风力发电机组配套轴承技术和市场情况分析

　　摘　要：阐述了世界和中国风电产业的发展态势，中国国产风电设备发展情况，风力发电机组配套轴承国内市场需求，风电轴承的类型和技术要求。以及我国风电机组配套轴承研发和产业化需解决的问题。
　　关键词：滚动轴承；风力发电机组；技术；市场
　　1　世界风电产业发展情况
　　传统能源的相对匮乏、环境压力以及地缘政治的强烈不安全感，使得各国在发展包括风电在内的可再生能源方面不遗余力。风电产业已涵盖世界各大洲，并呈快速增长态势。近十年来全球风电获得超常规发展取决于风电发展的1个条件和3个驱动因素：即全球存在丰富的风力资源，全球对环境问题日益重视、高油价和风电机组制造技术逐步成熟。面对风云变幻的世界经济形势，在Z近召开的第四届全球风能大会上，国内、外风能业界的领军人士认为，目前世界范围的金融危机对风电这样的新兴产业影响不大，尤其在急需拉动内需的中国，可能还是一次发展的机遇。
　　截至2007年底，全球风电装机容量已达94112MW，比上年增加19889MW，增长26.8％。风电装机容量超过1000MW的国家见表1。 　　2007年全球新增风电装机容量排前十位的国家是：美国（5244MW），西班牙（3522MW），中国（3304MW），印度（1730MW），德国（1667MW），法国（888MW），意大利（603MW），葡萄牙（434MW)，英国（427MW），加拿大（386MW）。美国是世界上风电装机容量增长Z快的国家，2008年装机容量有望超过德国，位居全球。
　　未来风电有着很大的发展空间。欧洲计划到2020年实现可再生能源占总发电量的20％，其中风电占12％。欧洲风能协会预测，2020年以前，世界风电产业仍将快速发展，每年新增风电装机容量将保持在30000-50000MW以上。
　　风电产业的快速增长，必须以风电设备的快速增长为支撑，必然带动对风电机组配套轴承的旺盛需求。近年来，世界上二大风电轴承供应商SKF和FAG，尽管满负荷生产，也供不应求，以至国外一些风电设备厂家相继到中国采购轴承。
　　2　中国风电产业发展态势
　　中国可开发风能总量约283万MW，其中陆地风能储量约268万MW，近海风能储量约15万MW。截至2007年底，中国风电机组的装机容量为5906MW，仅占可开发风能总量的2‰，风电产业开发潜力很大。
　　按照中国能源发展战略，国家将大幅度提高风能、太阳能、生物质能等可再生能源在整个能源消费中的比例。在这一战略的引导下，近年来中国风电产业发展很快，如表2所示。 　　截至2007年末，我国除台湾省外，风电机组累计装机6469台，累计装机容量5906MW，风电场158个，分布在21个省（市、自治区、特别行政区），见表3。

表3 2007年累计风电装机^[2]

　　中国《可再生能源中长期发展规划》提出的风电发展目标为：2010年全国风电装机容量累计达到5000MW；2015年全国风电装机容量累计达到15000MW；2020年全国风电装机容量累计达到30000MW。
　　按目前的发展态势，风电装机容量目标应该可以成倍增长，上述规划目标将大大超过。20007年已超过5000MW，提前3年达到2010年规划目标。权威人士预计，2010年将达到20000MW以上。
　　风电产业的发展，受多种因素的驱动和制约。近年来，风电产业的迅猛发展，按中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会于20007年10月发布的《中国风电发展报告•2007》中的预测，2020年中国风电装机容量，“低速发展目标”为40000MW，“中速发展目标”为70000MW，“高速发展目标”为122120MW^[3]。按全球风能理事会Z新发布的《全球风能展望2008》中的预测，2020年中国风电装机容量“参考设想目标”为49000MW，“稳健设想目标”为101000MW，“超前设想目标”为201000MW。
　　综合以上分析，预计全国风电装机容量2010年将达到20000MW以上，则2008-2010年，平均每年要增加5000MW左右；2020年将达到120000-140000MW，则2011-2020年平均每年要增加10000～12000MW以上。
　　3　中国国产风电设备发展情况
　　3.1 中国风电设备国产化水平不断提高
　　近10年来，中国大型风机制造业从零起步，目前已初具规模。2005年2月通过的《中华人民共和国可再生能源法》规定了有利于风电发展的基本原则。之后，出台了一些具体的产业化扶持政策，如2005年7月国家发改委出台了《关于风电建设管理有关要求的通知》明确规定风电设备国产化率要达到70％以上，未满足设备国产化率要求的风电场不允许建设。在这一政策的引导下，国内一些大型企业纷纷进军风电设备领域，2006年从事风机设备制造的企业达30家，2007年已增加到40多家。风电设备的国产化率不断提高，2004年为25％，2005年将近30％，2006年为40％，2007年已达到44.83％（表4），“十一五”末有望达到70％以上。

表4 2007年累计中国内资风电设备制造企业的市场份额^[1]

　　2007年我国新增风电装机，内资企业产品占55.91％（表5），内资企业的新增市场份额首次超过外资企业。

表5 2007年中国内资风电设备制造企业新增市场份额[2]

　　日前，财政部发布了《风力发电设备产业化专项资金管理暂行办法》。该办法规定，对于满足支持条件的风电设备制造企业的首50台风电机组，中央财政将按600元/KW的标准予以补助。据测算，这一补助标准相当于风电设备生产成本的10％左右。业界普遍认为，在国内大力发展风电的大背景下，这一利好消息无疑给风电设备制造企业注入了一剂兴奋剂，此举将有利于风电设备国产化，尤其是核心技术的国产化，对整个风电产业的发展具有非常积极的影响。这一政策，当然也将会惠及风电轴承制造企业。
　　3.2 中国风电机组单机容量逐年提高
　　欧洲岸上风电机组平均容量已达1.5MW，而中国目前刚达到兆瓦级，但在逐年提高（表6）。

表6 当年安装的风电机组平均单机容量^[4] kW

　　目前，中国已掌握了750KW机组整机和零部件的设计制造技术并实现了大批量生产。国家鼓励发展兆瓦级以上的风电设备，提出以1.5MW为主力机型。
　　中国风电机组平均单机容量“十一五”末有望达到1.5MW。
　　3.3 中国将成为世界风电设备制造中心
　　从目前中国众多企业对风电产业近乎狂热的投资和上十大风电设备企业相继进人中国的情况，业内人士预计五年之内中国将成为风电设备世界制造中心。
　　4　风力发电机组轴承国内市场需求
　　以装用轴承Z多的传统的带齿轮箱异步交流发电机机组为例测算风力发电机组装用轴承量为：偏航轴承1套、变桨轴承3套、发电机轴承3套、主轴轴承2套、增速器轴承。增速器有3种结构形式，分别装用轴承：第1种15套，第2种18套，第3种23套。此外还有驱动减速机轴承。
　　如不将驱动减速机轴承计算在内，则风力发电机组轴承分别为第1种9+15=24套，第2种9+18=27套，第3种9+23=32套。测算时取平均值26套。
　　按每年新增装机容量10000-12000MW计算，则每年需新增1.5MW风力发电机约6700-8000台，需轴承17-21万套，其中特大型四点接触球转盘轴承约27000-32000套。按每台份轴承销售额60-70万元，则每年风电轴承总销售额40-56亿元，这对轴承生产企业来说，是一个不小的市场。
　　5　风电轴承的类型和技术要求
　　5.1 偏航变桨轴承
　　5.1.1 轴承类型^[5]单排四点接触球转盘轴承、双排四点接触球转盘轴承。此类轴承具有运转灵活，且能够承受较大的轴向力和倾覆力矩等优点。
　　5.1.2 技术要求
　　（1）套圈采用符合GB/T 3077-1999规定的合金结构钢42CrMo经调质或正火处理，亦可采用性能相当或更优的其他材料。钢球采用符合GB/T 18254-2002规定的GCr15或GCr15SiMn轴承钢，亦可采用性能相当或更优的其他材料。
　　（2）热处理：套圈调质后的硬度，齿轮齿面的淬火硬度，滚道表面淬火硬度、有效硬化层深度应符合JB/T 10705-2007《滚动轴承风力发电机轴承》标准的要求。钢球热处理质量应符合JB/T 1255-2001的规定。
（3）套圈低温冲击功，-20℃A_kw不小于27J。
　　（4）采用小游隙和负游隙，以减小冲击振动，提高承载能力，并在振动的情况下减小轴承的微动磨损。偏航轴承的轴向游隙规定为0-50μm，变桨轴承的轴向游隙不应大于0。
　　（5）采用符合HG/T 2811-1996标准规定的丁腈橡胶，也可采用性能相当或更优的其他材料制造的密封圈进行密封。
　　（6）套圈应按GB/T 7736-2001标准中的Ⅱ级要求进行探伤。
　　（7）除滚道和齿轮部分外，其他表面应按GB/T 9793和JB/T 8427-1996的规定进行热喷涂防腐处理，也可采用满足其性能要求的其他防腐方法。
　　（8）启动摩擦力矩按用户要求。
　　（9）轴承零件不应有自点、夹杂，零件表面不应有裂纹、锈蚀、烧伤、磕碰和软点等缺陷。
　　5.2 传动系统轴承
　　5.2.1 轴承类型^[1]
　　（1）主轴轴承：调心滚子轴承，亦有采用大锥角双列圆锥滚子轴承。
　　（2）发电机轴承：深沟球轴承、圆柱滚子轴承。
　　（3）增速器轴承：深沟球轴承、圆柱滚子轴承、满滚子圆柱滚子轴承、双列圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、推力调心滚子轴承、四点接触球轴承。
　　5.2.2 技术要求
　　传动系统轴承从结构形式上看大多为标准轴承，所不同的是，为了保证高可靠性，在材料、热处理方面提出了一些特殊要求。
　　（1）套图和滚动体一般采用电渣重熔冶炼的ZGCr15或ZGCr15SiMn轴承钢制造，其热处理质量应符合ZJB J11 038-1993《军用高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理质量要求》的规定。
　　（2）对轴承零件进行高温回火处理，以消除多余残余奥式体，稳定零件尺寸精度；确保在温差较大的环境中轴承的高可靠性运转。
　　5.3 风电轴承的关键技术
　　在满足上述技术要求的基础上，风电轴承的制造，要特别注重以下关键技术的研究和应用：轴承可靠性设计、制造和试验技术；轴承工况和受力分析，载荷谱的建立；制造轴承零件的钢材钢种的优选；钢材质量（尤其是外协锻件钢材质量）控制技术和控制措施；转盘轴承套圈和齿轮齿面齿根表面淬火硬度、有效硬化层深度的控制，变形和淬火裂纹的防止；提高材料低温机械性能的方法；小游隙和负游隙转盘轴承摩擦力矩的控制；双列球转盘轴承、双列圆锥滚子轴承以及调心滚子轴承保证双滚道的加工一致性的工艺措施；圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承球基面与挡边接触位置和形状的优化；调心滚子轴承内圈、滚子和外圈工作面硬度和粗糙度匹配的优化；包括尺寸和形状精确测量、表面淬火淬硬层深度检测、裂纹和其他缺陷的无损检测等的检测技术；特大型轴承寿命和可靠性试验加载，工况近似模拟，状态检测和试验数据采集及处理方法；残余奥氏体含量的Z佳控制^[6]等等。
　　6　我国风电机组配套轴承研发和产业化需解决的问题
　　6.1 增强风险意识
　　风电产业具有巨大的现实市场和广阔的市场前景，抓住了这一市场机遇，就抓住了新的经济增长点，从而促进企业做强做大。但风电产业又是资金和技术密集的高风险产业。面对风电产业的迅猛发展态势和巨大的市场需求，我国轴承业界形成了一股风电轴承投资热。而在这股投资热的背后，是对风电轴承市场缺乏深入分析，对其巨大的投资风险、市场风险和技术风险估计不足。轴承企业在对风电轴承作大的投资时，一定要对世界和中国的风电产业的总规模，现实的和潜在的国内、外风电轴承市场，竞争对手可能占有的市场份额，本企业有多大的市场竞争空间及经过努力能否进入优势风电设备制造企业的产业链等等，进行认真而冷静的分析。对于缺少技术储备，没有有力的技术支撑的企业，涉足风电轴承市场，一定要持慎重态度。
　　6.2 全面为主机配套
　　目前，风电轴承的研发和产业化很不平衡。由于偏航轴承和变桨轴承单套销售额高，附加值高，技术难度相对较小，进军风电轴承领域的各厂家一开始都是集中力量上偏航轴承和变桨轴承，国内瓦轴、天马、洛轴、大冶轴、西轴、洛轴所、京冶轧机等几家轴承生产企业已经形成规划目标，要形成的生产能力粗略估计约为40000套以上，已远远超过国内市场的需求。但是，对主轴轴承、发电机轴承和增速器轴承的研发和产业化重视不够。尤其是增速器轴承，现在国产轴承几乎都未进入这一领域。只有少数优势企业的样品刚开始在主机或部件企业装机试验。风电设备主机和部件制造厂家为了有利于生产组织和质量控制，需要轴承厂家成台份地供应轴承。因此，有志于在风电轴承市场占一席之地的企业，不仅要研发、生产偏航、变桨轴承，而且要研发、生产增速器轴承、主轴轴承和发电机轴承，力求成台份地供货，进入风电设备主机厂和部件厂（兰州、永济、湘电、哈电和上电等发电机制造厂，南高齿、重齿和杭齿等增速器制造厂）的产业链^[3]。
　　6.3 着力提高产品可靠性
　　风电机组在野外高空运行，风电轴承工况恶劣，温度、湿度、载荷变化大，要承受冲击载荷和倾覆力矩。对风电轴承要求20年使用寿命和高可靠性。目前，国产风电轴承批量使用只有2-3年时间，轴承寿命和可靠性还未真正经受考验。可以说，对轴承厂家来说，对自己制造的轴承的寿命和可靠性心里没有底，用户也不放心，尤其是增速器轴承。一风机生产排头兵企业曾反映：“进口轴承交货期不能保证，我们非常希望风电轴承能国产化，以免受制于人。但是，直到现在，还没有一家轴承企业能保证自己生产的轴承的寿命和可靠性达到要求。”面对这种情况，要攻关破难，研发和应用风电轴承可靠性设计、可靠性制造和可靠性试验技术，以功能强大的软硬件，令人信服的设计计算数据、检测数据、试验数据和经验数据，使我们对自己生产的风电轴承的寿命和可靠性，自己心里有底。也让用户放心。
　　6.4 建立共性技术研发平台
　　我国是以企业为单位进行风电轴承的研发并进而产业化，缺少共性技术研发平台。对于涉及多学科的风电轴承来说，仅依靠单个企业的力量很难透彻地掌握相关技术。况且，面对火爆的市场，各企业都是仓促上阵，对风电轴承工况、技术要求和加工工艺都缺乏深入研究。对于进军风电轴承领域的各企业来说，相互之间既是竞争对手，又应该寻求在风电轴承共性技术研发方面的战略合作。如果几大风电轴承企业能够联合起来，吸收高等院校、科研院所加盟，产学研联合，并争取政府的政策支持，进行风电轴承共性技术的研发，将会大大提高我国风电轴承的设计制造技术水平。这是一个很难解决但又必须解决的问题。
　　6.5 瞄准科技发展前沿
　　应瞄准世界风能业界科技发展前沿，紧跟风电设备发展趋势，同步或超前进行风电轴承研发。随着风机单机容量的不断增大，和风场由陆地向近海发展，风力发电机组技术也在不断提升。不能坐等推出了新型主机，才去研发配套轴承。要努力与风机设备制造企业结成战略联盟，与主机同步研发，甚至超前研发配套轴承。对一些前沿技术，一定要高度敏感，快速跟进。另外，风电轴承现在都是通用轴承，其中一部分要发展成为专用轴承，这是一种趋势。一定要超前做好个性化设计的研究工作。
　　在所有风机配套轴承中，尤其要引起高度关注的是增速器轴承。
　　风机增速器是大传动比的齿轮箱。由于承受的扭矩和转速波动范围大，传输负载易突变，箱体重量与安装空间有限制，安装平台存在柔性变形等等，因而与传统的重载工业齿轮箱的应用环境相去甚远。目前，部件失效造成风机停机，增速器占20％左右，是风机部件中比例Z高的。而风机增速器的故障80％起源于有缺陷的轴承。例如，Vestas公司为英国Scroby Sands风场提供的30台风机，2004年8月开始运行，到12月中旬，其中18台更换了新轴承。英国一位齿轮箱资深专家说：“世界上Z大的轴承制造商为Z大的风机制造商供货，仍然饱受大量的增速器轴承失效的困扰。”
　　因此，对风机增速器及其配套轴承的可靠性的研究，已成为当前风能业界的难点和重点，应密切关注和跟进一些前沿技术。
　　如在风机传动系统研究上居全球领先地位的英国Romax公司提出的对风机增速器轴承受力分析和寿命计算的新观点、新方法。在设计风机增速器轴承时，不是对单个轴承进行受力分析，而是将轴承与增速器视为一个整体，在动态状况下，作为一个系统来分析。要考虑轴与箱体的变形，多个轴承之间的相互作用及非线性刚性，轴承内部滚动体之间的载荷分配等等。推荐采用ISO 281-2007，ISO/TS 16281-2008标准计算轴承寿命，按载荷、预紧、错位、高速效应、微观几何精度、应力分布、油膜厚度、污染疲劳和载荷极限等诸因素，对轴承寿命进行计算和修正。
　　又如日本NSK公司采用自行开发的STF（Super-TF）钢和HTF（Hi-F）钢制造风机增速器轴承。增速器在工作过程中，齿轮磨损产生的微小金属颗粒，在轴承工作表面形成压痕，压痕边缘形成高的应力集中，成为疲劳源，导致剥落，缩短轴承使用寿命。NSK公司开发的用中碳合金钢碳氮共渗的STF和HTF钢，通过严格控制碳氮共渗工艺，使零件表面得到较多的稳定的残余奥氏体（约30％-5％）和大量细小的碳化物、碳氮化物。后者可保证表面的硬度和耐磨性，使压痕不易形成；前者可以降低压痕的边缘效应，阻止疲劳源的形成和扩展，从而大大提高轴承在如风机增速器这样的在污染润滑工况下的使用寿命^[7]。这方面，洛阳轴承研究所已进行了研发工作，并取得初步成果^[6]。
　　7　结束语
　　风电产业对于轴承行业是全新的服务领域。轴承生产企业应积极开拓这一充满希望的市场。本文的阐述，是希望从一个侧面为那些已经进入或准备进入风电轴承领域的轴承企业提供一些风电轴承技术和市场方面的信息，引起他们的思考，以利于促进风电轴承的研发和产业化快速健康地发展。
　　参考文献：
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　　[2]施鹏飞.2007年中国风电场装机容量统计[R].第七届世界风能大会交流资料,2008．
　　[3]李俊峰,高虎.中国风电发展报告·2007[R].北京:中国环境出版社,2007:48-49．
　　[4]施鹏飞.全球风力发电现况及发展趋势[R].第七届世界风能大会交流资料,2008．
　　[5]孙立明,陈原,宋丽.风力发电机组关键轴承设计技术[J].轴承,2008,特刊:49-54．
　　[6]刘耀中.汽车轴承的材料及热处理长寿命技术[C]//全国汽车轴承技术攻关专题研讨会论文集.洛阳:中国轴承工业协会技术委员会,2008:47-53．
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