海上風電主軸用軸承技術(shù)

我國海上風電市場將在未來十年內(nèi)飛速發(fā)展，針對海上風電惡劣工況要求，風電主軸軸承需要更高功率密度、可靠性和使用壽命。本文主要從軸承設(shè)計、材料、表面處理以及工藝等方面闡述了對風電主軸軸承技術(shù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向。

1、海上風電市場和大兆瓦機組發(fā)展趨勢

全球風能理事會(GWEC）發(fā)布的《全球海上風電報告2020》預測：到2030年，全球海上風電裝機量將從現(xiàn)在的29.1GW升至234GW，亞太地區(qū)會成為最重要的市場。2021年9月9日，在英國Shoreham港發(fā)布《2021全球海上風電報告》，2020年全球海上風電新增裝機6.1GW，比2019年的6.24 GW略有降低，但GWEC預計2021年將是全球海上風電裝機創(chuàng)紀錄的一年。

報告預計，在現(xiàn)有風電政策的情況下，未來十年全球?qū)⑿略龊Ｉ巷L電裝機235GW，這一增量相當于現(xiàn)有海上風電裝機的七倍。相比于2020年報告，本次預測上調(diào)了15%。

中國在2020年實現(xiàn)了3GW以上的海上風電新增并網(wǎng)，連續(xù)第三年成為全球最大的海上風電市場。歐洲市場保持穩(wěn)定增長，荷蘭以近1.5 GW的新增裝機排在全球第二位，比利時位列第三（706 MW）。

根據(jù)國際能源署（IEA）及國際可再生能源署（IRENA）的最新報告，如果希望把地球溫度上升控制在1.5℃以內(nèi)，全球海上風電裝機需要在2050年達到2000GW，而現(xiàn)在的裝機量還不到這一目標的2%，2030年的預測裝機量也只是這一目標的13%。

2、海上風電軸承技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)

由于海上風力發(fā)電機的特殊工況，主軸軸承需要安裝在離海面數(shù)十米高的高空中，軸承運輸、安裝和更換都極為不便，且費用高昂。于此同時，海上風電軸承所處的環(huán)境非常惡劣，包括臺風、空氣濕度大導致腐蝕等等，因此高性能、高可靠性以及長壽命是主軸軸承必須具備的品質(zhì)。目前風電主軸軸承主要依賴進口，國際上著名風電主軸軸承廠商主要有瑞典SKF、德國Schaeffler、美國Timken等，在全球市場占據(jù)統(tǒng)治地位。我國風電軸承與國外的仍有較大差距，其中主要在于材料、設(shè)計、表面處理、工藝水平和工藝裝備。

2.1 海上風電主軸軸承設(shè)計

目前，風電機組中主軸軸承主要承受傳動鏈中大部分來自于外部風作用產(chǎn)生的徑向力、軸向力以及彎矩，將穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩傳遞給風電機組的高速端。因此，主軸軸承的承載能力、可靠性以及使用壽命是非常關(guān)鍵的指標，同時定位端主軸軸承在面對較大軸向力或軸向沖擊時，其軸向剛度將決定了其在外力作用下的軸向位移，該軸向位移將對齒輪箱內(nèi)部的受力穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。

隨著海上風電兆瓦級別的不斷提高，無論是單點支撐還是雙點支撐的方案布置中，在有限的空間內(nèi)如何更大程度提高承載能力，提高可靠性和壽命成為很大的困難，與此同時伴隨著單向偏載以及系統(tǒng)振動、潤滑條件不足等阻礙。

目前已裝機的風力發(fā)電機中，大多數(shù)采用主軸軸承支撐結(jié)構(gòu)，其主軸軸承一般分為兩點支撐和三點支撐的布置形式。

圖1 主軸軸承具有代表性的布置形式

2.1.1 主軸用調(diào)心滾子軸承技術(shù)方案

采用定位端加浮動端調(diào)心滾子軸承軸承的兩點支撐形式是最典型的一種布置形式，在其中定位端軸承扮演著重要角色，既要滿足對徑向、軸向載荷的主要承載需求，具有一定的調(diào)心性能（通常要求大于0.3°)，還要求在低成本的要求下能夠穩(wěn)定運行20年。已有技術(shù)方案如下:

1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前大尺寸調(diào)心滾子軸承已有結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)中隔圈的結(jié)構(gòu)形式可分為固定中隔圈，浮動中隔圈和無中隔圈設(shè)計。相對于浮動中隔圈和無中隔圈的設(shè)計，固定中隔圈可以有效增加軸向剛度，降低在軸向力影響下的軸向移動距離，從而有效減少軸向力對齒輪箱的影響。同時固定中隔圈可以有效限制滾動體在移動時的擺動角度。而無中隔圈的設(shè)計的優(yōu)勢在于可以更充分地利用內(nèi)部空間從而設(shè)計更大的滾動體和接觸角，增加其軸向承載能力。

圖2 大型調(diào)心滾子軸承結(jié)構(gòu)類型

2）進一步提高滾子軸承額定動載荷系數(shù)b_m值

根據(jù)ISO 281中定義b_m值為“當代常用材料與加工質(zhì)量的額定動載荷系數(shù)”^【2】，用于計算基本額定動載荷。對于b_m值，由于材料的冶煉方式和軸承制造水平的差異，通常不同廠家會在測試驗證或經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提供出來。對于調(diào)心滾子軸承，在ISO 281中定義精煉鋼（真空脫氣鋼)約為1.0-1.15，電渣重熔鋼(高級精煉鋼)約為1.2-1.5。

對于大尺寸軸承產(chǎn)品，隨著材料冶煉方式和生產(chǎn)制造水平的提高，目前更高純度的軸承鋼以及套圈、滾動體的超精工藝的使用，很大程度提高了軸承各個零部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量，改善了摩擦狀態(tài)，使得b_m系數(shù)的提高成為可能，從而一定程度上增加了軸承整體承載能力和使用壽命。

3）壓縮游隙控制區(qū)間

軸承游隙對軸承的壽命和可靠性都有較大影響。軸承游隙過大，會導致軸承在運行時承載的滾子總體數(shù)量減少，加劇滾子點蝕磨損；游隙過小，會導致軸承易產(chǎn)生摩擦發(fā)熱，溫度升高，油膜破壞，嚴重時甚至造成軸承卡死。

由于標準游隙組別控制游隙范圍較大，尤其是對于風電用大型軸承，往往單個標準游隙組別會達到0.2 mm以上，而軸向游隙則1 mm以上，這對可靠性要求很高的風電應用來說范圍太大，容易因為工作游隙不理想導致提前失效，同時游隙的范圍大還會對調(diào)心滾子軸承的調(diào)心性能產(chǎn)生不利影響。

所以在風電主軸應用中，考慮到實際的加工經(jīng)濟性，往往推薦使用標準游隙的一半作為風電用游隙，或是根據(jù)實際應用數(shù)據(jù)選擇特殊游隙。

圖3 大型風電調(diào)心滾子軸承游隙建議表

4）通過對滾動體進行修形

調(diào)心滾子修形，通常對數(shù)曲線為常用的修形曲線，能有效避免邊緣應力的產(chǎn)生，以優(yōu)化接觸應力均勻分布，以降低摩擦因子PV值，降低早期磨損的風險。

圖4 滾動體修形與非修形PV值對比

5）非對稱式軸承設(shè)計^【3】

通過設(shè)置兩列滾動體的接觸角不同來滿足單向承載的需求。在與傳統(tǒng)對稱式結(jié)構(gòu)相比，該設(shè)計能在相同外形尺寸下，有效提高軸承軸向承載能力和剛度，從而一定程度上有效避免了另外一列滾動體打滑的風險。對于風電應用來說，往往選擇240系列軸承是因為可以設(shè)計更大的接觸角以增大軸向承載能力，非對稱設(shè)計可以充分利用風力的單向性，提高對齒輪箱側(cè)的接觸角增大可行性，可以使用230系列去替代240系列軸承，如圖所示，以此來減小軸承的尺寸。

圖5 非對稱設(shè)計調(diào)心滾子軸承

非對稱軸承設(shè)計對風機廠家在不改變現(xiàn)有主要結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上擁有更高性能的軸承提供了新的方向，從而大大降低了新機型或現(xiàn)有機型升級的成本與難度。

6）球墨鑄鐵保持架

對于大型風電主軸用調(diào)心滾子軸承，機加工黃銅保持架由于其易加工成型、機械性能佳、可回收利用、且有一定自潤滑性，被廣泛應用。其中鉛黃銅因其成本低、機加工性能好被大量使用在保持架上。但是鉛黃銅零件在使用過程中存在著鉛溶出問題，易造成環(huán)境污染，含鉛黃銅保持架在不久的未來將面臨無法繼續(xù)使用的境遇，而無鉛黃銅則面臨著較大成本壓力，尋求一種可替代現(xiàn)有黃銅保持架的材料勢在必行。

目前舍弗勒已開發(fā)出適用于大型調(diào)心滾子軸承的球墨鑄鐵保持架，其擁有更佳的機械性能，以及相當?shù)闹圃斐杀尽?/span>

圖6 球墨鑄鐵保持架

因其具有更大的材料疲勞強度，故在原有黃銅保持架設(shè)計基礎(chǔ)上增加軸承一定數(shù)量的滾動體將成為可能，其在一定程度上可以增加軸承的承載能力和使用壽命。同時，由于以往黃銅保持架設(shè)計在風電中較多使用240/241系列軸承，由于其寬度較寬，其保持架往往因需要順利經(jīng)過軸承外圈最小直徑處后，安裝到軸承內(nèi)部，保持架外徑不能過大，否則無法順利安裝；同時無法過小，否則保持架強度較低，容易過早失效。球墨鑄鐵保持架在一定程度上可以降低外徑減少后的強度問題產(chǎn)生的風險。

2.1.2 主軸用圓錐滾子軸承技術(shù)方案

對于海上風電更大兆瓦級別的風機來說，選擇軸向定位更好以及承載更高的雙圓錐滾子軸承也成為行業(yè)趨勢。除了如調(diào)心滾子軸承已有技術(shù)方案，包括適當?shù)臐L動體修形以降低邊緣應力的風險，進一步提高承載能力bm系數(shù)外，圓錐滾子軸承將面臨更大的挑戰(zhàn)，主要在于尺寸大型化后機加工難度大，加工精度難以保證，保持架結(jié)構(gòu)復雜，熱處理工藝復雜以及生產(chǎn)效率低。面對挑戰(zhàn)，已有技術(shù)方案有：

1）保持架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

已有大型圓錐滾子保持架結(jié)構(gòu)如下圖所示

圖7 不同結(jié)構(gòu)類型的圓錐滾子軸承

機加工鋼保持架，其特點在于加工精度高，潤滑空間大，軸承裝配需要輔助加熱裝置熱裝，其整體成本較高。

穿銷保持架，其最大特點在于能充分利用周向空間填充更多的滾動體，最大化承載，其潤滑空間有限，尤其是銷釘與滾動體內(nèi)徑面的常常潤滑不良，易造成異常磨損。其次其加工過程復雜，加之滾動體需要通過氮碳共滲工藝處理，其整體成本同樣很高。

分段保持架，其擁有易裝配，生產(chǎn)難度低，效率高等特點，但目前由于各個分段之間通常不設(shè)置連接裝置，往往僅能用于雙列圓錐滾子軸承上使用。

2）熱處理工藝選擇

利用無縫感應淬火可以有效預防大尺寸軸承白色裂紋產(chǎn)生，其擁有工件變形小，尺寸穩(wěn)定性能高，高生產(chǎn)效率等。表面淬火后的套圈其擁有較高的表面硬度和較高的芯部沖擊韌性。目前最大的困難在于針對不同尺寸感應淬火頭的參數(shù)無法準確預測，需要不斷測試才能確定，開發(fā)周期長。

2.2 海上風電軸承材料

材料是直接影響軸承最終性能好壞的重要因素，由于海上風電的特殊可靠性需求，使用的軸承材料品質(zhì)要求很高。已知影響軸承鋼材質(zhì)量的主要因素有鋼材的含氧量、碳化物、偏析和夾雜物。

其中鋼材中的夾雜物和含氧量密切相關(guān)，夾雜物隨著含氧量的提高而增多，夾雜物的含量基本上決定了軸承鋼的接觸疲勞壽命。目前國際上以日本的SANYO以及瑞典的OVAKO為代表的鋼材廠商對傳統(tǒng)鋼材含氧量控制已經(jīng)達到5×10^-6以下^【4】，在此基礎(chǔ)上兩家經(jīng)過超高純冶煉工藝的改進，分別研發(fā)出超高純軸承鋼（EP鋼）和各向同性軸承鋼(IQ鋼)，對鋼材的含氧量控制甚至達到(2-3)×10^-6以下。另外國外針對軸承的長壽命、高精密、耐高溫及其他特殊性能的要求，也相繼開發(fā)了特殊熱處理軸承鋼（SHX鋼)、低密度軸承材料（60NiTi)、耐高溫軸承鋼CSS—42L及高耐蝕軸承鋼Cronidur 30等新型軸承材料。

國內(nèi)鋼材廠未來需要縮短與國外差距，需要進一步提高軸承鋼的潔凈度，減小鋼中夾雜物的含量與尺寸；通過工藝優(yōu)化進一步提高碳化物的均勻性，降低和消除液析、網(wǎng)狀和帶狀碳化物；進一步提高基體組織的晶粒度，使軸承鋼的晶粒尺寸進一步細化；減少低倍組織缺陷；進一步降低軸承鋼中的中心疏松、中心縮孔與中心成分偏析，提高低倍組織的均勻性。

2.3 海上風電軸承表面處理

表面涂覆技術(shù)包括：物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、射頻濺射(RF)、離子噴涂(PSC)、化學鍍等，可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，并降低表面摩擦因數(shù)。目前根據(jù)幾大軸承廠家的技術(shù)趨勢，其中主要應用在風電主軸軸承上的涂層有以下幾種：

2.3.1 黑化涂層

發(fā)黑涂層處理后軸承將擁有更好的跑和性能，擁有輕微的防腐蝕以及抗磨損的性能，同時涂層在一定程度上增強了抵抗白色腐蝕裂紋(WEC)的能力。在以往陸上風電實際使用過程當中，往往選擇在滾動體表面做黑化涂層處理，但風機從陸上轉(zhuǎn)移到海上后，由于工況更加復雜和惡劣，建議套圈和滾動體均做黑化處理。

2.3.2 DLC涂層

DLC涂層是一種表面超硬的涂層，其具有和金剛石涂層非常相近的性能，即極高的硬度、電阻率、導熱系數(shù)等^【5】，該涂層可減少混合摩擦條件下的摩擦和磨損，使得軸承壽命和耐磨性大幅度提高，避免了滾子軸承因滾動接觸面間的滑動引起的黏著磨損(涂抹)。

2.3.3 柱狀硬鉻涂層

該涂層主要附著在內(nèi)圈內(nèi)徑面上，它能提供高的耐磨損能力（高硬度），尤其是容易發(fā)生微動腐蝕的配合表面。

2.3.4 磷化涂層

該涂層常用在浮動端軸承的外徑面上，主要用于改善緊急潤滑和磨損保護。例如防止微動腐蝕或摩擦腐蝕，通過鈍化或涂油的相應的后處理可暫時提高防腐蝕性能。

2.4 國內(nèi)海上風電軸承制造現(xiàn)狀

國內(nèi)風電軸承的制造水平與國外仍存在很大差距，尤其是大兆瓦級別的軸承受制于加工設(shè)備和工藝水平。隨著外資企業(yè)高端產(chǎn)品的本地化需求日益迫切，主要軸承廠商也在不斷加速本地化進程。如舍弗勒集團在南京已建成4號工廠，專用于大型風電軸承的生產(chǎn)，分別可加工外徑800~2000 mm以及2000 mm以上的調(diào)心滾子軸承、圓柱滾子軸承以及圓錐滾子軸承，通過引進國外大型生產(chǎn)設(shè)備以及工藝技術(shù)，已實現(xiàn)多個型號軸承量產(chǎn)。

國內(nèi)的生產(chǎn)水平的提高助力國內(nèi)風電市場快速發(fā)展，在保證產(chǎn)品質(zhì)量按照風電最高標準的情況下，實現(xiàn)快速交付和更低的成本，最大程度保證客戶的利益。

3 結(jié)論

目前海上風電的特殊應用工況對軸承的承載能力、可靠性和使用壽命提出更高的要求。對于大尺寸海上風電用軸承未來可以從軸承設(shè)計、材料、表面處理以及工藝等諸多方面進行改善。對于軸承設(shè)計，需要進一步提高整體的承載能力，包括更優(yōu)的結(jié)構(gòu)特征，包括接觸優(yōu)化，對保持架的結(jié)構(gòu)形式和材料選擇，尤其對圓錐滾子軸承，需要考慮如何簡化機加工過程和熱處理方式等；對于材料，如何縮短與國外的差距，包括進一步提高軸承鋼的潔凈度，減小鋼中夾雜物的含量與尺寸，提高碳化物的均勻性等；對于表面處理，開發(fā)更優(yōu)的表面處理技術(shù)，包括如何解決邊界摩擦以及外界污染物介入后的潤滑問題等。

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作者：程濤，劉際軒，周國，等.

單位：舍弗勒大中華區(qū)

來源：2020峰會論文集，內(nèi)容略有修改（更新）

“中國軸承工業(yè)協(xié)會”（微信號：cbia-1988）授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)