作者：中國軸承工業協會總工程師 何加群
風電產業是我國戰略性新興產業 ，風電機組是我國重大技術裝備，風電機組配套軸承是核心關鍵零部件，風電機組配套軸承的自主安全可控是關系產業安全、國家經濟安全的國之大者。我國風電產業已領跑世界，遠遠落后于主機產業發展步伐的我國風電軸承產業怎么辦？本文就這一問題談些個人看法，以期引起業內外相關企業家、專家的關注。
一、我國風電裝機規模穩居全球第一
2020年，我國風電裝機創新高，全國新增裝機20401臺，新增裝機容量5443萬千瓦，同比增長103.2%。累計裝機超15萬臺，累計裝機容量超2.9億千瓦。不論是新增裝機規模還是累計裝機規模，都穩居全球第一。
我國風電產業的發展，雖受國家政策、消納能力等因素影響，幾起幾落，但從中長期看，總體上處于波浪式高速增長的態勢。
從上表中可看出，2020年全國風電累計裝機容量29075萬千瓦，是2010年累計裝機容量4473萬千瓦的6.5倍。
我國風電機組的研發和制造能力大幅提高，已基本實現系列化、標準化和型譜化，單機容量達到目前全球最大的16兆瓦級別，風電發電效率較十年前提高了30%，成本下降了一半。我國已建立起一條涵蓋風電開發建設、設備制造、技術研發、檢測認證、配套服務的成熟產業鏈，是全球最大的風電裝備制造基地，風電設備在滿足國內市場的同時，出口至30多個國家，風電機組產量占全球的2/3以上，全球最大的15家風電裝備制造商中有10家是中國企業。〔1〕
二、我國風電產業迎來歷史發展機遇期
“2030年前碳達峰，2060年前碳中和”，習近平總書記向國際社會作出的莊嚴承諾擲地有聲，大力發展風電，是落實這一目標的重要途徑。〔1〕
隨著雙碳時代的開啟，作為主力軍的風電迎來歷史發展機遇期。“十四五”期間確保風電年均新增裝機不低于5000萬千瓦，是落實雙碳目標的最低要求。〔1〕因此，在度過2020年“搶裝潮”之后，我國風電產業仍將處于高速發展的態勢。我們軸承行業應在我國風電產業歷史發展機遇期找準自己的定位。
三、風電軸承國產化長足進步、任重道遠
我國軸承行業原來只有洛軸一家企業涉及風電軸承領域。2006年以后，我國風電產業“井噴式”發展，我國軸承行業多家企業投入大量人力、物力，緊隨風電產業的發展，進行風電軸承的研發制造，使風電軸承國產化取得長足進步。
2020年全國風電機組裝機20401臺，共需配套軸承479424套。
據不完全統計，天馬、洛軸、新強聯、瓦軸、大冶軸、京冶軸承、洛軸所等國內軸承企業共產銷風電軸承（以下簡稱國產風電軸承）77948套，占比16.3%。
其中，按應用部位——
偏航軸承：國產軸承產銷12918套，合12918臺份，占總需求量的63.3%；
變槳軸承：國產軸承產銷52974套，合17658臺份，占總需求量的86.6%；
主軸軸承：國產軸承產銷10090套，合6727臺份，占總需求量的33.0%；
增速器軸承：國產軸承產銷1902套，合119臺份，占總需求量的0.58%；
發電機軸承：國產軸承產銷91套，合45臺份，占總需求量的0.2%。
天馬、瓦軸等企業，研制的風電軸承不僅大量向國內風電整機制造企業供貨，而且出口國外。
從2020年統計數據看，變槳軸承國產化率比較高，達到86.6%，需進一步鞏固提高。偏航軸承國產化率63.3%，還有較大的市場開拓空間。主軸軸承國產化率33.0%，基本上都是3.0兆瓦及以下，軸承行業剛進入這一領域，需要加大技術攻關和市場開拓的力度。增速器軸承國產化率僅為0.58%，發電機軸承國產化率僅為0.2%，應該說，這二個領域的門檻，軸承行業還沒有真正跨進去，對于我國軸承企業來說，這二個領域還有許多硬科技，甚至黑科技需要研發。
四、要十分關注風電產業的發展趨勢
我國軸承行業對風電軸承的研發、制造已遠遠趕不上風電產業的發展。軸承行業要追趕高速發展的風電產業，必須十分關注風電產業發展的趨勢：產業集中度穩步提高、單機容量不斷加大、從陸地向海洋擴展、由集中向分散發展。
1.產業集中度穩步提高
金風科技、遠景能源、明陽智能、電氣風電、運達股份等風電整機制造排頭兵企業的市場份額不斷擴大，產業集中度不斷提高，2020年CR5已達到64.7%，CR10已達到91.5%。我國軸承行業著力研發制造風電軸承的企業應與這些風電整機制造企業以及風電整機終極用戶風電開發企業這些“巨無霸”企業結成戰略聯盟。
2.單機容量不斷加大
我國風電機組平均單機容量不斷增大，陸上風電機組由2010年的1.5兆瓦，增大到2015年的1.8兆瓦，發展到2020年的2.6兆瓦；海上風電機組由2010年的2.6兆瓦，增大到2015年的3.6兆瓦，發展到2020年的4.9兆瓦。〔2〕
主流機型，陸上風電機組由2010年的1.5兆瓦，增大到2015年的2.0兆瓦，發展到2020年的3.0兆瓦；海上風電機組由2010年的3.0兆瓦，增大到2015年的3.6兆瓦，發展到2020年的5兆瓦。〔2〕
研發制造風電軸承的企業要使自身的技術水平、裝備能力適應這種發展趨勢。
3.從陸地向海洋擴展
風電產業從陸地向海洋擴展，從淺海向深海延伸，這在全球和我國都是一種發展趨勢。我國海上風電2020年新增裝機容量僅占新增裝機總量的7.1%，累計裝機容量僅占累計裝機總量的3.7%，但在技術能力不足、專業化施工船舶和設備能力不足的情況下，仍然每年保持同比遞增40%以上的高速增長，2020年，累計裝機容量已突破千萬千瓦大關。
“十四五”是我國海上風電發展的關鍵期。未來幾年通過機組大型化、大規模開發所形成的規模效應、專業化施工船舶和設備的投用、數字化技術的普及、全生命周期成本的下降，有望培育出一個可以釋放巨大經濟社會效益的戰略性新興產業——海上風電產業。我國軸承行業可以增加一個新的市場。我國軸承行業的優勢企業當然不會成為這一歷史進程的旁觀者。
海上風電機組工況復雜，比陸上風電機組工況更惡劣。我們必須在建立海上風電機組載荷譜的基礎上，進行全方位的數字化軸承設計。不能簡單地將單機容量較大的陸上風電機組軸承進行物理放大。要研發應用適合海上風電機組特殊工況的軸承材料、熱處理方法、機械加工工藝和密封、防腐、潤滑方案。〔3〕
4.由集中向分散發展
國家鼓勵風電就近開發利用，由集中式向分散式發展，我國軸承行業企業家和專家中的有識之士，幾年前就注意到這一點，并開始了相關工作。最近，中國可再生能源學會風能專業委員會秘書長秦海巖發布了一條重要信息：“我們聯合118個城市與600多家風電企業共同發起了‘風電伙伴行動·零碳城市富美鄉村’活動。建議在條件較好的地區率先啟動‘百縣千村萬臺示范工程’。未來五年，在全國100個縣，優選5000個村，安裝10000臺風電機組，總裝機規模達到5000萬千瓦，為5000個村集體帶來穩定收益，惠及農村人口300萬以上。” 〔1〕對我們軸承行業來說，無疑是一個重要的商機，我們要下大功夫，加大分散式風電機組軸承技術研發和市場開拓的力度。
五、風電軸承需要解決的幾個重大問題
1.攻關克難，跨越風電增速器軸承和發電機軸承領域的高門檻
嚴格來說，我國軸承企業還未能跨越風電增速器軸承和風電發電機軸承領域的高門檻。
對國產風電增速器軸承和發電機軸承，風電增速器部件和發電機部件制造企業、風電整機制造企業都不敢用，風電軸承制造企業也不敢干，幾乎到了“談虎色變”的地步。
但是，從產業安全、國家經濟安全的層面考慮，這個門檻是必須下決心跨越的。我們要拿出研發高速動車組和地鐵車輛軸箱軸承“十年磨一劍”的精神，攻堅克難，實現風電增速器軸承和發電機軸承的自主化。
風電增速器軸承和發電機軸承都要攻下的共性技術：
從逆向設計起步，逐步過渡到正向設計，進行——
（1）不同工況下，增速器軸承和發電機軸承的調查分析和構建。
（2）增速器軸承和發電機軸承動力學仿真分析和數字化建模。
（3）各種增速器軸承和發電機軸承的表面完整性設計。
要攻下的個性化技術：
增速器軸承——
（1）制造增速器軸承的抗磨粒磨損的專用鋼材的研發和應用。
（2）防止因滾子打滑造成滾子與套圈工作表面損傷的表面改性強化處理技術的應用。
發電機軸承——
（1）達到特殊工況下工作的發電機軸承需要達到的精度、性能、壽命和可靠性（特別是溫升、極限轉速、振動值和摩擦力矩等）。
（2）達到必須的絕緣性能（包括絕緣層的材料、厚度、與基體的結合強度、電容、電阻、擊穿電壓、工頻耐壓、環境適應性等）。
2.提高風電機組主軸軸承變槳軸承的剛性和承載能力
近年來，隨著風電機組單機容量的不斷增大，暴露出包括軸承在內的變槳系統和主軸系統剛性和承載能力不足的問題。
為解決變槳系統剛性和承載能力不足的問題，需要以提高剛性和承載能力為要義，改進變槳系統的整體設計并優化軸承的選型。其中，變槳軸承的選型，以滾子轉盤軸承取代四點接觸球轉盤軸承，已為實際運用證明為一種成功的選擇。我國軸承行業的天馬、瓦軸、洛軸、新強聯、大冶軸和五洲新春積極參與了這項重大技術改進。其中，五洲新春為滾子軸承取代球軸承，研發生產了200多萬粒特大型滾子。目前，風電機組主軸軸承以滾子轉盤軸承取代球轉盤軸承的取代率國際上已達到30%，我國剛達到15%。軸承企業正積極配合風電裝備企業加快推進這一進程。
主軸系統的問題比較復雜。主軸軸承是風電機組主傳動鏈系統的關鍵部件，不僅要承受風力載荷，還要承受主軸、增速器的重力載荷，工況復雜。因應風電機組的單機功率、整體結構、工況、制造成本、安裝工藝等因素，主軸軸承采用不同配置，主要有〔4〕：
（1）三點式支承：主軸軸承采用一個調心滾子軸承，與增速器兩邊的彈性支承形成三點式支承，應用于低兆瓦級風電機組。
（2）二點式支承：有調心滾子軸承+調心滾子軸承、單列圓錐滾子軸承+單列圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承+雙列圓錐滾子軸承、GARB軸承+調心滾子軸承四種配置，應用于中等兆瓦級風電機組。
（3）單點式支承：大多采用大錐角雙列圓錐滾子軸承，亦有采用三排圓柱滾子軸承，應用于大兆瓦風電機組。
近年來，大兆瓦風電機組主軸軸承事故頻發，初步分析原因是風電機組主軸系統和選用的主軸軸承均存在剛性和承載能力不足的問題，風能業界和軸承業界正密切配合努力解決這個問題。
如中國華電集團在甘肅兩個風電場和湖南一個風電場使用的北京萬源制造的230臺2兆電勵磁風電機組，主軸系統事故頻發，主要是裝用的某跨國軸承公司生產的雙列圓錐滾子軸承早期損壞，損壞的形式為保持架斷裂，軸承抱死。為解決問題，該跨國軸承公司對軸承結構作了多項改進，用改進后的軸承更換175臺次，仍未解決保持架斷裂，軸承抱死的問題。造成了很大的直接經濟損失和間接經濟損失。在跨國軸承公司陷入困境的情況下，中國華電集團向國內軸承企業洛陽新強聯回轉支承有限公司尋求幫助，新強聯提供了本公司研發制造的加強型三排圓柱滾子主軸軸承，經一年多試用，中國華電集團跟蹤測試，軸承運行平穩，各項數據正常。中國華電集團組織專家評審后，決定將230臺風電機組裝用的某跨國軸承公司的雙列圓錐滾子軸承全部更換為新強聯研發制造的加強型三排圓柱滾子軸承。新強聯對這一重大的進口替代項目信心滿滿，因為其研發生產的加強型三排圓柱滾子軸承已裝用在1300多臺大兆瓦風電機組主軸系統，經過十幾年的運行，沒有發生過問題。
如何提高風電機組主軸軸承變槳軸承剛性和承載能力，我國軸承行業相關單位還需要作深入研究。
3.深入研究，優選最佳表面淬火工藝
風電軸承中偏航變槳軸承、三排滾子主軸軸承的套圈用42CrMo4制造進行表面淬火，目前行業里應用了幾種不同的表面淬火工藝，需深入研究，優選最佳表面淬火工藝。
現在國內外風電軸承產業通行的工藝路線是電磁感應表面淬火。感應器產生的電磁感應在工件內產生渦流而加熱，隨之噴淋淬火介質進行淬火。這種淬火方法有一大缺陷，即掃描感應加熱路徑的末端與起點重疊時，會使起點已淬火的部位回火，產生一個軟帶。在使用時，軟帶處易受到磨損，導致早期破壞。〔5〕
為解決這個問題，國際上開發了無軟帶感應淬火工藝和裝備。新強聯回轉支承股份有限公司已率先從國外引進無軟帶淬火工藝和裝備。這種工藝使用的裝備有二個加熱淬火組件，每個組件由預熱感應器、加熱感應器和淬火介質噴淋器組成。這二個加熱淬火組件繞著要淬火的軸承滾道表面向相反方向移動，掃描要淬火的滾道表面加熱淬火。每個組件掃描加熱淬火半圈滾道。在起始區和結束區，二個組件緊靠著加熱滾道，且旋轉平臺帶動工件擺動，這樣就可以保證在起始區和結束區各個部位，包括二個組件交界處都加熱到相同的淬火溫度，噴淋淬火后不會產生軟帶。〔5〕
目前我們行業還有一家風電軸承表面熱處理采用完全不同工藝路線的企業——北京京冶軸承股份有限公司（京冶軸承）。這家企業應用自己研發的風電軸承激光表面淬火技術（亦稱激光相變硬化技術）已有十多年的歷史。這項技術被列入國家“863”計劃項目，并獲國家科技發明二等獎。
這項技術的基本原理是高能量高密度的激光束快速照射要淬火的工件表面，使其要硬化的部位瞬間吸收光能并立即轉化為熱能，使激光作用區溫度急劇上升。此時，冷態基本與加熱區之間有很大的溫度梯度，一旦停止激光照射，加熱區的金屬急冷而淬火，產生硬化。據京冶軸承介紹，這種工藝進行的表面淬火，馬氏體晶體細，位錯密度高，硬度高，耐磨性好，變形小甚至無變形，無須回火，淬火區獲得壓應力不易產生裂紋。可根據需要調整硬化層深度，無需冷卻介質，無廢氣廢水排放，低碳環保。
4.一項需深入研究的重要技術變革——用42CrMo4無軟帶淬火取代G20CrNi4Mo（A）滲碳淬火制造風電主軸軸承
風電機組雙列圓錐滾子主軸軸承國際國內軸承業界通行的技術路線是用滲碳軸承鋼G20CrNi4Mo（A）滲碳淬火制造。
我國軸承行業應用的滲碳軸承鋼有6種：G20CrMo（A）、G20CrNiMo（A）、G20CrNi2Mo（A）、G20CrNi4Mo（A）、G10CrNi3Mo（A）、G20Cr2Mn2Mo（A）。
使用最多的二種。一種是G20CrNi2Mo（A），用于制造貨車軸承，未來國產高速動車組軸箱軸承也用這種滲碳軸承鋼制造。另一種是G20CrNi4Mo（A），用于制造冶金軋機軸承和風電主軸軸承。
滲碳軸承鋼經過滲碳淬火加工，可以獲得很高的表層強度硬度和很好的心部組織韌性，非常適合于制造承受重載荷、沖擊載荷的鐵路軸承和冶金軋機軸承。
但是，滲碳軸承鋼價格貴、加工費用高，尤其是需要表面深層滲碳的特大型軋機軸承和風電主軸軸承，需要用適合深層滲碳的G20CrNi4Mo（A）制造，這種G20CrNi4Mo（A）滲碳軸承鋼價格昂貴（價格是高碳鉻軸承鋼的3倍），同時，深層滲碳要在800℃以上高溫加熱200多小時，不僅要耗費大量電能，而且表層易產生有害的粗大碳化物（要費很大的勁才能消除），還會產生不易矯正的變形，而使工件報廢，造成很大的損失。
這項從國外引進的技術，一直困擾著我國軸承廠家，一些專家多渠道尋找解決辦法。一種辦法是外徑￠440～￠800mm的冶金軋機軸承，用強度、韌性優于GCr15、GCr15SiMn的GCr18Mo，進行下貝氏體淬火，取代G20CrNi4Mo（A）滲碳淬火，制造冶金軋機軸承，這項技術改進已取得成功，并推廣應用。但雙列圓錐滾子風電主軸軸承超出了這個尺寸范圍，無法應用這項技術。
我國軸承行業有二家軸承企業以“敢于第一個吃螃蟹”的精神，用中碳合金鋼42CrMo4（添加Ni等微量合金元素，優化合金成份），進行無軟帶表面淬火和激光表面淬火，取代G20CrNi4Mo（A）滲碳淬火，制造雙列圓錐滾子風電主軸軸承，大大降低了材料費用和加工費用。希望我國軸承行業有關專家和企業家密切關注、積極參與這一技術進程，深入研究這一替代是否可以滿足風電主軸軸承的工況所要求各項性能（強度、耐磨性、沖擊韌性、疲勞壽命等）。深入研究這項技術，如在風電主軸軸承應用成功，可否移植到冶金軋機軸承，這項技術如能在風電主軸軸承和冶金軋機軸承的制造上成功應用，將會產生巨大的經濟效益和社會效益。
結語：風電軸承國內市場年銷售額200億元左右，是我國軸承產業僅次于汽車軸承的第二大市場。目前國產軸承只占領了其中一小部分，還有很大的市場開拓空間。我國軸承產業著力于風電軸承研發制造的企業應在影響風電軸承自主安全可控的一系列重大問題上精準發力，以盡早實現國產風電軸承的研發制造適應我國風電產業領跑世界的發展形勢。
參考文獻：
〔1〕秦海巖.“十四五”，大力發展風電正當時[J].風能,2021(11):1.
〔2〕中國可再生能源學會風能專業委員會. 2020年中國風電吊裝容量統計簡報[R].2021.
〔3〕 程濤,劉際軒,周國,張建昌.海上風電主軸用軸承技術[J].軸承工業,2021(2):22-27.
〔4〕王建梅,羅永成.兆瓦級風電機組主軸承選型及發展趨勢[J].軸承工業,2021(6):24-26.
〔5〕L. Scarpellini, M. Cesano. D. Cisato, B. Pillin. 大型中碳鋼回轉支承的無軟帶感應淬火〔J〕. 軸承工業，2021（9）：4-9
來源：中國軸協會刊《軸承工業》2022年第2期
