摘要：面向國家“雙碳"戰(zhàn)略,風電裝備向更大功率方向迅速發(fā)展,也對大功率風電裝備中不同類型和系列的滾動軸承提出了大型化、長壽命、高可靠性、智能化和高效運行等更高的技術要求。本文評述大功率風電軸承技術發(fā)展的現(xiàn)狀、趨勢和關鍵內(nèi)容,涉及軸承數(shù)字化設計、材料與熱處理、高性能制造、智能裝配、檢驗測試與試驗、智能運維等多個方面,以期為大功率風電軸承產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
關鍵詞：軸承;風電軸承;風力發(fā)電機組;軸承鋼;熱處理;表面處理;抗疲勞性;面向裝配的設計;檢測;試驗;智能運維2020年9月,書記在第75屆聯(lián)合國大會提出,“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和"。2021年4月,中央財經(jīng)委第九次會議指出,“十四五"是碳達峰的關鍵期、窗口期,要構建清潔低碳安全高效的能源體系,控制化石能源總量,深化電力體制改革,構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。面向“雙碳"國家重大需求,風電行業(yè)發(fā)展十分迅速,風電占比大幅度提高,同時也要求風電裝備快速實現(xiàn)高效化、低成本。在“十四五"期間,風電裝備向大型化發(fā)展:陸上風電從4 MW成熟應用向6 MW及以上方向發(fā)展,而海上風電向10 MW及以上發(fā)展,預研儲備20 MW。大功率風力發(fā)電裝備的快速發(fā)展帶來了多方面的技術挑戰(zhàn),特別是對風電裝備及其主要部件提出了長壽命(要求20 a)、高承載(陸上5～10 MW、海上6～20 MW的大功率承載和變風載)、高可靠性(傳統(tǒng)軸承可靠度要求為90%,風電軸承為95%)、智能化(風電SCADA系統(tǒng))以及高效化運行的更高要求。為此,滾動軸承作為風電裝備的關鍵部件,也必須向輕量化、長壽命、高承載、高可靠性、智能化方向發(fā)展。風電軸承行業(yè)中,斯凱孚,鐵姆肯,舍弗勒等國外軸承企業(yè)的產(chǎn)品在質(zhì)量和技術上的優(yōu)勢較明顯,而我國由于軸承產(chǎn)品迭代周期短,缺乏足夠技術積累和應用驗證,與國外品牌存在一定差距,尚不能我國風電裝備行業(yè)快速、大批量配套的迫切需求。以2020年為例,我國風電軸承共銷售超過30萬套,但國產(chǎn)化軸承在大功率風電裝備中的占比很低,外資企業(yè)仍占有的市場地位,尤其是大功率風電傳動系統(tǒng)軸承仍然依賴進口,主要涉及4 MW以上主軸軸承、4 MW以上齒輪箱軸承以及5 MW以上發(fā)電機軸承。因此,急需開發(fā)大型化風電系列軸承產(chǎn)品,滿足國家“雙碳"戰(zhàn)略重大需求以及風電市場發(fā)展要求。本文對大功率風電軸承技術的研究進展進行綜述,分別從風電軸承的結構特征、技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢等方面加以評述,并提出若干項關鍵技術內(nèi)容,以期為我國大功率風電軸承的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
1 風電軸承的結構特征
風電軸承的類型較多,尺寸變化較大,載荷條件復雜,工作環(huán)境惡劣,主要包括偏航/變槳軸承、主軸軸承、齒輪箱軸承和發(fā)電機軸承,如圖1所示。
Fig.1 Diagram of wind turbine bearings
1.1 偏航/變槳軸承
偏航/變槳軸承的安裝部位如圖2所示。偏航軸承是安裝于風力發(fā)電機機艙底座的轉(zhuǎn)盤軸承,作用是支承整個機艙并通過偏航驅(qū)動機構的偏航調(diào)整保證吊艙對正風力的方向性,承受風掃過葉片產(chǎn)生的軸向力、徑向力和傾覆力矩以及機艙的重力;變槳軸承是安裝于風力發(fā)電機葉片根部的轉(zhuǎn)盤軸承,作用是通過變槳機構的調(diào)整保證葉片相對不同風速的傾角,承受葉片和風掃過葉片共同作用產(chǎn)生的軸向力、徑向力和傾覆力矩。
圖2 偏航/變槳軸承安裝示意圖
Fig.2 Installation diagram of yaw/pitch bearing
偏航/變槳軸承的尺寸大、承載高、偏載特性突出,不僅承受數(shù)十噸甚至百噸的機艙重量,而且受到雷電、風沙、強風、 鹽霧等環(huán)境的影響[1],拆卸和維修難度大,可靠性要求高,需滿足20 a的使用壽命要求。另外,偏航/變槳軸承的轉(zhuǎn)速低(類似于結構件,停多于轉(zhuǎn)),載荷復雜(軸向力、徑向力、傾覆力矩以及沖擊載荷),結構轉(zhuǎn)型(變槳軸承由四點接觸球軸承形式轉(zhuǎn)為三排圓柱滾子軸承形式)應用驗證時間短,其結構設計、失效機理、試驗方法與通用軸承差異性大,需在充分考慮偏航/變槳軸承結構和工作特點的基礎上開展技術研究。
1.2 主軸軸承
主軸軸承是主傳動鏈最重要的旋轉(zhuǎn)支承部件,啟停等變工況會導致摩擦副轉(zhuǎn)變以及潤滑性能變差,滾動體與保持架的沖擊則會導致非典型壽命失效。因此,主軸軸承設計過程中需進行復雜工況適應性設計和可靠性設計,以滿足其長壽命和高可靠性要求。目前,各大風機廠家為保證風機運行的可靠性,大兆瓦風電主軸軸承大部分選用斯凱孚,舍弗勒等品牌。兆瓦級風電機組主軸軸承主要采用三點式支承、兩點式支承和單點式支承[2]這3種支承方式。三點式支承的布置結構簡單,裝配要求不高,主軸軸承采用一套調(diào)心滾子軸承,與齒輪箱兩側的彈性支承共同承受主傳動鏈的重量以及外部風載產(chǎn)生的彎矩。三點式支承的缺點是主軸動力學特性較差且軸系剛度差,主軸會將一部分載荷傳遞給齒輪箱,對齒輪箱的可靠性要求較高。由于裝機成本低,雙饋式風力發(fā)電機大部分采用三點式支承。兩點式支承有以下組合形式:1)2套調(diào)心滾子軸承配對使用,輪轂側調(diào)心滾子軸承軸向浮動且只承受徑向力,齒輪箱側調(diào)心滾子軸承同時承受軸向力和徑向力;該布置形式安裝容易,可通過調(diào)心滾子軸承良好的調(diào)心性能抵消一定的安裝誤差以及主軸撓曲產(chǎn)生的傾斜,而且能夠抵消主軸因溫度變化而產(chǎn)生的軸向尺寸變化,在小兆瓦風電機組中應用廣泛。2)圓柱滾子軸承與雙列圓錐滾子軸承配對使用,圓柱滾子軸承可軸向浮動,雙列圓錐滾子軸承則軸向固定,多用于低速永磁(直驅(qū)式)風電機組。3)2套圓錐滾子軸承配對使用,軸系剛度好,結構緊湊,安裝要求高;目前部分國外5 MW以上高速永磁(雙饋式)風電機組及國內(nèi)中速永磁(半直驅(qū)式)風電機組多采用這種結構。單點式支承大多采用直徑較大的雙列圓錐滾子軸承,由主軸軸承承受所有主傳動鏈的重量以及外部風載;該布置形式能夠承受較大的徑向載荷、軸向載荷以及傾覆力矩,但是成本較高。
1.3 齒輪箱軸承
齒輪箱用于將主軸低轉(zhuǎn)速向發(fā)電機高轉(zhuǎn)速的動力學傳遞,齒輪箱軸承的尺寸和轉(zhuǎn)速范圍跨度大,主要類型有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承等,如圖3所示。
圖3 風電機組齒輪箱軸承
Fig.3 Speed increasing gearbox bearing for wind turbine
國內(nèi)對風電機組齒輪箱軸承的研究起步較晚,技術薄弱,國產(chǎn)齒輪箱軸承的熱效應和摩擦磨損問題突出,故障率高,大兆瓦風電齒輪箱高速端軸承主要依賴進口。齒輪箱軸承的失效機制和損傷引發(fā)因素仍在研究中,目前發(fā)現(xiàn)白蝕裂紋(圖4)是齒輪箱軸承早期失效的主要原因,黑化技術則可用于改善該故障現(xiàn)象[3]。因此,需要開展齒輪箱軸承設計方法與制造工藝優(yōu)化等關鍵技術的研究,滿足大功率、高轉(zhuǎn)速齒輪箱軸承的長壽命與高可靠性要求。
圖4 風電機組齒輪箱軸承白蝕裂紋的形貌
Fig.4 Morphology of white etching crack in speed increasing gearbox bearing for wind turbine
1.4 發(fā)電機軸承
發(fā)電機軸承用于支承發(fā)電機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),通常采用圓柱滾子軸承和球軸承。復雜電磁感應等非穩(wěn)態(tài)工況大大影響了發(fā)電機軸承的使用壽命,其主要失效形式為疲勞點蝕和電蝕(圖5)[4]。目前,主要采用絕緣套進行發(fā)電機軸承的絕緣處理。國內(nèi)風電機組發(fā)電機絕緣軸承技術尚處于研發(fā)階段,科技部2020年設置的國家重點研發(fā)計劃專項“絕緣軸承技術"旨在攻克絕緣軸承設計、制造以及考核試驗等技術,其研制的風電機組發(fā)電機絕緣軸承如圖6所示。目前,國外已研制出10 MW以上發(fā)電機軸承,而國內(nèi)則剛掌握5 MW發(fā)電機軸承技術,大功率發(fā)電機基本采用進口軸承。
圖5 發(fā)電機軸承的電蝕
Fig.5 Electric erosion of generator bearing
圖6 風電發(fā)電機絕緣軸承
Fig.6 Insulated bearing for wind turbine generator
2 風電軸承技術主要研究內(nèi)容
近年來,風電軸承發(fā)展迅速,在數(shù)字化設計、材料與熱處理、高性能制造、智能裝配、檢驗測試與試驗以及智能運維等方面開展了大量研究。
2.1 風電軸承數(shù)字化設計
高承載、長壽命、高可靠性設計是大型風電軸承研制的關鍵,需要根據(jù)不同工況和載荷譜進行定制設計與校核,數(shù)字化技術在風電軸承定制設計中得到廣泛應用。2018年,科技部專門設立國家重點研發(fā)計劃專項“滾動軸承服役性能演變機理與數(shù)字化設計方法",旨在攻克風電齒輪箱、航空發(fā)動機、新能源汽車等領域軸承的數(shù)字化設計方法。載荷譜是風電軸承設計的基礎前提,風力發(fā)電機處于多變風速環(huán)境,風載荷具有復雜的隨機特性,不同區(qū)域的載荷譜也存在著較大差異。文獻[5]通過雨流計數(shù)法統(tǒng)計原始載荷,利用威布爾三參數(shù)方程擴展已知數(shù)據(jù),最終得到了風電機組主軸軸承在30種工況下的10級試驗載荷譜。文獻[6]進行風電軸承多工況試驗載荷譜的編制,為風電軸承的設計計算和試驗加載提供了數(shù)據(jù)參考。文獻[7]介紹了風電軸承疲勞載荷譜的處理,根據(jù)載荷譜計算軸承的當量動載荷。文獻[8]介紹了風電軸承在各種設計要求下的靜強度載荷譜和滾動接觸疲勞載荷譜,為軸承靜承載能力和額定壽命的校核打下了計算基礎。
2.1.2 偏航/變槳軸承
風電機組偏航/變槳軸承設計方面:文獻[9]針對變槳軸承的漏脂問題,從密封圈密封性能,變槳軸承內(nèi)部結構設計,潤滑脂的選擇及填充用量等方面進行分析,通過選擇抗老化、抗磨損性能好的密封圈材料,將密封圈雙唇結構改為多唇結構,軸承溝底增加矩形溝槽等措施,有效避免了變槳軸承漏脂現(xiàn)象;文獻[10]引入在線測試與仿真分析技術對變槳軸承動態(tài)柔性特性進行研究,解決了剛性假設不能反映變槳軸承動態(tài)運行特點的問題;文獻[11]通過規(guī)劃自動化設計流程設計變槳軸承自動化設計算法并建立變槳軸承知識庫,實現(xiàn)了變槳軸承的自動設計;文獻[12]提出考慮軸承內(nèi)部結構參數(shù)的四點接觸球軸承摩擦力矩計算模型,得到空載下不同負游隙時軸承的摩擦力矩,并與經(jīng)典摩擦力矩公式、DG03計算模型、斯凱孚修正摩擦力矩公式進行了對比分析；文獻[13]建立軸承的整體有限元模型并求解了聯(lián)合載荷下的接觸力分布;文獻[14]建立了聯(lián)合外力作用下的變槳軸承內(nèi)圈平衡數(shù)值模型,利用有限元軟件計算變槳軸承的載荷分布并分析了溝道結構參數(shù)、螺栓預緊力、模擬工況條件對變槳軸承載荷和摩擦力矩的影響;文獻[15]對變槳軸承球與溝道的接觸剛度進行分析,得到球接觸載荷、接觸應力和接觸角的變化;文獻[16]對變槳軸承套圈的應力和疲勞強度進行了數(shù)值分析;文獻[17]建立了剛性套圈承受多向力和傾覆力矩的雙排四點接觸球變槳軸承的力學模型;;文獻[18]介紹了風電轉(zhuǎn)盤軸承密封件的選用、安裝方法及其對軸承壽命的影響;文獻[19]基于齒輪嚙合原理和赫茲接觸理論分析變槳軸承內(nèi)齒面磨損并確定了變槳軸承齒面接觸應力和出現(xiàn)微動磨損的角度范圍。
2.1.3 主軸軸承
主軸軸承設計方面:文獻[20]建立雙列圓錐滾子軸承全尺寸接觸模型,用于研究給定工況下3 MW風電主軸軸承承載接觸機理;文獻[21]通過分析不同結構參數(shù)對風電機組球面滾子軸承滾子接觸狀態(tài)的影響,提出了改善滾子接觸狀態(tài)的有效方法;文獻[22]建立軸承動態(tài)分析模型分析了固定中擋邊、浮動中擋邊、無中擋邊3種擋邊結構對軸承軸向位移、PV值、滾子偏擺、摩擦功耗的影響;文獻[23]運用有限元分析軟件對主軸軸承的結構及保持架的強度、剛性進行了校核計算;文獻[24]對海上風電機組單點支承結構用雙列圓錐滾子軸承滾子與內(nèi)滾道及大擋邊的接觸情況進行優(yōu)化,解決了偏載問題;文獻[25]基于梁單元主軸模型計算給定外載荷下直驅(qū)風力發(fā)電機主軸軸承的載荷分布,進一步提高了軸承運行可靠性。主軸軸承使用壽命方面:文獻[26]建立疲勞壽命理論計算模型,分析了載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑脂污染程度對主軸軸承疲勞壽命的影響;文獻[27]建立針對表面硬化滾道三排圓柱滾子軸承的疲勞壽命分析方法,運用Basquin應力-壽命理論計算得到主軸軸承的疲勞壽命;文獻[28-29]針對海上風電軸承存在波動載荷的問題,在額定壽命理論基礎上研究考慮載荷波動影響的疲勞壽命計算方法,并分析了振動載荷對圓錐滾子軸承疲勞壽命的影響。齒輪箱軸承設計方面:文獻[30]對圓錐滾子軸承滾子球基面和內(nèi)圈擋邊接觸形式進行了優(yōu)化減摩設計,改善了滾子球基面和內(nèi)圈擋邊運轉(zhuǎn)時的潤滑條件,減少了摩擦生熱;文獻[31]利用有限元方法建立風電齒輪箱軸承試驗機熱力耦合模型,分析了徑向載荷產(chǎn)生的軸承溫升和軸承內(nèi)圈與主軸過盈量對內(nèi)圈與主軸過盈配合的影響;文獻[32]分析了齒輪箱齒輪傳動系統(tǒng)在外部風載和內(nèi)部激勵共同作用下的動態(tài)特性;文獻[33]建立了齒輪箱軸承的動力學模型,基于彈性流體動力潤滑理論和赫茲接觸理論優(yōu)化求解接觸半寬,并建立考慮油膜潤滑的滾動軸承磨損數(shù)值仿真模型,獲得了軸承磨損量;文獻[34]建立了齒輪箱高速軸軸承的熱阻網(wǎng)絡模型,研究了變風速、變載荷工況下的軸承熱特性;文獻[35]建立了齒輪箱動態(tài)剛柔耦合仿真模型,分析了保持架和滾動體強度;文獻[36]分析了齒輪箱軸承滾道圓度和滾子直徑誤差對圓柱滾子軸承徑向游隙和跳動的影響。
2.1.5 小結
目前,大型風電軸承的數(shù)字化設計理論與技術以及基礎數(shù)據(jù)與國外均存在較大差距[37-38],主要表現(xiàn)為:偏航/變槳軸承的剛度設計,主軸軸承的長壽命、高承載設計主要依賴于經(jīng)驗類比;對齒輪箱軸承和發(fā)電機軸承的動力學分析能力較弱;缺乏對陸上和海上風機載荷譜的數(shù)字化設計方法、壽命理論與修正方法,以及軸承與裝置的系統(tǒng)化匹配設計方法。
2.2 風電軸承材料技術
材料直接決定軸承的壽命和可靠性,軸承鋼冶煉方法是軸承的核心技術。2021年起,國家重點研發(fā)計劃“高精度長壽命軸承、模具用鋼基體強韌化熱處理控制技術應用"圍繞基體強韌化、超細化熱處理開展研究,旨在攻克軸承鋼、模具鋼疲勞壽命不足,碳化物均勻性差等難題。軸承的迅速發(fā)展促使軸承材料也在不斷更新,以航空軸承鋼為例,在使用溫度不高的工況下,國內(nèi)航空軸承的制造主要以GCr15鋼為主;隨著發(fā)動機推重比的提升,對軸承強度和耐高溫能力的要求更高,8Cr4Mo4V鋼應運而生,使用溫度可達316 ℃但沖擊韌性較低;為提高軸承抗沖擊的能力,又研制了G13Cr4Mo4Ni4V鋼,在使用溫度與8Cr4Mo4V鋼相當?shù)那闆r下大幅提高了軸承套圈的抗沖擊能力。隨著軸承制造技術的改進和使用溫度的進一步提高,軸承結構越來越復雜,甚至要求軸承與齒輪一體化,制造材料需要同時滿足軸承套圈和齒輪的使用要求,相應地誕生了BG801鋼[39]。隨著風電機組功率的不斷增大,對配套軸承的需求也不斷增加,隨之對風電軸承的材料提出了更高要求。不同位置的軸承需要采用不同的鋼種和不同的冶煉工藝,需對風電軸承用鋼開展專門研究,如文獻[40]開發(fā)了齒輪箱軸承用鋼100CrMnSi6-4并探究材料對風電軸承的影響,指出夾雜物[41-43]將導致軸承失效。
2.3 風電軸承熱處理工藝
熱處理是材料加工過程的一道工序,是保證軸承材料表面性能的重要工藝,近年來針對風電軸承熱處理工藝的研究使國產(chǎn)風電軸承的質(zhì)量有了很大提升。
文獻[44]對3種規(guī)格風電軸承鋼球進行附加回火工藝試驗,通過增加附加回火工序減小了鋼球的磨削應力,提高了風電軸承鋼球的壓碎載荷值。文獻[45]采用大型可控氣氛井式滲碳爐及液體滴注式滲碳氣氛對風電用G20Cr2Ni4A鋼軸承套圈進行不同滲碳工藝的處理并優(yōu)化了滲碳工藝。文獻[46]利用DEFORM3D模擬軟件對5 MW風電偏航軸承套圈油冷速率進行模擬,并對42CrMnMoB,40CrNiMo和42CrMo鋼進行了模擬熱處理。文獻[47]選用不同工藝參數(shù)進行風電偏航軸承溝道淬火工藝試驗并確定了最佳工藝參數(shù)。文獻[48]通過優(yōu)化特大軸承套圈無軟帶感應淬火工藝參數(shù),提高了軸承的可靠性。文獻[49-50]設計了3 MW風電主軸軸承的淬火油槽,保證了套圈在二次淬火冷卻過程中的硬度。文獻[51]對風電軸承套圈進行了大量的調(diào)質(zhì)工藝試驗,研究了淬、回火溫度對低溫沖擊功和常溫力學性能的影響規(guī)律。文獻[52]利用有限元分析軟件DEFORM-3D對大功率風電機組偏航/變槳軸承套圈的冷卻過程進行數(shù)值模擬,得到其冷卻過程中材料不同部位的時間、溫度和即時冷卻速度,并通過模擬得到了不同冷卻介質(zhì)下的冷卻曲線。文獻[53]對風電軸承用42CrMo鋼進行循環(huán)淬火,與常規(guī)熱處理相比,42CrMo鋼經(jīng)過循環(huán)淬火工藝處理后沖擊韌性得到有效提升。
2.4 風電軸承表面改性處理技術
表面改性處理技術是綜合應用材料學、摩擦學、高分子化學、高能物理學等學科的表面性能提升手段。實踐證明,表面改性處理技術可有效延長軸承壽命,降低軸承摩擦力矩,提高軸承可靠性。
針對碳氮共滲技術,文獻[54]分別從表面滲碳和心部材料2個方面揭示了調(diào)控熱處理工藝對高溫不銹滲碳軸承鋼微觀組織和強韌性的影響規(guī)律。文獻[55]介紹了滲碳軸承鋼的滲碳方法以及表層淬火組織轉(zhuǎn)變和殘余奧氏體控制。文獻[56]研究了熱處理工藝對滲碳軸承鋼組織、力學性能的影響規(guī)律,研究表明通過升高淬回火溫度,增加回火次數(shù)以及采用深冷工藝等措施,滲碳軸承鋼的強度與硬度增加,沖擊韌性值降低。
文獻[57]分析了強氮化、弱氮化金屬元素體系及含非金屬元素體系在結構上的特性和共性給高熵氮化物涂層性能帶來的影響。文獻[58]采用等離子體浸沒離子注入與沉積新技術在GCr15軸承鋼基體表面合成了TiN及其系列復合薄膜。
研究表明,表面改性處理技術能夠提高風電軸承滾道表面的耐磨性、耐腐蝕性[59]。文獻[60]采用激光熔覆技術在大型風電軸承滾道模擬件表面制備了厚度大于3 mm的高硬度無裂紋馬氏體不銹鋼涂層,與傳統(tǒng)感應淬火42CrMo鋼軸承滾道的對比結果表明,其顯微硬度、耐磨性、耐腐蝕性均得到了提高。文獻[61]針對大型風電主軸軸承激光表面淬火后試驗驗證困難等問題,設計了縮比軸承加速壽命試驗并通過與傳統(tǒng)表面淬火的對比驗證了激光表面淬火工藝的可行性。文獻[62]利用CO2激光器進行GCr15鋼軸承滾道表面激光強化處理試驗,結果表明選擇合適的激光淬火參數(shù)可以保證激光表面改性層有足夠的硬化層深度,高的硬度值以及更加細小的馬氏體組織。文獻[63]采用激光熔覆技術在35CrMo合金鋼表面制備馬氏體不銹鋼涂層,硬度約500 HV。文獻[64]通過回火處理改善了420馬氏體不銹鋼熔覆層的組織與性能,中溫(400 ℃)回火熔覆層的硬度最高,可達556.7 HV。馬氏體不銹鋼的硬度為500～600 HV,因此可根據(jù)風電軸承的使用要求對其成分進行調(diào)整,從而獲得高硬度無裂紋的馬氏體不銹鋼涂層[65]。
此外,針對特殊工況用風電軸承,特別是海上風電軸承,需要研究并應用更先進的表面改性處理技術,以提高軸承的耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性,并降低軸承表面摩擦因數(shù)。
2.5 風電軸承抗疲勞制造技術
疲勞是風電軸承典型的失效形式,采用抗疲勞制造技術可以改善軸承應力分布,降低應力集中。文獻[66]闡述了風電軸承抗疲勞制造技術研究和應用的緊迫性,介紹了風電機組的偏航/變槳軸承、主軸軸承、齒輪箱軸承及發(fā)電機軸承的抗疲勞制造技術。然而,目前仍存在大型風電軸承抗疲勞制造方法匱乏,表面完整性控制策略不完善,抗疲勞制造應用難以實現(xiàn)等問題。為大幅提高風電軸承的疲勞壽命,亟需在軸承抗疲勞制造方面開展大量、深入的研究。文獻[67]研究了接觸應力、初始殘余應力和接觸周期對滾動接觸疲勞特性的影響,發(fā)現(xiàn)表層有一定初始殘余壓應力的材料經(jīng)滾動接觸疲勞加載后更加穩(wěn)定。文獻[68]分析了初始殘余應力對疲勞壽命的影響,認為在軸承表面預置殘余壓應力能夠顯著延遲滾動接觸疲勞引起的軸承失效。文獻[69]采用電脈沖輔助超聲滾壓對Ti6Al4V合金表面進行強化,試樣的硬度和耐磨性得到顯著提高。文獻[70]研究了超聲輔助深冷滾壓技術對Cr12MoV鋼材料晶相組織及表層性能的影響。文獻[71]研究了超聲滾擠壓風電軸承材料表面粗糙度加工參數(shù)的區(qū)間,確定了加工參數(shù)的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。文獻[72]測定了超聲加工載荷和穿透深度,分析了超聲滾壓加工過程中表面微觀結構的演變。文獻[73]進行風電軸承套圈的超聲滾壓強化試驗,分析了不同工藝參數(shù)強化后套圈表面殘余應力的變化規(guī)律。文獻[74]建立風電軸承材料(42CrMo工件)超聲滾擠壓過程數(shù)值模擬模型,分析了工藝參數(shù)對風電軸承表面粗糙度的影響。文獻[75]以靜壓力、進給速度、轉(zhuǎn)速和振幅為加工參數(shù),基于正交試驗數(shù)據(jù)建立了風電軸承套圈超聲滾擠壓表層物理力學性能預測模型并驗證了該模型的準確性。文獻[76]對比了2種不同冷滾壓工藝處理后軸承套圈的殘余應力。此外,軸承作為精密旋轉(zhuǎn)部件,旋轉(zhuǎn)精度始終是其重要的指標之一,在軸承精密制造方面,國家重點研發(fā)計劃“制造基礎技術與關鍵部件"重點專項“滾動軸承超精密制造與檢測技術"攻克了大型滾子軸承的超精密制造和檢測技術。文獻[77]指出滾子的波紋度異常會引起振動超標。文獻[78]通過控制滾道終磨工序的砂輪加工參數(shù)以及超精工序的油石厚度和壓力,實現(xiàn)了齒輪箱軸承套圈滾道波紋度的控制。文獻[79]闡述了風電轉(zhuǎn)盤軸承深孔加工工藝以及影響深孔加工質(zhì)量的因素及解決辦法。文獻[80]針對變槳軸承雙溝一次磨削加工的問題,提出了工藝改進措施。文獻[81]闡述了轉(zhuǎn)盤軸承溝道淬火軟帶機械自動打磨工藝。文獻[82]將超聲振動與切削工藝相結合,以低合金鋼為材料進行超聲切削對比試驗,結果表明加入超聲振動后大大降低了工件的表面粗糙度和切削阻力,提高了工件表面質(zhì)量。文獻[83]利用超聲納米晶表面技術(UNSM)改善了CP-Ti和Ti-6Al-4V合金的微動磨損和摩擦特性。
2.6 風電軸承裝配性能優(yōu)化技術
裝配工藝對風電軸承的承載能力、服役壽命和可靠性有重大影響。目前,國外著名軸承企業(yè)以及國內(nèi)汽車、家電等小型化軸承的自動化裝配技術已相對成熟,從上料、裝卡、加工、檢驗到清洗、裝配、涂油、包裝以及在線測量、故障診斷等一系列過程由高精度、高效率的自動化設備完成,生產(chǎn)效率高且質(zhì)量可靠。然而,由于產(chǎn)品批量等問題,大型軸承的裝配、調(diào)試仍以手工作業(yè)為主,自動化裝配技術發(fā)展緩慢,存在測點少、工作效率低、勞動強度大、出錯風險高、追溯不便等問題。在游隙控制方面,文獻[84]指出了1.5 MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機BT軸承安裝工藝存在的質(zhì)量隱患。文獻[85]闡述了如何通過合理裝配有效控制風電機組主軸及軸承座裝置的裝配質(zhì)量。文獻[86]通過在軸承座組件上加裝控制工裝并進行安裝游隙校檢,提出了風機主軸單列圓錐滾子軸承安裝游隙控制工藝。文獻[87]簡述了主軸軸承的裝配工藝并詳細介紹了加熱工藝參數(shù)的確定和軸向間隙的控制方法。文獻[88]結合風電機組裝配零件的結構特點和生產(chǎn)工序分析了不同的軸承加熱方式,指出加熱時需要控制內(nèi)、外圈溫差。在風電軸承裝配工藝方面,文獻[89]采用有限元模型分析了5種不同軸承剛度下連接螺栓的受力情況,得到軸承剛度對螺栓受力的影響。文獻[90]建立了2.5 MW風電機組“葉片-螺栓-變槳軸承-螺栓-輪轂"的整體有限元模型,分析了螺栓預緊力、螺栓連接面摩擦因數(shù)和墊片高度對變槳軸承套圈及其連接螺栓應力的影響。文獻[91]進行了2 MW風電機組偏航軸承連接螺栓的疲勞、滑移強度計算。文獻[92]采用非線性彈簧替代球與溝道的接觸,梁單元替代輪轂及葉片與變槳軸承之間的安裝螺栓,建立有限元模型計算軸承的載荷分布,并分析了螺栓預緊力及螺栓個數(shù)對變槳軸承套圈結構變形的影響。
2.7 風電軸承檢測與試驗技術
風電軸承的檢測包括對兩溝道中心距、輪廓度和齒形的測量以及對熱處理、游隙和啟動摩擦力矩的檢測等。文獻[93]采用模具、石膏對齒圈進行局部脫模,利用投影儀分析得出齒圈齒形的有關參數(shù),從而實現(xiàn)特大型轉(zhuǎn)盤軸承齒圈齒形的精度檢測。文獻[94]通過自設計工裝檢測了變槳軸承外圈連接板的孔系中心距、內(nèi)外徑尺寸和工件長度。文獻[95]設計了風電軸承安裝孔精度檢測裝置,實現(xiàn)了軸承單一孔直徑、孔分布圓中心徑、相依孔中心距、單一孔錐度、單一孔垂直度等參數(shù)的檢測。文獻[96]開發(fā)了熱處理生產(chǎn)線軸承套圈檢測裝置,可通過激光測距儀精確測量軸承套圈厚度,有利于提高套圈尺寸精度。能夠進行復雜工況與環(huán)境模擬的試驗裝備對大型風電軸承的試驗方法研究和性能驗證至關重要。文獻[97]設計了專用的風電軸承功能測試系統(tǒng),可實現(xiàn)風電軸承出廠游隙、摩擦力矩、空載溫升的測試。文獻[98]發(fā)明了軸承熱處理在線檢測裝置,能夠減小游隙檢測誤差并提高檢測穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準確性。文獻[99]在地面實驗室模擬變槳軸承實際運行中所承受的各種載荷,并根據(jù)提出的摩擦力矩特性檢驗方法檢測變槳軸承的摩擦力矩。文獻[100]分析了6種不同齒輪油配方對推力球軸承摩擦扭矩的影響。文獻[101]通過型式試驗驗證變槳軸承的運行可靠性。文獻[102]介紹了加速壽命試驗的基本理論并提出轉(zhuǎn)盤軸承加速壽命試驗方法。文獻[103]基于先進的建模技術,與13.2 MW風電機組傳動系統(tǒng)試驗臺測量相結合,分析了動態(tài)載荷引起的結構部件變形。文獻[104]通過設計的試驗臺分析了5 MW風電機組主軸軸承溫度、位移、載荷和力矩的變化趨勢。文獻[105]基于研制的試驗機進行了風電機組主軸軸承振動、溫升、轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)靈活性等參數(shù)的檢測。
2.8 風電軸承智能運維技術
智能運維是裝備軸承的重要研究內(nèi)容[106],2020年,面向智能軸承的基礎前沿技術研究,國家重點研發(fā)計劃“多維融合感知智能軸承基礎原理與方法"旨在掌握關鍵基礎件、基礎設計理論、先進傳感器和智能系統(tǒng)的核心技術。長壽命、高可靠性要求風電安裝運維系統(tǒng)(圖7),目前普遍應用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)系統(tǒng)對軸承等關鍵部件進行監(jiān)測。
Tab.7 Structure diagram of intelligent operation and maintenance system for wind turbine監(jiān)測技術方面:文獻[107]基于聲發(fā)射方法檢測風電軸承的次表面損傷;文獻[108]基于塔架振動測試診斷傳動系統(tǒng)軸承的損傷;文獻[109]對齒輪箱高速軸軸承超溫報警故障進行分析,認為潤滑油流量不能滿足要求是故障產(chǎn)生原因;文獻[110-111]對風電軸承潤滑脂進行分析并監(jiān)測了某風場主軸軸承、變槳/偏航軸承的磨損情況。診斷算法方面:文獻[112]提出以多點數(shù)據(jù)融合進行風電軸承特征頻率提取的噪聲抑制方法;文獻[113]提出了基于多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的變工況風電軸承故障診斷方法;文獻[114]提出增強型形態(tài)學濾波風電軸承故障診斷方法;文獻[115]提出基于信號處理和自適應貝葉斯算法的風電軸承故障綜合預測方法;文獻[116]基于經(jīng)驗模態(tài)分解與主成分分析設計了大尺寸、低轉(zhuǎn)速風電軸承多變量多尺度監(jiān)測方法,能夠?qū)S承極小缺陷進行檢測;文獻[117]提出了一種基于SCADA數(shù)據(jù)的風電機組變槳軸承磨損預警的建模方法;文獻[118]提出了基于BPNN-NCT的風電機組主軸軸承異常辨識方法;文獻[119]提出了基于判別字典學習的稀疏表示分類的風電齒輪箱軸承故障診斷;文獻[120]提出基于深度信念網(wǎng)絡(DBN)的風電機組主軸軸承狀態(tài)監(jiān)測方法,提高了主軸軸承異常狀態(tài)監(jiān)測的精度;文獻[121]基于神經(jīng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)挖掘開發(fā)了軸承故障預測模型,應用于風電軸承故障識別并得到了超過97%的準確率;文獻[122]提出了基于孤立森林算法的風電齒輪箱軸承故障檢測方法;文獻[123]提出了基于協(xié)整和向量誤差修正模型的發(fā)電機軸承異常識別方法;文獻[124]提出了基于貝葉斯優(yōu)化極限梯度提升算法的發(fā)電機軸承故障預警方法;文獻[125]通過組合建模方法對發(fā)電機軸承健康度進行趨勢預測;文獻[126]在考慮溫度特性的基礎上提出軸承性能退化和剩余使用壽命預測方法;文獻[127]提出了電流輔助振動順序跟蹤方法,從測量的直驅(qū)風力發(fā)電機定子電流信號中獲取參考信號,實現(xiàn)發(fā)電機軸承的故障診斷;文獻[128]開發(fā)了一個能夠檢測軸承由于過度磨損而導致早期失效的預警方法框架,并通過實際運行風電場的10分鐘SCADA數(shù)據(jù)驗證了該方法對發(fā)電機軸承故障預警的有效性;文獻[129]通過機理分析選取變量,清洗數(shù)據(jù)和標定樣本狀態(tài),并通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法對海上風電機組發(fā)電機軸承的狀態(tài)進行了預測;文獻[130]將固有時間尺度分解與多尺度熵相結合,對振動信號進行預處理并提取重構信號時域特征,結合極限學習機實現(xiàn)了風電軸承健康狀態(tài)的識別。監(jiān)測系統(tǒng):文獻[131]基于SCADA數(shù)據(jù)設計了風力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測方法,包括數(shù)據(jù)預處理方法和基于SCADA的狀態(tài)監(jiān)控策略;文獻[132]提出基于數(shù)字孿生的風電軸承故障診斷方法并構建了風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng);文獻[133]針對風電設備分布廣泛,監(jiān)控設備組織復雜及監(jiān)測數(shù)據(jù)信息量大等特點,基于分布式風機在線監(jiān)測通用架構構建了風場級風電軸承遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)。安裝部位多,尺寸和轉(zhuǎn)速跨度大,故障形式多樣等因素對風電軸承早期故障診斷及健康狀態(tài)評價提出了挑戰(zhàn),因此需要進一步開展風電軸承多傳感檢測,多元信息采集與大數(shù)據(jù)分析,狀態(tài)評價及故障診斷與預測,健康管理與智能維護策略等研究內(nèi)容,嘗試突破風電軸承基于數(shù)字孿生與深度學習的狀態(tài)監(jiān)測與智能運維(PHM)共性技術,形成風電軸承智能運維策略,最大限度地延長風電軸承使用壽命,降低運維成本。
3 風電軸承技術發(fā)展趨勢
3.1 風電軸承數(shù)字化設計
研究風電軸承載荷譜制定、高承載與長壽命設計、失效機理與高可靠性設計等理論與方法,形成基于支承/轉(zhuǎn)子的風電軸承系統(tǒng)化匹配設計準則,掌握非穩(wěn)態(tài)工況下主軸軸承、齒輪箱軸承的成膜機理與減摩設計,實現(xiàn)軸承性能與壽命數(shù)字化仿真與評價技術,構建風電軸承的數(shù)字化設計技術體系。
3.2 風電軸承先進材料技術
研究均質(zhì)化無缺陷冶煉模鑄技術,實現(xiàn)大型風電軸承用鋼全流程一體化組織性能調(diào)控,提升高品質(zhì)軸承鋼的耐腐蝕性、分散性、性價比,研發(fā)高品質(zhì)新型軸承鋼,滿足陸上6 MW和海上8 MW及以上風電軸承的長壽命和高可靠性要求。
3.3 風電軸承先進熱處理技術
研究大型風電軸承梯度熱處理共性技術、無縫感應淬火技術、碳氮共滲技術和貝氏體淬火技術瓶頸,提升軸承表面的組織性能、尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、硬度均勻性及硬化層深度,滿足大型風電軸承的長壽命和高可靠性要求。
3.4 風電軸承表面改性處理技術
研究新型涂層材料和先進改性處理工藝理論及方法等關鍵技術瓶頸,實現(xiàn)風電軸承的表面處理技術創(chuàng)新,滿足陸上6 MW和海上8 MW風電軸承在嚴酷工況下的長壽命和高可靠性要求。
3.5 風電軸承抗疲勞制造技術
研究各加工方法中“無應力集中"抗疲勞制造關鍵技術,推動風電軸承從成形制造轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫱暾灾圃?并逐步提升至抗疲勞制造,實現(xiàn)風電軸承抗疲勞制造技術的應用,提高軸承疲勞壽命。
3.6 風電軸承先進裝配性能優(yōu)化技術
研究軸承本體裝配的游隙與預緊力控制、與轉(zhuǎn)子和周邊結構的過盈與變形控制、螺栓緊固與結合面性能控制等關鍵技術,開發(fā)風電軸承裝配參數(shù)與裝配工藝優(yōu)化設計方法,研制裝配參數(shù)智能化測量與智能裝配工藝裝備,實現(xiàn)風電軸承的智能化優(yōu)選裝配工藝技術。
3.7 風電軸承檢測與試驗技術
研究軸承材料、游隙、摩擦力矩、套圈輪廓等關鍵參數(shù)的檢測技術,構建多檢測指標融合的檢測平臺與數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的挖掘與應用,保障風電軸承的高質(zhì)量和高性能要求;突破風電軸承強化機理/相似理論以及試驗、壽命評價等方法,形成軸承試驗數(shù)據(jù)庫,為長壽命、大型化風電軸承的壽命考核、性能評價提供裝備與方法。
3.8 風電軸承智能運維技術
研究風電軸承基于數(shù)字孿生與深度學習的狀態(tài)監(jiān)測與智能運維(PHM)共性技術,形成風電軸承智能運維策略,最大限度地延長軸承使用壽命,降低運維成本。
4 結束語
近年來,我國風電裝備行業(yè)發(fā)展迅速,帶來風電軸承的跨越發(fā)展,但也導致技術產(chǎn)品迭代周期短,缺乏足夠的驗證經(jīng)驗。本文分析了風電軸承的結構特點,評述了風電軸承數(shù)字化設計、材料與熱處理、高性能制造、智能裝配、檢驗測試與試驗、以及智能運維和智能軸承等有代表性的研究成果。同時,提出了大功率風電軸承技術的幾個重要發(fā)展趨勢,以期能夠為大功率風電軸承產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
