大功率風機主軸滑動軸承研究現狀及發展趨勢

摘要：

風電機組大型化步伐加快，核心零部件的可靠性對風機運行的影響越來越大。滑動軸承具有高承載、長壽命、易維護、可擴展、小體積等優點，對風機主軸承關鍵零部件的國產安全可靠替代水平提高具有顯著作用和很大潛力。分析了大功率風機主軸滾動軸承存在的問題與主軸應用滑動軸承的優勢，并詳細論述了風機主軸滑動軸承設計、材料、潤滑、試驗驗證等多方面的技術方法和應用現狀，總結了大功率風機主軸滑動軸承存在的問題及未來的發展趨勢，為大功率風電主軸承數字化設計與產業發展提供參考。

關鍵詞：滑動軸承；構型設計；潤滑理論；材料改性；軸承試驗；風機主軸

中圖分類號：TM614

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.10.001

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research Status and Development Trends of Large Wind Turbine

Main Shaft Sliding Bearings

ZHU Caichao1" ZHANG Ronghua1" SONG Chaoshen1" TAN Jianjun1" YANG Liang2

1.State Key Laboratory of Mechanical Transmission for Advanced Equipment，Chongqing University，

Chongqing，400044

2.Dalian Sanhuan Composite Material Technology Development Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning，116103

Abstract： The pace of large wind turbine units was accelerating， and the reliability of core components was increasingly important for wind turbine operations. Sliding bearings had the advantages of high load capacity， long life， easy maintenance， scalability and small size， and they had advantages and great potential for the reliable replacement of wind turbine main bearings key components produced at home. The problems of main shaft rolling bearings in high-power wind turbines and the advantages of using sliding bearings on the main shaft were analyzed herein. The technical methods and application status of wind turbine main shaft sliding bearing design， materials， lubrication， and experimental verification were present in detail， and the existing problems of high-power wind turbine main shaft sliding bearings and future development trends were summarized. It is expected to provide reference for the digital design and industrial development of high-power wind turbine main bearings.

Key words： sliding bearing; configuration design; lubrication theory; material modification; bearing experiment; wind turbine main shaft

收稿日期：20240121

基金項目：國家重點研發計劃（2022YFB4201100）；重慶市技術創新與應用發展專項重點項目（CSTB2022TIAD-KPX0051）；國家海上風力發電工程技術研究中心開放基金（HSFD22005）

0" 引言

風力發電對未來的能源供應至關重要。在“雙碳”目標驅動下，全球對風電的需求增加，至2030年，歐盟預計將其可再生電力產量的占比提高到40%［1］以上（其中，德國的這一比例將提高到80%［2］），中國預計裝機容量將達到全球的20%［3-4］。目前，中國已成為全球最大的風電裝備制造基地，風電機組（WT）產量占全球的2/3以上［5］。“十四五”期間中國風電預計年均新增裝機不低于50 GW［6］，2024年全國能源工作會議繼續強調提高新能源安全可靠替代水平和能源綠色低碳轉型。然而，包括主軸軸承在內的多款關鍵零部件長期依賴進口，嚴重阻礙了中國風電產業的增長。為實現未來風電真正的高質量發展，須進一步降低度電成本與關鍵零部件進口依賴。

風電機組大型化是降低度電成本的重要措施之一。在過去幾年中，歐洲和美國安裝的風電機組的額定功率以及轉子直徑不斷增大［7-8］，平均額定功率從1998年的790 kW增加到2018年的3.3 MW，平均轉子直徑從48 m增加到118 m［9-10］。2022年，德國新安裝的風力渦輪機的平均功率為4.5 MW（陸上渦輪機）和9 MW（海上渦輪機）［11］。2021年，維斯塔斯（Vestas）公司宣布推出V236-15 MW滾動軸承支承海上風電機組，風輪直徑為236 m。中國新安裝陸上風電機組的平均單機容量從“十三五”期間的4 MW增加到“十四五”初期的10 MW，在海上風電方面，從2020年的10 MW級到2023年的18 MW，平均轉子直徑從100 m增大到270 m，國內風電機組整體水平已接近國際龍頭。

隨著海陸機組大型化步伐加快，核心零部件的可靠性對風機運行的影響越來越大，亟需對核心零部件的關鍵技術進行攻關，以提高風電裝備安全可靠替代水平和能源綠色低碳轉型。

1" 現有風機主軸滾動軸承存在的問題

主軸軸承是風電機組的核心零部件，支撐整個轉子，起到吸收葉輪氣動載荷和傳遞功率的重要作用，被稱為風電機組的“心臟”，如圖1所示。商用主軸承僅使用滾動元件［12-15］，故障率高達30%［16-17］，主軸承的任何損壞至少需要拆卸轉子進行軸承更換，導致了高維修成本［18-21］。此外，風電機組尺寸的擴大增加了主軸用滾動軸承的加工成本，更大直徑的滾動軸承的制造可行性也存在局限性［22］。大兆瓦級風電機組主軸軸承運行工況條件對主軸承也提出了新挑戰。10 MW級風電主軸承的線速度通常低于0.2 m/s，載荷達106～107 N·m，風電機組自重超過500 t。隨機風載下主軸承受交變重載，滾動軸承以點、線接觸為主，內外圈、滾道和滾動體極易疲勞剝落、滑動擦傷、磨損等，故障率將持續增加，最終導致風電機組發生重大事故，制約大功率風電機組可靠性。這種尺寸的急劇增大導致傳統風電機組用滾動軸承的故障率、加工成本、維修成本都隨著軸承尺寸的增大而顯著增高，已成為制約風電機組大型化的“卡脖子”問題［23］。

隨著全球對風電需求的增加，風機主軸軸承進入了供不應求的狀態。為了降低度電成本與進口依賴，中國風電主軸承自主研制速度加快［24］，2023年9月，洛陽LYC下線了國內首套16MW級風電主軸承，截止2024年4月，25 MW級國產主軸軸承已下線，是目前世界功率最大的風電主軸承。中國風電主軸承產品迭代周期短，缺乏足夠技術積累和應用驗證。5 MW及以上大功率風電滾動軸承國產化率不足5%。大兆瓦風機主軸承仍然面臨長壽命、高承載、高可靠性等多方面的技術挑戰。

2" 風機主軸應用滑動軸承的優勢與潛力

滑動軸承在減振、減小材料應力和安裝空間方面具有優勢，且在正確的設計下，理論上壽命無限。此外，滑動軸承的可分塊式結構可使其在損壞的情況下避免拆卸轉子而實現塔上維修。因此，滑動軸承應用于風機主軸可以作為克服上述滾動軸承國產化率低、工作壽命低、維護貴、加工難等問題的合適解決方案。同時，其可分塊式結構具有可擴展性的優勢，可以克服大功率風電機組在升級時滾動軸承尺寸方面的限制。大功率風機“以滑代滾”成為顛覆性的技術，將有望加快中國風機主軸滑動軸承“換道超車”。

多年來，滑動軸承應用于風機主軸的可用性得到充分證明，并成為該應用范圍的最新技術。德國RENK研制的6 MW級風電主軸滑動軸承已小批量應用，并進行10 MW滑動軸承試驗測試，Siemens、GE等主機廠開發的2～5 MW應用滑動軸承的風電機組樣機已并網發電；大連三環復合材料技術開發股份有限公司開發了國產風電主軸滑動軸承，并應用在哈電發電設備國家工程研究中心有限公司的2 MW機組上；2021年金風科技股份有限公司開發的主軸滑動軸承的4 MW半直驅風電機組樣機已在新疆達坂城風電場成功運行，使得軸系承載密度提高了20%以上，而維護成本降低了60 %以上； 2023年，16 MW級臺架采用滑動軸承，被試機組采用滾動軸系，通過采用滾動軸承和滑動軸承主軸系外接口通用的方式，兼顧了機組研發進度和新技術研究兩者的平衡。中船海裝風電有限公司升級了應用新型滑動軸承主軸系的6.25 MW半直驅風電機組樣機。

隨著功率等級的快速更新，現有主軸滑動軸承的工況適應性難以保證，新的研究試圖尋找適用于更大功率的風機主軸承［25］。針對于此，EULER等［26］將1 MW渦輪機和10 MW渦輪機之間的估計彎矩進行比較，力矩增大了25倍，而推力僅增大了11倍，徑向負荷增大了16.25倍。滑動軸承具有良好的阻尼性能、物理復雜性和可能對旋轉組件系統產生顯著的非線性力［27］，顯然，風機功率等級的顯著增大，主軸滑動軸承不是簡單的比例升級應用，成倍負荷增加直接對軸瓦材料承載性能提出巨大挑戰，同時，極端低速重載工況與大尺寸軸瓦彈性變形效應將已有的潤滑理論與求解邊界適用范圍推向不確定，軸承結構設計與其潤滑接觸仿真方法的有效性需要通過試驗進一步驗證。此外，大功率風機主軸滑動軸承臺架試驗的技術、嚴苛條件和高成本也面臨新的挑戰。因此，大型化風機在主軸承設計、材料、潤滑分析、試驗驗證等多方面帶來了技術挑戰。

3" 風電機組主軸滑動軸承研究現狀與趨勢

3.1" 風電機組主軸滑動軸承構型設計

風電機組主軸軸承除承受所有主傳動鏈的重量外，還需承受較大外部風載產生的徑向載荷、軸向載荷以及傾覆力矩。主軸跨距長，主軸軸承常采用多點彈性支承方式［28］，可以吸收和補償大游隙，其中兩點式支承方式最為常見，可在不動主軸情況下更換齒輪箱，圖2所示為上海電氣風電兩點式主軸系統。主軸滑動軸承采用分體式的結構，故障瓦塊可以不拆卸轉子單獨更換，成為風電主軸承主要結構形式。這一結構還對主軸的偏斜具有適應性，不易出現卡死。

大型滑動軸承通常為基于潤滑原理設計的新軸承構型［29］。丹麥科技大學THOMSEN 等［30］提出了一種柔性支承塑料瓦軸承結構（圖3a），并研究了柔性塑料瓦軸承在風電機組轉子不對中條件下的性能改善效果，發現柔性塑料瓦軸承有助于大幅提高主軸軸承在轉子不對中條件下的運行性能，接著研究了可傾瓦巴氏合金軸承應用于風力發電機主軸時的性能。德國克勞斯塔爾工業大學THOMAS等［31］研究了一種應用于風電主軸的帶前緣溝槽的可傾瓦軸承（圖3b），與傳統可傾瓦軸承結構相比，該軸承結構具有一定的儲油、泵油功能，能改善其潤滑性能。

新滑動軸承設計的靈感也往往來源于已有滾動軸承結構。亞琛工業大學ROLINK 等［32］設計了“FlexPad”形式的分塊錐形滑動軸承，進行了1.5 MW全尺寸試驗測試，并利用彈性流體動壓潤滑理論對所設計的主軸滑動軸承進行了性能分析，發現通過改善軸承墊的柔性可以降低甚至避免軸承的端部磨損。FlexPad設計為雙錐形滑動軸承，其結構如圖4所示，帶有單獨的滑動段，節段通過柔性支撐結構安裝到殼體上，該柔性支撐結構允許節段跟隨軸的運動。

滑動表面在操作過程中保持與軸平行，可以保證軸瓦大面積的潤滑，使得節段之間實現更好的壓力分布，并大幅減小邊緣磨損（節段邊緣和軸之間的接觸），從而不會形成潤滑間隙［33-35］。FlexPad概念的圓錐軸承特別適用于更高的組合載荷，因為可以調整角度以滿足所需性能［36］，其中的60°與30°可以獲得最佳徑向承載性能和最佳軸向承載性能。

基于柔性錐面的滑動軸承進行了幾種不同結構的演化，包括力矩軸承和球面瓦軸承等［32］。借鑒用于6 MW以下的風力渦輪機的商用滾動軸承（如SKF Nautilus），SCHRDER等［37］設計了圖5所示的分段力矩滑動軸承，采用雙柔性支撐結構連接到軸承殼體，對于這種設計，軸向加載軸的位移會導致前襯墊和軸的間隙增加，故前錐體的襯墊全部卸載而僅由后錐體承載。參考球面滾子軸承，HOFMANN［38］設計了圖6所示的球面瓦力矩滑動軸承，采用彈流潤滑模擬分析了軸承中的流體動壓分布，評估軸承的載荷傳遞和變形，并介紹了其可行性。以上軸承構型緊湊的設計降低了復雜性，但其曲面與錐面成形加工尚缺少有效的制造成本估計。

徑向與推力的組合式可傾瓦滑動軸承提供了另一種主軸支承方案。組合軸承有利于中高旋轉精度［39］和相對較小的跳動［40］，另一個優點是軸承的幾何形狀提供了自補償能力［41］。此外，已有研究［42-45］表明，在大型低速重載條件下，可傾瓦軸承采用小包角瓦塊及瓦塊支點的非均勻布置方式有利于建立動力潤滑油膜，如圖7所示。這一軸承設計方式已被軸承廠商應用。德國的RENK采用非均布分塊瓦構型研制了1～6 MW級主軸用滑動軸承，軸瓦材料為聚四氟乙烯（PTFE）復合材料和改性聚醚醚酮（PEEK）材料；國內大連三環復合材料技術開發股份有限公司借鑒國外技術研制了1.2～2 MW 系列風電機組主軸用非均布變包角構型滑動軸承，并開始研制6.25 MW級以上主軸用滑動軸承。組合式構型軸承與圓錐軸承瓦面均為復合材料柔性結構，可更好地適應所受的傾覆彎矩和轉子不對中工況。下一步研究是將該軸承概念轉移到大型電廠（6 MW級以上）的力矩軸承上。

以上軸承構型設計體現了多功能性風電機組主軸承概念的解決方案，然而，仍然沒有足夠的數據可用于指導制造。到目前為止還沒有可用的設計指南，存在的不同技術方案遠未形成標準化，這增加了大型風電主軸承的制造和組裝過程成本。此外，已有研究表明［26］，大功率風機荷載的增大會導致必要的設計調整。快速發展的大功率風力發電裝備對風電主軸承提出了更高要求，未來發展的風電機組主軸滑動軸承設計主要為現有軸承總體構型設計與瓦面微觀修形，而最大的挑戰將是基于潤滑原理設計新的軸承結構和形成行業標準化設計指南。

3.2" 風電機組主軸滑動軸承材料研究

主軸滑動軸承材料的性能直接影響軸承的整體性能，故所用材料需要具有較高的供油中斷時的自潤滑性能。研究人員已對PTFE、聚酰亞胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）和PEEK等自潤滑軸承復合材料的摩擦學性能與結構改性、填充改性、共混改性等進行了大量研究［46-49］。PTFE基厚層涂層已成功應用于工業滑動軸承約50年［50］；PEEK基厚層軸承涂層具有優越的摩擦學性能［51］，其軸承比壓可達到120 MPa以上［52］。大連三環復合材料技術開發股份有限公司采用復合材料配方設計，并用共混改性技術開發了風電主軸PEEK材料滑動軸承，其壓縮強度達140 MPa，如圖8所示。PEEK材料一直在不斷發展，但因復合涂層工藝與材料的高成本和加工低靈活性而尚未大量應用于工業。

大兆瓦風機功率升級伴隨負載成倍增加，要求滑動軸承表面材料具有更低的摩擦學性能和更高的強度性能。軸承復合材料改性注重提高聚合物材料摩擦學性能和保證材料固有力學性能的二者協同作用［53-56］。目前對多組分多尺度協同改性以及協同作用的機理、改性后材料的微觀屬性以及提高摩擦學性能機理揭示的研究較少［57］，且改性后材料的價格往往高于原材料，難以滿足大型化風機主軸軸承性能要求與工程應用。因此，通過宏觀的摩擦磨損試驗數據與微觀分子動力學模擬相結合的方法來探究復合材料的性能，揭示多混改性填料在基體中的作用機理，并探尋低成本的改性方法是未來大兆瓦風機主軸滑動軸承材料研究的一大趨勢。

PEEK復合材料軸承存在加工成形困難的問題。傳統注塑成形［58］、熱壓成形［59］、模壓成形［60］、纏繞成形［61］等制造工藝不能滿足高強度、微精密部件的需求，熔融沉積成形［62-63］、選擇性激光燒結技術［64-65］提供了一種新的制造方法，但存在層間界面結合強度不足的問題，故仍需探索以服役性能為目標的組合加工［66］設計方法。

3.3" 風電機組主軸滑動軸承潤滑分析

風電低速、重載、寬溫域下的滑動軸承潤滑機理是風電主軸滑動軸承中需要解決的科學問題。專家學者進行了大量的潤滑機理［67-68］、熱彈性變形［69-70］、摩擦磨損［71-72］、表面缺陷潤滑狀態［73-74］等研究。重慶大學、西安交通大學等高校開發了滑動軸承分析軟件，為主軸承的潤滑理論分析與試驗研究提供了基礎。

大型可傾瓦滑動軸承按照潤滑方式可分為富油型和定向潤滑型兩種類型。與富油型相比，定向潤滑型可以控制流到瓦面的潤滑油油量，達到降低摩擦損失和瓦面溫度的目的［29，75］。定向潤滑也是近年來研究的重點。胡楊等［76］針對大尺寸定向潤滑可傾瓦徑向滑動軸承，在多載荷和多轉速工況下進行了不同氣泡率的油氣兩相流軸承性能試驗，相關試驗結果有助于解釋和理解空穴和貧油效應。MERMERTAS等［77］考慮定向潤滑和瓦塊變形的影響，采用仿真方法對直徑900 mm的三瓦可傾瓦滑動軸承進行了優化設計與相關試驗驗證。HAGEMANN等［78］在不同供油流量條件下對定向潤滑五瓦可傾瓦滑動軸承進行了試驗研究，試驗中，線速度為25～140 m/s，負載壓力為1～4 MPa，通過與理論結果的對比發現，速度對從富油到貧油的轉變影響很大。然而，已有研究中的可傾瓦滑動軸承應用工況轉速較高，不適合用于大型風電機組主軸承。

針對大兆瓦風機特殊工況的滑動軸承潤滑機理研究，考慮工況流體結構相互作用，SCHRDER 等［25］使用IST-mbH的多體系統仿真軟件FIRST評估了FlexPad軸承設計在8.5 MW標稱條件下的流體動力學性能。ROLINK等［35］研究了幾何參數對軸承動壓分布的影響，并進一步對幾何設計變化的敏感性進行了研究。李海江等［79］基于梁單元主軸模型計算了給定外載荷下直驅風力發電機主軸軸承的載荷分布。ZHANG等［80］系統分析了6 MW級主軸用非均布可傾瓦滑動軸承的潤滑動態行為，重點考慮了瓦塊的軸向適應性、軸的傾斜與高壓變形的綜合作用，并給出了優化建議。

目前，大兆瓦風機主軸滑動軸承重載高壓下的大變形、低滑動速度（怠速或靜止）運行下的混合潤滑、傾覆力矩下的軸頸傾斜相互作用、主軸滑動軸承的潤滑流固熱多場耦合數值模擬等方面的研究仍面臨極大的挑戰。風電主軸分塊式軸承由于其結構的特殊性，潤滑性能與其軸瓦的擺動和浮動狀態密切相關，在頻繁啟停過程中將不可避免地發生接觸磨損，顯著影響軸承潤滑性能和軸承剩余壽命。風電主軸滑動軸承潤滑性能分析需要建立摩擦學+動力學耦合模型。同時，對主軸承性能的分析往往是基于軸承系統本身的，軸承潤滑與主軸轉子系統渦動相互作用被簡化，軸承設計參數與實際應用情況的偏差被一步步放大。此外，大功率風機特殊低速重載工況條件和新構型軸承依然需要試驗驗證，以保證仿真的有效性。未來主軸承潤滑性能研究主要將致力于數值模擬的改進和縮比試驗組合，此外將更加關注軸承在傳動耦合系統中的綜合性能。

值得一提的是，軸承潤滑分析中潤滑油本身性能的研究往往被分離，軸承潤滑性能缺少全系統的提高。

3.4" 風電機組主軸滑動軸承試驗研究

為滿足風機功率升級需求，各種新構型主軸滑動軸承得以研發，同時需要對這些新構型主軸滑動軸承進行全尺寸全工況的試驗驗證與評估。國內外軸承研究所、生產商一般都與高校共同建立了軸承試驗基地，依托高校資源進行軸承研發和試驗工作［81］。德州農工大學旋轉機械實驗室［82］ 研發的軸承采用了浮動式設計，軸承試驗臺用于測量高速滑動軸承的靜態和動態性能。西安交通大學軸承技術研究所［83］設計了四瓦可傾瓦滑動軸承試驗臺，該平臺基于CAT技術完成對試驗數據的測試、存儲和實時在線數據處理。國內外學者的研究主要針對普通可傾瓦軸承和動靜壓軸承，設計的軸承試驗臺主要用于教學研究，很難開展有效的風電主軸滑動軸承試驗研究。

風電主軸滑動軸承運行工況復雜，除低速、寬重載的徑向加載外，還需要大的彎矩加載以模擬超大傾覆力矩。德國亞琛工業大學Plackett-Burman試驗場設計了可用于1 MW風機的FlexPad軸承轉子負載，其試件外徑約950 mm，如圖9所示。國內金風科技股份有限公司搭建了6 MW風電機組主軸滑動軸承試驗臺，采用對稱24獨立液壓加載，可實現全6自由度的加載。大連三環復合材料技術開發股份有限公司籌建了6.25 MW風電機組主軸滑動軸承試驗臺架。風電主軸滑動軸承試驗臺成本較高，且不同產品的再現性較差，這導致整體研發周期較長。隨著風機功率等級的不斷更新，更大功率的全尺寸試驗驗證越發困難，未來主軸承試驗研究主要將致力于數值模擬的改進和縮比試驗組合。

開展試驗研究還需要進行風電滑動軸承潤滑狀態監測與關鍵潤滑參數精準測試。油膜厚度是表征軸承等摩擦學元件潤滑狀態的關鍵性能指標，適合工業應用的膜厚及其分布的檢測方法一直是摩擦學和流體潤滑領域研究的熱點和難點［22］。超聲法是目前最具工業應用前景的膜厚測量方法［84-85］。風電主軸滑動軸承偏心距大，易處于混合潤滑狀態，最小膜厚通常與表面粗糙度處于同一量級（通常＜1 μm），現有的超聲法還未達到足夠的精度。磨損是表征軸承潤滑狀態的另一關鍵性能指標。聲發射信號信噪比高、響應時間短、傳感器安裝方便，能實現實時在線監測與定位［86］，成為目前風電軸承磨損量檢測的主要方法［87］。風機主軸滑動軸承質量大且轉速低，主要能量集中分布在低頻區域，而干擾信號頻率也多為低頻信號，所以將有效信號完全分離比較困難。現有的基于聲發射技術在低頻區仍然有一定的局限性，需要開發更高效的風電主軸滑動軸承潤滑狀態在線檢測技術。

4" 展望

風電機組大型化步伐加快，“以滑代滾”已成為大功率風電主軸承應用的顛覆性技術，該技術面臨著如下構型設計、材料性能、潤滑機理、試驗驗證的技術挑戰：

（1）基于潤滑原理設計出新的軸承結構是風電主軸滑動軸承的最大挑戰，主軸滑動軸承設計主要聚焦于構型設計優化與瓦面微觀修形，并形成設計指南。

（2）風機功率升級負載成倍增加對軸瓦材料提出了高要求，復合材料軸承加工面臨成形困難與界面結合強度不足的問題，需探尋以服役性能為目標的低成本改性與加工設計方法。

（3）對大兆瓦風機特殊的低速、重載、傾覆力矩非穩態工況下的主軸滑動軸承流固熱多場耦合潤滑機理揭示不足，需要開展性能試驗研究、潤滑接觸模型與數值方法的改進。

（4）風電主軸承試驗需要設計專門的試驗臺，開發更高效的風電主軸滑動軸承潤滑狀態在線檢測技術，采用以數值模擬和縮比試驗組合的研究方法。

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（編輯" 袁興玲）

作者簡介：

朱才朝，男，1966年生，教授、博士研究生導師。研究方向為風電裝備系統動力學和智能控制。E-mail：cczhu@cqu.edu.cn。