摘要：面向国家“双碳”战略,风电装备向更大功率方向迅速发展,也对大功率风电装备中不同类型和系列的滚动轴承提出了大型化、长寿命、高可靠性、智能化和高效运行等更高的技术要求。本文评述大功率风电轴承技术发展的现状、趋势和关键内容,涉及轴承数字化设计、材料与热处理、高性能制造、智能装配、检验测试与试验、智能运维等多个方面,以期为大功率风电轴承产业发展提供参考。
关键词：轴承;风电轴承;风力发电机组;轴承钢;热处理;表面处理;抗疲劳性;面向装配的设计;检测;试验;智能运维2020年9月,书记在第75届联合国大会提出,“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”。2021年4月,中央财经委第九次会议指出,“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期,要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。面向“双碳”国家重大需求,风电行业发展十分迅速,风电占比大幅度提高,同时也要求风电装备快速实现高效化、低成本。在“十四五”期间,风电装备向大型化发展:陆上风电从4 MW成熟应用向6 MW及以上方向发展,而海上风电向10 MW及以上发展,预研储备20 MW。大功率风力发电装备的快速发展带来了多方面的技术挑战,特别是对风电装备及其主要部件提出了长寿命(要求20 a)、高承载(陆上5～10 MW、海上6～20 MW的大功率承载和变风载)、高可靠性(传统轴承可靠度要求为90%,风电轴承为95%)、智能化(风电SCADA系统)以及高效化运行的更高要求。为此,滚动轴承作为风电装备的关键部件,也必须向轻量化、长寿命、高承载、高可靠性、智能化方向发展。风电轴承行业中,斯凯孚,铁姆肯,舍弗勒等国外轴承企业的产品在质量和技术上的优势较明显,而我国由于轴承产品迭代周期短,缺乏足够技术积累和应用验证,与国外品牌存在一定差距,尚不能我国风电装备行业快速、大批量配套的迫切需求。以2020年为例,我国风电轴承共销售超过30万套,但国产化轴承在大功率风电装备中的占比很低,外资企业仍占有的市场地位,尤其是大功率风电传动系统轴承仍然依赖进口,主要涉及4 MW以上主轴轴承、4 MW以上齿轮箱轴承以及5 MW以上发电机轴承。因此,急需开发大型化风电系列轴承产品,满足国家“双碳”战略重大需求以及风电市场发展要求。本文对大功率风电轴承技术的研究进展进行综述,分别从风电轴承的结构特征、技术现状、发展趋势等方面加以评述,并提出若干项关键技术内容,以期为我国大功率风电轴承的产业发展提供参考。
1 风电轴承的结构特征
风电轴承的类型较多,尺寸变化较大,载荷条件复杂,工作环境恶劣,主要包括偏航/变桨轴承、主轴轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承,如图1所示。
Fig.1 Diagram of wind turbine bearings
1.1 偏航/变桨轴承
偏航/变桨轴承的安装部位如图2所示。偏航轴承是安装于风力发电机机舱底座的转盘轴承,作用是支承整个机舱并通过偏航驱动机构的偏航调整保证吊舱对正风力的方向性,承受风扫过叶片产生的轴向力、径向力和倾覆力矩以及机舱的重力;变桨轴承是安装于风力发电机叶片根部的转盘轴承,作用是通过变桨机构的调整保证叶片相对不同风速的倾角,承受叶片和风扫过叶片共同作用产生的轴向力、径向力和倾覆力矩。
图2 偏航/变桨轴承安装示意图
Fig.2 Installation diagram of yaw/pitch bearing
偏航/变桨轴承的尺寸大、承载高、偏载特性突出,不仅承受数十吨甚至百吨的机舱重量,而且受到雷电、风沙、强风、 盐雾等环境的影响[1],拆卸和维修难度大,可靠性要求高,需满足20 a的使用寿命要求。另外,偏航/变桨轴承的转速低(类似于结构件,停多于转),载荷复杂(轴向力、径向力、倾覆力矩以及冲击载荷),结构转型(变桨轴承由四点接触球轴承形式转为三排圆柱滚子轴承形式)应用验证时间短,其结构设计、失效机理、试验方法与通用轴承差异性大,需在充分考虑偏航/变桨轴承结构和工作特点的基础上开展技术研究。
1.2 主轴轴承
主轴轴承是主传动链最重要的旋转支承部件,启停等变工况会导致摩擦副转变以及润滑性能变差,滚动体与保持架的冲击则会导致非典型寿命失效。因此,主轴轴承设计过程中需进行复杂工况适应性设计和可靠性设计,以满足其长寿命和高可靠性要求。目前,各大风机厂家为保证风机运行的可靠性,大兆瓦风电主轴轴承大部分选用斯凯孚,舍弗勒等品牌。兆瓦级风电机组主轴轴承主要采用三点式支承、两点式支承和单点式支承[2]这3种支承方式。三点式支承的布置结构简单,装配要求不高,主轴轴承采用一套调心滚子轴承,与齿轮箱两侧的弹性支承共同承受主传动链的重量以及外部风载产生的弯矩。三点式支承的缺点是主轴动力学特性较差且轴系刚度差,主轴会将一部分载荷传递给齿轮箱,对齿轮箱的可靠性要求较高。由于装机成本低,双馈式风力发电机大部分采用三点式支承。两点式支承有以下组合形式:1)2套调心滚子轴承配对使用,轮毂侧调心滚子轴承轴向浮动且只承受径向力,齿轮箱侧调心滚子轴承同时承受轴向力和径向力;该布置形式安装容易,可通过调心滚子轴承良好的调心性能抵消一定的安装误差以及主轴挠曲产生的倾斜,而且能够抵消主轴因温度变化而产生的轴向尺寸变化,在小兆瓦风电机组中应用广泛。2)圆柱滚子轴承与双列圆锥滚子轴承配对使用,圆柱滚子轴承可轴向浮动,双列圆锥滚子轴承则轴向固定,多用于低速永磁(直驱式)风电机组。3)2套圆锥滚子轴承配对使用,轴系刚度好,结构紧凑,安装要求高;目前部分国外5 MW以上高速永磁(双馈式)风电机组及国内中速永磁(半直驱式)风电机组多采用这种结构。单点式支承大多采用直径较大的双列圆锥滚子轴承,由主轴轴承承受所有主传动链的重量以及外部风载;该布置形式能够承受较大的径向载荷、轴向载荷以及倾覆力矩,但是成本较高。
1.3 齿轮箱轴承
齿轮箱用于将主轴低转速向发电机高转速的动力学传递,齿轮箱轴承的尺寸和转速范围跨度大,主要类型有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等,如图3所示。
图3 风电机组齿轮箱轴承
Fig.3 Speed increasing gearbox bearing for wind turbine
国内对风电机组齿轮箱轴承的研究起步较晚,技术薄弱,国产齿轮箱轴承的热效应和摩擦磨损问题突出,故障率高,大兆瓦风电齿轮箱高速端轴承主要依赖进口。齿轮箱轴承的失效机制和损伤引发因素仍在研究中,目前发现白蚀裂纹(图4)是齿轮箱轴承早期失效的主要原因,黑化技术则可用于改善该故障现象[3]。因此,需要开展齿轮箱轴承设计方法与制造工艺优化等关键技术的研究,满足大功率、高转速齿轮箱轴承的长寿命与高可靠性要求。
图4 风电机组齿轮箱轴承白蚀裂纹的形貌
Fig.4 Morphology of white etching crack in speed increasing gearbox bearing for wind turbine
1.4 发电机轴承
发电机轴承用于支承发电机的转子系统,通常采用圆柱滚子轴承和球轴承。复杂电磁感应等非稳态工况大大影响了发电机轴承的使用寿命,其主要失效形式为疲劳点蚀和电蚀(图5)[4]。目前,主要采用绝缘套进行发电机轴承的绝缘处理。国内风电机组发电机绝缘轴承技术尚处于研发阶段,科技部2020年设置的国家重点研发计划专项“绝缘轴承技术”旨在攻克绝缘轴承设计、制造以及考核试验等技术,其研制的风电机组发电机绝缘轴承如图6所示。目前,国外已研制出10 MW以上发电机轴承,而国内则刚掌握5 MW发电机轴承技术,大功率发电机基本采用进口轴承。
图5 发电机轴承的电蚀
Fig.5 Electric erosion of generator bearing
图6 风电发电机绝缘轴承
Fig.6 Insulated bearing for wind turbine generator
2 风电轴承技术主要研究内容
近年来,风电轴承发展迅速,在数字化设计、材料与热处理、高性能制造、智能装配、检验测试与试验以及智能运维等方面开展了大量研究。
2.1 风电轴承数字化设计
高承载、长寿命、高可靠性设计是大型风电轴承研制的关键,需要根据不同工况和载荷谱进行定制设计与校核,数字化技术在风电轴承定制设计中得到广泛应用。2018年,科技部专门设立国家重点研发计划专项“滚动轴承服役性能演变机理与数字化设计方法”,旨在攻克风电齿轮箱、航空发动机、新能源汽车等领域轴承的数字化设计方法。载荷谱是风电轴承设计的基础前提,风力发电机处于多变风速环境,风载荷具有复杂的随机特性,不同区域的载荷谱也存在着较大差异。文献[5]通过雨流计数法统计原始载荷,利用威布尔三参数方程扩展已知数据,最终得到了风电机组主轴轴承在30种工况下的10级试验载荷谱。文献[6]进行风电轴承多工况试验载荷谱的编制,为风电轴承的设计计算和试验加载提供了数据参考。文献[7]介绍了风电轴承疲劳载荷谱的处理,根据载荷谱计算轴承的当量动载荷。文献[8]介绍了风电轴承在各种设计要求下的静强度载荷谱和滚动接触疲劳载荷谱,为轴承静承载能力和额定寿命的校核打下了计算基础。
2.1.2 偏航/变桨轴承
风电机组偏航/变桨轴承设计方面:文献[9]针对变桨轴承的漏脂问题,从密封圈密封性能,变桨轴承内部结构设计,润滑脂的选择及填充用量等方面进行分析,通过选择抗老化、抗磨损性能好的密封圈材料,将密封圈双唇结构改为多唇结构,轴承沟底增加矩形沟槽等措施,有效避免了变桨轴承漏脂现象;文献[10]引入在线测试与仿真分析技术对变桨轴承动态柔性特性进行研究,解决了刚性假设不能反映变桨轴承动态运行特点的问题;文献[11]通过规划自动化设计流程设计变桨轴承自动化设计算法并建立变桨轴承知识库,实现了变桨轴承的自动设计;文献[12]提出考虑轴承内部结构参数的四点接触球轴承摩擦力矩计算模型,得到空载下不同负游隙时轴承的摩擦力矩,并与经典摩擦力矩公式、DG03计算模型、斯凯孚修正摩擦力矩公式进行了对比分析；文献[13]建立轴承的整体有限元模型并求解了联合载荷下的接触力分布;文献[14]建立了联合外力作用下的变桨轴承内圈平衡数值模型,利用有限元软件计算变桨轴承的载荷分布并分析了沟道结构参数、螺栓预紧力、模拟工况条件对变桨轴承载荷和摩擦力矩的影响;文献[15]对变桨轴承球与沟道的接触刚度进行分析,得到球接触载荷、接触应力和接触角的变化;文献[16]对变桨轴承套圈的应力和疲劳强度进行了数值分析;文献[17]建立了刚性套圈承受多向力和倾覆力矩的双排四点接触球变桨轴承的力学模型;;文献[18]介绍了风电转盘轴承密封件的选用、安装方法及其对轴承寿命的影响;文献[19]基于齿轮啮合原理和赫兹接触理论分析变桨轴承内齿面磨损并确定了变桨轴承齿面接触应力和出现微动磨损的角度范围。
2.1.3 主轴轴承
主轴轴承设计方面:文献[20]建立双列圆锥滚子轴承全尺寸接触模型,用于研究给定工况下3 MW风电主轴轴承承载接触机理;文献[21]通过分析不同结构参数对风电机组球面滚子轴承滚子接触状态的影响,提出了改善滚子接触状态的有效方法;文献[22]建立轴承动态分析模型分析了固定中挡边、浮动中挡边、无中挡边3种挡边结构对轴承轴向位移、PV值、滚子偏摆、摩擦功耗的影响;文献[23]运用有限元分析软件对主轴轴承的结构及保持架的强度、刚性进行了校核计算;文献[24]对海上风电机组单点支承结构用双列圆锥滚子轴承滚子与内滚道及大挡边的接触情况进行优化,解决了偏载问题;文献[25]基于梁单元主轴模型计算给定外载荷下直驱风力发电机主轴轴承的载荷分布,进一步提高了轴承运行可靠性。主轴轴承使用寿命方面:文献[26]建立疲劳寿命理论计算模型,分析了载荷、转速、润滑脂污染程度对主轴轴承疲劳寿命的影响;文献[27]建立针对表面硬化滚道三排圆柱滚子轴承的疲劳寿命分析方法,运用Basquin应力-寿命理论计算得到主轴轴承的疲劳寿命;文献[28-29]针对海上风电轴承存在波动载荷的问题,在额定寿命理论基础上研究考虑载荷波动影响的疲劳寿命计算方法,并分析了振动载荷对圆锥滚子轴承疲劳寿命的影响。齿轮箱轴承设计方面:文献[30]对圆锥滚子轴承滚子球基面和内圈挡边接触形式进行了优化减摩设计,改善了滚子球基面和内圈挡边运转时的润滑条件,减少了摩擦生热;文献[31]利用有限元方法建立风电齿轮箱轴承试验机热力耦合模型,分析了径向载荷产生的轴承温升和轴承内圈与主轴过盈量对内圈与主轴过盈配合的影响;文献[32]分析了齿轮箱齿轮传动系统在外部风载和内部激励共同作用下的动态特性;文献[33]建立了齿轮箱轴承的动力学模型,基于弹性流体动力润滑理论和赫兹接触理论优化求解接触半宽,并建立考虑油膜润滑的滚动轴承磨损数值仿真模型,获得了轴承磨损量;文献[34]建立了齿轮箱高速轴轴承的热阻网络模型,研究了变风速、变载荷工况下的轴承热特性;文献[35]建立了齿轮箱动态刚柔耦合仿真模型,分析了保持架和滚动体强度;文献[36]分析了齿轮箱轴承滚道圆度和滚子直径误差对圆柱滚子轴承径向游隙和跳动的影响。
2.1.5 小结
目前,大型风电轴承的数字化设计理论与技术以及基础数据与国外均存在较大差距[37-38],主要表现为:偏航/变桨轴承的刚度设计,主轴轴承的长寿命、高承载设计主要依赖于经验类比;对齿轮箱轴承和发电机轴承的动力学分析能力较弱;缺乏对陆上和海上风机载荷谱的数字化设计方法、寿命理论与修正方法,以及轴承与装置的系统化匹配设计方法。
2.2 风电轴承材料技术
材料直接决定轴承的寿命和可靠性,轴承钢冶炼方法是轴承的核心技术。2021年起,国家重点研发计划“高精度长寿命轴承、模具用钢基体强韧化热处理控制技术应用”围绕基体强韧化、超细化热处理开展研究,旨在攻克轴承钢、模具钢疲劳寿命不足,碳化物均匀性差等难题。轴承的迅速发展促使轴承材料也在不断更新,以航空轴承钢为例,在使用温度不高的工况下,国内航空轴承的制造主要以GCr15钢为主;随着发动机推重比的提升,对轴承强度和耐高温能力的要求更高,8Cr4Mo4V钢应运而生,使用温度可达316 ℃但冲击韧性较低;为提高轴承抗冲击的能力,又研制了G13Cr4Mo4Ni4V钢,在使用温度与8Cr4Mo4V钢相当的情况下大幅提高了轴承套圈的抗冲击能力。随着轴承制造技术的改进和使用温度的进一步提高,轴承结构越来越复杂,甚至要求轴承与齿轮一体化,制造材料需要同时满足轴承套圈和齿轮的使用要求,相应地诞生了BG801钢[39]。随着风电机组功率的不断增大,对配套轴承的需求也不断增加,随之对风电轴承的材料提出了更高要求。不同位置的轴承需要采用不同的钢种和不同的冶炼工艺,需对风电轴承用钢开展专门研究,如文献[40]开发了齿轮箱轴承用钢100CrMnSi6-4并探究材料对风电轴承的影响,指出夹杂物[41-43]将导致轴承失效。
2.3 风电轴承热处理工艺
热处理是材料加工过程的一道工序,是保证轴承材料表面性能的重要工艺,近年来针对风电轴承热处理工艺的研究使国产风电轴承的质量有了很大提升。
文献[44]对3种规格风电轴承钢球进行附加回火工艺试验,通过增加附加回火工序减小了钢球的磨削应力,提高了风电轴承钢球的压碎载荷值。文献[45]采用大型可控气氛井式渗碳炉及液体滴注式渗碳气氛对风电用G20Cr2Ni4A钢轴承套圈进行不同渗碳工艺的处理并优化了渗碳工艺。文献[46]利用DEFORM3D模拟软件对5 MW风电偏航轴承套圈油冷速率进行模拟,并对42CrMnMoB,40CrNiMo和42CrMo钢进行了模拟热处理。文献[47]选用不同工艺参数进行风电偏航轴承沟道淬火工艺试验并确定了最佳工艺参数。文献[48]通过优化特大轴承套圈无软带感应淬火工艺参数,提高了轴承的可靠性。文献[49-50]设计了3 MW风电主轴轴承的淬火油槽,保证了套圈在二次淬火冷却过程中的硬度。文献[51]对风电轴承套圈进行了大量的调质工艺试验,研究了淬、回火温度对低温冲击功和常温力学性能的影响规律。文献[52]利用有限元分析软件DEFORM-3D对大功率风电机组偏航/变桨轴承套圈的冷却过程进行数值模拟,得到其冷却过程中材料不同部位的时间、温度和即时冷却速度,并通过模拟得到了不同冷却介质下的冷却曲线。文献[53]对风电轴承用42CrMo钢进行循环淬火,与常规热处理相比,42CrMo钢经过循环淬火工艺处理后冲击韧性得到有效提升。
2.4 风电轴承表面改性处理技术
表面改性处理技术是综合应用材料学、摩擦学、高分子化学、高能物理学等学科的表面性能提升手段。实践证明,表面改性处理技术可有效延长轴承寿命,降低轴承摩擦力矩,提高轴承可靠性。
针对碳氮共渗技术,文献[54]分别从表面渗碳和心部材料2个方面揭示了调控热处理工艺对高温不锈渗碳轴承钢微观组织和强韧性的影响规律。文献[55]介绍了渗碳轴承钢的渗碳方法以及表层淬火组织转变和残余奥氏体控制。文献[56]研究了热处理工艺对渗碳轴承钢组织、力学性能的影响规律,研究表明通过升高淬回火温度,增加回火次数以及采用深冷工艺等措施,渗碳轴承钢的强度与硬度增加,冲击韧性值降低。
文献[57]分析了强氮化、弱氮化金属元素体系及含非金属元素体系在结构上的特性和共性给高熵氮化物涂层性能带来的影响。文献[58]采用等离子体浸没离子注入与沉积新技术在GCr15轴承钢基体表面合成了TiN及其系列复合薄膜。
研究表明,表面改性处理技术能够提高风电轴承滚道表面的耐磨性、耐腐蚀性[59]。文献[60]采用激光熔覆技术在大型风电轴承滚道模拟件表面制备了厚度大于3 mm的高硬度无裂纹马氏体不锈钢涂层,与传统感应淬火42CrMo钢轴承滚道的对比结果表明,其显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性均得到了提高。文献[61]针对大型风电主轴轴承激光表面淬火后试验验证困难等问题,设计了缩比轴承加速寿命试验并通过与传统表面淬火的对比验证了激光表面淬火工艺的可行性。文献[62]利用CO2激光器进行GCr15钢轴承滚道表面激光强化处理试验,结果表明选择合适的激光淬火参数可以保证激光表面改性层有足够的硬化层深度,高的硬度值以及更加细小的马氏体组织。文献[63]采用激光熔覆技术在35CrMo合金钢表面制备马氏体不锈钢涂层,硬度约500 HV。文献[64]通过回火处理改善了420马氏体不锈钢熔覆层的组织与性能,中温(400 ℃)回火熔覆层的硬度最高,可达556.7 HV。马氏体不锈钢的硬度为500～600 HV,因此可根据风电轴承的使用要求对其成分进行调整,从而获得高硬度无裂纹的马氏体不锈钢涂层[65]。
此外,针对特殊工况用风电轴承,特别是海上风电轴承,需要研究并应用更先进的表面改性处理技术,以提高轴承的耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性,并降低轴承表面摩擦因数。
2.5 风电轴承抗疲劳制造技术
疲劳是风电轴承典型的失效形式,采用抗疲劳制造技术可以改善轴承应力分布,降低应力集中。文献[66]阐述了风电轴承抗疲劳制造技术研究和应用的紧迫性,介绍了风电机组的偏航/变桨轴承、主轴轴承、齿轮箱轴承及发电机轴承的抗疲劳制造技术。然而,目前仍存在大型风电轴承抗疲劳制造方法匮乏,表面完整性控制策略不完善,抗疲劳制造应用难以实现等问题。为大幅提高风电轴承的疲劳寿命,亟需在轴承抗疲劳制造方面开展大量、深入的研究。文献[67]研究了接触应力、初始残余应力和接触周期对滚动接触疲劳特性的影响,发现表层有一定初始残余压应力的材料经滚动接触疲劳加载后更加稳定。文献[68]分析了初始残余应力对疲劳寿命的影响,认为在轴承表面预置残余压应力能够显著延迟滚动接触疲劳引起的轴承失效。文献[69]采用电脉冲辅助超声滚压对Ti6Al4V合金表面进行强化,试样的硬度和耐磨性得到显著提高。文献[70]研究了超声辅助深冷滚压技术对Cr12MoV钢材料晶相组织及表层性能的影响。文献[71]研究了超声滚挤压风电轴承材料表面粗糙度加工参数的区间,确定了加工参数的稳定域和非稳定域。文献[72]测定了超声加工载荷和穿透深度,分析了超声滚压加工过程中表面微观结构的演变。文献[73]进行风电轴承套圈的超声滚压强化试验,分析了不同工艺参数强化后套圈表面残余应力的变化规律。文献[74]建立风电轴承材料(42CrMo工件)超声滚挤压过程数值模拟模型,分析了工艺参数对风电轴承表面粗糙度的影响。文献[75]以静压力、进给速度、转速和振幅为加工参数,基于正交试验数据建立了风电轴承套圈超声滚挤压表层物理力学性能预测模型并验证了该模型的准确性。文献[76]对比了2种不同冷滚压工艺处理后轴承套圈的残余应力。此外,轴承作为精密旋转部件,旋转精度始终是其重要的指标之一,在轴承精密制造方面,国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项“滚动轴承超精密制造与检测技术”攻克了大型滚子轴承的超精密制造和检测技术。文献[77]指出滚子的波纹度异常会引起振动超标。文献[78]通过控制滚道终磨工序的砂轮加工参数以及超精工序的油石厚度和压力,实现了齿轮箱轴承套圈滚道波纹度的控制。文献[79]阐述了风电转盘轴承深孔加工工艺以及影响深孔加工质量的因素及解决办法。文献[80]针对变桨轴承双沟一次磨削加工的问题,提出了工艺改进措施。文献[81]阐述了转盘轴承沟道淬火软带机械自动打磨工艺。文献[82]将超声振动与切削工艺相结合,以低合金钢为材料进行超声切削对比试验,结果表明加入超声振动后大大降低了工件的表面粗糙度和切削阻力,提高了工件表面质量。文献[83]利用超声纳米晶表面技术(UNSM)改善了CP-Ti和Ti-6Al-4V合金的微动磨损和摩擦特性。
2.6 风电轴承装配性能优化技术
装配工艺对风电轴承的承载能力、服役寿命和可靠性有重大影响。目前,国外著名轴承企业以及国内汽车、家电等小型化轴承的自动化装配技术已相对成熟,从上料、装卡、加工、检验到清洗、装配、涂油、包装以及在线测量、故障诊断等一系列过程由高精度、高效率的自动化设备完成,生产效率高且质量可靠。然而,由于产品批量等问题,大型轴承的装配、调试仍以手工作业为主,自动化装配技术发展缓慢,存在测点少、工作效率低、劳动强度大、出错风险高、追溯不便等问题。在游隙控制方面,文献[84]指出了1.5 MW永磁直驱风力发电机BT轴承安装工艺存在的质量隐患。文献[85]阐述了如何通过合理装配有效控制风电机组主轴及轴承座装置的装配质量。文献[86]通过在轴承座组件上加装控制工装并进行安装游隙校检,提出了风机主轴单列圆锥滚子轴承安装游隙控制工艺。文献[87]简述了主轴轴承的装配工艺并详细介绍了加热工艺参数的确定和轴向间隙的控制方法。文献[88]结合风电机组装配零件的结构特点和生产工序分析了不同的轴承加热方式,指出加热时需要控制内、外圈温差。在风电轴承装配工艺方面,文献[89]采用有限元模型分析了5种不同轴承刚度下连接螺栓的受力情况,得到轴承刚度对螺栓受力的影响。文献[90]建立了2.5 MW风电机组“叶片-螺栓-变桨轴承-螺栓-轮毂”的整体有限元模型,分析了螺栓预紧力、螺栓连接面摩擦因数和垫片高度对变桨轴承套圈及其连接螺栓应力的影响。文献[91]进行了2 MW风电机组偏航轴承连接螺栓的疲劳、滑移强度计算。文献[92]采用非线性弹簧替代球与沟道的接触,梁单元替代轮毂及叶片与变桨轴承之间的安装螺栓,建立有限元模型计算轴承的载荷分布,并分析了螺栓预紧力及螺栓个数对变桨轴承套圈结构变形的影响。
2.7 风电轴承检测与试验技术
风电轴承的检测包括对两沟道中心距、轮廓度和齿形的测量以及对热处理、游隙和启动摩擦力矩的检测等。文献[93]采用模具、石膏对齿圈进行局部脱模,利用投影仪分析得出齿圈齿形的有关参数,从而实现特大型转盘轴承齿圈齿形的精度检测。文献[94]通过自设计工装检测了变桨轴承外圈连接板的孔系中心距、内外径尺寸和工件长度。文献[95]设计了风电轴承安装孔精度检测装置,实现了轴承单一孔直径、孔分布圆中心径、相依孔中心距、单一孔锥度、单一孔垂直度等参数的检测。文献[96]开发了热处理生产线轴承套圈检测装置,可通过激光测距仪精确测量轴承套圈厚度,有利于提高套圈尺寸精度。能够进行复杂工况与环境模拟的试验装备对大型风电轴承的试验方法研究和性能验证至关重要。文献[97]设计了专用的风电轴承功能测试系统,可实现风电轴承出厂游隙、摩擦力矩、空载温升的测试。文献[98]发明了轴承热处理在线检测装置,能够减小游隙检测误差并提高检测稳定性和数据准确性。文献[99]在地面实验室模拟变桨轴承实际运行中所承受的各种载荷,并根据提出的摩擦力矩特性检验方法检测变桨轴承的摩擦力矩。文献[100]分析了6种不同齿轮油配方对推力球轴承摩擦扭矩的影响。文献[101]通过型式试验验证变桨轴承的运行可靠性。文献[102]介绍了加速寿命试验的基本理论并提出转盘轴承加速寿命试验方法。文献[103]基于先进的建模技术,与13.2 MW风电机组传动系统试验台测量相结合,分析了动态载荷引起的结构部件变形。文献[104]通过设计的试验台分析了5 MW风电机组主轴轴承温度、位移、载荷和力矩的变化趋势。文献[105]基于研制的试验机进行了风电机组主轴轴承振动、温升、转速、回转灵活性等参数的检测。
2.8 风电轴承智能运维技术
智能运维是装备轴承的重要研究内容[106],2020年,面向智能轴承的基础前沿技术研究,国家重点研发计划“多维融合感知智能轴承基础原理与方法”旨在掌握关键基础件、基础设计理论、先进传感器和智能系统的核心技术。长寿命、高可靠性要求风电安装运维系统(图7),目前普遍应用数据采集与监视控制(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)系统对轴承等关键部件进行监测。
Tab.7 Structure diagram of intelligent operation and maintenance system for wind turbine监测技术方面:文献[107]基于声发射方法检测风电轴承的次表面损伤;文献[108]基于塔架振动测试诊断传动系统轴承的损伤;文献[109]对齿轮箱高速轴轴承超温报警故障进行分析,认为润滑油流量不能满足要求是故障产生原因;文献[110-111]对风电轴承润滑脂进行分析并监测了某风场主轴轴承、变桨/偏航轴承的磨损情况。诊断算法方面:文献[112]提出以多点数据融合进行风电轴承特征频率提取的噪声抑制方法;文献[113]提出了基于多尺度卷积神经网络的变工况风电轴承故障诊断方法;文献[114]提出增强型形态学滤波风电轴承故障诊断方法;文献[115]提出基于信号处理和自适应贝叶斯算法的风电轴承故障综合预测方法;文献[116]基于经验模态分解与主成分分析设计了大尺寸、低转速风电轴承多变量多尺度监测方法,能够对轴承极小缺陷进行检测;文献[117]提出了一种基于SCADA数据的风电机组变桨轴承磨损预警的建模方法;文献[118]提出了基于BPNN-NCT的风电机组主轴轴承异常辨识方法;文献[119]提出了基于判别字典学习的稀疏表示分类的风电齿轮箱轴承故障诊断;文献[120]提出基于深度信念网络(DBN)的风电机组主轴轴承状态监测方法,提高了主轴轴承异常状态监测的精度;文献[121]基于神经网络数据挖掘开发了轴承故障预测模型,应用于风电轴承故障识别并得到了超过97%的准确率;文献[122]提出了基于孤立森林算法的风电齿轮箱轴承故障检测方法;文献[123]提出了基于协整和向量误差修正模型的发电机轴承异常识别方法;文献[124]提出了基于贝叶斯优化极限梯度提升算法的发电机轴承故障预警方法;文献[125]通过组合建模方法对发电机轴承健康度进行趋势预测;文献[126]在考虑温度特性的基础上提出轴承性能退化和剩余使用寿命预测方法;文献[127]提出了电流辅助振动顺序跟踪方法,从测量的直驱风力发电机定子电流信号中获取参考信号,实现发电机轴承的故障诊断;文献[128]开发了一个能够检测轴承由于过度磨损而导致早期失效的预警方法框架,并通过实际运行风电场的10分钟SCADA数据验证了该方法对发电机轴承故障预警的有效性;文献[129]通过机理分析选取变量,清洗数据和标定样本状态,并通过数据驱动的方法对海上风电机组发电机轴承的状态进行了预测;文献[130]将固有时间尺度分解与多尺度熵相结合,对振动信号进行预处理并提取重构信号时域特征,结合极限学习机实现了风电轴承健康状态的识别。监测系统:文献[131]基于SCADA数据设计了风力发电机状态监测方法,包括数据预处理方法和基于SCADA的状态监控策略;文献[132]提出基于数字孪生的风电轴承故障诊断方法并构建了风电机组数字孪生系统;文献[133]针对风电设备分布广泛,监控设备组织复杂及监测数据信息量大等特点,基于分布式风机在线监测通用架构构建了风场级风电轴承远程在线监测系统。安装部位多,尺寸和转速跨度大,故障形式多样等因素对风电轴承早期故障诊断及健康状态评价提出了挑战,因此需要进一步开展风电轴承多传感检测,多元信息采集与大数据分析,状态评价及故障诊断与预测,健康管理与智能维护策略等研究内容,尝试突破风电轴承基于数字孪生与深度学习的状态监测与智能运维(PHM)共性技术,形成风电轴承智能运维策略,最大限度地延长风电轴承使用寿命,降低运维成本。
3 风电轴承技术发展趋势
3.1 风电轴承数字化设计
研究风电轴承载荷谱制定、高承载与长寿命设计、失效机理与高可靠性设计等理论与方法,形成基于支承/转子的风电轴承系统化匹配设计准则,掌握非稳态工况下主轴轴承、齿轮箱轴承的成膜机理与减摩设计,实现轴承性能与寿命数字化仿真与评价技术,构建风电轴承的数字化设计技术体系。
3.2 风电轴承先进材料技术
研究均质化无缺陷冶炼模铸技术,实现大型风电轴承用钢全流程一体化组织性能调控,提升高品质轴承钢的耐腐蚀性、分散性、性价比,研发高品质新型轴承钢,满足陆上6 MW和海上8 MW及以上风电轴承的长寿命和高可靠性要求。
3.3 风电轴承先进热处理技术
研究大型风电轴承梯度热处理共性技术、无缝感应淬火技术、碳氮共渗技术和贝氏体淬火技术瓶颈,提升轴承表面的组织性能、尺寸稳定性、耐磨性、硬度均匀性及硬化层深度,满足大型风电轴承的长寿命和高可靠性要求。
3.4 风电轴承表面改性处理技术
研究新型涂层材料和先进改性处理工艺理论及方法等关键技术瓶颈,实现风电轴承的表面处理技术创新,满足陆上6 MW和海上8 MW风电轴承在严酷工况下的长寿命和高可靠性要求。
3.5 风电轴承抗疲劳制造技术
研究各加工方法中“无应力集中”抗疲劳制造关键技术,推动风电轴承从成形制造转变为表面完整性制造,并逐步提升至抗疲劳制造,实现风电轴承抗疲劳制造技术的应用,提高轴承疲劳寿命。
3.6 风电轴承先进装配性能优化技术
研究轴承本体装配的游隙与预紧力控制、与转子和周边结构的过盈与变形控制、螺栓紧固与结合面性能控制等关键技术,开发风电轴承装配参数与装配工艺优化设计方法,研制装配参数智能化测量与智能装配工艺装备,实现风电轴承的智能化优选装配工艺技术。
3.7 风电轴承检测与试验技术
研究轴承材料、游隙、摩擦力矩、套圈轮廓等关键参数的检测技术,构建多检测指标融合的检测平台与数据库,实现大数据的挖掘与应用,保障风电轴承的高质量和高性能要求;突破风电轴承强化机理/相似理论以及试验、寿命评价等方法,形成轴承试验数据库,为长寿命、大型化风电轴承的寿命考核、性能评价提供装备与方法。
3.8 风电轴承智能运维技术
研究风电轴承基于数字孪生与深度学习的状态监测与智能运维(PHM)共性技术,形成风电轴承智能运维策略,最大限度地延长轴承使用寿命,降低运维成本。
4 结束语
近年来,我国风电装备行业发展迅速,带来风电轴承的跨越发展,但也导致技术产品迭代周期短,缺乏足够的验证经验。本文分析了风电轴承的结构特点,评述了风电轴承数字化设计、材料与热处理、高性能制造、智能装配、检验测试与试验、以及智能运维和智能轴承等有代表性的研究成果。同时,提出了大功率风电轴承技术的几个重要发展趋势,以期能够为大功率风电轴承产业发展提供参考。
