NSK風(fēng)力渦輪機(jī)軸承的當(dāng)前趨勢和開發(fā)項(xiàng)目
2023-03-01 11:52:45
對使用壽命和可靠性的更高期望伴隨著成本的壓力，這是風(fēng)能行業(yè)軸承目前出現(xiàn)的情況，通過示例，本文解釋了世界領(lǐng)先的供應(yīng)商N(yùn)SK如何在這種情況下開發(fā)新一代軸承。
乍一看，風(fēng)能行業(yè)的商業(yè)消息似乎自相矛盾，去年，世界各地安裝了總發(fā)電量為40 GW的渦輪機(jī)，預(yù)計(jì)未來該行業(yè)將保持增長，然而事實(shí)上，隨著海上技術(shù)的出現(xiàn)，一個(gè)全新的市場正在誕生，與此同時(shí)，領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機(jī)制造商和專門從事風(fēng)力發(fā)電的供應(yīng)商正在面臨成本削減壓力，同時(shí)，專家們還希望看到供應(yīng)商之間的進(jìn)一步整合。
一、影響該行業(yè)的巨大成本壓力
對這種明顯矛盾的解釋是，盡管該行業(yè)正在增長（預(yù)計(jì)會(huì)有更強(qiáng)勁的增長），這意味著風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)在有大量的過剩產(chǎn)能，其結(jié)果是對價(jià)格造成了相當(dāng)大的壓力，這也影響到了供應(yīng)商。作為世界領(lǐng)先的風(fēng)力渦輪機(jī)軸承制造商之一，NSK的研發(fā)團(tuán)隊(duì)必須繼續(xù)努力，以滿足行業(yè)對軸承在高動(dòng)態(tài)應(yīng)力的惡劣運(yùn)行條件下使用壽命的極高期望，然而，與此同時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)必須在早期階段考慮與任何新開發(fā)或改進(jìn)相關(guān)的成本，并進(jìn)行明確的成本效益分析。
二、創(chuàng)新的最大潛力在哪里？
當(dāng)然，風(fēng)力發(fā)電公司也歡迎在不損害軸承可靠性的情況下降低成本的創(chuàng)新，這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)閷＜覀円恢抡J(rèn)為，未來渦輪機(jī)制造商之間的全球競爭將變得更加激烈。
考慮到所有這些，供應(yīng)商必須密切關(guān)注哪些領(lǐng)域具有開發(fā)新一代軸承的最大市場潛力，NSK已將輸出功率為2至4 MW的多兆瓦渦輪機(jī)確定為此類區(qū)域之一，該公司在這一領(lǐng)域的地位已經(jīng)很好，最近幾個(gè)月，領(lǐng)先的制造商推出了配備NSK軸承的新渦輪機(jī)。
三、額定載荷較高的圓柱滾子軸承
NSK已經(jīng)為3 MW級渦輪機(jī)的行星輪優(yōu)化了圓柱滾子軸承，同時(shí)在該領(lǐng)域開展了兩個(gè)開發(fā)項(xiàng)目，第一個(gè)項(xiàng)目旨在改進(jìn)內(nèi)部設(shè)計(jì)，在不改變軸承直徑或滾子數(shù)量的情況下，團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了微觀幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程，同時(shí)保持了宏觀幾何結(jié)構(gòu)不變，從而使動(dòng)態(tài)額定載荷提高了15%，這導(dǎo)致計(jì)算使用壽命延長70%，除了適用于行星輪之外，這些軸承也是風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱側(cè)其他應(yīng)用的理想選擇。
第二個(gè)項(xiàng)目致力于從根本上重新設(shè)計(jì)軸承的內(nèi)部設(shè)計(jì)，滾子的數(shù)量增加了，這意味著保持架的橫截面減小了，然而，它仍然承受相同的載荷，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化保持架的幾何結(jié)構(gòu)而不降低其剛性來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，進(jìn)行了有限元分析和大量試驗(yàn)臺試驗(yàn)，以支持優(yōu)化工作，除了更高的動(dòng)態(tài)額定載荷外，這些軸承還具有更高的靜態(tài)額定載荷。
客戶很快就能在上述兩個(gè)選項(xiàng)中進(jìn)行選擇，然而，應(yīng)注意的是，NSK始終修改其軸承，以適應(yīng)特定的應(yīng)用場景或渦輪機(jī)類型。
四、圓錐滾子軸承的新型保持架設(shè)計(jì)
NSK的圓錐滾子軸承通常用于風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱輸入級的行星齒輪架和轉(zhuǎn)子軸，它們也可以在所謂的集成轉(zhuǎn)子軸承中找到，該軸承將齒輪裝置和輪轂推到一起。
過去，NSK為這些軸承使用由壓制的厚金屬板制成的保持架，然而，不斷增長的軸承直徑迫使該公司尋找替代解決方案，因此開發(fā)了直徑為1000mm或更大的焊接保持架，保持架符合最高技術(shù)規(guī)范，但生產(chǎn)非常復(fù)雜，需要先進(jìn)的焊接技術(shù)，出于這個(gè)原因，NSK目前正在測試一種塑料節(jié)段保持架，這種保持架生產(chǎn)成本較低，也可以制造出高水平的重復(fù)性。
五、改進(jìn)的滾道表面設(shè)計(jì)
軸承的滾道承受很大的應(yīng)力，尤其是在快速移動(dòng)的軸上，例如，如果打開渦輪機(jī)以全速空轉(zhuǎn)，可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，從而損壞軸承表面，這種滑移損壞是業(yè)內(nèi)已知的問題，但盡管進(jìn)行了深入研究，其原因尚未查明，盡管NSK生產(chǎn)了大量軸承，但該公司的部件遭受此問題的情況相對罕見，NSK將此歸因于其特殊的表面處理和保持架位置，盡管如此，該公司的研發(fā)部門仍在繼續(xù)致力于進(jìn)一步優(yōu)化表面設(shè)計(jì)。
六、帶有陶瓷球的發(fā)電機(jī)軸承
發(fā)電機(jī)軸承必須滿足一系列具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用相關(guān)要求，并且不導(dǎo)電，其目的是防止電力通過動(dòng)力傳動(dòng)系，并將相關(guān)損害降至最低，例如當(dāng)電流峰值或循環(huán)電流（電腐蝕）發(fā)生時(shí)，NSK提供帶有陶瓷涂層外圈的電絕緣軸承，以滿足這些要求。
之前使用的軸承具有永久陶瓷涂層，該涂層通過等離子噴涂應(yīng)用于鋼表面，作為替代方案，該公司還提供外徑達(dá)340 mm的軸承，作為帶有陶瓷球的混合軸承，它們具有卓越的性能特點(diǎn)，如耐熱性、更長的使用壽命、輕質(zhì)設(shè)計(jì)和有限的熱膨脹，經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計(jì)使這些軸承使用壽命長，非常可靠，NSK的滾珠生產(chǎn)工藝得益于該公司為機(jī)床制造高性能混合軸承的經(jīng)驗(yàn)。
七、材料工程的進(jìn)展
耐久性試驗(yàn)表明，軸承用碳鉻合金鋼的滾動(dòng)疲勞壽命受到非金屬夾雜物的顯著影響，為此，NSK與一家鋼鐵生產(chǎn)商Z鋼合作開發(fā)了一種新材料，該材料含有的非金屬夾雜物（如硫和氧化物）要少得多，運(yùn)行條件下的試驗(yàn)表明，由Z鋼制成的軸承的使用壽命比由常規(guī)真空脫氣鋼制成的壽命長1.8倍。
八、使用壽命延長十倍
許多風(fēng)力渦輪機(jī)軸承，如圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承、深溝球軸承和角接觸球軸承都使用NSK（Super TF）開發(fā)的超韌鋼材料，由于采用了不同的鋼合金和熱處理，以優(yōu)化材料的馬氏體和殘余奧氏體含量，Super-TF軸承的使用壽命比傳統(tǒng)軸承鋼制成的部件長十倍。
九、損傷原因研究
當(dāng)行業(yè)試圖澄清特定類型的損害發(fā)生的原因時(shí)，深入的材料開發(fā)工作也會(huì)得到回報(bào)，這種損壞通常只影響NSK軸承，白色結(jié)構(gòu)剝落是一個(gè)此類問題，其原因尚未完全確定，損傷分布本身是眾所周知的，因?yàn)榇蠹s20年前在汽車行業(yè)的發(fā)電機(jī)軸承中觀察到了類似的損傷，在風(fēng)力發(fā)電的背景下，電流通過也可能是原因，但迄今為止，研究人員無法證明這一點(diǎn)。一場關(guān)于這一主題的專家會(huì)議產(chǎn)生了大量的見解，但并沒有對原因做出清晰的描述，NSK正致力于再現(xiàn)損傷機(jī)理，以便更好地了解高性能軸承的工作過程。
十、故障模擬試驗(yàn)臺
NSK有許多最先進(jìn)的試驗(yàn)臺用于此類研究，能夠模擬作用在風(fēng)力渦輪機(jī)軸承上的動(dòng)態(tài)載荷，測試臺用于計(jì)算新一代軸承的參數(shù)，模擬故障并生成損傷曲線，目前，開發(fā)人員正在模擬啟動(dòng)和制動(dòng)條件下測試2 MW渦輪機(jī)齒輪箱快速側(cè)的圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承。這些測試的目的是開發(fā)更詳細(xì)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)的材料，開發(fā)工作也在進(jìn)行，以降低成本，鑒于風(fēng)能行業(yè)的高成本壓力，每當(dāng)NSK以更低的價(jià)格成功提供相同的軸承時(shí)，客戶都會(huì)非常滿意。