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开发技术最成熟、开发前景最具潜力——风力发电的零部件风电轴承

发布时间:2022-07-11 19:16:06 来源:乐鱼唯一网址 作者:乐鱼网址官网首页

  今天和大家聊聊目前开发技术最为成熟的清洁能源——风力发电的零部件风电轴承

  风电轴承是一种特殊的轴承,使用环境恶劣,高维修成本,要求高寿命。风力发电机用轴承主要包括:偏航轴承总成、风叶主轴轴承、变速器轴承、发电机轴承等(相关技术文中有提及),轴承的结构形成主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等。其中大型偏航轴承总成和风叶主轴轴承技术难度较大,现在基本依靠进口,是风机国产化的难点之一。风机轴承国产化可提高国内轴承工业的设计应用水平,缩小与国外先进水平的差距,促进国内轴承工业的发展和技术进步,另一方面,可以降低风电成本,加快我国新能源和可再生能源的发展。

  风电轴承是连接机组中偏航、变桨和传动等系统转向的重要部件,分别对应偏航轴承、变桨轴承和主轴轴承(加工工艺问中提及)。其主要功能是支撑旋转轴或其它运动体,引导转动或移动运动并承受由轴、轴上零件传递而来的载荷,它的精度、性能、寿命和可靠性对主机的使用性能和可靠性起着决定性的作用。

  可能大家都见过风力发电机的工作环境,空旷无垠的野外工作,恶劣的工况条件,温度、湿度和轴承载荷变化很大,风速最高可达23m/s,有冲击载荷,正是这严酷的条件所以对轴承的密封性能、润滑性能、耐冲击、寿命与可靠性有较高的要求,发电机在2~3级风时就要启动,并能跟踪风向变化,所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度,大型偏航轴承要求外圈带齿。为了更好实现风机的最佳状态,因此轴承设计、材料、制造、润滑及密封都要进行专门设计,为风电设备的良好运行提供更有力的保障,可以在很大程度上可提高设备性能和可靠性。

  在风电设备系统中维护保养也同样重要。风力发电机通常处在不易进行维护的地方,它们经常被安装在山上、沙漠里或海岸线上。状态监视系统能够协助监视传动系统的性能表现,而可预测性的维修保养能够提高这些系统的性能和可靠性,提高设备的有效运行时间。如通过振动分析、油液分析和红外热成像等手段监测设备状态,以判定最佳维修时机的维修流程;通过预测性维修手段可提高设备的运行可靠性,且仅在设备需要维修的时候进行维修,减少过度维修,降低维修成本。

  偏航轴承总成是风机及时追踪风向变化的保证。风机开始偏转时,偏航加速度E将产生冲击力矩M=IE(I为机舱惯量)。偏航转速d越高,产生的加速度6也越大。由于I非常大,这样使本来就很大的冲击力成倍增加。另外,风机如果在运转过程中偏转,偏航齿轮上将承受相当大的陀螺力矩,容易造成偏航轴承的疲劳失效。

  根据风机轴承的受力特点,偏航轴承采用零游隙设计的四点接触球轴承,沟道进行特别设计及加工,可以承受大的轴向载荷和力矩载荷。偏航齿轮要选择合适的材料、模数、齿面轮廓和硬度,以保证和主动齿轮之间寿命的匹配。同时,要采取有针对性的热处理措施,提高齿面强度,使轴承具有良好的耐磨性和耐冲击性。

  风机暴露在野外,因此对该轴承的密封性能有着严格的要求,必须对轴承的密封型式进行优化设计,对轴承的密封性能进行模拟试验研究,保证轴承寿命和风机寿命相同。风机装在40m的高空,装拆费用昂贵,因此必须有非常高的可靠性,一般要求20年寿命,再加上该轴承结构复杂,因此在装机试验之前必须进行计算机模拟试验,以确保轴承设计参数无误。

  风叶主轴由两个调心滚子轴承支承。由于风叶主轴承受的载荷非常大,而且轴很长,容易变形,因此,要求轴承必须有良好的调心性能。确定轴承内部结构参数和保持架的结构形式,使轴承具有良好的性能和长寿命。

  变速器中的轴承种类很多,主要是靠变速箱中的齿轮油润滑。润滑油中金属颗粒比较多,使轴承寿命大大缩短,因此需采用特殊的热处理工艺,使滚道表面存在压应力,降低滚道对颗粒杂质的敏感程度,提高轴承寿命。同时根据轴承的工况条件,对轴承结构进行再优化设计,改进轴承加工工艺方法,进一步提高轴承的性能指标。

  发电机轴承采用圆柱滚子轴承和深沟球轴承。通过对这两种轴承的结构设计、加工工艺方法改进、生产过程清洁度控制及相关组件的优选来降低轴承振动的噪声,使轴承具有良好的低噪声性能。

  不同部位的轴承采用不同的材料及热处理,如提高偏航和变桨轴承用40CrMo钢的低温(环境温度-40℃∽-30℃,轴承工作温度在-20℃左右)冲击功等力学性能的热处理方法,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;增速器轴承用相当于国外STF、HTF钢的研制及控制其残余奥氏体最佳含量的研究;主轴轴承在国产真空脱气钢质量尚存在一定差距的情况下,采用电渣重熔渗碳钢G20Cr2Ni4A制造等。

  全球风电行业整体向上发展带动相关风电零部件的高速增长,上游风电轴承、风塔等零部件进入了高景气期,近两年全球大部分风机零部件企业保持了业绩的高速增长。需求量大,行业势头正猛,疫情之下供应受阻,国产轴承行业面临重大挑战与机遇。

  目前全球轴承市场呈现垄断竞争的格局,70%以上的市场份额集中在八大跨国集团手中,包括SKF、Schaeffler(INA+FAG)、NSK、NTN、Minebea、NACHI、JTKET、TIMKEN等,分别来自瑞典、德国、日本、美国等国家,而国内的轴承制造商约占全球市场份额的20%。

  回顾国内风电行业的发展历程,国家政策的导向对行业的发展有着十分密切的联系。2006年之前我国风电设备配套轴承大部分为进口,价格长期居高不下且交货周期长,当时外资的风机新增市场份额为55%以上。一年以后,新增市场份额55%的主角就变为了中国公司,这得益于2006年,国家发改委出台风电设备国产化率70%的规定,不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设。

  国内风电轴承企业借助政策的扶持快速崛起,最终实现了变桨轴承、偏航轴承的国产化。但到了2010年,为促进国内风电产业健康持续发展,以及营造开放共享、竞争有序的风电产业市场环境,风电设备国产化率70%规定被取消,此后外资企业纷纷涌入中国市场,SKF、FAG、舍弗勒、NTN等全球龙头相继在国内设立风电轴承厂,外资企业在大功率、主轴轴承市场占有领先的市场地位。

  受限于技术水平和生产规模,本土企业主要发力中低端市场,数据显示,2020年1月至8月我国滚动轴承的进、出口金额均为22亿美元左右,进、出口单价分别为1.41美元、0.64美元,进口单价是出口单价的2倍以上,说明进口轴承占据我国高端市场。另外,生产轴承的企业绝大部分是中小型以下的企业,中大型以上的轴承产量占比不足13%,因此我国轴承制造行业参与者小而多,尚未出现影响力大的龙头企业,行业市场集中度不高。数据显示,2019年我国轴承行业实现营业收入1770亿元,其中排名前十的轴承制造企业实现营业收入506.7亿元,行业CR10仅为28.6%。

  就如前不久美国的芯片垄断一样,我国芯片主要依赖于进口,当美国对我们停止出口时,对我们的工业、商业等领域的冲击是巨大的。

  在长期的尝试和突破中,国内轴承产业得到较快较好发展。同时,依托国内庞大的工业体系,我国轴承产业规模全球领先。2019年中国轴承产量为196亿套,经济规模位居世界第三。但我国轴承产业大而不强,高端轴承材料和工艺等方面与日本、欧美存在较大差距,大功率风电轴承等高端产品依然依赖进口。

  同时,高端轴承的制造过程涉及设计、加工、测试等技术问题和力学、摩擦学等理论基础,前者需要长期的技术经验积累,后者需要大量的高素质人才,这些在短期内都无法实现,所以需要给国内企业一定的时间完成技术积累以及人才的培养。另外,在工艺设备方面,高精度机床、感应加热设备等领域也相对薄弱,这也限制了中国高端轴承产业的发展。

  进口轴承的供应受到限制,这为国内企业提供了替代进口的窗口。 2020年以来突然爆发的疫情给了各行业一个紧急刹车,全球产业链、供应链受到冲击,导致风电主轴承的供应不足。在国内疫情防控常态化、风电需求稳步上涨的情况下,叠加本土企业突破海外企业长期垄断的欲望,国内具有一定基础和一定规模的如LYC、ZWZ、HRB、NXZ、ZXY、KIF等等本土轴承品牌企业迎来了发展时机,有望加快风电轴承的国产化进程。目前已经有风机制造企业在用本土企业生产的主轴轴承。

  总的来说,风电符合人类可持续发展的要求,时代性、趋势性特点鲜明。随着全球风电行业的快速发展,相关零部件市场也应运而涨。作为风电领域核心部件之一的轴承将进入高景气时期。现阶段,高端轴承将市场主要被国际巨头垄断,随着技术的不断突破叠加疫情的催化,轴承国产化进程正在加速。

  轴承的加工对刀具的要求十分严格,华菱超硬,作为我国超硬刀具国产化的先驱,以国家超硬材料重点实验和河南科技大学为技术依托,自备超硬刀具研发中心,专注于脆硬材料和难切削材料加工用立方氮化硼刀具和高品级金刚石的研究方向,在以车代磨、超高硬度重载切削、高速加工、难加工材料切削等细分领域独具优势。同时,依据河南超硬材料研究所的先天资源,在3C行业,航空航天、核能军工领域不断推陈出新CBN/PCD刀具和其他新材料工具,用户覆盖了中国大陆、中国台湾、德国、意大利、美国、韩国、日本、以色列等多个国家和地区。

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