舍弗勒黄春亮：风电主轴承高可靠性解决方案

9月19日，“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。
　　舍弗勒贸易（上海）有限公司（FAG）技术经理黄春亮出席大会并发表了题为《风电主轴承高可靠性解决方案》的主旨演讲。以下为发言全文：
　　黄春亮：大家下午好，很高兴有这个机会跟大家一起来沟通、交流，我们这个可靠性，我这块主要介绍一下我们舍弗关于风电组融合的想法以及在我们具体项目的实施的一些经验。
　　主要是三块，首先大致介绍一下我们风电主轴承的技术的趋势和面临的挑战。二是介绍一下我们风电主轴承高可靠性解决方案。三是小结。
　　一、风电主轴承技术趋势和挑战。我们看现在我们的风机是越做越大，现在像国内的一些机型正在安装的，现在已经有10兆瓦，在开发的8兆瓦也有好几家整机厂商正在开发，国际上已经到12兆瓦，现在还有开发16兆瓦的，所以说这个风机是越做越大，但是整个一个结构，不是说仅仅的一个尺寸的扩大，它是需要一个非常高的一个高创力性的一个方案，比如说我们一些机械结构的考虑、材料的考虑，包括我们一些如何降低能量密度，比如说我们如何来提高轴承的承载能力的。
　　（1）高创新性。所以说我们需要很高的一个高创新性的一个解决方案。其次是海上风电，海上风电也是一个趋势，我们海上风电也面临着一些问题，比如说一些安装、运维、维护，包括一些防腐这些要求都是比较高的，我们都需要一个好的一个方法、方案，再一个就是低风速区的开发。现在叶片是越做越大，对于轴承来说载荷也是相对比较大的，我们如何保持之前的原始设计、原始的尺寸不变的情况下，如何在叶片扩大，低风速区的载荷更大的情况下，轴承也能适用，那我们可能要有一些创新的一些想法。第一个就是高创新性。
　　（2）数字化。现在都说在智慧风场，风机也是往智能化的方向走，我们要做一些智能化的风机，智能化的策略，智能化的维护。如果做了这些智能化的一些风机，我们必须有一些零部件的，比如说我们轴承如何跟传感器相结合，如何来监测我们轴承的一个各个参数和各个运行的状态。包括轴承的运行状态。
　　（3）高可靠性。高可靠性，目的是实现风机的高利用率，对于轴承的高可靠性在设计阶段要考虑如何提高轴承的可靠性，如何实现轴承更稳健化的设计。当然我们在设计阶段要考虑到更多，比如我们模拟轴承的一个真实的工况，如何做一些验证，如何来做一些仿真，当然通过一些设计、验证，我们在生产、制造上，我们也要有一些质量的提升。所以说传统的一些轴承，工业产品，可能对于风电轴承，并不是很适用，风电轴承质量需要一定的提升，当然舍弗对于风电质量也有一个质量标准，这个是高于普通的轴承标准要求。
　　（4）高可利用率。我们需要降低风机的故障率，降低轴承的故障率，这样来降低运营维护的成本。
　　（5）成本的压力。成本的压力不能仅仅用一些恶劣的产品降低质量的情况下来降低成本，这个我们只能是通过一个创新的方案来降低成本的同时，来提高产品的可靠性。
　　（6）巨额损失。轴承或者是风机一旦失效以后，可能面临巨大的损失，我这边有一个数据，一个保险公司的，来自中国保险公司的一个统计数据，大致从2012年到2016年4年的一个总的所赔额度是3.28亿，其中有19个大额的所赔达到2.37亿，一旦轴承或者是风机有失效，损失是非常巨大的。
　　二、我们的想法。
　　首先是我们对于产品的改进。一般采用的是调心滚子轴承，如果是定位的，定位轴承一般是会有一些问题，也是相对比较多的。主要是这种轴承它是承受进向载荷轴承的同时也承担所有的，如果润滑非常好，安装也有一些不对中的误差，超出了调心滚子的能力，可能会有一些早期失效的产生，针对这种情况我们对调心滚子轴承做了规划，我们命名叫NOTOS的产品，它相对于普通的调心滚子轴承我们对滚子做了优化，这样避免由于安装或者承载的原因导致一些的产生，同时我们对内部也做了一些规划，避免了由于风力载荷导致整个传动链的振动以及传统系统的轴承传动。我们对于唯的密合度也做了更好的优化，同时这种设计采用了固定的，这样的整个传动链轴上的高度相对比较高，避免了轴上的传动过大或者振动的一些产生。滚道表面以及滚子表面也采用了更高的要求，我们采用了一定的设计，带来的好处是寿命相对的一个提高。这是对于普通的一种调心滚子轴承我们做的优化，同时我们对于定位端的轴承，我们还开发了一种新的方案，叫做非对称的调心滚子轴承，ASRB，它的接触角是不一样的，前面的一列，上升抓一列滚子，它相对小一点，后一的滚子接触点相对小一点。当然除了这两种产品的优化，我们还有一些可选的一些特征，来提高这个产品更好的可靠性，因为主轴承它一般都是转速相对比较低的，它很难形成权模润滑的，一般是处于混合摩擦或者边界润滑的状态，我们可以提供两种用于接触表面，一种是这种，是基于类似于金刚石的这种，它的硬度非常高，大概1000多HV以上，非常奈磨。还有一种是这种，一方面它可以在混合摩擦的状态下可以减少摩擦系数，同时可以避免由于打滑的工况，轴承带来的一个损伤，我们一般都推荐这两种在接触面、滚道面上。高于我们传统的工业质量要求，是按汽车的一个质量体系来实施的一个标准，因为舍弗勒是非常知名的汽车供应商，质量体系执行的是一样的质量体系。
　　对于后市场来说，我们这个产品可以提供一个，可以根据我们修复的轴我们来配比这个轴承的内控，根据需要我们配轴承，来满足维修的需要。当然我们开发这种产品，主要是提高可靠性，提高它的稳健性，同时降低整个传动链的一个振动，避免轴承由于混合摩擦的情况下的一个轴承的磨损，一个失效，有更高的工业密度，降低整个传动系统的尺寸。
　　对于客户来说可以有更长的运行寿命，整体的风接的尺寸跟重量会降低，降低失效的风险。也节约了成本。下面两张图表就是介绍了一下我们两种设计跟普通设计它的一个摩擦因子的一个差异。轴坐标就是沿着滚子方向的摩擦因子，接触压力跟摩擦的一个滑动速度，压力跟速度的一个层级，PV值的一个办法，我们可以看到黄色的这个线，我们舍弗勒的常规的一些设计，可能在边缘的时候会有一些更高的一个PV值，这时候会有边缘磨损的情况，但是对于我们改进的一个产品，我们不管是内侧跟外侧，PV值都是比较均衡的，不会有某一部分有比较高的值。右边这个曲线是指我们相对于普通的SRB，我们这个轴向的情况，绿色的是非对称的，蓝色的这个线是我们的产品，黄色的是一个普通的SRB的产品。
　　另外一种产品就是我们圆锥滚子轴承，在我们风电主轴承也是一种比较常见的形式。舍弗勒对于这种形式可以提供一种打包的解决方案，我们这个轴承可以在生产时已经预置了，包括周边的密封的设计，包括集成更多的传感器，包括一些监测润滑的，包括监测轴承内部的传感器，来监测轴承运行时候的状态。当然带来的好处就是对于客户来说他们安装的更方便，只需要通过法兰连接，安装非常方便，这样对于整个轴来说，轴向尺寸相对比较小，如果设计比较合理，可能整个轴系比普通的结构重量更轻。当然这种结构，可靠性也是比较高的，也可以实现轻量化的设计，我们监测的一些轴承的状态相对比较多，可以避免一些非计划的一些停机。
　　再一个是应对数字化这个，舍弗勒有比较完善的系统，包括舍弗勒的核心的一些竞争力，我们对于这种轴承知识的一个了解，然后我们基于轴承的一个数据的分析，包括一些物理分析，评估模型的一个建立，舍弗勒当然对于这一块有自己的一些专业的决策模型，当然基于我们舍弗勒自己开发的一些软件，舍弗勒自己开发了一些专门针对于轴承的计算或者是评估模拟的一些软件。基于这些分析决策模型，我们可以提供一些针对于运维，针对于产品，针对于生产的一些运维方面的一些建议，包括一些改进建议，运维建议，包括生产方面的一些建议。
　　右边这一半是主要介绍我们实际的一个应用，我们在可调节轴承的系统，其实可调节步子，这种步子形式也是越来越多了，尤其是大兆瓦级别的，但是这种可调节步子形式，它因为是两个方面的圆锥滚子轴承，装配的时候是很难控制的，所以说我们加了这种预警力的测试，安装的时候我们可以测试它实际的初装是多少，包括在风场上运行的时候，它的运行的一个变化，因为这种结构它对于周边结构的温度，整个系统的温度场的分布，都有这种预警影响非常大的，在运行的时候我们可以监测整个一个运行过程中轴承游隙的变化情况。
　　再一个就是我们对于油脂和润滑脂的一个监测。目前我们可能对于油润滑监测是比较容易的，有很多的分析，但是对润滑脂来说舍弗勒还是第一个来提供这种可以监测润滑脂状态的一个传感器，我们针对于传感器也开发了一个相应的一个智能润滑系统，包括我们通过监测轴承内部的润滑脂的状态来评估什么时候加脂，加多少脂，需不需要排脂，需不需要抽脂，一个职能的系统，当然这个系统可能在今年年底会开发出来。针对检测润滑脂，传感器基本上已经是批量的有一些在供应了，所以说这个也是商业化的一个产品了。
　　再一个就是LoadSense Pin我们来监测轴承内部的一个力或者是应力，可以监测轴承，监测螺栓，评估轴承运行的状态，来验证跟我们计算，包括我们的前期的载荷的一个验证，相互的一个验证。当然舍弗勒也一起开发了预测维护4.0的系统，我们可以监测齿轮箱的一些轴承的一些寿命，包括一个维护性的预设计划，可以做这些的服务，预测4.0系统，目前也是比较成功的一个案例。
　　同时，我们必须做一个比较可靠的一个工程的一个验证。我们是通过各种手段、各种仿真软件来验证我们设计的一个可靠性。当然对于整机来说它可能涉及的面比较多，包括机械的、电器的、工程类的。舍弗勒一般是运用一个商业软件来进行一个周边结构的一个仿真，对于轴承来说我们有自己的开发软件，这个可以作为一个轴系的分析，轴承系统，各个轴系的一个分析，当然我们还有3D的软件，也是舍弗勒自己开发的，可以分析轴承的一个动态的仿真。当然还有（英文）的软件，包括接触面的油模的一个分布情况，包括油模的一个承载情况，可以用这个软件来进行仿真。所以说我们可以通过周边轴系的系统的分析，轴系的分析以及轴承的载荷分布包括单个接触的整个分析，我们都可以作为一个比较完善的一个分析，通过仿真的这种技术来有效的节约我们开发的时间。当然除了轴承我们还要考虑结构，包括周边系统、接触情况对我们的影响，除了轴承周边结构也需要考虑的，轴承毕竟是作为系统中的一个零部件，它的运行状态对于周边，周边结构对它影响是很大的。
　　除了仿真软件的模拟，舍弗勒在2013年的时候投资了大概700万欧元，建了世界上最大的一个模拟风电的台架，当然现在可能不是最大的了，现在可能有一些厂家做更大的了，但是我们大概做了7年多的实验，有丰富的工程经验包括大量的数据，很多投资是非常值得的，我们获得了非常多的一些数据经验。这个台架可以模拟正式的风力载荷，可以对轴承，模拟风载可以实现动态的载荷。通过这种台架我们可以验证我们前面说到的仿真跟实验的一个相互的一个验证，相互的一个比较。除了台架我们还有FE8、FE9的台架实验。
　　舍弗勒对于设计包括样机的验证有严格的要求，这是舍弗勒的批量前必须经过6个月的样机挂机验证在风场上，所以这是舍弗勒一个强制要求，只有通过了样机的验证才会有批量的销售。在这个验证之前我们要做充分的评估，包括识别所有的一些风险，通过这种验证来评估各个风险，当然这个评估的话，我们可以包括计算仿真，包括一些样机，包括实验台架测试，来进行评估。
　　最后一个，这个就是我们舍弗勒的一个WPOS的标准，这个是高于我们传统工业的要求，全过程是可以具有100%的产品的追溯性，它的质量要求，质量体系是按照汽车的一个质量体系来实施，当然所有的变更过程，包括一些供应商的管理，都是在有一些特殊的要求。所以说这个标准它其实是对于舍弗勒来说，是执行舍弗勒的航空航天的一些质量的品质，然后再加上汽车质量的体系，就是我们风电的WPOS的标准。
　　最后一个是全过程的服务，包括一个前期的工程咨询、应用设计、仿真，台架的设计，包括我们在生产过程中的生产的技术，质量的标准，再一个就是我们在风场的状态监测，安装服务，后市场的一些服务，包括一些后面的失效分析，产品的再优化，客户的培训，我们是在整个全过程的生命周期内，提供全过程的服务，来保证轴承的一个可靠性。
　　三、总结。
　　我们通过创新的产品，刚才提到了优化的轴承，打包的形式，包括一些数字化的产品，来提供创新的产品，包括我们可靠的一些工程技术，包括我们比较详尽的一个仿真的手段，包括台架的验证来提供更可靠的工程技术，在生产过程中我们执行更高标准的质量要求标准，WPS的标准，在整个轴承生命过程中我们提供全过程的一个服务，所以说通过这四个维度，我们来保证轴承的可靠性，来保证风机的更高的可利用率，谢谢大家。