摘要：面向國(guó)家“雙碳"戰(zhàn)略,風(fēng)電裝備向更大功率方向迅速發(fā)展,也對(duì)大功率風(fēng)電裝備中不同類型和系列的滾動(dòng)軸承提出了大型化、長(zhǎng)壽命、高可靠性、智能化和高效運(yùn)行等更高的技術(shù)要求。本文評(píng)述大功率風(fēng)電軸承技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀、趨勢(shì)和關(guān)鍵內(nèi)容,涉及軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)、材料與熱處理、高性能制造、智能裝配、檢驗(yàn)測(cè)試與試驗(yàn)、智能運(yùn)維等多個(gè)方面,以期為大功率風(fēng)電軸承產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞：軸承;風(fēng)電軸承;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;軸承鋼;熱處理;表面處理;抗疲勞性;面向裝配的設(shè)計(jì);檢測(cè);試驗(yàn);智能運(yùn)維2020年9月,書(shū)記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出,“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和"。2021年4月,中央財(cái)經(jīng)委第九次會(huì)議指出,“十四五"是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期,要構(gòu)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(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。面向“雙碳"國(guó)家重大需求,風(fēng)電行業(yè)發(fā)展十分迅速,風(fēng)電占比大幅度提高,同時(shí)也要求風(fēng)電裝備快速實(shí)現(xiàn)高效化、低成本。在“十四五"期間,風(fēng)電裝備向大型化發(fā)展:陸上風(fēng)電從4 MW成熟應(yīng)用向6 MW及以上方向發(fā)展,而海上風(fēng)電向10 MW及以上發(fā)展,預(yù)研儲(chǔ)備20 MW。大功率風(fēng)力發(fā)電裝備的快速發(fā)展帶來(lái)了多方面的技術(shù)挑戰(zhàn),特別是對(duì)風(fēng)電裝備及其主要部件提出了長(zhǎng)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(fēng)載)、高可靠性(傳統(tǒng)軸承可靠度要求為90%,風(fēng)電軸承為95%)、智能化(風(fēng)電SCADA系統(tǒng))以及高效化運(yùn)行的更高要求。為此,滾動(dòng)軸承作為風(fēng)電裝備的關(guān)鍵部件,也必須向輕量化、長(zhǎng)壽命、高承載、高可靠性、智能化方向發(fā)展。風(fēng)電軸承行業(yè)中,斯凱孚,鐵姆肯,舍弗勒等國(guó)外軸承企業(yè)的產(chǎn)品在質(zhì)量和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)較明顯,而我國(guó)由于軸承產(chǎn)品迭代周期短,缺乏足夠技術(shù)積累和應(yīng)用驗(yàn)證,與國(guó)外品牌存在一定差距,尚不能我國(guó)風(fēng)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(guó)風(fēng)電軸承共銷售超過(guò)30萬(wàn)套,但國(guó)產(chǎn)化軸承在大功率風(fēng)電裝備中的占比很低,外資企業(yè)仍占有的市場(chǎng)地位,尤其是大功率風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)軸承仍然依賴進(jìn)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(jī)軸承。因此,急需開(kāi)發(fā)大型化風(fēng)電系列軸承產(chǎn)品,滿足國(guó)家“雙碳"戰(zhàn)略重大需求以及風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展要求。本文對(duì)大功率風(fēng)電軸承技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,分別從風(fēng)電軸承的結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)等方面加以評(píng)述,并提出若干項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容,以期為我國(guó)大功率風(fēng)電軸承的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
1 風(fēng)電軸承的結(jié)構(gòu)特征
風(fēng)電軸承的類型較多,尺寸變化較大,載荷條件復(fù)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(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙底座的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承,作用是支承整個(gè)機(jī)艙并通過(guò)偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的偏航調(diào)整保證吊艙對(duì)正風(fēng)力的方向性,承受風(fēng)掃過(guò)葉片產(chǎn)生的軸向力、徑向力和傾覆力矩以及機(jī)艙的重力;變槳軸承是安裝于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片根部的轉(zhuǎn)盤(pán)軸承,作用是通過(guò)變槳機(jī)構(gòu)的調(diào)整保證葉片相對(duì)不同風(fēng)速的傾角,承受葉片和風(fēng)掃過(guò)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(jī)艙重量,而且受到雷電、風(fēng)沙、強(qiáng)風(fēng)、 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(jié)構(gòu)件,停多于轉(zhuǎn)),載荷復(fù)雜(軸向力、徑向力、傾覆力矩以及沖擊載荷),結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型(變槳軸承由四點(diǎn)接觸球軸承形式轉(zhuǎn)為三排圓柱滾子軸承形式)應(yīng)用驗(yàn)證時(shí)間短,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、失效機(jī)理、試驗(yàn)方法與通用軸承差異性大,需在充分考慮偏航/變槳軸承結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展技術(shù)研究。
1.2 主軸軸承
主軸軸承是主傳動(dòng)鏈最重要的旋轉(zhuǎn)支承部件,啟停等變工況會(huì)導(dǎo)致摩擦副轉(zhuǎn)變以及潤(rùn)滑性能變差,滾動(dòng)體與保持架的沖擊則會(huì)導(dǎo)致非典型壽命失效。因此,主軸軸承設(shè)計(jì)過(guò)程中需進(jìn)行復(fù)雜工況適應(yīng)性設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì),以滿足其長(zhǎng)壽命和高可靠性要求。目前,各大風(fēng)機(jī)廠家為保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可靠性,大兆瓦風(fēng)電主軸軸承大部分選用斯凱孚,舍弗勒等品牌。兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承主要采用三點(diǎn)式支承、兩點(diǎn)式支承和單點(diǎn)式支承[2]這3種支承方式。三點(diǎn)式支承的布置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)的彈性支承共同承受主傳動(dòng)鏈的重量以及外部風(fēng)載產(chǎn)生的彎矩。三點(diǎn)式支承的缺點(diǎn)是主軸動(dòng)力學(xué)特性較差且軸系剛度差,主軸會(huì)將一部分載荷傳遞給齒輪箱,對(duì)齒輪箱的可靠性要求較高。由于裝機(jī)成本低,雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)大部分采用三點(diǎn)式支承。兩點(diǎn)式支承有以下組合形式:1)2套調(diào)心滾子軸承配對(duì)使用,輪轂側(cè)調(diào)心滾子軸承軸向浮動(dòng)且只承受徑向力,齒輪箱側(cè)調(diào)心滾子軸承同時(shí)承受軸向力和徑向力;該布置形式安裝容易,可通過(guò)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(fēng)電機(jī)組中應(yīng)用廣泛。2)圓柱滾子軸承與雙列圓錐滾子軸承配對(duì)使用,圓柱滾子軸承可軸向浮動(dòng),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(fēng)電機(jī)組。3)2套圓錐滾子軸承配對(duì)使用,軸系剛度好,結(jié)構(gòu)緊湊,安裝要求高;目前部分國(guó)外5 MW以上高速永磁(雙饋式)風(fēng)電機(jī)組及國(guó)內(nèi)中速永磁(半直驅(qū)式)風(fēng)電機(jī)組多采用這種結(jié)構(gòu)。單點(diǎn)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(dòng)鏈的重量以及外部風(fēng)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(jī)高轉(zhuǎn)速的動(dòng)力學(xué)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(fēng)電機(jī)組齒輪箱軸承
Fig.3 Speed increasing gearbox bearing for wind turbine
國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱軸承的研究起步較晚,技術(shù)薄弱,國(guó)產(chǎn)齒輪箱軸承的熱效應(yīng)和摩擦磨損問(wèn)題突出,故障率高,大兆瓦風(fēng)電齒輪箱高速端軸承主要依賴進(jìn)口。齒輪箱軸承的失效機(jī)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(shù)則可用于改善該故障現(xiàn)象[3]。因此,需要開(kāi)展齒輪箱軸承設(shè)計(jì)方法與制造工藝優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的研究,滿足大功率、高轉(zhuǎn)速齒輪箱軸承的長(zhǎng)壽命與高可靠性要求。
圖4 風(fēng)電機(jī)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(jī)軸承
發(fā)電機(jī)軸承用于支承發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),通常采用圓柱滾子軸承和球軸承。復(fù)雜電磁感應(yīng)等非穩(wěn)態(tài)工況大大影響了發(fā)電機(jī)軸承的使用壽命,其主要失效形式為疲勞點(diǎn)蝕和電蝕(圖5)[4]。目前,主要采用絕緣套進(jìn)行發(fā)電機(jī)軸承的絕緣處理。國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)絕緣軸承技術(shù)尚處于研發(fā)階段,科技部2020年設(shè)置的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“絕緣軸承技術(shù)"旨在攻克絕緣軸承設(shè)計(jì)、制造以及考核試驗(yàn)等技術(shù),其研制的風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)絕緣軸承如圖6所示。目前,國(guó)外已研制出10 MW以上發(fā)電機(jī)軸承,而國(guó)內(nèi)則剛掌握5 MW發(fā)電機(jī)軸承技術(shù),大功率發(fā)電機(jī)基本采用進(jìn)口軸承。
圖5 發(fā)電機(jī)軸承的電蝕
Fig.5 Electric erosion of generator bearing
圖6 風(fēng)電發(fā)電機(jī)絕緣軸承
Fig.6 Insulated bearing for wind turbine generator
2 風(fēng)電軸承技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容
近年來(lái),風(fēng)電軸承發(fā)展迅速,在數(shù)字化設(shè)計(jì)、材料與熱處理、高性能制造、智能裝配、檢驗(yàn)測(cè)試與試驗(yàn)以及智能運(yùn)維等方面開(kāi)展了大量研究。
2.1 風(fēng)電軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)
高承載、長(zhǎng)壽命、高可靠性設(shè)計(jì)是大型風(fēng)電軸承研制的關(guān)鍵,需要根據(jù)不同工況和載荷譜進(jìn)行定制設(shè)計(jì)與校核,數(shù)字化技術(shù)在風(fēng)電軸承定制設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。2018年,科技部專門(mén)設(shè)立國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“滾動(dòng)軸承服役性能演變機(jī)理與數(shù)字化設(shè)計(jì)方法",旨在攻克風(fēng)電齒輪箱、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、新能源汽車等領(lǐng)域軸承的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。載荷譜是風(fēng)電軸承設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)前提,風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于多變風(fēng)速環(huán)境,風(fēng)載荷具有復(fù)雜的隨機(jī)特性,不同區(qū)域的載荷譜也存在著較大差異。文獻(xiàn)[5]通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)原始載荷,利用威布爾三參數(shù)方程擴(kuò)展已知數(shù)據(jù),最終得到了風(fēng)電機(jī)組主軸軸承在30種工況下的10級(jí)試驗(yàn)載荷譜。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行風(fēng)電軸承多工況試驗(yàn)載荷譜的編制,為風(fēng)電軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)加載提供了數(shù)據(jù)參考。文獻(xiàn)[7]介紹了風(fēng)電軸承疲勞載荷譜的處理,根據(jù)載荷譜計(jì)算軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷。文獻(xiàn)[8]介紹了風(fēng)電軸承在各種設(shè)計(jì)要求下的靜強(qiáng)度載荷譜和滾動(dòng)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(jì)算基礎(chǔ)。
2.1.2 偏航/變槳軸承
風(fēng)電機(jī)組偏航/變槳軸承設(shè)計(jì)方面:文獻(xiàn)[9]針對(duì)變槳軸承的漏脂問(wèn)題,從密封圈密封性能,變槳軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),潤(rùn)滑脂的選擇及填充用量等方面進(jìn)行分析,通過(guò)選擇抗老化、抗磨損性能好的密封圈材料,將密封圈雙唇結(jié)構(gòu)改為多唇結(jié)構(gòu),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(xiàn)[10]引入在線測(cè)試與仿真分析技術(shù)對(duì)變槳軸承動(dòng)態(tài)柔性特性進(jìn)行研究,解決了剛性假設(shè)不能反映變槳軸承動(dòng)態(tài)運(yùn)行特點(diǎn)的問(wèn)題;文獻(xiàn)[11]通過(guò)規(guī)劃自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)變槳軸承自動(dòng)化設(shè)計(jì)算法并建立變槳軸承知識(shí)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了變槳軸承的自動(dòng)設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[12]提出考慮軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的四點(diǎn)接觸球軸承摩擦力矩計(jì)算模型,得到空載下不同負(fù)游隙時(shí)軸承的摩擦力矩,并與經(jīng)典摩擦力矩公式、DG03計(jì)算模型、斯凱孚修正摩擦力矩公式進(jìn)行了對(duì)比分析；文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(jì)算變槳軸承的載荷分布并分析了溝道結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺栓預(yù)緊力、模擬工況條件對(duì)變槳軸承載荷和摩擦力矩的影響;文獻(xiàn)[15]對(duì)變槳軸承球與溝道的接觸剛度進(jìn)行分析,得到球接觸載荷、接觸應(yīng)力和接觸角的變化;文獻(xiàn)[16]對(duì)變槳軸承套圈的應(yīng)力和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值分析;文獻(xiàn)[17]建立了剛性套圈承受多向力和傾覆力矩的雙排四點(diǎn)接觸球變槳軸承的力學(xué)模型;;文獻(xiàn)[18]介紹了風(fēng)電轉(zhuǎn)盤(pán)軸承密封件的選用、安裝方法及其對(duì)軸承壽命的影響;文獻(xiàn)[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(yīng)力和出現(xiàn)微動(dòng)磨損的角度范圍。
2.1.3 主軸軸承
主軸軸承設(shè)計(jì)方面:文獻(xiàn)[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(fēng)電主軸軸承承載接觸機(jī)理;文獻(xiàn)[21]通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)電機(jī)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(xiàn)[22]建立軸承動(dòng)態(tài)分析模型分析了固定中擋邊、浮動(dòng)中擋邊、無(wú)中擋邊3種擋邊結(jié)構(gòu)對(duì)軸承軸向位移、PV值、滾子偏擺、摩擦功耗的影響;文獻(xiàn)[23]運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)主軸軸承的結(jié)構(gòu)及保持架的強(qiáng)度、剛性進(jìn)行了校核計(jì)算;文獻(xiàn)[24]對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組單點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)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(jìn)行優(yōu)化,解決了偏載問(wèn)題;文獻(xiàn)[25]基于梁?jiǎn)卧鬏S模型計(jì)算給定外載荷下直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承的載荷分布,進(jìn)一步提高了軸承運(yùn)行可靠性。主軸軸承使用壽命方面:文獻(xiàn)[26]建立疲勞壽命理論計(jì)算模型,分析了載荷、轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑脂污染程度對(duì)主軸軸承疲勞壽命的影響;文獻(xiàn)[27]建立針對(duì)表面硬化滾道三排圓柱滾子軸承的疲勞壽命分析方法,運(yùn)用Basquin應(yīng)力-壽命理論計(jì)算得到主軸軸承的疲勞壽命;文獻(xiàn)[28-29]針對(duì)海上風(fēng)電軸承存在波動(dòng)載荷的問(wèn)題,在額定壽命理論基礎(chǔ)上研究考慮載荷波動(dòng)影響的疲勞壽命計(jì)算方法,并分析了振動(dòng)載荷對(duì)圓錐滾子軸承疲勞壽命的影響。齒輪箱軸承設(shè)計(jì)方面:文獻(xiàn)[30]對(duì)圓錐滾子軸承滾子球基面和內(nèi)圈擋邊接觸形式進(jìn)行了優(yōu)化減摩設(shè)計(jì),改善了滾子球基面和內(nèi)圈擋邊運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的潤(rùn)滑條件,減少了摩擦生熱;文獻(xiàn)[31]利用有限元方法建立風(fēng)電齒輪箱軸承試驗(yàn)機(jī)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(guò)盈量對(duì)內(nèi)圈與主軸過(guò)盈配合的影響;文獻(xiàn)[32]分析了齒輪箱齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在外部風(fēng)載和內(nèi)部激勵(lì)共同作用下的動(dòng)態(tài)特性;文獻(xiàn)[33]建立了齒輪箱軸承的動(dòng)力學(xué)模型,基于彈性流體動(dòng)力潤(rùn)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(rùn)滑的滾動(dòng)軸承磨損數(shù)值仿真模型,獲得了軸承磨損量;文獻(xiàn)[34]建立了齒輪箱高速軸軸承的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型,研究了變風(fēng)速、變載荷工況下的軸承熱特性;文獻(xiàn)[35]建立了齒輪箱動(dòng)態(tài)剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?分析了保持架和滾動(dòng)體強(qiáng)度;文獻(xiàn)[36]分析了齒輪箱軸承滾道圓度和滾子直徑誤差對(duì)圓柱滾子軸承徑向游隙和跳動(dòng)的影響。
2.1.5 小結(jié)
目前,大型風(fēng)電軸承的數(shù)字化設(shè)計(jì)理論與技術(shù)以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與國(guó)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(shè)計(jì),主軸軸承的長(zhǎng)壽命、高承載設(shè)計(jì)主要依賴于經(jīng)驗(yàn)類比;對(duì)齒輪箱軸承和發(fā)電機(jī)軸承的動(dòng)力學(xué)分析能力較弱;缺乏對(duì)陸上和海上風(fēng)機(jī)載荷譜的數(shù)字化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法。
2.2 風(fēng)電軸承材料技術(shù)
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(shù)。2021年起,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高精度長(zhǎng)壽命軸承、模具用鋼基體強(qiáng)韌化熱處理控制技術(shù)應(yīng)用"圍繞基體強(qiáng)韌化、超細(xì)化熱處理開(kāi)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(guó)內(nèi)航空軸承的制造主要以GCr15鋼為主;隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升,對(duì)軸承強(qiáng)度和耐高溫能力的要求更高,8Cr4Mo4V鋼應(yīng)運(yùn)而生,使用溫度可達(dá)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(dāng)?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(shù)的改進(jìn)和使用溫度的進(jìn)一步提高,軸承結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,甚至要求軸承與齒輪一體化,制造材料需要同時(shí)滿足軸承套圈和齒輪的使用要求,相應(yīng)地誕生了BG801鋼[39]。隨著風(fēng)電機(jī)組功率的不斷增大,對(duì)配套軸承的需求也不斷增加,隨之對(duì)風(fēng)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(duì)風(fēng)電軸承用鋼開(kāi)展專門(mén)研究,如文獻(xiàn)[40]開(kāi)發(fā)了齒輪箱軸承用鋼100CrMnSi6-4并探究材料對(duì)風(fēng)電軸承的影響,指出夾雜物[41-43]將導(dǎo)致軸承失效。
2.3 風(fēng)電軸承熱處理工藝
熱處理是材料加工過(guò)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(lái)針對(duì)風(fēng)電軸承熱處理工藝的研究使國(guó)產(chǎn)風(fēng)電軸承的質(zhì)量有了很大提升。
文獻(xiàn)[44]對(duì)3種規(guī)格風(fēng)電軸承鋼球進(jìn)行附加回火工藝試驗(yàn),通過(guò)增加附加回火工序減小了鋼球的磨削應(yīng)力,提高了風(fēng)電軸承鋼球的壓碎載荷值。文獻(xiàn)[45]采用大型可控氣氛井式滲碳爐及液體滴注式滲碳?xì)夥諏?duì)風(fēng)電用G20Cr2Ni4A鋼軸承套圈進(jìn)行不同滲碳工藝的處理并優(yōu)化了滲碳工藝。文獻(xiàn)[46]利用DEFORM3D模擬軟件對(duì)5 MW風(fēng)電偏航軸承套圈油冷速率進(jìn)行模擬,并對(duì)42CrMnMoB,40CrNiMo和42CrMo鋼進(jìn)行了模擬熱處理。文獻(xiàn)[47]選用不同工藝參數(shù)進(jìn)行風(fēng)電偏航軸承溝道淬火工藝試驗(yàn)并確定了最佳工藝參數(shù)。文獻(xiàn)[48]通過(guò)優(yōu)化特大軸承套圈無(wú)軟帶感應(yīng)淬火工藝參數(shù),提高了軸承的可靠性。文獻(xiàn)[49-50]設(shè)計(jì)了3 MW風(fēng)電主軸軸承的淬火油槽,保證了套圈在二次淬火冷卻過(guò)程中的硬度。文獻(xiàn)[51]對(duì)風(fēng)電軸承套圈進(jìn)行了大量的調(diào)質(zhì)工藝試驗(yàn),研究了淬、回火溫度對(duì)低溫沖擊功和常溫力學(xué)性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[52]利用有限元分析軟件DEFORM-3D對(duì)大功率風(fēng)電機(jī)組偏航/變槳軸承套圈的冷卻過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到其冷卻過(guò)程中材料不同部位的時(shí)間、溫度和即時(shí)冷卻速度,并通過(guò)模擬得到了不同冷卻介質(zhì)下的冷卻曲線。文獻(xiàn)[53]對(duì)風(fēng)電軸承用42CrMo鋼進(jìn)行循環(huán)淬火,與常規(guī)熱處理相比,42CrMo鋼經(jīng)過(guò)循環(huán)淬火工藝處理后沖擊韌性得到有效提升。
2.4 風(fēng)電軸承表面改性處理技術(shù)
表面改性處理技術(shù)是綜合應(yīng)用材料學(xué)、摩擦學(xué)、高分子化學(xué)、高能物理學(xué)等學(xué)科的表面性能提升手段。實(shí)踐證明,表面改性處理技術(shù)可有效延長(zhǎng)軸承壽命,降低軸承摩擦力矩,提高軸承可靠性。
針對(duì)碳氮共滲技術(shù),文獻(xiàn)[54]分別從表面滲碳和心部材料2個(gè)方面揭示了調(diào)控?zé)崽幚砉に噷?duì)高溫不銹滲碳軸承鋼微觀組織和強(qiáng)韌性的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[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(xiàn)[56]研究了熱處理工藝對(duì)滲碳軸承鋼組織、力學(xué)性能的影響規(guī)律,研究表明通過(guò)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(qiáng)度與硬度增加,沖擊韌性值降低。
文獻(xiàn)[57]分析了強(qiáng)氮化、弱氮化金屬元素體系及含非金屬元素體系在結(jié)構(gòu)上的特性和共性給高熵氮化物涂層性能帶來(lái)的影響。文獻(xiàn)[58]采用等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積新技術(shù)在GCr15軸承鋼基體表面合成了TiN及其系列復(fù)合薄膜。
研究表明,表面改性處理技術(shù)能夠提高風(fēng)電軸承滾道表面的耐磨性、耐腐蝕性[59]。文獻(xiàn)[60]采用激光熔覆技術(shù)在大型風(fēng)電軸承滾道模擬件表面制備了厚度大于3 mm的高硬度無(wú)裂紋馬氏體不銹鋼涂層,與傳統(tǒng)感應(yīng)淬火42CrMo鋼軸承滾道的對(duì)比結(jié)果表明,其顯微硬度、耐磨性、耐腐蝕性均得到了提高。文獻(xiàn)[61]針對(duì)大型風(fēng)電主軸軸承激光表面淬火后試驗(yàn)驗(yàn)證困難等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了縮比軸承加速壽命試驗(yàn)并通過(guò)與傳統(tǒng)表面淬火的對(duì)比驗(yàn)證了激光表面淬火工藝的可行性。文獻(xiàn)[62]利用CO2激光器進(jìn)行GCr15鋼軸承滾道表面激光強(qiáng)化處理試驗(yàn),結(jié)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(xì)小的馬氏體組織。文獻(xiàn)[63]采用激光熔覆技術(shù)在35CrMo合金鋼表面制備馬氏體不銹鋼涂層,硬度約500 HV。文獻(xiàn)[64]通過(guò)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(dá)556.7 HV。馬氏體不銹鋼的硬度為500～600 HV,因此可根據(jù)風(fēng)電軸承的使用要求對(duì)其成分進(jìn)行調(diào)整,從而獲得高硬度無(wú)裂紋的馬氏體不銹鋼涂層[65]。
此外,針對(duì)特殊工況用風(fēng)電軸承,特別是海上風(fēng)電軸承,需要研究并應(yīng)用更先進(jìn)的表面改性處理技術(shù),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(fēng)電軸承抗疲勞制造技術(shù)
疲勞是風(fēng)電軸承典型的失效形式,采用抗疲勞制造技術(shù)可以改善軸承應(yīng)力分布,降低應(yīng)力集中。文獻(xiàn)[66]闡述了風(fēng)電軸承抗疲勞制造技術(shù)研究和應(yīng)用的緊迫性,介紹了風(fēng)電機(jī)組的偏航/變槳軸承、主軸軸承、齒輪箱軸承及發(fā)電機(jī)軸承的抗疲勞制造技術(shù)。然而,目前仍存在大型風(fēng)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(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。為大幅提高風(fēng)電軸承的疲勞壽命,亟需在軸承抗疲勞制造方面開(kāi)展大量、深入的研究。文獻(xiàn)[67]研究了接觸應(yīng)力、初始?xì)堄鄳?yīng)力和接觸周期對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞特性的影響,發(fā)現(xiàn)表層有一定初始?xì)堄鄩簯?yīng)力的材料經(jīng)滾動(dòng)接觸疲勞加載后更加穩(wěn)定。文獻(xiàn)[68]分析了初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響,認(rèn)為在軸承表面預(yù)置殘余壓應(yīng)力能夠顯著延遲滾動(dòng)接觸疲勞引起的軸承失效。文獻(xiàn)[69]采用電脈沖輔助超聲滾壓對(duì)Ti6Al4V合金表面進(jìn)行強(qiáng)化,試樣的硬度和耐磨性得到顯著提高。文獻(xiàn)[70]研究了超聲輔助深冷滾壓技術(shù)對(duì)Cr12MoV鋼材料晶相組織及表層性能的影響。文獻(xiàn)[71]研究了超聲滾擠壓風(fēng)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(xiàn)[72]測(cè)定了超聲加工載荷和穿透深度,分析了超聲滾壓加工過(guò)程中表面微觀結(jié)構(gòu)的演變。文獻(xiàn)[73]進(jìn)行風(fēng)電軸承套圈的超聲滾壓強(qiáng)化試驗(yàn),分析了不同工藝參數(shù)強(qiáng)化后套圈表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[74]建立風(fēng)電軸承材料(42CrMo工件)超聲滾擠壓過(guò)程數(shù)值模擬模型,分析了工藝參數(shù)對(duì)風(fēng)電軸承表面粗糙度的影響。文獻(xiàn)[75]以靜壓力、進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速和振幅為加工參數(shù),基于正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了風(fēng)電軸承套圈超聲滾擠壓表層物理力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型并驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[76]對(duì)比了2種不同冷滾壓工藝處理后軸承套圈的殘余應(yīng)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(biāo)之一,在軸承精密制造方面,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件"重點(diǎn)專項(xiàng)“滾動(dòng)軸承超精密制造與檢測(cè)技術(shù)"攻克了大型滾子軸承的超精密制造和檢測(cè)技術(shù)。文獻(xiàn)[77]指出滾子的波紋度異常會(huì)引起振動(dòng)超標(biāo)。文獻(xiàn)[78]通過(guò)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(shí)現(xiàn)了齒輪箱軸承套圈滾道波紋度的控制。文獻(xiàn)[79]闡述了風(fēng)電轉(zhuǎn)盤(pán)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(xiàn)[80]針對(duì)變槳軸承雙溝一次磨削加工的問(wèn)題,提出了工藝改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[81]闡述了轉(zhuǎn)盤(pán)軸承溝道淬火軟帶機(jī)械自動(dòng)打磨工藝。文獻(xiàn)[82]將超聲振動(dòng)與切削工藝相結(jié)合,以低合金鋼為材料進(jìn)行超聲切削對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明加入超聲振動(dòng)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(xiàn)[83]利用超聲納米晶表面技術(shù)(UNSM)改善了CP-Ti和Ti-6Al-4V合金的微動(dòng)磨損和摩擦特性。
2.6 風(fēng)電軸承裝配性能優(yōu)化技術(shù)
裝配工藝對(duì)風(fēng)電軸承的承載能力、服役壽命和可靠性有重大影響。目前,國(guó)外著名軸承企業(yè)以及國(guó)內(nèi)汽車、家電等小型化軸承的自動(dòng)化裝配技術(shù)已相對(duì)成熟,從上料、裝卡、加工、檢驗(yàn)到清洗、裝配、涂油、包裝以及在線測(cè)量、故障診斷等一系列過(guò)程由高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)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(wèn)題,大型軸承的裝配、調(diào)試仍以手工作業(yè)為主,自動(dòng)化裝配技術(shù)發(fā)展緩慢,存在測(cè)點(diǎn)少、工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)高、追溯不便等問(wèn)題。在游隙控制方面,文獻(xiàn)[84]指出了1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)BT軸承安裝工藝存在的質(zhì)量隱患。文獻(xiàn)[85]闡述了如何通過(guò)合理裝配有效控制風(fēng)電機(jī)組主軸及軸承座裝置的裝配質(zhì)量。文獻(xiàn)[86]通過(guò)在軸承座組件上加裝控制工裝并進(jìn)行安裝游隙校檢,提出了風(fēng)機(jī)主軸單列圓錐滾子軸承安裝游隙控制工藝。文獻(xiàn)[87]簡(jiǎn)述了主軸軸承的裝配工藝并詳細(xì)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(xiàn)[88]結(jié)合風(fēng)電機(jī)組裝配零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生產(chǎn)工序分析了不同的軸承加熱方式,指出加熱時(shí)需要控制內(nèi)、外圈溫差。在風(fēng)電軸承裝配工藝方面,文獻(xiàn)[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(duì)螺栓受力的影響。文獻(xiàn)[90]建立了2.5 MW風(fēng)電機(jī)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(yù)緊力、螺栓連接面摩擦因數(shù)和墊片高度對(duì)變槳軸承套圈及其連接螺栓應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)[91]進(jìn)行了2 MW風(fēng)電機(jī)組偏航軸承連接螺栓的疲勞、滑移強(qiáng)度計(jì)算。文獻(xiàn)[92]采用非線性彈簧替代球與溝道的接觸,梁?jiǎn)卧娲嗇灱叭~片與變槳軸承之間的安裝螺栓,建立有限元模型計(jì)算軸承的載荷分布,并分析了螺栓預(yù)緊力及螺栓個(gè)數(shù)對(duì)變槳軸承套圈結(jié)構(gòu)變形的影響。
2.7 風(fēng)電軸承檢測(cè)與試驗(yàn)技術(shù)
風(fēng)電軸承的檢測(cè)包括對(duì)兩溝道中心距、輪廓度和齒形的測(cè)量以及對(duì)熱處理、游隙和啟動(dòng)摩擦力矩的檢測(cè)等。文獻(xiàn)[93]采用模具、石膏對(duì)齒圈進(jìn)行局部脫模,利用投影儀分析得出齒圈齒形的有關(guān)參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)特大型轉(zhuǎn)盤(pán)軸承齒圈齒形的精度檢測(cè)。文獻(xiàn)[94]通過(guò)自設(shè)計(jì)工裝檢測(cè)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(zhǎng)度。文獻(xiàn)[95]設(shè)計(jì)了風(fēng)電軸承安裝孔精度檢測(cè)裝置,實(shí)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(cè)。文獻(xiàn)[96]開(kāi)發(fā)了熱處理生產(chǎn)線軸承套圈檢測(cè)裝置,可通過(guò)激光測(cè)距儀精確測(cè)量軸承套圈厚度,有利于提高套圈尺寸精度。能夠進(jìn)行復(fù)雜工況與環(huán)境模擬的試驗(yàn)裝備對(duì)大型風(fēng)電軸承的試驗(yàn)方法研究和性能驗(yàn)證至關(guān)重要。文獻(xiàn)[97]設(shè)計(jì)了專用的風(fēng)電軸承功能測(cè)試系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電軸承出廠游隙、摩擦力矩、空載溫升的測(cè)試。文獻(xiàn)[98]發(fā)明了軸承熱處理在線檢測(cè)裝置,能夠減小游隙檢測(cè)誤差并提高檢測(cè)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[99]在地面實(shí)驗(yàn)室模擬變槳軸承實(shí)際運(yùn)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(yàn)方法檢測(cè)變槳軸承的摩擦力矩。文獻(xiàn)[100]分析了6種不同齒輪油配方對(duì)推力球軸承摩擦扭矩的影響。文獻(xiàn)[101]通過(guò)型式試驗(yàn)驗(yàn)證變槳軸承的運(yùn)行可靠性。文獻(xiàn)[102]介紹了加速壽命試驗(yàn)的基本理論并提出轉(zhuǎn)盤(pán)軸承加速壽命試驗(yàn)方法。文獻(xiàn)[103]基于先進(jìn)的建模技術(shù),與13.2 MW風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量相結(jié)合,分析了動(dòng)態(tài)載荷引起的結(jié)構(gòu)部件變形。文獻(xiàn)[104]通過(guò)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)分析了5 MW風(fēng)電機(jī)組主軸軸承溫度、位移、載荷和力矩的變化趨勢(shì)。文獻(xiàn)[105]基于研制的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)電機(jī)組主軸軸承振動(dòng)、溫升、轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)靈活性等參數(shù)的檢測(cè)。
2.8 風(fēng)電軸承智能運(yùn)維技術(shù)
智能運(yùn)維是裝備軸承的重要研究?jī)?nèi)容[106],2020年,面向智能軸承的基礎(chǔ)前沿技術(shù)研究,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“多維融合感知智能軸承基礎(chǔ)原理與方法"旨在掌握關(guān)鍵基礎(chǔ)件、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論、先進(jìn)傳感器和智能系統(tǒng)的核心技術(shù)。長(zhǎng)壽命、高可靠性要求風(fēng)電安裝運(yùn)維系統(tǒng)(圖7),目前普遍應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)系統(tǒng)對(duì)軸承等關(guān)鍵部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
圖7 風(fēng)電智能運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Tab.7 Structure diagram of intelligent operation and maintenance system for wind turbine監(jiān)測(cè)技術(shù)方面:文獻(xiàn)[107]基于聲發(fā)射方法檢測(cè)風(fēng)電軸承的次表面損傷;文獻(xiàn)[108]基于塔架振動(dòng)測(cè)試診斷傳動(dòng)系統(tǒng)軸承的損傷;文獻(xiàn)[109]對(duì)齒輪箱高速軸軸承超溫報(bào)警故障進(jìn)行分析,認(rèn)為潤(rùn)滑油流量不能滿足要求是故障產(chǎn)生原因;文獻(xiàn)[110-111]對(duì)風(fēng)電軸承潤(rùn)滑脂進(jìn)行分析并監(jiān)測(cè)了某風(fēng)場(chǎng)主軸軸承、變槳/偏航軸承的磨損情況。診斷算法方面:文獻(xiàn)[112]提出以多點(diǎn)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行風(fēng)電軸承特征頻率提取的噪聲抑制方法;文獻(xiàn)[113]提出了基于多尺度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變工況風(fēng)電軸承故障診斷方法;文獻(xiàn)[114]提出增強(qiáng)型形態(tài)學(xué)濾波風(fēng)電軸承故障診斷方法;文獻(xiàn)[115]提出基于信號(hào)處理和自適應(yīng)貝葉斯算法的風(fēng)電軸承故障綜合預(yù)測(cè)方法;文獻(xiàn)[116]基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與主成分分析設(shè)計(jì)了大尺寸、低轉(zhuǎn)速風(fēng)電軸承多變量多尺度監(jiān)測(cè)方法,能夠?qū)S承極小缺陷進(jìn)行檢測(cè);文獻(xiàn)[117]提出了一種基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)電機(jī)組變槳軸承磨損預(yù)警的建模方法;文獻(xiàn)[118]提出了基于BPNN-NCT的風(fēng)電機(jī)組主軸軸承異常辨識(shí)方法;文獻(xiàn)[119]提出了基于判別字典學(xué)習(xí)的稀疏表示分類的風(fēng)電齒輪箱軸承故障診斷;文獻(xiàn)[120]提出基于深度信念網(wǎng)絡(luò)(DBN)的風(fēng)電機(jī)組主軸軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法,提高了主軸軸承異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)的精度;文獻(xiàn)[121]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘開(kāi)發(fā)了軸承故障預(yù)測(cè)模型,應(yīng)用于風(fēng)電軸承故障識(shí)別并得到了超過(guò)97%的準(zhǔn)確率;文獻(xiàn)[122]提出了基于孤立森林算法的風(fēng)電齒輪箱軸承故障檢測(cè)方法;文獻(xiàn)[123]提出了基于協(xié)整和向量誤差修正模型的發(fā)電機(jī)軸承異常識(shí)別方法;文獻(xiàn)[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(jī)軸承故障預(yù)警方法;文獻(xiàn)[125]通過(guò)組合建模方法對(duì)發(fā)電機(jī)軸承健康度進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè);文獻(xiàn)[126]在考慮溫度特性的基礎(chǔ)上提出軸承性能退化和剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法;文獻(xiàn)[127]提出了電流輔助振動(dòng)順序跟蹤方法,從測(cè)量的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電流信號(hào)中獲取參考信號(hào),實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸承的故障診斷;文獻(xiàn)[128]開(kāi)發(fā)了一個(gè)能夠檢測(cè)軸承由于過(guò)度磨損而導(dǎo)致早期失效的預(yù)警方法框架,并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)的10分鐘SCADA數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法對(duì)發(fā)電機(jī)軸承故障預(yù)警的有效性;文獻(xiàn)[129]通過(guò)機(jī)理分析選取變量,清洗數(shù)據(jù)和標(biāo)定樣本狀態(tài),并通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承的狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè);文獻(xiàn)[130]將固有時(shí)間尺度分解與多尺度熵相結(jié)合,對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并提取重構(gòu)信號(hào)時(shí)域特征,結(jié)合極限學(xué)習(xí)機(jī)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電軸承健康狀態(tài)的識(shí)別。監(jiān)測(cè)系統(tǒng):文獻(xiàn)[131]基于SCADA數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法,包括數(shù)據(jù)預(yù)處理方法和基于SCADA的狀態(tài)監(jiān)控策略;文獻(xiàn)[132]提出基于數(shù)字孿生的風(fēng)電軸承故障診斷方法并構(gòu)建了風(fēng)電機(jī)組數(shù)字孿生系統(tǒng);文獻(xiàn)[133]針對(duì)風(fēng)電設(shè)備分布廣泛,監(jiān)控設(shè)備組織復(fù)雜及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息量大等特點(diǎn),基于分布式風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)通用架構(gòu)構(gòu)建了風(fēng)場(chǎng)級(jí)風(fēng)電軸承遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)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(duì)風(fēng)電軸承早期故障診斷及健康狀態(tài)評(píng)價(jià)提出了挑戰(zhàn),因此需要進(jìn)一步開(kāi)展風(fēng)電軸承多傳感檢測(cè),多元信息采集與大數(shù)據(jù)分析,狀態(tài)評(píng)價(jià)及故障診斷與預(yù)測(cè),健康管理與智能維護(hù)策略等研究?jī)?nèi)容,嘗試突破風(fēng)電軸承基于數(shù)字孿生與深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能運(yùn)維(PHM)共性技術(shù),形成風(fēng)電軸承智能運(yùn)維策略,最大限度地延長(zhǎng)風(fēng)電軸承使用壽命,降低運(yùn)維成本。
3 風(fēng)電軸承技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
3.1 風(fēng)電軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)
研究風(fēng)電軸承載荷譜制定、高承載與長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)、失效機(jī)理與高可靠性設(shè)計(jì)等理論與方法,形成基于支承/轉(zhuǎn)子的風(fēng)電軸承系統(tǒng)化匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,掌握非穩(wěn)態(tài)工況下主軸軸承、齒輪箱軸承的成膜機(jī)理與減摩設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)軸承性能與壽命數(shù)字化仿真與評(píng)價(jià)技術(shù),構(gòu)建風(fēng)電軸承的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)體系。
3.2 風(fēng)電軸承先進(jìn)材料技術(shù)
研究均質(zhì)化無(wú)缺陷冶煉模鑄技術(shù),實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)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(jià)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(fēng)電軸承的長(zhǎng)壽命和高可靠性要求。
3.3 風(fēng)電軸承先進(jìn)熱處理技術(shù)
研究大型風(fēng)電軸承梯度熱處理共性技術(shù)、無(wú)縫感應(yīng)淬火技術(shù)、碳氮共滲技術(shù)和貝氏體淬火技術(shù)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(fēng)電軸承的長(zhǎng)壽命和高可靠性要求。
3.4 風(fēng)電軸承表面改性處理技術(shù)
研究新型涂層材料和先進(jìn)改性處理工藝?yán)碚摷胺椒ǖ汝P(guān)鍵技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電軸承的表面處理技術(shù)創(chuàng)新,滿足陸上6 MW和海上8 MW風(fēng)電軸承在嚴(yán)酷工況下的長(zhǎng)壽命和高可靠性要求。
3.5 風(fēng)電軸承抗疲勞制造技術(shù)
研究各加工方法中“無(wú)應(yīng)力集中"抗疲勞制造關(guān)鍵技術(shù),推動(dòng)風(fēng)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(shí)現(xiàn)風(fēng)電軸承抗疲勞制造技術(shù)的應(yīng)用,提高軸承疲勞壽命。
3.6 風(fēng)電軸承先進(jìn)裝配性能優(yōu)化技術(shù)
研究軸承本體裝配的游隙與預(yù)緊力控制、與轉(zhuǎn)子和周邊結(jié)構(gòu)的過(guò)盈與變形控制、螺栓緊固與結(jié)合面性能控制等關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)發(fā)風(fēng)電軸承裝配參數(shù)與裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,研制裝配參數(shù)智能化測(cè)量與智能裝配工藝裝備,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電軸承的智能化優(yōu)選裝配工藝技術(shù)。
3.7 風(fēng)電軸承檢測(cè)與試驗(yàn)技術(shù)
研究軸承材料、游隙、摩擦力矩、套圈輪廓等關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)技術(shù),構(gòu)建多檢測(cè)指標(biāo)融合的檢測(cè)平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的挖掘與應(yīng)用,保障風(fēng)電軸承的高質(zhì)量和高性能要求;突破風(fēng)電軸承強(qiáng)化機(jī)理/相似理論以及試驗(yàn)、壽命評(píng)價(jià)等方法,形成軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),為長(zhǎng)壽命、大型化風(fēng)電軸承的壽命考核、性能評(píng)價(jià)提供裝備與方法。
3.8 風(fēng)電軸承智能運(yùn)維技術(shù)
研究風(fēng)電軸承基于數(shù)字孿生與深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能運(yùn)維(PHM)共性技術(shù),形成風(fēng)電軸承智能運(yùn)維策略,最大限度地延長(zhǎng)軸承使用壽命,降低運(yùn)維成本。
4 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái),我國(guó)風(fēng)電裝備行業(yè)發(fā)展迅速,帶來(lái)風(fēng)電軸承的跨越發(fā)展,但也導(dǎo)致技術(shù)產(chǎn)品迭代周期短,缺乏足夠的驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)。本文分析了風(fēng)電軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),評(píng)述了風(fēng)電軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)、材料與熱處理、高性能制造、智能裝配、檢驗(yàn)測(cè)試與試驗(yàn)、以及智能運(yùn)維和智能軸承等有代表性的研究成果。同時(shí),提出了大功率風(fēng)電軸承技術(shù)的幾個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),以期能夠?yàn)榇蠊β曙L(fēng)電軸承產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。
