NSK风力涡轮机轴承的当前趋势和开发项目

对使用寿命和可靠性的更高期望伴随着成本的压力，这是风能行业轴承目前出现的情况，通过示例，本文解释了世界领先的供应商NSK如何在这种情况下开发新一代轴承。

乍一看，风能行业的商业消息似乎自相矛盾，去年，世界各地安装了总发电量为40 GW的涡轮机，预计未来该行业将保持增长，然而事实上，随着海上技术的出现，一个全新的市场正在诞生，与此同时，领先的风力涡轮机制造商和专门从事风力发电的供应商正在面临成本削减压力，同时，专家们还希望看到供应商之间的进一步整合。

一、影响该行业的巨大成本压力

对这种明显矛盾的解释是，尽管该行业正在增长（预计会有更强劲的增长），这意味着风力发电现在有大量的过剩产能，其结果是对价格造成了相当大的压力，这也影响到了供应商。作为世界领先的风力涡轮机轴承制造商之一，NSK的研发团队必须继续努力，以满足行业对轴承在高动态应力的恶劣运行条件下使用寿命的极高期望，然而，与此同时，研发团队必须在早期阶段考虑与任何新开发或改进相关的成本，并进行明确的成本效益分析。

二、创新的最大潜力在哪里？

当然，风力发电公司也欢迎在不损害轴承可靠性的情况下降低成本的创新，这一点尤为重要，因为专家们一致认为，未来涡轮机制造商之间的全球竞争将变得更加激烈。

考虑到所有这些，供应商必须密切关注哪些领域具有开发新一代轴承的最大市场潜力，NSK已将输出功率为2至4 MW的多兆瓦涡轮机确定为此类区域之一，该公司在这一领域的地位已经很好，最近几个月，领先的制造商推出了配备NSK轴承的新涡轮机。

三、额定载荷较高的圆柱滚子轴承

NSK已经为3 MW级涡轮机的行星轮优化了圆柱滚子轴承，同时在该领域开展了两个开发项目，第一个项目旨在改进内部设计，在不改变轴承直径或滚子数量的情况下，团队优化了微观几何结构的设计和生产工程，同时保持了宏观几何结构不变，从而使动态额定载荷提高了15%，这导致计算使用寿命延长70%，除了适用于行星轮之外，这些轴承也是风力涡轮机齿轮箱侧其他应用的理想选择。

第二个项目致力于从根本上重新设计轴承的内部设计，滚子的数量增加了，这意味着保持架的横截面减小了，然而，它仍然承受相同的载荷，项目团队通过优化保持架的几何结构而不降低其刚性来实现这一点，进行了有限元分析和大量试验台试验，以支持优化工作，除了更高的动态额定载荷外，这些轴承还具有更高的静态额定载荷。

客户很快就能在上述两个选项中进行选择，然而，应注意的是，NSK始终修改其轴承，以适应特定的应用场景或涡轮机类型。

四、圆锥滚子轴承的新型保持架设计

NSK的圆锥滚子轴承通常用于风力涡轮机齿轮箱输入级的行星齿轮架和转子轴，它们也可以在所谓的集成转子轴承中找到，该轴承将齿轮装置和轮毂推到一起。

过去，NSK为这些轴承使用由压制的厚金属板制成的保持架，然而，不断增长的轴承直径迫使该公司寻找替代解决方案，因此开发了直径为1000mm或更大的焊接保持架，保持架符合最高技术规范，但生产非常复杂，需要先进的焊接技术，出于这个原因，NSK目前正在测试一种塑料节段保持架，这种保持架生产成本较低，也可以制造出高水平的重复性。

五、改进的滚道表面设计

轴承的滚道承受很大的应力，尤其是在快速移动的轴上，例如，如果打开涡轮机以全速空转，可能会发生滑动，从而损坏轴承表面，这种滑移损坏是业内已知的问题，但尽管进行了深入研究，其原因尚未查明，尽管NSK生产了大量轴承，但该公司的部件遭受此问题的情况相对罕见，NSK将此归因于其特殊的表面处理和保持架位置，尽管如此，该公司的研发部门仍在继续致力于进一步优化表面设计。

六、带有陶瓷球的发电机轴承

发电机轴承必须满足一系列具有挑战性的应用相关要求，并且不导电，其目的是防止电力通过动力传动系，并将相关损害降至最低，例如当电流峰值或循环电流（电腐蚀）发生时，NSK提供带有陶瓷涂层外圈的电绝缘轴承，以满足这些要求。

之前使用的轴承具有永久陶瓷涂层，该涂层通过等离子喷涂应用于钢表面，作为替代方案，该公司还提供外径达340 mm的轴承，作为带有陶瓷球的混合轴承，它们具有卓越的性能特点，如耐热性、更长的使用寿命、轻质设计和有限的热膨胀，经过优化的设计使这些轴承使用寿命长，非常可靠，NSK的滚珠生产工艺得益于该公司为机床制造高性能混合轴承的经验。

七、材料工程的进展

耐久性试验表明，轴承用碳铬合金钢的滚动疲劳寿命受到非金属夹杂物的显著影响，为此，NSK与一家钢铁生产商Z钢合作开发了一种新材料，该材料含有的非金属夹杂物（如硫和氧化物）要少得多，运行条件下的试验表明，由Z钢制成的轴承的使用寿命比由常规真空脱气钢制成的寿命长1.8倍。

八、使用寿命延长十倍

许多风力涡轮机轴承，如圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承和角接触球轴承都使用NSK（Super TF）开发的超韧钢材料，由于采用了不同的钢合金和热处理，以优化材料的马氏体和残余奥氏体含量，Super-TF轴承的使用寿命比传统轴承钢制成的部件长十倍。

九、损伤原因研究

当行业试图澄清特定类型的损害发生的原因时，深入的材料开发工作也会得到回报，这种损坏通常只影响NSK轴承，白色结构剥落是一个此类问题，其原因尚未完全确定，损伤分布本身是众所周知的，因为大约20年前在汽车行业的发电机轴承中观察到了类似的损伤，在风力发电的背景下，电流通过也可能是原因，但迄今为止，研究人员无法证明这一点。一场关于这一主题的专家会议产生了大量的见解，但并没有对原因做出清晰的描述，NSK正致力于再现损伤机理，以便更好地了解高性能轴承的工作过程。

十、故障模拟试验台

NSK有许多最先进的试验台用于此类研究，能够模拟作用在风力涡轮机轴承上的动态载荷，测试台用于计算新一代轴承的参数，模拟故障并生成损伤曲线，目前，开发人员正在模拟启动和制动条件下测试2 MW涡轮机齿轮箱快速侧的圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承。这些测试的目的是开发更详细的设计和改进的材料，开发工作也在进行，以降低成本，鉴于风能行业的高成本压力，每当NSK以更低的价格成功提供相同的轴承时，客户都会非常满意。