随着对风机发电能力要求的不断提高，风机设计也越来越向大型化发展。因此，对风电轴承也提出了更高的要求。大型风电轴承不仅要求高刚性和可靠性，还必须轻便，便于安装。面对大型风机提出的越来越多的要求，业内专家以及轴承专业生产商给出了各自的解决方案。

抗疲劳制造是风电轴承长寿命和高可靠性的保证

风电机组在野外80m以上的高空中运行，风电轴承工况恶劣，温度、湿度和载荷变化大，要承受冲击载荷和倾覆力矩，还要经受风沙的侵袭。由于风场一般都在偏远地区，风机的运输和吊装都十分困难，一旦发生早期故障，维修费用十分昂贵。

疲劳破坏是滚动轴承典型的失效形式。对于要求20年使用寿命和高可靠性的风电轴承来说，必须应用抗疲劳制造技术进行生产，使其具备很高的疲劳寿命。

图1 中国轴承工业协会教授级高级工程师 何加群先生

 

风电机组制造企业在选择风电轴承供货厂家时，不仅要按常规考察供货厂家的经济规模、管理水平、质量保证能力和产品性价比，更要考察其在风电轴承生产中抗疲劳制造技术研究和应用的情况。要知道，不同厂家生产的同一型号的风电轴承，从外表上看几乎一模一样，但内在质量、寿命和可靠性有时却相差甚远。

风电轴承的抗疲劳制造技术涉及面很广，在这里，向有志于在风电轴承生产领域可持续发展的轴承制造企业，和希望能选择可信赖的风电轴承供货厂家的风电机组制造企业，提示风电轴承抗疲劳制造需要特别关注的一些问题。

1.材料

应从兴澄特钢、宝钢特钢和东北特钢等具备先进工艺装备的钢厂，采购应用真空脱气和电渣重溶等方法冶炼，大轧制比连轧的高纯净度轴承钢制造轴承。要严格进行钢材的进厂检验，控制钢材的氧含量，检验非金属夹杂物和碳化物的大小、形状及分布是否达到优质轴承钢标准的要求。

2.成形

严格按工艺规范，控制加热温度、始锻温度和终锻温度，防止过热和过烧。压力机或锤锻制坯后，辗扩成形，使金属流线垂直于受力方向。锻件快速冷却，防止产生网状碳化物。锻后严格按工艺规范正火、调质或球化退火。锻件均为外购或外协加工，应采取有力措施，监督并控制工艺规范的执行和产品质量的达标。

3.热处理

必须利用计算机程序控制，在可控气氛中加热，对加热温度、加热速度和加热周期进行优化，并选用在适当的冷却介质的热处理设备中进行，确保获得高强度的金属基体和良好的金相组织。对于偏航变桨轴承的表面感应淬火，必须对感应加热器的形状与被加热面的距离、相对运动的速度、冷却液的成分和冷却液流量等工艺参数经过反复试验进行优化，确保套圈滚道和齿轮齿面齿根的表面淬火硬度及有效硬化层深度达到标准要求，控制软带宽度，防止变形和裂纹。此外，还要有可靠的检测表面硬度、有效硬化层深度和裂纹无损探伤的手段。

4.切削加工

用数控车床进行车加工，精确控制磨加工留量。用数控磨床进行磨加工，确保获得良好的尺寸精度、几何精度和表面粗糙度。双滚道调心滚子轴承和圆锥滚子轴承要保证两个滚道的形状和位置的一致性，要优化调心滚子轴承的内圈、外圈和滚子的吻合率、粗糙度及硬度的匹配关系，以提高轴承的疲劳寿命。对圆锥和圆柱滚子工作表面进行凸度修形以降低应力集中，要优化圆锥滚子球基面和内圈挡边的接触位置和形状，使接触面易于形成润滑油膜，降低滑动摩擦。

5.表面改性处理

为减轻打滑对轴承造成的损伤，对增速器轴承要采用离子注入等方法进行表面改性处理。 

大型风电主轴轴承的选择

如何在提高风力发电机功率的同时，减轻其重量，降低整个风力发电机的制造成本，已经成为各主机厂商和包括轴承在内的零部件厂商面临的日益紧迫的问题。

传统的风力发电机的传动链通常由主轴、齿轮箱(增速箱)和发电机组成。在主轴上，采取双轴承的配置是比较常用的一种轴承配置形式，采用的轴承类型根据设计要求的不同而有所不同，但较为常见的轴承配置为球面滚子轴承或者圆锥滚子搭配圆柱滚子轴承的配置。

SKF中国高级应用技术工程师  张伟先生

这种轴承配置的优势在于主轴轴承承受了大部分的风力载荷，除了扭矩外，基本上没有其他的载荷会传递到齿轮箱中，这样给齿轮箱的设计带来了极大的便利，也极大的保护了齿轮箱输入轴轴承。但这种配置也有其自身的一些缺点，比如传动链较长，除了主轴的长度以外，还要考虑主轴与齿轮箱连接的联轴器的长度。在大功率的风力发电机中，更长的传动链意味着更大的体积以及更高的制造成本。

随着风力发电机的发展，大功率的风力发电机成为市场发展的趋势，较高的功率密度也成为各主机制造商争相追赶的目标。这就给轴承的设计带来了极大的挑战。

在大功率的风力发电机里，要保证其有足够的载荷能力承受较大的风力载荷，主轴，包括轴承的尺寸势必要增大，而这带来的是主机整体重量的增加，随之而来的则是主机相关部件，包括塔架等零部件成本的增加。那么是否有什么解决方案在提高风力发电机功率的同时，还能减轻其重量，降低整个风力发电机的制造成本呢？这成了主机厂商，包括轴承等在内的零部件厂商所面临的日益紧迫的问题，因为成本的下降，意味着产品在市场上竞争能力的提高。

基于以上种种原因，SKF专门为大功率的风力发电机开发了大接触角的圆锥滚子轴承Nautilus轴承。Nautilus轴承为背对背形式的圆锥滚子轴承，拥有较大的接触角(45°)。该轴承不仅让单轴承的主轴配置成为可能，同时大大缩短了传统设计中的传动链长度，使紧凑型的风力发电机设计成为可能。当然，这样的设计同样保证了轴承或者说传动系统的所有功能。

传统的配对(或者双列)圆锥滚子轴承，接触角一般只有20°左右，在保证其较大的径向承载能力以外，轴承的轴向承载能力以及承受倾覆力矩的能力受到一定的限制。因此，无论如何，在一根主轴上，要保证满足应用的要求，必须要有另外一个轴承作为第二个支点承受由倾覆力矩产生的径向力。

 

而该轴承突破了传统接触角的设计，将每个单列轴承的接触角放大到45°，在保证轴承径向承载能力的前提下，大大加强了轴承的轴向承载能力，同时，该轴承也可以承受较大的倾覆力矩。与传统的双轴承配置相比较，Nautilus轴承两条负荷作用线与轴中心线的交点距离远远长于一般的圆锥滚子轴承的配置，这两个交点就成为支撑轴系运行的作用点。同时也能够通过调整轴承预紧状态来优化系统的刚性。

除了较大的接触角以外，该轴承另一个显著的特点就是其采用了分段式的工程塑料保持架。SKF Nautilus轴承采用的工程塑料，不仅能保证足够的强度，而且其较轻的重量保证了轴承的旋转性能，同时降低了轴承内部的摩擦，使润滑的应用更可靠且选择性更高。而分段式的保持架设计，由于每个组件的个体都很小，并且中间没有链接，即使轴承在受载状态下的变形也不会影响到保持架的形状和对滚动体的引导。同时，由于每个组件只有4个滚动体，因此，保持架所产生的摩擦也会被降低到最小的范围内。

大型风电轴承的发展趋势

很多研究以及目前主要制造商的设计趋势表明，圆锥滚子轴承更能适应大型风电机组的运行。圆锥滚子轴承可承受复合载荷，提高系统刚性，保证风机在更大的载荷下稳定运行。

在风能行业，铁姆肯公司能够提供最佳的摩擦管理解决方案。从轴承设计应用到轴承替换、修复服务到状态监测和润滑系统，包括针对充满挑战性的兆瓦级风机的可靠运营的高端解决方案，铁姆肯公司都坚持为风机用户提供全面支持。针对风电行业，铁姆肯公司提供的主要解决方案包括：高性能轴承解决方案以及可靠性解决方案。

高性能轴承解决方案

Timken高性能轴承采用高级材料、先进的表面加工、内部几何修型和涂层。

在负荷多变，环境恶劣的风机应用中，需要从轴承材料入手，进而通过合理的选型设计，使轴承能够承受更高的负荷，降低轴承应力。

在表面工程处理方面，铁姆肯公司的涂层和表面加工应用于风机轴承和齿轮，以延长其疲劳寿命、抗腐蚀并减轻摩擦。

铁姆肯公司中国区总裁 冯世龙先生

 

风机齿轮传动中的轴承滚道所接触到的润滑剂通常会受到来自齿轮的大颗粒磨粒影响。为了解决这些问题，铁姆肯公司专门推出了抗磨粒轴承。根据测试结果，这种抗磨粒轴承在多磨粒环境中所表现出的疲劳寿命是标准轴承的3倍。

可靠性解决方案

随着风速和风向不断发生变化，风机需要应对不断变化的速度、负荷和工作温度。铁姆肯公司将专业工程知识和状态监测设备相结合，能监测设备的运行状态，预测可能发生的机械问题，帮助客户安排维护，确保客户的设备以最佳状态运行。铁姆肯公司针对风电应用推出的在线智能系统能解决目前诸多监测问题，非常适用于风电行业。而且，其还能根据风机独特的要求为客户定制额外的可靠性解决方案，包括振动分析、红外热成像和润滑油分析等。铁姆肯公司的轴承设计理念是使产品适用于全寿命周期（20年）的解决方案，满足客户在轴承使用寿命期间（甚至更久）的各种需求。同时，铁姆肯公司还向客户提供润滑、密封、维护和轴承修复等服务支持，从而能够保障设备可靠稳定地运行。

目前，风能技术问题日益受到关注，铁姆肯公司最近专门在官网上建立了风能知识中心。公司风能行业的顶级专家定期在该网页上发表博客，就风能领域普遍关心的问题发表看法，并与感兴趣的读者展开在线讨论，其中也涉及解决方案问题，为专业人士和顾客提供更多的技术支持。

大型风机用轴承

Timken轴承广泛用于各种标准齿轮箱式风机、直驱式风机和混合型风机。针对这些大型风机，铁姆肯公司可以提供众多产品，主要包括圆锥滚子轴承(单列TS型、双列TDI型、球面外径的双外圈TDODA型以及主轴超大型双列圆锥滚子轴承)、圆柱滚子轴承和集成行星齿轮轴承组件等。

圆锥滚子轴承专为承受既有径向力又有轴向力的复合载荷而设计，在风速和风向随时发生变化的情况下，是掌控应力的理想选择。该类轴承功率密度高，能在最紧凑的布局中提供最佳性能。铁姆肯公司不同类型的圆锥滚子轴承在风机主轴和增速箱中均得到广泛的应用，为风机长期稳定的运行提供保障。

除了轴承产品之外，铁姆肯公司还提供润滑产品、密封产品、状态监测、维护工具和轴承修复服务，为风机用户提供全套支持，进一步提高设备可靠性并改善性能。

技术发展新趋势

随着风电机组单机容量的增大，一个主要的设计方向是降低机舱重量，也即降低每千瓦电力所需的原材料投入（kg/kW）。很多研究以及目前主要制造商的设计趋势表明，圆锥滚子轴承更能适应大型风电机组的运行。圆锥滚子轴承可承受复合载荷，提高系统刚性，保证风机在更大的载荷下稳定运行。无论用于齿轮箱还是主轴上，圆锥滚子轴承的设计都能在保证可靠运行的基础上有效的控制轴承尺寸和主轴及齿轮箱等相关部件的尺寸，防止机舱重量增加过多，有助于风机设计的进一步升级。

另外，针对带齿轮箱式风机主齿轮箱的行星齿轮的应用，铁姆肯公司开发了两种创新产品：Planet-Pac Bearing（集成行星齿轮轴承组件）和Integrated Flexpin Bearing (IFB，即集成式柔性销轴承)。集成行星齿轮轴承组件将圆锥滚子轴承外圈与齿轮集成，避免了外圈产生的磨损。设计简洁紧凑，降低了系统成本。

集成柔性销轴承整合了轴承、齿轮及销轴，能够实现更高的功率密度，也即在更小的尺寸空间中承受更高的负载，符合大型风机的设计要求：高载荷，低重量。这种设计能有效改善行星齿轮箱的负荷分布，提高传动效率，从而既有效提高了系统的性能和疲劳寿命，又减小了齿轮箱的尺寸，主要应用于风力发电和其他各种动力传输设计中。

大型风电轴承装配前的检验

利渤海尔公司

每一个风力发电机中都至少要用到5个大型滚动轴承，包括主轴轴承、偏航变桨轴承以及增速箱轴承。根据不同类型的风力发电机的结构和使用要求，大型轴承的结构形状也会有所不同。利渤海尔公司在Biberach的生产厂不仅能够生产带有外齿的大型滚动轴承，而且可以生产带有内齿的大型滚动轴承，滚动轴承的直径可达6m，重量高达25t。这家生产厂每年能为利渤海尔集团内部及其用户生产两万多件这种大型轴承，其中大部分大型滚动轴承都用于风力发电设备。每一个轴承都要按其特殊的使用要求进行检测和检验计算，如对轴承可承受的轴向力、径向力（必要时）以及倾覆力矩等进行核算。利渤海尔集团还订购了一套专用的检测设备以保障这些大型滚动轴承在研发和样品设计过程中的质量。为保证检测设备能够提供精确的检测结果，Nerling公司专门设计建造了一间特殊的检测室。

 

降低温度变化的干扰

检测室应达到的质量等级为3级；室内的温度必须保持在20~22℃之间；室内温度的时间梯度和环境梯度应符合VDI/VDE 2627标准的规定。在对检测室使用的空调系统进行设计时应考虑周全，需保证对重达20t的被测轴承的称重，并在温室条件下将其送入检测室中。

综合利用大型移动门和移动顶篷在保温方面有许多优势。例如只需一台行车就可以完成所有的吊装和运输任务。在将大型轴承送入车间内部时，移动门和移动顶篷都能打开。送入后，大门重新关闭，而轴承运输到检测设备的过程，车间顶篷始终是敞开的。因为只有在大门敞开时对车间内部的温度是有影响的，因此这一方法可以将检测室内的温度影响降至最低。

 

及时检测保障大型轴承生产过程的改进

检测室空调设备的控制、检测数据的显示、大门的开启和关闭控制等都是由可编程序控制器控制的。它同样也保证了新鲜空气的供应和30%的室内湿度，并实现了空气循环。这样，不仅保证了大型轴承最佳的检测环境，而且优化了检验员的工作环境。而为了能够把检测后的轴承零部件直接运送到装配工位，轴承检测室就设计在装配车间内部。

大型轴承的使用寿命与多种因素有关。在风力发电设备中，作用到轴承上的力以及轴承每天的工作时间都对其寿命有着重要影响。通过大型轴承的检测能够保证出厂的轴承是完全合格的，同时也为在恶劣环境中的可靠工作提供了有力支持。

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各类风电轴承的选择与应用

风力发电机在2~3级风时就要启动，并能跟随风向变化，所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦和高灵敏度，对轴承的设计、材料、制造、润滑及密封都要进行深入研究。

风力发电机常年在野外工作，工况条件比较恶劣，温度、湿度和轴承载荷变化很大，风速最高可达23 m/s，有冲击载荷，因此要求轴承有良好的密封性能和润滑性能、耐冲击、长寿命和高可靠性。发电机在2~3级风时就要启动，并能跟随风向变化，所以轴承结构需要进行特殊设计以保证低摩擦和高灵敏度，因此对轴承的设计、材料、制造、润滑及密封都要进行专门设计。风力发电机组的关键轴承主要包括：偏航轴承、变桨轴承、变速箱轴承、主轴轴承和发电机轴承等。

偏航轴承的结构形式主要有2种，单列四点接触球转盘轴承和双列四点接触球转盘轴承，个别情况，也有采用交叉滚子轴承。偏航轴承安装在风机机舱的底部，承载着风机主传动系统的全部重量，用于准确适时地调整风机的迎风角。偏航轴承常年在野外高空环境中工作，安装、润滑及维修很不方便，因此，不仅要求偏航轴承具有较高的承载能力，还要求其运行平稳、启动摩擦力矩小、安全可靠且润滑、防腐及密封性能好。

变桨轴承多采用双排四点接触球转盘轴承，轴承的运动形式为摆动，主要承受径向力、轴向力和倾覆力矩，并且受力的大小和方向随桨叶位置、迎风角度和风力等级等因素变化。其性能比偏航轴承的要求更加严格。

洛阳轴研科技股份有限公司技术中心总工程师、教授级高工 叶军先生

变速箱轴承主要有调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和交叉滚子轴承，其中多采用调心滚子轴承。轴承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，使滚道表面具有压应力，降低滚道对颗粒杂质的敏感程度，提高轴承寿命。变速齿轮箱工况恶劣，对轴承的要求是运转平稳、振动噪声小、可靠性高和寿命长达20年。

主轴轴承采用调心滚子轴承，根据主轴轴承复杂的承载情况，要求轴承具有良好的调心性能、抗振性能、运转平稳性和长寿命。

发电机轴承既要承受主轴自重的径向载荷，又要承受主轴自重在倾角方向引起的轴向载荷，通常选用深沟球轴承和圆柱滚子轴承组配方式作为发电机支承轴承。此轴承要求承载能力高、旋转精度高、振动噪声小和长寿命。

洛阳轴研科技股份有限公司是由我国轴承行业唯一的国家一类科研机构——洛阳轴承研究所于2001年12月9日改制组建的股份制企业，是集人才、技术和科技成果为一体的高新技术企业，其工作重点是为国民经济建设及国防建设研制“高、精、尖、专、特”的轴承产品和技术。

轴研科技公司长期从事风电轴承的基础研究，随着产业化工程的发展，具备了研究和开发偏航轴承、变桨轴承、变速箱轴承、主轴轴承及发电机轴承等全系列产品的能力，可以为用户提供轴承选型设计、寿命预测及应用服务的整体解决方案。

轴研科技公司根据不同风力发电机组对轴承的具体技术要求，结合实际工况条件，采取个性化设计的理念进行专门设计，尤其是采用系统化设计的思想。

在轴承零件材料的选择、轴承主参数的优化设计、轴承结构设计参数的确定、轴承承载能力分析和寿命计算以及润滑技术等方面，轴研科技公司都进行了系统的研究，努力在确定的空间中实现轴承寿命与可靠性的最大化。此外，轴研科技公司正在努力实现将智能化技术应用到大型风机轴承上。