1 引言为了应对全球变暖的问题，可再生能源的利用正在全球范围内得到推广，正如《巴黎协定》(减少温室气体排放的国际条约)所示范的那样。
去年不包括水能在内的可再生能源在全球发电量中所占的份额已超过了核能，其中风力发电约占总发电量的5%。
为了扩大可再生能源的利用范围，降低LCOE(平准化能源成本)至关重要，其计算方法是将发电成本(包括建设、运营和维护成本)除以运营期间的预计发电量。
由于塔架增高、叶片加长和叶片形状改善，风力发电机组的利用率有所提高。
近年来，海上风力发电机组得到大力发展，但其建设成本高于陆上风力发电机组，故需开发超过10 MW的超大型风力发电机组，且延长使用寿命，提高维护效率。
在风力发电机组中，轴承用于主轴、齿轮箱和发电机，如图1所示。
此外，轴承用于每个叶片的变桨控制、机头的偏航控制以及驱动它们的变桨系统和偏航减速器中。
本文介绍了NTN在提高主轴承可靠性和实现优化设计方面所取得的成果。
图1 风力发电机组的内部结构2 主轴承的组成主轴承是支承叶片所承受的风载荷并将驱动力传递给发电机的最重要部件。
采用的主轴承取决于传动系统的组成。
如图2所示，传动系统有2种基本类型：带齿轮箱型和不带齿轮箱的直驱型。
图2中的类型①通常是带齿轮箱型陆上风力发电机组的最常见选择。
在这种类型中，主轴通常由轴承座内的单套主轴承和齿轮箱内的轴承支承。
此类型采用可承受一定安装误差的调心滚子轴承。
类型②采用2套调心滚子轴承提供支承，也用于多数陆上风力发电机组。
然而，在类型②中自由侧的外圈外径面必须允许存在滑动以应对主轴的热胀冷缩。
为了确保轴承长期使用的可靠性，也有在固定位置采用面向内(直接安装)双列圆锥滚子轴承以及能通过在浮动位置轴向滑动来适应热胀冷缩的圆柱滚子轴承的结构。
图2 传动系统与轴承类型的关系另一方面，直驱型风力发电机组由于减少了零件数量，因此可靠性更高。
与其配套的直联式发电机通过采用多极永磁体来实现低转速发电。
然而，这一方式增大了发电机转子的尺寸，所以必须增大主轴直径，并且由具有大接触角的紧凑型双列圆锥滚子轴承(类型⑤)来支承。
除直驱型风力发电机组外，“齿轮箱+中速型”的多极同步发电机平衡了可靠性和成本，也用于海上风力发电机组。
由于风力发电机组尺寸的增大，越来越多地采用背对背安装的圆锥滚子轴承，而不是具有大接触角的双列圆锥滚子轴承，这对生产率和成本产生很大影响(类型②和③)。
对于这类轴承，可通过采用预紧来优化使用寿命和系统刚度。
轴承设置必须由风力发电机组制造商完成，但NTN支持用户通过分析来确定设置范围。
下面将介绍NTN在陆上风力发电机组主流选择的调心滚子轴承以及越来越多地用于海上风力发电机组的圆锥滚子轴承方面取得的成果。
3 延长调心滚子轴承的使用寿命上述调心滚子轴承的优势在于其对安装误差的容忍度以及为每套轴承使用独立轴承座的能力。
然而，由于滚道表面的磨损，轴承存在过早损伤的情况。
NTN考虑主轴承的特殊应用条件，采用独特技术来延长此类轴承的使用寿命，并最大限度地减小风力发电机组尺寸。
3.1 不同列的非对称设计由于转子和叶片的质量，主轴承承受垂直作用在主轴上的径向载荷以及由于风载荷而水平作用在主轴上的轴向载荷。
如果假设一台承受逆风的风力发电机组，即转子受风位置在逆风侧的主流机型，那么与靠近叶片的前轴承列相比，作用在远离叶片的后轴承列上的载荷更大(图3)。
图3 加载条件NTN考虑到轴承承受载荷的这些特征，并在2017年发布了关于非对称调心滚子轴承的新闻稿。
该轴承设计独特，具有不同的滚子长度，在不同列之间其接触角也不同(图4)。
这些变化使该轴承相较于常规产品的计算寿命提高了约2.5倍，内径减小约10%，质量减轻约30%。
如果将该轴承用于风力发电机组，则可实现轴承小型化，这有助于整个风力发电机组减小尺寸、减轻质量和降低成本(图5)。
图4 非对称设计图5 小型化的设计示例3.2 DLC涂层3.2.1 结构调心滚子轴承的滚子是球面。
在调心滚子轴承内会发生差速滑动，即轴承在滚子接触面与滚道表面之间的接触点处出现滑动旋转，旋转由于风力条件而反复停止和启动。
轴承采用脂润滑，如果在运行过程中出现润滑不良(油膜不足)的情况，滚道表面可能由于金属接触而发生磨损，从具有高PV值(即接触应力P和滑动速度V的乘积)的点开始，逐渐形成双峰形式。
因此，应力集中在没有磨损发生的纯滚动接触线上，这可能导致滚道表面剥落和开裂(图6)。
图6 损伤机理轴承内圈旋转时，载荷作用于整个滚道表面，而外圈固定在轴承座内，因此载荷集中在特定范围内，载荷在该区域重复作用导致轴承发生损伤。
通过上述非对称设计，PV值可降低约30%，在一定程度上减少了磨损。
另一方面，在油膜不足的情况下难以避免金属接触，需采取其他措施来进一步提高其可靠性。
因此，开发了一种在滚子接触面上涂有DLC(类金刚石碳)涂层的轴承(图7)。
NTN使用的DLC涂层采用3层结构：①金属子层，增加与基材的附着力；②中间层，作为金属子层与顶层之间的硬度梯度；③覆盖DLC涂层的高硬度顶层。
考虑到调心滚子轴承特有的差速滑动和油膜形成不足的润滑条件，该涂层具有出色的附着力和耐磨性(图8)。
图7 DLC涂层调心滚子轴承图8 DLC涂层剥层试验3.2.2 有效性验证通过对小型样本轴承和实际尺寸试验轴承进行试验验证确认了DLC涂层的优越性。
3.2.2.1 采用小型样本轴承(φ120 mm×φ180 mm×60 mm)进行评估施加与实际风力发电机组相似的径向和轴向联合载荷，每50 h比较一次外圈承载区的磨损状态。
在加速条件下，标准产品的外圈滚道表面在300 h内剥落(图9)。
图9 300 h后的外圈滚道试验结果如图10所示。
非对称产品的磨损速度约为标准产品的2/3。
此外，DLC涂层产品最初产生约5 μm的磨损，但之后磨损没有进一步增加，试验效果极好。
图10 样本尺寸轴承的试验结果3.2.2.2 采用实际尺寸轴承(φ600 mm×φ870 mm×272 mm)进行评估为了加速试验，与小型样本轴承一样，标准产品在720 h剥落的条件下进行评估。
试验后外圈滚道表面承载区的情况如图11所示。
标准产品上有明显的剥落，但在DLC涂层产品上不明显，仅有2 μm的磨损，结果极好。
图11 实际尺寸轴承的试验结果3.3 建议的调心滚子轴承技术条件根据上述情况，NTN对用于风力发电机组主轴承的调心滚子轴承提出以下建议(图12)。
图12 用于风力发电机组主轴承的调心滚子轴承系列①标准设计：该类型采用对称滚子，内圈有中挡边。
在结构上，滚子由3个点支承：内/外圈滚道表面和内圈中挡边。
这样可防止滚子歪斜，并抑制滚道与滚子之间的滑动。
②DLC涂层：该类型基于标准设计，用于需抑制磨损损伤时。
③非对称设计：当需要延长寿命(通过抗剥落)和减小风力发电机组尺寸(减小轴承尺寸)时采用。
④DLC涂层+非对称设计：该类型通过减小风力发电机组的总体尺寸和减轻质量来降低初始成本，并通过更稳定的运行潜在地提高可靠性和降低发电成本。
4 圆锥滚子轴承的小型化下面将介绍越来越多地用于海上风力发电机组的背对背安装的圆锥滚子轴承(图13)的尺寸减小的特性和设计方法。
图13 圆锥滚子轴承4.1 设计参数风载荷作用在叶片上，转子本身的质量作为力矩载荷作用在主轴承上(图14)，因此，在系统中2套主轴承的承载中心保持较大的间距是减小轴承合成载荷的关键。
采用背对背安装的圆锥滚子轴承可保证载荷作用点的间距较大，从而减小轴承尺寸和减轻质量。
图14 外加载荷与轴承跨距的关系在确定轴承接触角和载荷中心的间距时，必须根据使用条件考虑最优值。
接下来介绍基于接触角差异的轴承特性。
4.2 不同接触角所对应结果的验证4.2.1 对寿命的影响由图15所示的示例1可知，当施加轴向载荷时改变接触角对轴承寿命所产生的影响。
随着接触角的增大，轴承的当量载荷和额定载荷均减小，但额定载荷减幅较小，因此寿命提高。
图15 示例1中施加轴向载荷时接触角与轴承寿命的关系由图16所示的示例2可知，当施加非轴向载荷时改变接触角对轴承寿命所产生的影响。
结果表明，在这种情况下，尽管由于接触角增大，轴承承载中心的间距增加，但轴承寿命降低。
这是因为当施加非轴向载荷时，轴承接触角增大会导致轴承承受的轴向载荷增加。
这表明增加轴承承载中心的间距不一定会直接提高轴承寿命，还必须考虑其导致的轴向载荷增加。
也就是说，通过改变接触角来提高轴承寿命时，必须平衡轴承当量载荷减小与其承受的轴向载荷增加之间的关系，以使2套轴承具有更长的寿命。
图16 示例2中施加非轴向载荷时接触角与轴承寿命的关系4.2.2 轴向预紧与寿命的关系当轴向游隙为0时，如图17所示，接触角越大，轴承寿命越长。
然而，随着轴向游隙的减小(即当预紧力增加时)，轴承寿命降低的速率变快，并且在游隙超过-1 050 μm时寿命发生逆转。
这是因为轴向刚度和施加的轴向载荷随着接触角增大而增加。
4.2.3 温度变化对寿命的影响对于背对背安装的圆锥滚子轴承，轴承的径向膨胀和收缩以及轴和轴承座的轴向膨胀和收缩都会影响轴向预紧，但轴和轴承座的轴向膨胀/收缩的影响很小，轴承的径向膨胀/收缩的影响占主导地位。
如图17所示，以寿命逆转的-1 050 μm为基础，并假设内圈的工作温度比外圈高5 ℃(图18)，计算轴向预紧的变化。
如第4.2.2节所示，如果接触角很小，则寿命降低的速率会变慢，但轴向预紧的变化量会增加，因此需要注意。
图17 不同接触角对轴向游隙和轴承寿命的影响图18 温度变化对轴承寿命的影响4.2.4 长宽比和承载能力与轴承横截面的关系如图15中的示例1所示，轴承寿命随接触角的变化而变化，但轴承横截面的长宽比可能会对此产生影响。
如图19所示，在长宽比为1.1的情况下，即在径向上有更大的横截面，当接触角由α1增加到α2时，轴承承载能力的降低速率小于当长宽比为0.9时。
这是因为即使增大接触角，在长宽比更小的轴承横截面内也更容易增大滚子直径和滚子长度。
另一方面，如果减小接触角，那么减小长宽比也更容易获得更高的承载能力。
图19 横截面长宽比与额定载荷的关系4.3 效果验证总结通过增大轴承接触角，可减小轴承径向载荷，但同时可能导致轴向载荷增加，因此需考虑改变接触角对轴承寿命和接触应力的影响。
此外，主轴承具有初始的预紧力，但必须注意施加的轴向载荷在预紧力的作用下会随着轴向刚度的增加而增加。
另一点需注意的是，当接触角减小时，轴向预紧的增加可能会导致轴承对温度变化的响应增加。
圆锥滚子轴承的设计必须基于对上述特性的良好理解，但在实践中选择接触角也会根据轴承尺寸进行调整。
NTN利用通过丰富经验开发的分析工具和专业知识，从早期开始与风力发电机组制造商合作，为风力发电机组传动系统的建立提供支持。
5 结束语本文介绍了NTN为提高风力发电机组主轴承的可靠性和实现优化设计所做的努力。
随着轴承尺寸的不断增大，将推出新技术和新产品，以有助于优化设计和提高可靠性，包括改善其制造方法，从而与风力发电机组的设计人员合作，增强可再生能源的利用能力。
