圖5 非對稱設(shè)計調(diào)心滾子軸承

因其具有更大的材料疲勞強(qiáng)度，故在原有黃銅保持架設(shè)計基礎(chǔ)上增加軸承一定數(shù)量的滾動體將成為可能，其在一定程度上可以增加軸承的承載能力和使用壽命。同時，由于以往黃銅保持架設(shè)計在風(fēng)電中較多使用240/241系列軸承，由于其寬度較寬，其保持架往往因需要順利經(jīng)過軸承外圈最小直徑處后，安裝到軸承內(nèi)部，保持架外徑不能過大，否則無法順利安裝；同時無法過小，否則保持架強(qiáng)度較低，容易過早失效。球墨鑄鐵保持架在一定程度上可以降低外徑減少后的強(qiáng)度問題產(chǎn)生的風(fēng)險。

機(jī)加工鋼保持架，其特點(diǎn)在于加工精度高，潤滑空間大，軸承裝配需要輔助加熱裝置熱裝，其整體成本較高。

穿銷保持架，其最大特點(diǎn)在于能充分利用周向空間填充更多的滾動體，最大化承載，其潤滑空間有限，尤其是銷釘與滾動體內(nèi)徑面的常常潤滑不良，易造成異常磨損。其次其加工過程復(fù)雜，加之滾動體需要通過氮碳共滲工藝處理，其整體成本同樣很高。

分段保持架，其擁有易裝配，生產(chǎn)難度低，效率高等特點(diǎn)，但目前由于各個分段之間通常不設(shè)置連接裝置，往往僅能用于雙列圓錐滾子軸承上使用。

2）熱處理工藝選擇

利用無縫感應(yīng)淬火可以有效預(yù)防大尺寸軸承白色裂紋產(chǎn)生，其擁有工件變形小，尺寸穩(wěn)定性能高，高生產(chǎn)效率等。表面淬火后的套圈其擁有較高的表面硬度和較高的芯部沖擊韌性。目前最大的困難在于針對不同尺寸感應(yīng)淬火頭的參數(shù)無法準(zhǔn)確預(yù)測，需要不斷測試才能確定，開發(fā)周期長。

2.2 海上風(fēng)電軸承材料

材料是直接影響軸承最終性能好壞的重要因素，由于海上風(fēng)電的特殊可靠性需求，使用的軸承材料品質(zhì)要求很高。已知影響軸承鋼材質(zhì)量的主要因素有鋼材的含氧量、碳化物、偏析和夾雜物。

其中鋼材中的夾雜物和含氧量密切相關(guān)，夾雜物隨著含氧量的提高而增多，夾雜物的含量基本上決定了軸承鋼的接觸疲勞壽命。目前國際上以日本的SANYO以及瑞典的OVAKO為代表的鋼材廠商對傳統(tǒng)鋼材含氧量控制已經(jīng)達(dá)到5×10^-6以下^【4】，在此基礎(chǔ)上兩家經(jīng)過超高純冶煉工藝的改進(jìn)，分別研發(fā)出超高純軸承鋼（EP鋼）和各向同性軸承鋼(IQ鋼)，對鋼材的含氧量控制甚至達(dá)到(2-3)×10^-6以下。另外國外針對軸承的長壽命、高精密、耐高溫及其他特殊性能的要求，也相繼開發(fā)了特殊熱處理軸承鋼（SHX鋼)、低密度軸承材料（60NiTi)、耐高溫軸承鋼CSS—42L及高耐蝕軸承鋼Cronidur 30等新型軸承材料。

國內(nèi)鋼材廠未來需要縮短與國外差距，需要進(jìn)一步提高軸承鋼的潔凈度，減小鋼中夾雜物的含量與尺寸；通過工藝優(yōu)化進(jìn)一步提高碳化物的均勻性，降低和消除液析、網(wǎng)狀和帶狀碳化物；進(jìn)一步提高基體組織的晶粒度，使軸承鋼的晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化；減少低倍組織缺陷；進(jìn)一步降低軸承鋼中的中心疏松、中心縮孔與中心成分偏析，提高低倍組織的均勻性。

2.3 海上風(fēng)電軸承表面處理

表面涂覆技術(shù)包括：物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、射頻濺射(RF)、離子噴涂(PSC)、化學(xué)鍍等，可提高軸承零件的耐磨性、接觸疲勞抗力，并降低表面摩擦因數(shù)。目前根據(jù)幾大軸承廠家的技術(shù)趨勢，其中主要應(yīng)用在風(fēng)電主軸軸承上的涂層有以下幾種：

2.3.1 黑化涂層

發(fā)黑涂層處理后軸承將擁有更好的跑和性能，擁有輕微的防腐蝕以及抗磨損的性能，同時涂層在一定程度上增強(qiáng)了抵抗白色腐蝕裂紋(WEC)的能力。在以往陸上風(fēng)電實(shí)際使用過程當(dāng)中，往往選擇在滾動體表面做黑化涂層處理，但風(fēng)機(jī)從陸上轉(zhuǎn)移到海上后，由于工況更加復(fù)雜和惡劣，建議套圈和滾動體均做黑化處理。

2.3.2 DLC涂層

DLC涂層是一種表面超硬的涂層，其具有和金剛石涂層非常相近的性能，即極高的硬度、電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)等^【5】，該涂層可減少混合摩擦條件下的摩擦和磨損，使得軸承壽命和耐磨性大幅度提高，避免了滾子軸承因滾動接觸面間的滑動引起的黏著磨損(涂抹)。

2.3.3 柱狀硬鉻涂層

該涂層主要附著在內(nèi)圈內(nèi)徑面上，它能提供高的耐磨損能力（高硬度），尤其是容易發(fā)生微動腐蝕的配合表面。

2.3.4 磷化涂層

該涂層常用在浮動端軸承的外徑面上，主要用于改善緊急潤滑和磨損保護(hù)。例如防止微動腐蝕或摩擦腐蝕，通過鈍化或涂油的相應(yīng)的后處理可暫時提高防腐蝕性能。

2.4 國內(nèi)海上風(fēng)電軸承制造現(xiàn)狀

國內(nèi)風(fēng)電軸承的制造水平與國外仍存在很大差距，尤其是大兆瓦級別的軸承受制于加工設(shè)備和工藝水平。隨著外資企業(yè)高端產(chǎn)品的本地化需求日益迫切，主要軸承廠商也在不斷加速本地化進(jìn)程。如舍弗勒集團(tuán)在南京已建成4號工廠，專用于大型風(fēng)電軸承的生產(chǎn)，分別可加工外徑800~2000 mm以及2000 mm以上的調(diào)心滾子軸承、圓柱滾子軸承以及圓錐滾子軸承，通過引進(jìn)國外大型生產(chǎn)設(shè)備以及工藝技術(shù)，已實(shí)現(xiàn)多個型號軸承量產(chǎn)。

國內(nèi)的生產(chǎn)水平的提高助力國內(nèi)風(fēng)電市場快速發(fā)展，在保證產(chǎn)品質(zhì)量按照風(fēng)電最高標(biāo)準(zhǔn)的情況下，實(shí)現(xiàn)快速交付和更低的成本，最大程度保證客戶的利益。

3 結(jié)論

目前海上風(fēng)電的特殊應(yīng)用工況對軸承的承載能力、可靠性和使用壽命提出更高的要求。對于大尺寸海上風(fēng)電用軸承未來可以從軸承設(shè)計、材料、表面處理以及工藝等諸多方面進(jìn)行改善。對于軸承設(shè)計，需要進(jìn)一步提高整體的承載能力，包括更優(yōu)的結(jié)構(gòu)特征，包括接觸優(yōu)化，對保持架的結(jié)構(gòu)形式和材料選擇，尤其對圓錐滾子軸承，需要考慮如何簡化機(jī)加工過程和熱處理方式等；對于材料，如何縮短與國外的差距，包括進(jìn)一步提高軸承鋼的潔凈度，減小鋼中夾雜物的含量與尺寸，提高碳化物的均勻性等；對于表面處理，開發(fā)更優(yōu)的表面處理技術(shù)，包括如何解決邊界摩擦以及外界污染物介入后的潤滑問題等。

【參考文獻(xiàn)】

[1]程林志，曹勝平，劉曉輝.兆瓦級風(fēng)電機(jī)組主軸軸承選型及分析[J].新技術(shù)新工藝，2016（4）∶49-53.

[2]賴俊賢.滾子軸承額定動載荷系數(shù)bm的探討[J].軸承， 1995（11）∶14-18

[3]閆佳飛.基于風(fēng)機(jī)傳動鏈系統(tǒng)的非對成調(diào)心滾子軸承分析與研究[C].第五屆中國風(fēng)電后市場專題研討會論文集.2018∶169-175

[4]李昭昆，雷建中，徐海峰，等.國內(nèi)外軸承鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[N].鋼鐵研究學(xué)報，2016，28(3)∶1-12.

[5]黑鴻君，高潔，賀志勇，等.普通硬質(zhì)涂層和超硬涂層的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料2016，40(5)∶1-18.

作者：程濤，劉際軒，周國，等.

單位：舍弗勒大中華區(qū) 

來源：2020峰會論文集，內(nèi)容略有修改（更新）

“中國軸承工業(yè)協(xié)會”（微信號：cbia-1988）授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)

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