海上风电主轴轴承技术
未来十年，中国海上风电市场将快速发展。鉴于海上风电恶劣的工作条件，风电主轴轴承需要更高的功率密度、可靠性和使用寿命。主要从轴承设计、材料、表面处理和工艺等方面阐述了风电主轴轴承技术的现状和未来发展方向。
1，海上风电市场及大型兆瓦机组发展趋势
全球风能理事会(GWEC)发布的《2020年全球海上风电报告》预计，到2030年，全球海上风电装机容量将从目前的29.1GW增长到234GW，亚太地区将成为最重要的市场。2021年9月9日，全球海上风电报告2021在英国肖勒姆港发布。2020年全球海上风电装机容量为6.1GW，略低于2019年的6.24 GW，但GWEC预测2021年将是全球海上风电装机容量的一个纪录。
报告预计，在现有风电政策下，未来十年全球将新增235GW海上风电装机容量，相当于现有海上风电装机容量的7倍。与2020年的报告相比，这一预测上调了15%。
2020年，我国将实现3GW以上海上风电新增并网，连续第三年成为全球最大的海上风电市场。欧洲市场保持稳定增长。荷兰以近1.5 GW的新增装机容量排名世界第二，比利时排名第三(706 MW)。
根据国际能源署(IEA)和国际可再生能源署(IRENA)的最新报告，如果要将全球气温上升控制在65438±0.5℃以内，2050年全球海上风电装机容量需要达到2000GW，但目前的装机容量不到这一目标的2%，2030年的预测装机容量仅为这一目标的65438±03%。
2.海上风电轴承的发展现状及技术。
由于海上风电机组的特殊工况，主轴轴承需要安装在海面数十米的空中，运输、安装和更换都极为不便，且成本较高。同时，海上风电轴承所处的环境非常恶劣，包括台风、空气湿度大导致的腐蚀等。因此，高性能、高可靠性和长寿命是主轴轴承的必备品质。目前风电主轴轴承主要依赖进口。国际著名的风电主轴轴承制造商主要有瑞典的SKF、德国的舍弗勒、美国的铁姆肯等。，并在全球市场占据主导地位。我国风电轴承与国外相比还有较大差距，主要在于材料、设计、表面处理、工艺水平、工艺装备等方面。
2.1海上风电主轴轴承设计
目前，风力发电机组中的主轴轴承主要承受传动链中外界风产生的大部分径向力、轴向力和弯矩，并将稳定的扭矩传递给风力发电机组的高速端。因此，主轴轴承的承载能力、可靠性和使用寿命是非常关键的指标。同时，当定位端的主轴轴承面临较大的轴向力或轴向冲击时，其轴向刚度将决定其在外力作用下的轴向位移，对齿轮箱的内应力稳定性有很大影响。
随着海上风电兆瓦级的不断提高，无论是单点支撑还是双点支撑，都很难在有限的空间内提高承载能力，提高可靠性和寿命。同时伴随着单向偏载、系统振动、润滑条件不足等问题。
目前安装的风力发电机大多采用主轴轴承支撑结构，主轴轴承一般分为两点支撑和三点支撑。
图1主轴轴承的代表性布置
2.1.1主轴调心滚子轴承技术方案
定位端浮动端调心滚子轴承的两点支承形式是最典型的布置形式，其中定位端轴承起着重要作用，既要满足径向和轴向载荷的主要承载要求，又要有一定的调心性能(一般在0.3以上)，还要求低成本稳定运行20年。现有技术方案如下:
1)内部结构优化
目前，大型调心滚子轴承的现有结构如图2所示。根据中间隔片的结构形式，可分为固定式中间隔片、浮动式中间隔片和无中间隔片设计。相对于浮动中隔片和非中隔片的设计，固定中隔片可以有效增加轴向刚度，减小轴向力作用下的轴向移动距离，从而有效降低轴向力对齿轮箱的影响。同时，固定中间隔圈可以有效限制滚动体运动时的摆动角度。无中间隔圈设计的优点是可以充分利用内部空间设计更大的滚动体和接触角，增加其轴向承载能力。
图2大型调心滚子轴承的结构类型
2)进一步提高滚子轴承的额定动载荷系数b m的值。
根据ISO 281，将b m的值定义为“当代常用材料和加工质量的额定动载荷系数”2，用于计算基本额定动载荷。至于b m的值，由于材料的冶炼方法和轴承的制造水平的差异，通常不同的厂家会在试验验证或经验的基础上提供。调心滚子轴承，ISO 2865438定义的精炼钢(真空脱气钢+0.0-1.15，电渣重熔钢(高级精炼钢)约为1.2-1.5。
对于大尺寸轴承产品，随着材料冶炼方法和制造水平的提高，使用更高纯度的轴承钢以及套圈和滚动体的超精加工技术，大大提高了轴承各部位的表面和内部质量，改善了摩擦状态，使提高b m系数成为可能，从而在一定程度上提高了轴承的整体承载能力和使用寿命。
3)压缩间隙控制间隔
轴承游隙对轴承寿命和可靠性有很大影响。过大的轴承游隙会减少轴承在运转过程中承载的滚子总数，加剧滚子的点蚀磨损；间隙过小，轴承容易产生摩擦发热，温度升高，油膜损坏，严重时甚至会卡住轴承。
由于标准游隙组的控制游隙范围较大，特别是风电用大型轴承，单个标准游隙组往往达到0.2 mm以上，而轴向游隙为1 mm以上，对于可靠性要求高的风电应用来说过大，容易因工作游隙不理想而早期失效，游隙范围大也会对调心滚子轴承的调心性能产生不利影响。
因此，在风电主轴的应用中，考虑到实际加工的经济性，往往建议采用标准间隙的一半作为风电的间隙，或者根据实际应用数据选择专用间隙。
图3大型风电调心滚子轴承游隙建议表
4)通过改变滚动元件
调心滚子修形，通常对数曲线是一种常见的修形曲线，可以有效避免边缘应力的产生，优化接触应力的均匀分布，降低摩擦因数的PV值，降低早期磨损的风险。
图4？改性和未改性滚动体的PV值比较
5)不对称轴承设计3
通过设置两排滚子的接触角不同，可以满足单向承载的要求。与传统的对称结构相比，这种设计可以在相同的整体尺寸下有效提高轴承的轴向承载能力和刚度，从而在一定程度上有效避免了另一排滚子打滑的风险。对于风力发电应用，通常选择240系列轴承，因为它们可以设计成更大的接触角，以增加轴向承载能力。非对称设计可以充分利用风力的单向方向，提高向齿轮箱侧增大接触角的可行性。如图所示，可以用230系列轴承代替240系列轴承，以减小轴承的尺寸。
图5不对称设计的调心滚子轴承
非对称轴承设计为风机制造商在不改变现有主体结构的情况下拥有更高性能的轴承提供了新的方向，从而大大降低了新机型或现有机型升级的成本和难度。
6)球墨铸铁保持架
对于大型风电主轴用调心滚子轴承，机械加工黄铜保持架因其加工成型容易、机械性能好、可回收利用和一定的自润滑性而被广泛使用。其中，铅黄铜因其成本低、可加工性好，被广泛应用于保持架。但铅黄铜零件在使用中存在铅浸出问题，容易造成环境污染。含铅黄铜保持架在不久的将来将无法继续使用，而无铅黄铜面临更大的成本压力。当务之急是找到一种材料，可以取代现有的黄铜笼。
目前舍弗勒已经开发出适用于大型调心滚子轴承的球墨铸铁保持架，具有更好的机械性能和可观的制造成本。
图6球墨铸铁保持架
由于其更大的材料疲劳强度，可以在原有黄铜保持架设计的基础上增加一定数量的滚动体，在一定程度上可以增加轴承的承载能力和使用寿命。同时，过去风电中黄铜保持架的设计多采用240/241系列轴承。由于其宽度较大，保持架往往在穿过轴承外圈最小直径后安装在轴承内部，保持架外径不能过大，否则无法顺利安装。同时也不能太小，否则保持架强度低，容易过早失效。球墨铸铁保持架可以降低外径缩小到一定程度后出现强度问题的风险。
2.1.2主轴圆锥滚子轴承技术方案
对于兆瓦级较大的海上风机，选择轴向定位更好、载荷更高的双圆锥滚子轴承已经成为行业趋势。除了调心滚子轴承等现有技术方案外，包括适当的滚子修形以降低边缘应力风险，进一步提高承载能力的bm系数，圆锥滚子轴承将面临更大的挑战，主要是大尺寸后加工困难，加工精度难以保证，保持架结构复杂，热处理工艺复杂，生产效率低。面对挑战，现有的技术解决方案如下:
1)罐笼的结构优化
现有的大型圆锥滚子保持架结构如下图所示。
图7不同结构类型的圆锥滚子轴承
机加工钢保持架的特点是加工精度高，润滑空间大，轴承装配辅助加热装置热装，整体成本高。
穿销保持架最大的特点是能充分利用周向空间填充更多的滚子，使载荷最大化，其润滑空间有限，尤其是销和滚子的内径面往往润滑不良，容易造成异常磨损。其次，其加工工艺复杂，滚动体需要进行氮碳共渗处理，其整体成本也很高。
分段保持架具有装配容易、生产难度低、效率高的特点，但目前由于分段之间通常没有连接装置，只能用在双列圆锥滚子轴承上。
2)热处理工艺的选择
无缝感应淬火能有效防止大尺寸轴承出现白裂纹，具有工件变形小、尺寸稳定性高、生产效率高的优点。经过表面淬火后，套圈具有更高的表面硬度和更高的芯部冲击韧性。目前最大的困难是不同尺寸的感应淬火头参数无法准确预测，需要不断试验才能确定，开发周期长。
2.2海上风电轴承材料
材料是直接影响轴承最终性能的重要因素。由于海上风电特殊的可靠性要求，对所用轴承材料的质量要求非常高。众所周知，影响轴承钢质量的主要因素是氧含量、碳化物、偏析和夹杂物。
钢中的夹杂物与氧含量密切相关，随着氧含量的增加而增加，夹杂物的含量基本上决定了轴承钢的接触疲劳寿命。目前，以日本三洋、瑞典OVAKO为代表的国际钢铁制造商已将传统钢的氧含量控制在5×10-6以下。在此基础上，两家公司通过对超高纯冶炼工艺的改进，开发了超高纯轴承钢(EP钢)和各向同性轴承钢(IQ钢)，甚至将钢的氧含量控制在(2-3 )× 10。此外，为了满足轴承长寿命、高精度、耐高温等特殊性能的要求，国外相继开发了特种热处理轴承钢(SHX钢)、低密度轴承材料(60NiTi)、高温轴承钢CSS—42L、高耐蚀轴承钢Cronidur 30等新型轴承材料。
国内钢厂未来需要缩短与国外的差距，进一步提高轴承钢的洁净度，降低钢中夹杂物的含量和尺寸；通过工艺优化，进一步提高碳化物的均匀性，减少和消除液相析出、网状和带状碳化物；进一步改善基体组织的晶粒度，进一步细化轴承钢的晶粒度；减少宏观结构缺陷；进一步减少轴承钢中的中心疏松、中心缩孔和中心成分偏析，提高宏观组织的均匀性。
2.3海上风电轴承的表面处理
表面涂层技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、射频溅射(RF)、离子喷涂(PSC)、化学镀等。，可提高轴承零件的耐磨性和抗接触疲劳性，降低表面摩擦系数。目前，根据几大轴承制造商的技术趋势，主要应用于风电主轴轴承的涂层如下:
2.3.1发黑涂层
黑色涂层处理后，轴承将具有更好的运行性能、轻微的耐腐蚀性和耐磨性，同时涂层将在一定程度上增强抗白色腐蚀裂纹(WEC)的能力。以往陆上风电实际使用中，滚动体表面往往选择黑化涂层处理。然而，在风力发电机从陆地转移到海上后，由于工作条件更加复杂和恶劣，有人建议将套圈和滚动体都进行黑化处理。
DLC涂层
DLC涂层是一种超硬涂层，具有与金刚石涂层非常相似的性质，如极高的硬度、电阻率、热导率等。5.这种涂层可以降低混合摩擦条件下的摩擦磨损，大大提高轴承寿命和耐磨性，避免滚动接触表面之间滑动引起的滚子轴承粘着磨损(涂抹)。
2.3.3柱状硬铬涂层
涂层主要附着在内圈的内径表面，可以提供高耐磨性(高硬度)，尤其是容易发生微动腐蚀的配合面。
磷化涂层
这种涂层常用于浮动端轴承的外径表面，主要用于改善紧急润滑和磨损保护。例如，为了防止微动腐蚀或摩擦腐蚀，可以通过钝化或涂油的相应后处理来暂时提高耐腐蚀性。
2.4国内海上风电轴承制造现状
国内风电轴承的制造水平与国外相比还有很大差距，特别是大兆瓦轴承受加工设备和工艺水平的限制。随着外资企业对高端产品国产化需求的不断增加，各大轴承厂商也在加快国产化进程。如舍弗勒集团在南京建有四厂，专门生产大型风电轴承，可分别加工外径800~2000 mm和2000 mm以上的调心滚子轴承、圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承。通过引进国外大型生产设备和技术，实现了多品种轴承的批量生产。
国内生产水平的提高有助于国内风电市场的快速发展，在保证产品质量满足风电最高标准的情况下，可以实现快速交货和更低的成本，最大程度地保证客户的利益。
3结论
目前，海上风电的特殊应用条件对承载能力、可靠性和使用寿命提出了更高的要求。对于海上风电的大型轴承，轴承设计、材料、表面处理和工艺等方面都可以在未来进行改进。对于轴承设计，需要进一步提高整体承载能力，包括更好的结构特性，包括接触优化，保持架的结构形式和材料选择，尤其是圆锥滚子轴承，如何简化加工工艺和热处理方式等。对于材料，如何缩短与国外的差距，包括进一步提高轴承钢的洁净度，降低钢中夹杂物的含量和尺寸，提高碳化物的均匀性等。对于表面处理，开发更好的表面处理技术，包括如何解决外界污染物介入后的边界摩擦和润滑问题。