摘要：随着新能源产业的发展，风电轴承也逐步向高端化、低碳化、智能化、多元化方向发展，风电轴承正处于由高速增长向高质量发展转变的关键时期。风电轴承在风电机组中起到支承和安装的作用，承受交变载荷的作用，使轴承具有一定的承载能力，承受径向和轴向载荷。轴承作为机械装备的关键零部件之一，在风电机组中起到支承、润滑和冷却等作用，保证机组机械部件高速旋转过程中的稳定性，保证风电机组正常运行。

关键词：风电；轴承；技术；趋势

1引言

风电轴承是风力发电机中的关键部件，轴承质量的好坏直接关系到风电机组的性能。目前，我国已经成为全球最大的风电轴承生产基地。国内风机制造商生产的风电轴承数量从2009年的5万套增加到2018年的100万套，年复合增长率为50%；国内风机制造商在风电轴承上已经积累了一定优势，具备了一定研发能力，国内风机制造商技术水平与国外先进水平差距正在缩小。中国风电产业自20世纪90年代开始发展，经过20年的发展历程，行业呈现出由分散式生产向规模化生产、由中低端产品向中高端产品、由低价竞争向高端竞争的趋势。随着我国海上风电资源开发程度提高，对我国海上风电装备制造业提出了更高要求。2019年我国海上风电新增并网容量有望达到16.4GW，随着平价上网时代来临，未来将有望实现高速发展。

2风电轴承技术国内外现状

2.1国外现状

轴承作为风机的主要零部件之一，其性能对风机的整体运行状态有着重要的影响。由于风电机组中的轴承故障是造成重大事故的主要原因之一，因此风电轴承的研发技术一直是各大风电设备制造商重点关注的方向。据统计，约有70%的风机故障发生在轴承上。目前，风电设备对轴承润滑和密封提出了更高要求，新材料、新技术和新工艺在风电轴承领域得到广泛应用。国外风电轴承制造水平高、质量好，尤其是轴承钢与不锈钢复合生产技术已经处于世界领先水平。目前，国外已经研制出符合大型陆上风机运行要求的滚动轴承和深沟球轴承。其中，采用HAMIZO工艺生产的LM150系列深沟球轴承为美国通用电气公司研制。采用SATCOM工艺生产的CRYSTEMLM150系列深沟球轴承为美国GE公司研制，该产品用于5MW及以上级别风力机。

2.2国内发展现状

风电轴承在风力发电机中应用极为广泛，其不仅影响到风机的运行状态，还影响着风电机组的安全和稳定运行，因此，对于风机轴承的可靠性、耐久性及稳定性等性能指标都提出了极高的要求。目前国内风电轴承企业主要以国内企业为主，国外企业在风电轴承技术上已经发展了多年，目前在海上风电轴承方面的技术已经成熟，且国外已有多家企业成功研制出了海上风电轴承产品。与国外相比，国内风电轴承行业在技术、规模、研发能力及质量控制等方面差距较大。国内风电轴承行业主要有四家企业：通辽金杯装备有限公司、北京东方轴承有限公司、上海通用汽车风机事业部、株洲硬质合金集团有限公司。

3风电轴承技术相关论述

3.1风电轴承主要应用场景

风电轴承是指能够承受轴向载荷和径向载荷、并能在较大范围内保持适当回转精度的轴承。风电轴承是风电机组中关键零部件，是决定风力发电机性能和寿命的重要因素之一。在风电轴承中，轴承游隙的大小对轴承寿命影响较大。游隙过小会导致滚珠在转动过程中出现磨损，造成接触疲劳损伤和噪声；游隙过大则会导致游隙过大，产生噪声、振动等现象。风电轴承通常由两个以上的内圈和一个外圈组成，内圈和外圈之间的滚道需要保证一定的粗糙度，从而使内圈和外圈能够在径向受力时保持合适的接触精度。由于风电机组功率等级提高、工作环境恶劣等因素导致风力发电机需要承载更大的载荷，同时降低了轴承使用寿命，因此，风电轴承需要具备较好的承载能力和减振性能。此外，由于风电轴承需要在低转速条件下运行，因此其需要具备较低的振动性能。

3.2风电轴承关键技术

风电轴承的关键技术包括：提高轴承转速及低噪声、高可靠性的技术；提高风电轴承工作寿命，降低使用成本的技术；提高风电轴承承载能力的技术；提高风电轴承使用安全性的技术；提高风电轴承安装操作安全性的技术。其中，轴承转速是决定其寿命、承载能力和可靠性的主要因素之一。风电轴承一般安装在发电机端，通过调节轴承游隙，使其工作在较低的转速下，从而降低发电成本，增加发电量。因此，提升风电轴承的工作转速具有重要意义。提升轴承转速还能增加发电效率，减少发电机和风轮安装尺寸，减小重量和体积。此外，还需加强风电行业智能化程度与发展速度，通过设计、制造、运行等各方面一体化整合提高生产效率与生产质量。

3.3轴承的设计与制造技术

由于风力发电机轴承在高速旋转过程中会产生较大的离心力，轴承内外圈和滚动体在高速运转时容易产生摩擦，且转速越高，摩擦也就越大。同时，由于风力发电设备较高的转速，对轴承的性能要求也就更高。因此，国内外轴承企业普遍通过提高轴承的强度、刚度、抗疲劳强度以及抗腐蚀等方面的性能来实现对轴承的进一步优化。此外，由于风电机组主轴系统自身重量较大，导致主轴所受径向力和轴向力也较大。因此，增加轴承刚度也是风电机组减振降噪的重要手段之一。国内企业普遍通过提高主轴轴承刚度、减小主轴系统重量来提高主轴系统减振降噪能力。

3.4轴承润滑技术

轴承润滑技术是一项对轴承寿命、可靠性和环境保护具有重要意义的技术。通过有效地对轴承进行润滑，可以延长轴承寿命、降低噪声、提高可靠性和改善工作环境，进而实现对可再生能源的发电能力。

3.5轴承制造与装配工艺

在轴承制造方面，多年来我国风电轴承的设计制造水平不断提高，但由于风力发电机轴承产品总体设计和制造技术与国外发达国家相比还有较大差距，且风电轴承产品质量和性能仍不稳定，对高品质的高端轴承需求还不能完全满足。国产风电轴承在寿命、可靠性和经济性等方面与进口轴承相比还有较大差距。此外，国内风电行业对生产装配技术的要求越来越高，从单一的尺寸精度到最终的游隙精度等装配质量均有严格要求。除了高品质的轴承本身之外，生产装配技术也是影响产品质量和性能的关键因素之一。目前风电行业的装配技术落后于国外发达国家，还需要继续改进和提升。

3.6轴承性能与寿命评估技术

针对目前风力发电机轴承技术现状，我国相关研究人员正在开展风力发电机轴承性能与寿命评估技术研究。主要研究内容包括：（1）风力发电机轴承失效机理与失效模式研究；（2）风力发电机轴承性能评估方法和标准；（3）风力发电机轴承寿命预测方法研究。

3.7轴承设计仿真分析技术

仿真技术是轴承设计与优化的重要手段，基于仿真分析对轴承进行结构设计是快速准确得到轴承性能、可靠性及寿命结果的重要手段之一。由于风电机组工况条件复杂，随着对轴承技术要求不断提高，轴承的结构设计难度越来越大，基于仿真分析技术的轴承优化设计已成为国内外主要风电制造商普遍采用的新技术。近年来，国内主流风电供应商在基于仿真技术优化设计方面开展了大量工作，如：通过数值模拟技术对风电机组关键部件的结构参数进行优化，减少关键部件应力集中现象；通过有限元仿真分析技术对关键零部件结构参数进行优化设计，实现风电机组整体结构应力分布的均衡；通过有限元仿真分析技术对不同结构参数的轴承进行优化设计，降低振动和噪声。

4风电轴承技术发展路径

4.1高精度轴承

风电轴承技术的发展以满足轴承精度要求为目标。为了保证风电轴承部件的精度，必须提高风电轴承部件制造加工技术，包括工艺控制、加工设备和测量方法等。此外，随着风电机组零部件数量的增加，以及制造工艺和装配精度要求的提高，需要进行更多的轴承技术研究。随着技术研究水平和制造水平的不断提高，风力发电对风电轴承部件精度和可靠性的要求越来越高。未来，风力发电市场将从高速向低速发展，并将对风电轴承技术提出更高要求。

4.2轴承智能化

智能化轴承是指对运行状态进行实时监测，对出现的故障进行及时诊断和预警，使轴承处于良好运行状态，提高其使用寿命和可靠性。根据监测数据和运行状态，智能轴承能够预测故障、预防故障的发生。此外，通过智能化监控系统，还能有效分析振动信号、温度信号及润滑状况等参数。智能化风电轴承在海上风电领域有较大应用前景。目前，部分海上风力发电项目已经开始应用智能轴承。这种轴承能够有效监测旋转系统的振动、温度、润滑状态，及时预警潜在故障，通过对故障的早期诊断和修复，大幅延长海上风机使用寿命，从而提高经济效益。

4.3轻量化设计

随着风电机组功率的不断增大，滚动轴承的尺寸和重量不断增大，从而对轴承部件的承载能力提出更高要求。因此，有必要通过提高材料强度、采用新结构和新材料等方法来提高轴承部件的承载能力。在确保轴承部件运行可靠的前提下，尽可能地减小轴承部件尺寸、减轻重量，是提升风电机组工作效率、降低发电成本、实现风电产业可持续发展的重要途径之一。轻量化设计方法包括：改进轴承设计或结构来减轻滚动轴承中滚动体的重量；采用新型材料和新结构来减轻滚动轴承中滑动面滚道的重量；在滚动轴承中使用轻质合金材料和改进设计，提高承载能力。

4.4轴承振动控制

风电轴承的振动控制是指轴承在工作过程中，因受到外力作用或内部因素等导致轴承发生振动，影响其性能的一系列技术措施。随着风电机组单机容量的不断增大，风电机组的振动问题日益严重。为保证轴承在运行过程中具有良好的稳定性和可靠性，必须对轴承的振动进行控制。控制方式主要有：在结构上避免引起振动的因素；采用抑制振动技术措施；优化运行参数，提高设备运行可靠性；增加轴承刚度，改善轴承性能。在研究方向上，针对高精度、高效率、长寿命等要求，在保证载荷能力和润滑条件下，采用精密滚动轴承或特殊结构形式的滚子轴承等技术提高风电机组轴承部件运行的稳定性。

5风电轴承技术趋势

我国是全球最大的风电设备制造市场，也是最大的风电设备市场。据中国可再生能源学会风能专业委员会统计数据显示，2018年我国新增装机4031万千瓦，新增装机量稳居全球首位。在全球最大的风电市场，中国风电产业正在发展壮大中。自2003年以来中国一直是全球最大的风电市场，中国海上和陆上风力发电装备制造产业高速发展。与风电机组制造水平不断提高、规模不断扩大相对应的是风力发电机轴承技术水平的提升。当前全球主要地区和国家对于风力发电轴承的技术标准日趋完善。与此同时，近年来随着产业发展规模不断扩大，对轴承要求也越来越高。全球主流风电轴承企业正在积极进行技术升级和产品优化，以适应清洁能源发展大趋势下对轴承高品质、高可靠性和长寿命需求。随着全球经济的复苏，风电市场也得到了快速发展，全球风电累计装机容量持续增长，根据国际能源署（IEA）数据显示，2021年全球风电新增装机达536GW，同比增长19%；其中，中国新增装机量达207GW，占全球总装机量的28.5%；风电新增装机容量位居全球首位。随着政策的支持以及技术的发展，风电市场已逐渐成为全球新能源发展的重要力量。但是在实际的应用中，由于国内风电机组轴承的研发技术与国际水平相比仍存在一定差距，导致国产风电机组轴承在技术上不能满足新能源大规模接入的需要，不能满足海上风电发展和平价上网的要求。根据相关数据显示，2022年我国海上风电新增并网容量预计将超过100万千瓦。预计到2025年中国海上风机累计装机容量将超过900万千瓦，2025年海上风电市场规模将超过500亿元。随着风电市场的迅速发展，风电机组单机容量逐渐增大，风力发电机的轴承技术也得到了相应的发展。风机轴承是风力发电机中最重要的部件之一，其性能直接影响到整机设备的运行状态。目前，世界各国风电轴承技术不断发展，总体性能指标不断提高。从传统的低转速、高载荷的低速旋转工况向高转速、高载荷的高速旋转工况发展；从低转速、低载荷的低速旋转工况向高转速况发展。我国风电行业经过十余年的快速发展，已进入平价上网时代，风力发电行业将逐渐由政策驱动向市场驱动转变。国内风电轴承研发已取得显著进展，以满足海上风电发展需求为目标，将逐步实现海上风电轴承国产化。

参考文献：

[1]任雁，刘佳，刘斌，等.超声滚挤压风电轴承材料表面粗糙度加工参数敏感性研究[J].锻压技术，2022（001）：047.

[2]KimLeong.风电轴承技术趋势[J].国外轴承技术，2020，000（003）：P.59-64.

第一作者：薛彬（1983年10月），男，主要从事风电轴承的相关技术工作。工程师，本科，洛阳人。