1 風(fēng)電軸承的結(jié)構(gòu)特征

1.1 偏航/變槳軸承

圖2 偏航/變槳軸承安裝示意圖

Fig.2 Installation diagram of yaw/pitch bearing

1.2 主軸軸承

1.3 齒輪箱軸承

圖3 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱軸承

Fig.3 Speed increasing gearbox bearing for wind turbine

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

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)主要研究內(nèi)容

近年來,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)測試與試驗(yàn)以及智能運(yùn)維等方面開展了大量研究。

2.1 風(fēng)電軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)

2.1.2 偏航/變槳軸承

2.1.3 主軸軸承

2.1.5 小結(jié)

2.2 風(fēng)電軸承材料技術(shù)

2.3 風(fēng)電軸承熱處理工藝

熱處理是材料加工過程的一道工序,是保證軸承材料表面性能的重要工藝,近年來針對風(fēng)電軸承熱處理工藝的研究使國產(chǎn)風(fēng)電軸承的質(zhì)量有了很大提升。

文獻(xiàn)[44]對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︼L(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5 MW風(fēng)電偏航軸承套圈油冷速率進(jìn)行模擬,并對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]通過優(yōu)化特大軸承套圈無軟帶感應(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程中的硬度。文獻(xiàn)[51]對風(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對大功率風(fēng)電機(jī)組偏航/變槳軸承套圈的冷卻過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到其冷卻過程中材料不同部位的時(shí)間、溫度和即時(shí)冷卻速度,并通過模擬得到了不同冷卻介質(zhì)下的冷卻曲線。文獻(xiàn)[53]對風(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)可有效延長軸承壽命,降低軸承摩擦力矩,提高軸承可靠性。

針對碳氮共滲技術(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Ω邷夭讳P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滲碳軸承鋼組織、力學(xué)性能的影響規(guī)律,研究表明通過升高淬回火溫度,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的影響。文獻(xiàn)[58]采用等離子體浸沒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)證困難等問題,設(shè)計(jì)了縮比軸承加速壽命試驗(yàn)并通過與傳統(tǒng)表面淬火的對比驗(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其成分進(jìn)行調(diào)整,從而獲得高硬度無裂紋的馬氏體不銹鋼涂層[65]。

此外,針對特殊工況用風(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)

2.6 風(fēng)電軸承裝配性能優(yōu)化技術(shù)

2.7 風(fēng)電軸承檢測與試驗(yàn)技術(shù)

2.8 風(fēng)電軸承智能運(yùn)維技術(shù)

3 風(fēng)電軸承技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 風(fēng)電軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)

3.2 風(fēng)電軸承先進(jìn)材料技術(shù)

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)

3.5 風(fēng)電軸承抗疲勞制造技術(shù)

研究各加工方法中“無應(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)

3.7 風(fēng)電軸承檢測與試驗(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)的檢測技術(shù),構(gòu)建多檢測指標(biāo)融合的檢測平臺與數(shù)據(jù)庫,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)、壽命評價(jià)等方法,形成軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫,為長壽命、大型化風(fēng)電軸承的壽命考核、性能評價(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,最大限度地延長軸承使用壽命,降低運(yùn)維成本。

4 結(jié)束語