大功率风机主轴滑动轴承研究现状及发展趋势

大功率风机主轴滑动轴承研究现状及发展趋势

随着风电机组大型化步伐加快，核心零部件的可靠性对风机运行的影响越来越大。滑动轴承具有高承载、长寿命、易维护、可扩展、小体积等优点，对风机主轴承关键零部件的国产安全可靠替代水平提高具有显著作用和很大潜力。本文分析了大功率风机主轴滚动轴承存在的问题与主轴应用滑动轴承的优势，并详细论述了风机主轴滑动轴承设计、材料、润滑、试验验证等多方面的技术方法和应用现状，总结了大功率风机主轴滑动轴承存在的问题及未来的发展趋势，为大功率风电主轴承数字化设计与产业发展提供参考。

现有风机主轴滚动轴承存在的问题

主轴轴承是风电机组的核心零部件，支撑整个转子，起到吸收叶轮气动载荷和传递功率的重要作用，被称为风电机组的“心脏”，如图1所示。商用主轴承仅使用滚动元件，故障率高达30%，主轴承的任何损坏至少需要拆卸转子进行轴承更换，导致了高维修成本。此外，风电机组尺寸的扩大增加了主轴用滚动轴承的加工成本，更大直径的滚动轴承的制造可行性也存在局限性。大兆瓦级风电机组主轴轴承运行工况条件对主轴承也提出了新挑战。10 MW级风电主轴承的线速度通常低于0.2 m/s，载荷达106~107 N·m，风电机组自重超过500 t。随机风载下主轴承受交变重载，滚动轴承以点、线接触为主，内外圈、滚道和滚动体极易疲劳剥落、滑动擦伤、磨损等，故障率将持续增加，最终导致风电机组发生重大事故，制约大功率风电机组可靠性。这种尺寸的急剧增大导致传统风电机组用滚动轴承的故障率、加工成本、维修成本都随着轴承尺寸的增大而显著增高，已成为制约风电机组大型化的“卡脖子”问题。

随着全球对风电需求的增加，风机主轴轴承进入了供不应求的状态。为了降低度电成本与进口依赖，中国风电主轴承自主研制速度加快，2023年9月，洛阳LYC下线了国内首套16MW级风电主轴承，截止2024年4月，25 MW级国产主轴轴承已下线，是目前世界功率最大的风电主轴承。中国风电主轴承产品迭代周期短，缺乏足够技术积累和应用验证。5 MW及以上大功率风电滚动轴承国产化率不足5%。大兆瓦风机主轴承仍然面临长寿命、高承载、高可靠性等多方面的技术挑战。

风机主轴应用滑动轴承的优势与潜力

滑动轴承在减振、减小材料应力和安装空间方面具有优势，且在正确的设计下，理论上寿命无限。此外，滑动轴承的可分块式结构可使其在损坏的情况下避免拆卸转子而实现塔上维修。因此，滑动轴承应用于风机主轴可以作为克服上述滚动轴承国产化率低、工作寿命低、维护贵、加工难等问题的合适解决方案。同时，其可分块式结构具有可扩展性的优势，可以克服大功率风电机组在升级时滚动轴承尺寸方面的限制。大功率风机“以滑代滚”成为颠覆性的技术，将有望加快中国风机主轴滑动轴承“换道超车”。

风电机组主轴滑动轴承研究现状与趋势

风电机组主轴滑动轴承构型设计

主轴跨距长，主轴轴承常采用多点弹性支承方式，可以吸收和补偿大游隙，其中两点式支承方式最为常见，可在不动主轴情况下更换齿轮箱，图2所示为上海电气风电两点式主轴系统。主轴滑动轴承采用分体式的结构，故障瓦块可以不拆卸转子单独更换，成为风电主轴承主要结构形式。这一结构还对主轴的偏斜具有适应性，不易出现卡死。

大型滑动轴承通常为基于润滑原理设计的新轴承构型。丹麦科技大学THOMSEN 等提出了一种柔性支承塑料瓦轴承结构（图3a），并研究了柔性塑料瓦轴承在风电机组转子不对中条件下的性能改善效果。德国克劳斯塔尔工业大学THOMAS等研究了一种应用于风电主轴的带前缘沟槽的可倾瓦轴承（图3b），与传统可倾瓦轴承结构相比，该轴承结构具有一定的储油、泵油功能，能改善其润滑性能。

亚琛工业大学ROLINK 等设计了“FlexPad”形式的分块锥形滑动轴承，进行了1.5 MW全尺寸试验测试。FlexPad设计为双锥形滑动轴承，其结构如图4所示，带有单独的滑动段，节段通过柔性支撑结构安装到壳体上，该柔性支撑结构允许节段跟随轴的运动。

滑动表面在操作过程中保持与轴平行，可以保证轴瓦大面积的润滑，使得节段之间实现更好的压力分布，并大幅减小边缘磨损（节段边缘和轴之间的接触），从而不会形成润滑间隙。

借鉴用于6 MW以下的风力涡轮机的商用滚动轴承（如SKF Nautilus），SCHRÖDER等设计了图5所示的分段力矩滑动轴承。参考球面滚子轴承，HOFMANN设计了图6所示的球面瓦力矩滑动轴承。以上轴承构型紧凑的设计降低了复杂性，但其曲面与锥面成形加工尚缺少有效的制造成本估计。

径向与推力的组合式可倾瓦滑动轴承提供了另一种主轴支承方案，如图7所示。下一步研究是将该轴承概念转移到大型电厂（6 MW级以上）的力矩轴承上。

以上轴承构型设计体现了多功能性风电机组主轴承概念的解决方案，然而，仍然没有足够的数据可用于指导制造。到目前为止还没有可用的设计指南，存在的不同技术方案远未形成标准化，这增加了大型风电主轴承的制造和组装过程成本。

风电机组主轴滑动轴承材料研究

主轴滑动轴承材料的性能直接影响轴承的整体性能，故所用材料需要具有较高的供油中断时的自润滑性能。PTFE基厚层涂层已成功应用于工业滑动轴承约50年；PEEK基厚层轴承涂层具有优越的摩擦学性能，其轴承比压可达到120 MPa以上。大连三环复合材料技术开发股份有限公司采用复合材料配方设计，并用共混改性技术开发了风电主轴PEEK材料滑动轴承，其压缩强度达140 MPa，如图8所示。

大兆瓦风机功率升级伴随负载成倍增加，要求滑动轴承表面材料具有更低的摩擦学性能和更高的强度性能。轴承复合材料改性注重提高聚合物材料摩擦学性能和保证材料固有力学性能的二者协同作用。目前对多组分多尺度协同改性以及协同作用的机理、改性后材料的微观属性以及提高摩擦学性能机理揭示的研究较少，且改性后材料的价格往往高于原材料，难以满足大型化风机主轴轴承性能要求与工程应用。因此，通过宏观的摩擦磨损试验数据与微观分子动力学模拟相结合的方法来探究复合材料的性能，揭示多混改性填料在基体中的作用机理，并探寻低成本的改性方法是未来大兆瓦风机主轴滑动轴承材料研究的一大趋势。

风电机组主轴滑动轴承润滑分析

风电低速、重载、宽温域下的滑动轴承润滑机理是风电主轴滑动轴承中需要解决的科学问题。专家学者进行了大量的润滑机理、热弹性变形、摩擦磨损、表面缺陷润滑状态等研究。重庆大学、西安交通大学等高校开发了滑动轴承分析软件，为主轴承的润滑理论分析与试验研究提供了基础。

目前，大兆瓦风机主轴滑动轴承重载高压下的大变形、低滑动速度（怠速或静止）运行下的混合润滑、倾覆力矩下的轴颈倾斜相互作用、主轴滑动轴承的润滑流固热多场耦合数值模拟等方面的研究仍面临极大的挑战。风电主轴分块式轴承由于其结构的特殊性，润滑性能与其轴瓦的摆动和浮动状态密切相关，在频繁启停过程中将不可避免地发生接触磨损，显著影响轴承润滑性能和轴承剩余寿命。风电主轴滑动轴承润滑性能分析需要建立摩擦学+动力学耦合模型。同时，对主轴承性能的分析往往是基于轴承系统本身的，轴承润滑与主轴转子系统涡动相互作用被简化，轴承设计参数与实际应用情况的偏差被一步步放大。此外，大功率风机特殊低速重载工况条件和新构型轴承依然需要试验验证，以保证仿真的有效性。未来主轴承润滑性能研究主要将致力于数值模拟的改进和缩比试验组合，此外将更加关注轴承在传动耦合系统中的综合性能。

值得一提的是，轴承润滑分析中润滑油本身性能的研究往往被分离，轴承润滑性能缺少全系统的提高。

风电机组主轴滑动轴承试验研究

风电主轴滑动轴承运行工况复杂，除低速、宽重载的径向加载外，还需要大的弯矩加载以模拟超大倾覆力矩。德国亚琛工业大学Plackett-Burman试验场设计了可用于1 MW风机的FlexPad轴承转子负载，其试件外径约950 mm，如图9所示。国内金风科技股份有限公司搭建了6 MW风电机组主轴滑动轴承试验台，采用对称24独立液压加载，可实现全6自由度的加载。大连三环复合材料技术开发股份有限公司筹建了6.25 MW风电机组主轴滑动轴承试验台架。风电主轴滑动轴承试验台成本较高，且不同产品的再现性较差，这导致整体研发周期较长。随着风机功率等级的不断更新，更大功率的全尺寸试验验证越发困难，未来主轴承试验研究主要将致力于数值模拟的改进和缩比试验组合。

开展试验研究还需要进行风电滑动轴承润滑状态监测与关键润滑参数精准测试。油膜厚度是表征轴承等摩擦学元件润滑状态的关键性能指标，适合工业应用的膜厚及其分布的检测方法一直是摩擦学和流体润滑领域研究的热点和难点。现有的基于声发射技术在低频区仍然有一定的局限性，需要开发更高效的风电主轴滑动轴承润滑状态在线检测技术。

展望

风电机组大型化步伐加快，“以滑代滚”已成为大功率风电主轴承应用的颠覆性技术，该技术面临着如下构型设计、材料性能、润滑机理、试验验证的技术挑战：

(1)基于润滑原理设计出新的轴承结构是风电主轴滑动轴承的最大挑战，主轴滑动轴承设计主要聚焦于构型设计优化与瓦面微观修形，并形成设计指南。

(2)风机功率升级负载成倍增加对轴瓦材料提出了高要求，复合材料轴承加工面临成形困难与界面结合强度不足的问题，需探寻以服役性能为目标的低成本改性与加工设计方法。

(3)对大兆瓦风机特殊的低速、重载、倾覆力矩非稳态工况下的主轴滑动轴承流固热多场耦合润滑机理揭示不足，需要开展性能试验研究、润滑接触模型与数值方法的改进。

(4)风电主轴承试验需要设计专门的试验台，开发更高效的风电主轴滑动轴承润滑状态在线检测技术，采用以数值模拟和缩比试验组合的研究方法。