文章出處:知識(shí)中心 網(wǎng)責(zé)任編輯: 洛陽軸承 閱讀量: 發(fā)表時(shí)間:2022-03-18 15:16:24
我國海上風(fēng)電市場(chǎng)將在未來十年內(nèi)飛速發(fā)展,針對(duì)海上風(fēng)電惡劣工況要求,風(fēng)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(jì)、材料、表面處理以及工藝等方面闡述了對(duì)風(fēng)電主軸軸承技術(shù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向。
1、海上風(fēng)電市場(chǎng)和大兆瓦機(jī)組發(fā)展趨勢(shì)
全球風(fēng)能理事會(huì)(GWEC)發(fā)布的《全球海上風(fēng)電報(bào)告2020》預(yù)測(cè):到2030年,全球海上風(fēng)電裝機(jī)量將從現(xiàn)在的29.1GW升至234GW,亞太地區(qū)會(huì)成為最重要的市場(chǎng)。2021年9月9日,在英國Shoreham港發(fā)布《2021全球海上風(fēng)電報(bào)告》,2020年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)6.1GW,比2019年的6.24 GW略有降低,但GWEC預(yù)計(jì)2021年將是全球海上風(fēng)電裝機(jī)創(chuàng)紀(jì)錄的一年。
報(bào)告預(yù)計(jì),在現(xiàn)有風(fēng)電政策的情況下,未來十年全球?qū)⑿略龊I巷L(fēng)電裝機(jī)235GW,這一增量相當(dāng)于現(xiàn)有海上風(fēng)電裝機(jī)的七倍。相比于2020年報(bào)告,本次預(yù)測(cè)上調(diào)了15%。
中國在2020年實(shí)現(xiàn)了3GW以上的海上風(fēng)電新增并網(wǎng),連續(xù)第三年成為全球最大的海上風(fēng)電市場(chǎng)。歐洲市場(chǎng)保持穩(wěn)定增長(zhǎng),荷蘭以近1.5 GW的新增裝機(jī)排在全球第二位,比利時(shí)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(bào)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(fēng)電裝機(jī)需要在2050年達(dá)到2000GW,而現(xiàn)在的裝機(jī)量還不到這一目標(biāo)的2%,2030年的預(yù)測(cè)裝機(jī)量也只是這一目標(biāo)的13%。
2、海上風(fēng)電軸承技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)
由于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yùn)輸、安裝和更換都極為不便,且費(fèi)用高昂。于此同時(shí),海上風(fēng)電軸承所處的環(huán)境非常惡劣,包括臺(tái)風(fēng)、空氣濕度大導(dǎo)致腐蝕等等,因此高性能、高可靠性以及長(zhǎng)壽命是主軸軸承必須具備的品質(zhì)。目前風(fēng)電主軸軸承主要依賴進(jìn)口,國際上著名風(fēng)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(chǎng)占據(jù)統(tǒng)治地位。我國風(fēng)電軸承與國外的仍有較大差距,其中主要在于材料、設(shè)計(jì)、表面處理、工藝水平和工藝裝備。
2.1 海上風(fēng)電主軸軸承設(shè)計(jì)
目前,風(fēng)電機(jī)組中主軸軸承主要承受傳動(dòng)鏈中大部分來自于外部風(fēng)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(fēng)電機(jī)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(biāo),同時(shí)定位端主軸軸承在面對(duì)較大軸向力或軸向沖擊時(shí),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(duì)齒輪箱內(nèi)部的受力穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響。
隨著海上風(fēng)電兆瓦級(jí)別的不斷提高,無論是單點(diǎn)支撐還是雙點(diǎn)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(shí)伴隨著單向偏載以及系統(tǒng)振動(dòng)、潤(rùn)滑條件不足等阻礙。
目前已裝機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(diǎn)支撐和三點(diǎn)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(dòng)端調(diào)心滾子軸承軸承的兩點(diǎn)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(duì)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(yùn)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(dòng)中隔圈和無中隔圈設(shè)計(jì)。相對(duì)于浮動(dòng)中隔圈和無中隔圈的設(shè)計(jì),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(dòng)距離,從而有效減少軸向力對(duì)齒輪箱的影響。同時(shí)固定中隔圈可以有效限制滾動(dòng)體在移動(dòng)時(shí)的擺動(dòng)角度。而無中隔圈的設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于可以更充分地利用內(nèi)部空間從而設(shè)計(jì)更大的滾動(dòng)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(jìn)一步提高滾子軸承額定動(dòng)載荷系數(shù)bm值
根據(jù)ISO 281中定義bm值為“當(dāng)代常用材料與加工質(zhì)量的額定動(dòng)載荷系數(shù)”【2】,用于計(jì)算基本額定動(dòng)載荷。對(duì)于bm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(huì)在測(cè)試驗(yàn)證或經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提供出來。對(duì)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(jí)精煉鋼)約為1.2-1.5。
對(duì)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(dòng)體的超精工藝的使用,很大程度提高了軸承各個(gè)零部件的表面和內(nèi)部質(zhì)量,改善了摩擦狀態(tài),使得bm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(duì)軸承的壽命和可靠性都有較大影響。軸承游隙過大,會(huì)導(dǎo)致軸承在運(yùn)行時(shí)承載的滾子總體數(shù)量減少,加劇滾子點(diǎn)蝕磨損;游隙過小,會(huì)導(dǎo)致軸承易產(chǎn)生摩擦發(fā)熱,溫度升高,油膜破壞,嚴(yán)重時(shí)甚至造成軸承卡死。
由于標(biāo)準(zhǔn)游隙組別控制游隙范圍較大,尤其是對(duì)于風(fēng)電用大型軸承,往往單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)游隙組別會(huì)達(dá)到0.2 mm以上,而軸向游隙則1 mm以上,這對(duì)可靠性要求很高的風(fēng)電應(yīng)用來說范圍太大,容易因?yàn)楣ぷ饔蜗恫焕硐雽?dǎo)致提前失效,同時(shí)游隙的范圍大還會(huì)對(duì)調(diào)心滾子軸承的調(diào)心性能產(chǎn)生不利影響。
所以在風(fēng)電主軸應(yīng)用中,考慮到實(shí)際的加工經(jīng)濟(jì)性,往往推薦使用標(biāo)準(zhǔn)游隙的一半作為風(fēng)電用游隙,或是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)選擇特殊游隙。
圖3 大型風(fēng)電調(diào)心滾子軸承游隙建議表
4)通過對(duì)滾動(dòng)體進(jìn)行修形
調(diào)心滾子修形,通常對(duì)數(shù)曲線為常用的修形曲線,能有效避免邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生,以優(yōu)化接觸應(yīng)力均勻分布,以降低摩擦因子PV值,降低早期磨損的風(fēng)險(xiǎn)。
圖4 滾動(dòng)體修形與非修形PV值對(duì)比
5)非對(duì)稱式軸承設(shè)計(jì)【3】
通過設(shè)置兩列滾動(dòng)體的接觸角不同來滿足單向承載的需求。在與傳統(tǒng)對(duì)稱式結(jié)構(gòu)相比,該設(shè)計(jì)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(dòng)體打滑的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于風(fēng)電應(yīng)用來說,往往選擇240系列軸承是因?yàn)榭梢栽O(shè)計(jì)更大的接觸角以增大軸向承載能力,非對(duì)稱設(shè)計(jì)可以充分利用風(fēng)力的單向性,提高對(duì)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(duì)稱設(shè)計(jì)調(diào)心滾子軸承
非對(duì)稱軸承設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)機(jī)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(jī)型或現(xiàn)有機(jī)型升級(jí)的成本與難度。
6)球墨鑄鐵保持架
對(duì)于大型風(fēng)電主軸用調(diào)心滾子軸承,機(jī)加工黃銅保持架由于其易加工成型、機(jī)械性能佳、可回收利用、且有一定自潤(rùn)滑性,被廣泛應(yīng)用。其中鉛黃銅因其成本低、機(jī)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(shì)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(jī)械性能,以及相當(dāng)?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(qiáng)度,故在原有黃銅保持架設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加軸承一定數(shù)量的滾動(dòng)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(shí),由于以往黃銅保持架設(shè)計(jì)在風(fēng)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(shí)無法過小,否則保持架強(qiáng)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(qiáng)度問題產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。
2.1.2 主軸用圓錐滾子軸承技術(shù)方案
對(duì)于海上風(fēng)電更大兆瓦級(jí)別的風(fēng)機(jī)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(shì)。除了如調(diào)心滾子軸承已有技術(shù)方案,包括適當(dāng)?shù)臐L動(dòng)體修形以降低邊緣應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)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(jī)加工難度大,加工精度難以保證,保持架結(jié)構(gòu)復(fù)雜,熱處理工藝復(fù)雜以及生產(chǎn)效率低。面對(duì)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(jī)加工鋼保持架,其特點(diǎn)在于加工精度高,潤(rùn)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(diǎn)在于能充分利用周向空間填充更多的滾動(dòng)體,最大化承載,其潤(rùn)滑空間有限,尤其是銷釘與滾動(dòng)體內(nèi)徑面的常常潤(rùn)滑不良,易造成異常磨損。其次其加工過程復(fù)雜,加之滾動(dòng)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(diǎn),但目前由于各個(gè)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(yīng)淬火可以有效預(yù)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(duì)不同尺寸感應(yīng)淬火頭的參數(shù)無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè),需要不斷測(cè)試才能確定,開發(fā)周期長(zhǎng)。
2.2 海上風(fēng)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(fēng)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(duì)傳統(tǒng)鋼材含氧量控制已經(jīng)達(dá)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(jìn),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(duì)鋼材的含氧量控制甚至達(dá)到(2-3)×10-6以下。另外國外針對(duì)軸承的長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步提高基體組織的晶粒度,使軸承鋼的晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化;減少低倍組織缺陷;進(jìn)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(fēng)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(xué)氣相沉積(CVD)、射頻濺射(RF)、離子噴涂(PSC)、化學(xué)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(shì),其中主要應(yīng)用在風(fēng)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(shí)涂層在一定程度上增強(qiáng)了抵抗白色腐蝕裂紋(WEC)的能力。在以往陸上風(fēng)電實(shí)際使用過程當(dāng)中,往往選擇在滾動(dòng)體表面做黑化涂層處理,但風(fēng)機(jī)從陸上轉(zhuǎn)移到海上后,由于工況更加復(fù)雜和惡劣,建議套圈和滾動(dòng)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(dǎo)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(dòng)接觸面間的滑動(dòng)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(dòng)腐蝕的配合表面。
2.3.4 磷化涂層
該涂層常用在浮動(dòng)端軸承的外徑面上,主要用于改善緊急潤(rùn)滑和磨損保護(hù)。例如防止微動(dòng)腐蝕或摩擦腐蝕,通過鈍化或涂油的相應(yīng)的后處理可暫時(shí)提高防腐蝕性能。
2.4 國內(nèi)海上風(fēng)電軸承制造現(xiàn)狀
國內(nèi)風(fēng)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(jí)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(jìn)程。如舍弗勒集團(tuán)在南京已建成4號(hào)工廠,專用于大型風(fēng)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(jìn)國外大型生產(chǎn)設(shè)備以及工藝技術(shù),已實(shí)現(xiàn)多個(gè)型號(hào)軸承量產(chǎn)。
國內(nèi)的生產(chǎn)水平的提高助力國內(nèi)風(fēng)電市場(chǎng)快速發(fā)展,在保證產(chǎn)品質(zhì)量按照風(fēng)電最高標(biāo)準(zhǔn)的情況下,實(shí)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(fēng)電的特殊應(yīng)用工況對(duì)軸承的承載能力、可靠性和使用壽命提出更高的要求。對(duì)于大尺寸海上風(fēng)電用軸承未來可以從軸承設(shè)計(jì)、材料、表面處理以及工藝等諸多方面進(jìn)行改善。對(duì)于軸承設(shè)計(jì),需要進(jìn)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(duì)保持架的結(jié)構(gòu)形式和材料選擇,尤其對(duì)圓錐滾子軸承,需要考慮如何簡(jiǎn)化機(jī)加工過程和熱處理方式等;對(duì)于材料,如何縮短與國外的差距,包括進(jìn)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(duì)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(rùn)滑問題等。
【參考文獻(xiàn)】
[1]程林志,曹勝平,劉曉輝.兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承選型及分析[J].新技術(shù)新工藝,2016(4)∶49-53.
[2]賴俊賢.滾子軸承額定動(dòng)載荷系數(shù)bm的探討[J].軸承, 1995(11)∶14-18
[3]閆佳飛.基于風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的非對(duì)成調(diào)心滾子軸承分析與研究[C].第五屆中國風(fēng)電后市場(chǎng)專題研討會(huì)論文集.2018∶169-175
[4]李昭昆,雷建中,徐海峰,等.國內(nèi)外軸承鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[N].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2016,28(3)∶1-12.
[5]黑鴻君,高潔,賀志勇,等.普通硬質(zhì)涂層和超硬涂層的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料2016,40(5)∶1-18.
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(huì)論文集,內(nèi)容略有修改(更新)
“中國軸承工業(yè)協(xié)會(huì)”(微信號(hào):cbia-1988)授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)
軸研所公眾號(hào) 軸承雜志社公眾號(hào)
營(yíng)銷熱線
0379-64367521
0379-64880626
13693806700
0379-64880057
0379-64881181