定于说明书中所描述的工艺、机器、制造、物质组成、设备、方法和步骤的具体实施方式
。如本领域的技术人员从本发明的公开中容易理解的，根据本发明，可以利用现有的或后来发展的、执行与文中所描述的对应的实施方式的基本相同的功能或获得基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、设备、方法或步骤。相应地，以下的权利要求意在将这些工艺、机器、制造、物质组成、设备、方法或步骤包括在其范围内。
权利要求
1.一种形成轴承元件的方法，所述方法包括选取高强度钢层，所述高强度钢层具有足够承载期望的轴承负载的支承性能；选取软钢基底层，所述软钢基底层至少具有相对于所述高强度钢层的增强的延展性；将所述高强度钢层熔接至所述软钢基底层，所述熔接产生所述层之间的熔合区；将所述高强度钢层的至少一部分机加工成适于接合轴承元件的构造；以及将所述软钢基底层机加工成适于将所述高强度钢层支撑在外部机器的基底表面上的构造。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述熔接包括以下中的一个或更多个环轧工艺或电子束焊接工艺。
3.如权利要求1所述的方法，还包括在所述机加工之后硬化所述高强度钢层的至少一部分。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述熔接限定有多个轴承段，并且所述轴承段结合到一起以限定复合轴承组件。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述复合轴承组件限定环轴承。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述环轴承是适于可动地支撑风力涡轮机的一部分的方位轴承。
7.一种复合轴承，所述复合轴承包括多个轴承段，每个轴承段包括高强度钢层和软钢基底层，所述层经熔合区熔接到一起；滚道，所述滚道越过所述多个轴承段中的每一个被机加工，所述滚道具有比能利用传统的钢硬化工艺获得的轴承支撑部深度大得多的轴承支撑部深度；以及保持结构，所述保持结构至少被机加工到所述软钢基底层内，所述保持结构用于将所述多个轴承段中的每一个保持至下面的轴承支撑部。
8.如权利要求7所述的复合轴承，其中，所述滚道是半圆环形的且适于接收多个轴承。
9.如权利要求8所述的复合轴承，其中，所述多个轴承包括多个滚柱轴承。
10.如权利要求7所述的复合轴承，其中，所述保持结构包括多个端部开口孔，通过所述多个端部开口孔接收多个螺纹紧固件，以将所述多个轴承段中的每一个固定至所述下面的轴承支撑部。
11.如权利要求8所述的复合轴承，其中，所述下面的基底支撑部连接至风力涡轮机的基座，并且所述复合轴承限定至少支撑所述风力涡轮机的旋转部件的环轴承。
12.一种用于风力涡轮机的复合轴承，所述风力涡轮机包括偏航平台、支撑塔及适于使所述偏航平台相对于所述支撑塔旋转的偏航驱动器，所述复合轴承包括分段式环轴承，所述分段式环轴承包括多个轴承段，每个所述轴承段都包括高强度钢层和软钢基底层，所述层被熔接到一起以限定介于所述层之间的熔合区，并且其中所述高强度钢层限定轴承支撑区域，所述轴承支撑区域比利用传统的钢硬化工艺的轴承支撑区域的深度深，并且所述多个轴承段中的每一个都被机加工以在所述多个轴承段被结合到一起作为一组件时限定出共用的轴承滚道；以及多个球形或非球形的轴承部件，所述轴承部件适于在所述共用的轴承滚道内移动，并且由所述偏航平台施加的负载或者对所述偏航平台施加的负载经所述多个轴承部件传递至所述支撑塔。
13.如权利要求12所述的复合轴承，其中，所述轴承段的所述层在环轧工艺、电子束焊接工艺、或其它已知的钢熔接工艺期间熔接至一起。
14.如权利要求12所述的复合轴承，其中，齿轮部分被机加工到每个所述轴承段内，并且所述多个齿轮部分一起限定环齿轮。
全文摘要
一种轴承，其包括高强度钢层和软钢基底层，所述层经熔合区熔接至一起；滚道，所述滚道越过轴承被机加工，并且具有比可利用传统的钢硬化工艺获得的轴承支撑部深度大得多的轴承支撑部深度；以及保持结构，所述保持结构被机加工到至少软钢基底层内，并且用于将轴承保持在下面的轴承支撑部上。
文档编号F16C33/60GK102292562SQ200980155028
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者约亨·科茨 申请人:约亨·科茨