风电机组中的风电轴承
发布时间：2013-11-27冯琴（上海三门科技有限公司）
张先鸣（上海申光高强度螺栓有限公司）
张先鸣（上海申光高强度螺栓有限公司）
轴承是国民经济的战略物资，装备制造业的关键基础件。轴承属于风电机组的核心零部件。风电轴承的范围涉及从叶片、主轴和偏航所用的轴承，到齿轮箱和发电机中所用的高速轴承。总体来说，轴承是风力机械中的薄弱部位。特别是用于齿轮箱、主轴和发电机上的大轴承，是造成某些型号风电机组的主要故障之一。目前，用于风电机组的轴承由球面滚子轴承、滚珠轴承和旋转枢轴轴承组成。下表列出了轴承在风电机组不同部件中的具体应用。
表 轴承在风电机组中的具体应用
风电轴承，由于其所使用的环境恶劣、安装维修维护不便，使其对轴承零件的质量要求更严格。为此，不仅要求轴承具有足够的强度和承载能力，还要求其寿命长（一般要求20年），安全可靠，运行平稳，且润滑、防腐及密封性能良好。根据其同时承受轴向载荷、径向载荷和冲击载荷的受力特点，由于涉及多学科，要特别注意制造轴承零件所用材料的优选、材料质量控制、工艺措施以及特大型轴承寿命等关键技术的研究和应用。
1 市场需求与生产能力
由于20年免维护的使用寿命要求，对风电轴承的需求主要是主机配套市场，基本上没有维修市场。
2006年以前，我国风电机组市场配套轴承大部分都是进口，价格昂贵，交货周期长，在2007年更为突出，由于风电轴承需求旺盛，世界著名风电轴承厂商尽管满负荷生产，仍然供不应求，进口轴承单价几乎平均上涨了1倍，合同交货周期长达1～2 年。但目前，偏航轴承和变桨轴承的产能已出现过剩状态，价格大幅度降低，与2008年相比，国产偏航轴承和变桨轴承的降价幅度已高达20%～40%。
近3年来，国产风电轴承逐渐形成了规模化、系列化生产，主要企业有瓦轴、天马、洛轴、徐州罗特艾德以及大冶轴等，还有轴研科技、方圆支承、上海联合和西北轴等，不仅满足了国内的需求，而且也成为国外一些风电设备厂家的采购渠道。
风电机组中偏航轴承和变桨轴承的技术门槛相对较低，而主轴轴承和增速器轴承的技术含量较高，发电机轴承基本上为成熟的通用产品。因此，目前国内风电轴承企业的产能主要集中在偏航轴承和变桨轴承上，3MW以下风电机组配套轴承均可批量生产，国产替代率已达到80%以上，年产能已达4.5万套以上；但对主轴轴承和增速器轴承，基本还是依靠进口，只有部分企业初步介入，尚处于研制阶段。
上著名风电轴承公司主要有德国Rothe Erde（罗特艾德）、法国Rollix（劳力氏）、瑞典SKF、德国Schaeffer（舍弗勒）、美国Timken和日本NSK等，在全球市场占据统治地位。SKF、Schaeffer和Timken等还与国内风电主机企业签订了战略联盟关系，全面供应配套风电轴承。
2 材料
材料的好坏是决定风电轴承的Z重要因素，我国风电轴承与国外差距，材料是主要因素，其次为风电轴承设计、工艺水平和工艺装备。尽管我们制定了JG/T 10705-2007《滚动轴承 风力发电机轴承》和修订了GB/T 18254-2002《高碳铬轴承钢》标准，对其中碳化物、偏析、含氧量和夹杂物等要求有所提升，但受制于国内钢企冶炼技术和成本等因素，完全实施仍有很大难度。
随着真空脱气的广泛应用，我国轴承钢的含氧量控制方面有很大提高，已接近国外水平。但在碳化物均匀性、网状碳化物控制、夹杂物控制等方面仍有较大差距，这就造成国内风电轴承质量先天不足，风电轴承的寿命、可靠性及一致性逊色国外产品。
风电轴承有几种类型几十种规格，材料有十几种，每种材料都有其特点和Z佳使用条件，要正确选材，必须考虑轴承零件的服役条件和失效形式，材料本身的价格性能和相应的强化手段及加工条件、制造成本。在工业化国家，各制造公司都对风电轴承零件选材相当重视，他们把积累多年的经验和多方面知识集成的材料选择知识（或称之为方法）编制成手册，称之为“蓝色圣经”。上有关风电轴承零件选材的经验和知识鲜有报道，而我国轴承行业的风电轴承设计中，没有成熟的选材方法和经验，在选材方面存在较大的盲目性，常常因选材不当造成重大损失。
不同部位的风电轴承采用不同的材料及热处理。偏航轴承和变桨轴承转盘套圈采用42CrMoA钢的低温韧性在环境温度＜-20℃，要求冲击吸收功KV2≥27J，热处理表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹的控制是必须保证的。增速器轴承用相当于国外STF、HTF钢的研制，必须控制其残留奥氏体Z佳含量；偏航轴承和变桨轴承传动系统套圈采用GCr15SiMn、GCr15SiMo 和GCr18Mo钢，化学成分多年基本稳定，约1%碳含量可提供较高的硬度和耐磨性、约1.5%铬可获得足够的淬透性并保证生成细小稳定的合金渗碳体，同时提供适当的耐蚀性，主要用于壁厚＞12mm，外径＞250mm轴承套圈，以及钢材直径＞50mm的圆锥圆柱及球面滚子；直径＞22mm的轴承零件。
主轴轴承在国产真空脱气钢质量尚存一定差距的情况下，采用电渣重熔渗碳钢ZG20Cr2Ni4A制造，适用有效厚度≥20mm及直径≥70mm轴承套圈和滚子，渗碳层深度2.5～5.0mm，Z高工作温度≤120℃。
3 热处理
轴承钢交货状态大多为球化退火态，以便轴承企业进行切削加工。轴承钢的球化退火时间很长，耗时耗能。将轧制变形或锻造变形过程与球化退火工艺相结合，可以显著促进渗碳体的球化过程且得到较为细小的渗碳体颗粒；应加强形变诱导渗碳体球化原理与工艺技术的研究与发展运用。
多年研究与生产结果表明，淬火加热时控制奥氏体中碳含量在0.5%左右（质量分数），既可获得足够高的淬火基体硬度，又可保证有足够体积分数的合金渗碳体阻止奥氏体晶粒长大，且0.5%左右（质量分数）碳含量的马氏体具有明显的板条特征，因而具有较高的韧塑性，由此可明显提高轴承的接触疲劳寿命。
国内风电轴承生产企业的热处理还停留在保护气氛的少氧化加热，采用99.8%以上氮气＋甲醇或只通入甲醇作为保护气氛，炉内碳势不易控制，热处理后零件有少量脱碳层，基本可满足磨削要求。但在倒角、油沟等不磨削位置仍有残留脱碳层，特别对滚动体的使用寿命还是有一定影响。目前国外先进风电轴承企业已全面推广可控气氛的无氧化加热，采用高纯氮气＋丙烷，炉内碳势可控制，
保证炉内气氛的碳势与加工零件含碳量基本一致，确保加工风电轴承零件无氧化。这是我们努力的方向。
此外，热处理后保持9%左右的残留奥氏体对轴承产品的接触疲劳寿命较为有利。然而，残留奥氏体在使用过程中发生转变将导致产品尺寸的变化，因此，必须根据实际需要调整残留奥氏体量，对尺寸稳定性要求较高的轴承则必须采用深冷处理，以尽可能降低残留奥氏体量。深入研究亚稳的奥氏体在使用过程中的稳定性问题，有效延缓其分解过程，具有重要的实际应用价值。轴承的接触疲劳破坏是Z主要的失效形式，除保证适当体积分数的残留奥氏体外，提高钢的冶金质量严格控制大颗粒夹杂物的存在及分布状态对提高接触疲劳寿命是非常关键的。目前先进轴承钢中氧含量要求在4×10-6以下。此外，控制硫化物的尺寸与分布、消除网状或带状碳化物、明显细化合金渗碳体，均可有效提高接触疲劳寿命。
轴承钢企向下游延伸产业链，直接提供轴承套圈和滚动体坯料，甚至轴承产品，是节能降耗提高效率的重要发展方向，上主要的轴承钢生产企业同时也是风电轴承产品的生产企业（如瑞典SKF、日本NSK），近年来我国兴澄特钢进行了大量有益的工作，并已取得一定的成效。
4 关键技术
我国对风电轴承制造方面起步较晚，在研究开发深度和工程应用经验积累方面远远不够。除材料与热处理外，风电轴承的关键技术主要有：
1）设计与分析。目前仍以经验类为主，受力分析与载荷谱的研究几乎空白。其中的难点技术是针对主轴轴承的要求无故障运转达13×104h以上，工作寿命20年；并具有99%以上的可靠度；针对齿轮箱轴承的高损坏率（据统计，齿轮箱故障中约80%左右是轴承失效所致）的高载荷容量设计等。
2）防腐蚀与密封。偏航和变桨轴承部分裸露在外，会受到环境污染腐蚀等侵害。因此，要进行满足整个使用寿命期的表面防腐处理。同样重要的是，还有防止轴承内部润滑脂泄漏、外界杂质侵入的密封技术。
3）偏航和变桨轴承的特殊游隙要求。由于偏航和变桨轴承要承受不定风力所产生的冲击载荷等。因此，偏航轴承要求小游隙；变桨轴承与偏航轴承相比，由于承受的冲击载荷更大，由叶片传递的振动也大，所以要求为零游隙或者稍负游隙，以减小滚动工作面的微动磨损。
4）偏航轴承和变桨轴承滚道的磨削加工。由于风电机组大型化的趋势，要求风电轴承具有更高的起动及运转灵活性。所以，偏航和变桨轴承滚道加工已从常规的精车转变为磨削加工，配套钢球也从G48改变为G20。
5）主轴轴承和增速器轴承的高精度加工。其中Z主要是所采用的调心滚子轴承，由于其结构特点，导致在制造上难以实现高精度，通常的Z高加工精度仅为P5，而现在的设计精度已要求达到P4。保持架的改进设计，保持架应具有更高的强度和耐磨损性。
6）检测试验。检测试验包括摩擦力矩测量、模拟试验机和试验规程等。
5 技术发展
在所有风电轴承中，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差甚远。目前，部分失效造成风机停机，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。因此，对风机增速器轴承和主轴轴承的可靠性的研究，已成为当前风机行业的难点和重点，应密切关注和跟进一些前沿技术。
新轴承材料的发展有利于风电轴承的强化。日本NSK公司开发的NSJ2钢可以提高残留奥氏体稳定性，该钢尺寸稳定性和抗磨损性与GCr15相当，而疲劳寿命显著提高；TF技术是日本NSK公司针对污染条件下使用的轴承而开发的长寿命高韧性渗碳钢及相应热处理技术，通过调整钢的合金成分，采用相应热处理，渗碳或碳氮共渗后在零件表面形成大量细小碳化物，获得极高的硬度和大量残留奥氏体（30%～35%），从而提高接触疲劳寿命。TF系列钢有TF、HTF、STF、NTF四种，它们具有良好的耐磨性和抗咬合性，极高的接触疲劳寿命，尺寸稳定性介于表面淬火钢和整体淬火钢之间。
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。一定要做好个性化设计的研究工作。
6 结束语
轴承制造是目前风电机组产业供应链中的主要瓶颈。这个瓶颈是否被打破将主要影响到我国风电发展的速度。然而，随着风电机组尺寸的增加和同时对轴承质量要求变得更加严格。风电轴承短缺的形势将可能在今后的几年里或较长的时间里得到解决。
工信部2010年10月印发了《机械基础零部件产业振兴实施方案》，计划通过3年努力，使得我国重大装备基础零部件配套能力提高到70%以上。尤其是风力发电机增速器轴承、发电机轴承和主轴轴承配套能力提高，为功率≥1.5MW的风电机组配套，工作寿命20年，可靠度≥99%。因此，国内风电轴承制造企业应充分利用这一政策效应，跟踪主流机型发展动向，尽快掌握核心技术，在技术质量水平和自主知识产权上取得新突破，为我国的风电产业的高速、健康发展做出应有的贡献。
1 市场需求与生产能力
由于20年免维护的使用寿命要求，对风电轴承的需求主要是主机配套市场，基本上没有维修市场。
2006年以前，我国风电机组市场配套轴承大部分都是进口，价格昂贵，交货周期长，在2007年更为突出，由于风电轴承需求旺盛，世界著名风电轴承厂商尽管满负荷生产，仍然供不应求，进口轴承单价几乎平均上涨了1倍，合同交货周期长达1～2 年。但目前，偏航轴承和变桨轴承的产能已出现过剩状态，价格大幅度降低，与2008年相比，国产偏航轴承和变桨轴承的降价幅度已高达20%～40%。
近3年来，国产风电轴承逐渐形成了规模化、系列化生产，主要企业有瓦轴、天马、洛轴、徐州罗特艾德以及大冶轴等，还有轴研科技、方圆支承、上海联合和西北轴等，不仅满足了国内的需求，而且也成为国外一些风电设备厂家的采购渠道。
风电机组中偏航轴承和变桨轴承的技术门槛相对较低，而主轴轴承和增速器轴承的技术含量较高，发电机轴承基本上为成熟的通用产品。因此，目前国内风电轴承企业的产能主要集中在偏航轴承和变桨轴承上，3MW以下风电机组配套轴承均可批量生产，国产替代率已达到80%以上，年产能已达4.5万套以上；但对主轴轴承和增速器轴承，基本还是依靠进口，只有部分企业初步介入，尚处于研制阶段。
上著名风电轴承公司主要有德国Rothe Erde（罗特艾德）、法国Rollix（劳力氏）、瑞典SKF、德国Schaeffer（舍弗勒）、美国Timken和日本NSK等，在全球市场占据统治地位。SKF、Schaeffer和Timken等还与国内风电主机企业签订了战略联盟关系，全面供应配套风电轴承。
2 材料
材料的好坏是决定风电轴承的Z重要因素，我国风电轴承与国外差距，材料是主要因素，其次为风电轴承设计、工艺水平和工艺装备。尽管我们制定了JG/T 10705-2007《滚动轴承 风力发电机轴承》和修订了GB/T 18254-2002《高碳铬轴承钢》标准，对其中碳化物、偏析、含氧量和夹杂物等要求有所提升，但受制于国内钢企冶炼技术和成本等因素，完全实施仍有很大难度。
随着真空脱气的广泛应用，我国轴承钢的含氧量控制方面有很大提高，已接近国外水平。但在碳化物均匀性、网状碳化物控制、夹杂物控制等方面仍有较大差距，这就造成国内风电轴承质量先天不足，风电轴承的寿命、可靠性及一致性逊色国外产品。
风电轴承有几种类型几十种规格，材料有十几种，每种材料都有其特点和Z佳使用条件，要正确选材，必须考虑轴承零件的服役条件和失效形式，材料本身的价格性能和相应的强化手段及加工条件、制造成本。在工业化国家，各制造公司都对风电轴承零件选材相当重视，他们把积累多年的经验和多方面知识集成的材料选择知识（或称之为方法）编制成手册，称之为“蓝色圣经”。上有关风电轴承零件选材的经验和知识鲜有报道，而我国轴承行业的风电轴承设计中，没有成熟的选材方法和经验，在选材方面存在较大的盲目性，常常因选材不当造成重大损失。
不同部位的风电轴承采用不同的材料及热处理。偏航轴承和变桨轴承转盘套圈采用42CrMoA钢的低温韧性在环境温度＜-20℃，要求冲击吸收功KV2≥27J，热处理表面感应淬火的淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹的控制是必须保证的。增速器轴承用相当于国外STF、HTF钢的研制，必须控制其残留奥氏体Z佳含量；偏航轴承和变桨轴承传动系统套圈采用GCr15SiMn、GCr15SiMo 和GCr18Mo钢，化学成分多年基本稳定，约1%碳含量可提供较高的硬度和耐磨性、约1.5%铬可获得足够的淬透性并保证生成细小稳定的合金渗碳体，同时提供适当的耐蚀性，主要用于壁厚＞12mm，外径＞250mm轴承套圈，以及钢材直径＞50mm的圆锥圆柱及球面滚子；直径＞22mm的轴承零件。
主轴轴承在国产真空脱气钢质量尚存一定差距的情况下，采用电渣重熔渗碳钢ZG20Cr2Ni4A制造，适用有效厚度≥20mm及直径≥70mm轴承套圈和滚子，渗碳层深度2.5～5.0mm，Z高工作温度≤120℃。
3 热处理
轴承钢交货状态大多为球化退火态，以便轴承企业进行切削加工。轴承钢的球化退火时间很长，耗时耗能。将轧制变形或锻造变形过程与球化退火工艺相结合，可以显著促进渗碳体的球化过程且得到较为细小的渗碳体颗粒；应加强形变诱导渗碳体球化原理与工艺技术的研究与发展运用。
多年研究与生产结果表明，淬火加热时控制奥氏体中碳含量在0.5%左右（质量分数），既可获得足够高的淬火基体硬度，又可保证有足够体积分数的合金渗碳体阻止奥氏体晶粒长大，且0.5%左右（质量分数）碳含量的马氏体具有明显的板条特征，因而具有较高的韧塑性，由此可明显提高轴承的接触疲劳寿命。
国内风电轴承生产企业的热处理还停留在保护气氛的少氧化加热，采用99.8%以上氮气＋甲醇或只通入甲醇作为保护气氛，炉内碳势不易控制，热处理后零件有少量脱碳层，基本可满足磨削要求。但在倒角、油沟等不磨削位置仍有残留脱碳层，特别对滚动体的使用寿命还是有一定影响。目前国外先进风电轴承企业已全面推广可控气氛的无氧化加热，采用高纯氮气＋丙烷，炉内碳势可控制，
保证炉内气氛的碳势与加工零件含碳量基本一致，确保加工风电轴承零件无氧化。这是我们努力的方向。
此外，热处理后保持9%左右的残留奥氏体对轴承产品的接触疲劳寿命较为有利。然而，残留奥氏体在使用过程中发生转变将导致产品尺寸的变化，因此，必须根据实际需要调整残留奥氏体量，对尺寸稳定性要求较高的轴承则必须采用深冷处理，以尽可能降低残留奥氏体量。深入研究亚稳的奥氏体在使用过程中的稳定性问题，有效延缓其分解过程，具有重要的实际应用价值。轴承的接触疲劳破坏是Z主要的失效形式，除保证适当体积分数的残留奥氏体外，提高钢的冶金质量严格控制大颗粒夹杂物的存在及分布状态对提高接触疲劳寿命是非常关键的。目前先进轴承钢中氧含量要求在4×10-6以下。此外，控制硫化物的尺寸与分布、消除网状或带状碳化物、明显细化合金渗碳体，均可有效提高接触疲劳寿命。
轴承钢企向下游延伸产业链，直接提供轴承套圈和滚动体坯料，甚至轴承产品，是节能降耗提高效率的重要发展方向，上主要的轴承钢生产企业同时也是风电轴承产品的生产企业（如瑞典SKF、日本NSK），近年来我国兴澄特钢进行了大量有益的工作，并已取得一定的成效。
4 关键技术
我国对风电轴承制造方面起步较晚，在研究开发深度和工程应用经验积累方面远远不够。除材料与热处理外，风电轴承的关键技术主要有：
1）设计与分析。目前仍以经验类为主，受力分析与载荷谱的研究几乎空白。其中的难点技术是针对主轴轴承的要求无故障运转达13×104h以上，工作寿命20年；并具有99%以上的可靠度；针对齿轮箱轴承的高损坏率（据统计，齿轮箱故障中约80%左右是轴承失效所致）的高载荷容量设计等。
2）防腐蚀与密封。偏航和变桨轴承部分裸露在外，会受到环境污染腐蚀等侵害。因此，要进行满足整个使用寿命期的表面防腐处理。同样重要的是，还有防止轴承内部润滑脂泄漏、外界杂质侵入的密封技术。
3）偏航和变桨轴承的特殊游隙要求。由于偏航和变桨轴承要承受不定风力所产生的冲击载荷等。因此，偏航轴承要求小游隙；变桨轴承与偏航轴承相比，由于承受的冲击载荷更大，由叶片传递的振动也大，所以要求为零游隙或者稍负游隙，以减小滚动工作面的微动磨损。
4）偏航轴承和变桨轴承滚道的磨削加工。由于风电机组大型化的趋势，要求风电轴承具有更高的起动及运转灵活性。所以，偏航和变桨轴承滚道加工已从常规的精车转变为磨削加工，配套钢球也从G48改变为G20。
5）主轴轴承和增速器轴承的高精度加工。其中Z主要是所采用的调心滚子轴承，由于其结构特点，导致在制造上难以实现高精度，通常的Z高加工精度仅为P5，而现在的设计精度已要求达到P4。保持架的改进设计，保持架应具有更高的强度和耐磨损性。
6）检测试验。检测试验包括摩擦力矩测量、模拟试验机和试验规程等。
5 技术发展
在所有风电轴承中，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差甚远。目前，部分失效造成风机停机，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。因此，对风机增速器轴承和主轴轴承的可靠性的研究，已成为当前风机行业的难点和重点，应密切关注和跟进一些前沿技术。
新轴承材料的发展有利于风电轴承的强化。日本NSK公司开发的NSJ2钢可以提高残留奥氏体稳定性，该钢尺寸稳定性和抗磨损性与GCr15相当，而疲劳寿命显著提高；TF技术是日本NSK公司针对污染条件下使用的轴承而开发的长寿命高韧性渗碳钢及相应热处理技术，通过调整钢的合金成分，采用相应热处理，渗碳或碳氮共渗后在零件表面形成大量细小碳化物，获得极高的硬度和大量残留奥氏体（30%～35%），从而提高接触疲劳寿命。TF系列钢有TF、HTF、STF、NTF四种，它们具有良好的耐磨性和抗咬合性，极高的接触疲劳寿命，尺寸稳定性介于表面淬火钢和整体淬火钢之间。
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。一定要做好个性化设计的研究工作。
6 结束语
轴承制造是目前风电机组产业供应链中的主要瓶颈。这个瓶颈是否被打破将主要影响到我国风电发展的速度。然而，随着风电机组尺寸的增加和同时对轴承质量要求变得更加严格。风电轴承短缺的形势将可能在今后的几年里或较长的时间里得到解决。
工信部2010年10月印发了《机械基础零部件产业振兴实施方案》，计划通过3年努力，使得我国重大装备基础零部件配套能力提高到70%以上。尤其是风力发电机增速器轴承、发电机轴承和主轴轴承配套能力提高，为功率≥1.5MW的风电机组配套，工作寿命20年，可靠度≥99%。因此，国内风电轴承制造企业应充分利用这一政策效应，跟踪主流机型发展动向，尽快掌握核心技术，在技术质量水平和自主知识产权上取得新突破，为我国的风电产业的高速、健康发展做出应有的贡献。
来源：《电气制造》2010年第11期