滑動軸承，是近年來備受風(fēng)電行業(yè)關(guān)注的技術(shù)創(chuàng)新點，但在應(yīng)用階段卻始終雷聲大雨點小。直至近日，遠景能源公開了其自研自制滑動軸承的一系列成果：采用滑動軸承的齒輪箱已真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量應(yīng)用，實際運行表現(xiàn)遠超海外品牌，成為中國風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域的一項新突破。
遠景能源自研自制滑動軸承產(chǎn)品
“在風(fēng)電領(lǐng)域，盡管很多企業(yè)都在探索滑動軸承技術(shù)，但其應(yīng)用仍處早期階段。今天我可以很自豪地說，遠景能源是全球第一個實現(xiàn)自研自制并大規(guī)模應(yīng)用滑動軸承的風(fēng)電整機企業(yè)。”全球軸承和旋轉(zhuǎn)動力學(xué)專家、遠景能源滑動軸承首席工程師Ümit Mermerta?博士日前對《風(fēng)能》談到：“目前我們的滑動軸承無論在臺架測試、齒輪箱測試、樣機測試，還是風(fēng)電場批量應(yīng)用上，都非常成功。”
全球軸承和旋轉(zhuǎn)動力學(xué)專家、遠景能源滑動軸承首席工程師Ümit Mermerta?博士
國產(chǎn)滑軸批量了
位于江陰的遠景能源傳動鏈工廠中，刺眼的藍色光芒正從幾臺熔噴涂覆機中發(fā)出，將具備特殊性能的合金涂覆到滑動軸承上，為其加持上足夠穩(wěn)定、足夠平整、足夠輕薄的覆層。
“傳統(tǒng)的滑動軸承技術(shù)，如襯套類和鑄造銅套類，在經(jīng)濟性上存在明顯不足，采用熔噴涂覆技術(shù)的企業(yè)屈指可數(shù)。” 遠景能源高級副總裁、風(fēng)機與裝備產(chǎn)品平臺總裁、首席產(chǎn)品官婁益民表示：“我們在德國多特蒙德成立傳動鏈齒輪箱COE(卓越中心)，并于2019年組建了專門的滑動軸承技術(shù)研發(fā)和試制團隊，成功探索出快速熔噴涂覆技術(shù)。”
據(jù)Ümit Mermerta?介紹，滑動軸承本身并不是新技術(shù)，它的應(yīng)用最早可追溯到古埃及時期。建造金字塔的工人使用液體潤滑的滑板將巨大的石塊運送到目的地，這種應(yīng)用類似滑動軸承功能。而滑動軸承在 19 世紀的工業(yè)革命中得到大規(guī)模普及。進入風(fēng)電行業(yè)前，滑軸已在汽輪機行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，最大的型號(如蒸汽輪機)超過 1.0GW。另外在汽車的引擎中，也有滑動軸承的身影。
風(fēng)電行業(yè)對滑動軸承的探索始于2009年前后。國際頭部風(fēng)電齒輪箱企業(yè)，如采埃孚與威能極，在2018~2020年左右實現(xiàn)滑動軸承齒輪箱批量應(yīng)用，搭載于維斯塔斯和GE Vernova等國際整機企業(yè)的大容量機組中。在國內(nèi)，雖然很多齒輪箱與整機企業(yè)都在致力獨立開發(fā)這項技術(shù)，但大多處于嘗試與改進階段，除遠景能源外，鮮有廠商能夠?qū)崿F(xiàn)自研自制批量化應(yīng)用。
“目前歐洲整機商，在新開發(fā)和交付產(chǎn)品上，基本已全部采用滑動軸承技術(shù)，在國內(nèi)這項技術(shù)也正得到迅速推廣，自2022年以來，遠景新開發(fā)的風(fēng)電機組有一半采用了該技術(shù)，未來開發(fā)的新產(chǎn)品將全系采用該技術(shù)。”遠景能源風(fēng)機產(chǎn)品開發(fā)管理負責(zé)人、風(fēng)機產(chǎn)品線副總經(jīng)理楊亞文告訴《風(fēng)能》。
遠景能源風(fēng)機產(chǎn)品開發(fā)管理負責(zé)人、風(fēng)機產(chǎn)品線副總經(jīng)理楊亞文
顯然，滑動軸承技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用的一個重點領(lǐng)域。行業(yè)能夠形成這樣的共識，源于該技術(shù)對風(fēng)電行業(yè)未來發(fā)展的重要意義。
一方面，滑動軸承可支撐機組大型化。婁益民認為，傳統(tǒng)滾動軸承已無法滿足更高功率的載荷應(yīng)用要求，而滑動軸承的應(yīng)用將突破這一限制。當(dāng)機組功率向10MW、20MW甚至30MW以上邁進，滑軸的應(yīng)用是實現(xiàn)這一跨越的關(guān)鍵。
“近些年來，齒輪箱扭矩密度已從過去的130Nm/kg，提升至目前的240+ Nm/kg，滑動軸承在其中就做出了不少貢獻。”楊亞文表示。
另一方面，滑動軸承可提升機組效率。由于滑動軸承運動部件間會產(chǎn)生一層油膜，避免了滾動軸承的摩擦問題，因而其運行效率更高，功率損失更少。據(jù)楊亞文介紹，相比于傳統(tǒng)的滾動軸承齒輪箱，采用滑動軸承的齒輪箱功率損失下降比例約20~25%，這意味著，在同等輸入條件下，風(fēng)電機組的發(fā)電量可因采用滑動軸承而提升約0.5%，折算到大兆瓦風(fēng)電機組20年甚至25年的發(fā)電收益相當(dāng)可觀。
此外，因為免去了金屬間的磨損，與滾動軸承相比，滑動軸承的理論設(shè)計壽命更長。“通過采用這項技術(shù)，未來我們可以顯著延長機組軸承壽命，支持25~30年的機組壽命要求。”楊亞文認為。
“當(dāng)然，要使滑動軸承完全取代齒輪箱內(nèi)的滾動軸承，還需要考慮技術(shù)可行性、商業(yè)案例或技術(shù)必要性。因為不同的技術(shù)路線有不同的應(yīng)用場景，我們會選擇在正確的位置使用正確的技術(shù)。”Ümit Mermerta?指出。
不簡單的零失效
事實上，歐洲早期風(fēng)電滑動軸承技術(shù)基本由齒輪箱廠家推動，與整機企業(yè)間難以做到深度融合，這導(dǎo)致一些廠家走了彎路，不斷做樣機、做測試、做改進，出現(xiàn)了一定失效率。反而是作為整機企業(yè)的遠景能源，所推出的滑動軸承在實際運行中無一失效，表現(xiàn)出更高的可靠性，這仍與其始終堅持自研自制有關(guān)。
“當(dāng)風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新進入深水區(qū)，必須有人在深水區(qū)先行先試、帶動整個行業(yè)技術(shù)進步。遠景這樣既有責(zé)任擔(dān)當(dāng)，又有相應(yīng)經(jīng)驗積累和技術(shù)能力的頭部企業(yè)責(zé)無旁貸。”婁益民告訴《風(fēng)能》：“滑動軸承技術(shù)不僅僅體現(xiàn)在軸承本身，而是需要一個完整的技術(shù)體系來支撐?；瑒虞S承的開發(fā)、試驗和試制并不算難，真正的挑戰(zhàn)在于如何將其與齒輪箱和整機完美結(jié)合，并確保其在實際運行中的高效性和可靠性。”
楊亞文進一步解釋：“滑動軸承的轉(zhuǎn)速和載荷等邊界條件都來自于對風(fēng)電機組的控制邏輯。我們希望通過對機組控制邏輯進行優(yōu)化，避免出現(xiàn)高載荷、低轉(zhuǎn)速，潤滑不足的情況，以免滑動軸承失效。” 在這個過程中，遠景能源的滑動軸承專家會識別出這些邊界條件，并與傳動鏈團隊、整機團隊、控制系統(tǒng)團隊一起聯(lián)合優(yōu)化各個環(huán)節(jié)的設(shè)計與控制邏輯，最終保證全生命周期度電成本最優(yōu)。
除得益于對滑動軸承-齒輪箱-傳動系統(tǒng)-風(fēng)電整機技術(shù)的穿透外，能實現(xiàn)滑動軸承零失效，還得益于遠景將測試驗證做到了極致。據(jù)楊亞文透露，“在滑動軸承的測試驗證環(huán)節(jié)，遠景至少已投資了上億元。”
例如，遠景的滑動軸承制造出來后，還要經(jīng)歷復(fù)雜的檢測程序。每一個軸承都會被送往單獨的精密檢測間中，進行CMM三坐標測量，以保證其宏微觀設(shè)計均符合要求。
“完成制造過程后，我們會進行著色滲透測試(PT)，也稱為紅白測試，主要是為了檢測軸承表面是否存在裂紋。隨后進行超聲波測試(UT)，檢查滑動軸承材料涂層的粘合質(zhì)量。”Ümit Mermerta?表示。
在生產(chǎn)車間一角的實驗室里，可以看到地面上整齊碼放了大大小小幾十個滑動軸承成品。有趣的是，這些軸承有的看上去并不完整，有的則附著了不同紋路的金屬薄膜。Ümit Mermerta?對此解釋，遠景生產(chǎn)的滑動軸承并不都會直接送到齒輪箱組裝車間，其中一些在最后的制造過程結(jié)束后，會被技術(shù)人員拿去破壞，以便取出探針，觀察冶金結(jié)構(gòu)和材料的化學(xué)成分，并進行進一步的廣泛測試，檢查和確認內(nèi)部質(zhì)量。這會彌補PT與UT技術(shù)檢測的不足。
Ümit Mermerta?向記者介紹滑軸檢測過程
除對滑動軸承本身的測試外，遠景能源還充分發(fā)揮自研優(yōu)勢，對其進行系統(tǒng)級測試。一方面，遠景能源的技術(shù)人員會識別出滑動軸承在風(fēng)電場運行時所承受的真實載荷，通過構(gòu)建完整的機組控制邏輯與載荷數(shù)據(jù)，確保測試輸入條件足夠清晰。另一方面，其測試環(huán)節(jié)不僅涉及載荷與轉(zhuǎn)速，還包括潤滑條件，如油溫和環(huán)境溫度等。
“在充分精準識別運行風(fēng)電場各類嚴苛載荷條件后，我們會把風(fēng)電場高風(fēng)險載荷環(huán)境復(fù)現(xiàn)到實驗室中，在實驗室里通過測試后，實際運行風(fēng)險就會大幅降低。”楊亞文補充指出。
遠景能源滑動軸承測試臺
又打開個“黑匣子”
2025年2月，遠景首款大兆瓦全集成傳動鏈樣機在江陰下線，可適配14~18MW風(fēng)電機組，將安裝于2024北京國際風(fēng)能大會暨展覽會上發(fā)布的Model Z Pro平臺機型。這款大兆瓦全集成傳動鏈由遠景能源自研自制，其中就搭載了同樣由該公司自研自制的滑動軸承。可以說，大到整個機組，傳動鏈系統(tǒng)，小到齒輪箱，甚至齒輪箱中的滑動軸承，遠景已全面實現(xiàn)了自研自制，這令其風(fēng)電機組的系統(tǒng)集成能力更上一層樓。
以滑動軸承為例，在楊亞文看來，“如果我們只是外購現(xiàn)成的標準產(chǎn)品，就無法做到技術(shù)的融會貫通，不能實現(xiàn)結(jié)合風(fēng)電機組，齒輪箱和滑軸技術(shù)綜合系統(tǒng)性的穿透，難以將其性能發(fā)揮到極致。因此，滑動軸承，無論是設(shè)計還是深度制造技術(shù)，我們都要充分穿透。”
在滑動軸承的自研自制過程中，遠景能源需要解決一系列挑戰(zhàn)。第一項挑戰(zhàn)是如前面所述的，風(fēng)電機組的高載荷低轉(zhuǎn)速應(yīng)用場景，與滑動軸承建立動態(tài)油膜所需的低載荷高轉(zhuǎn)速場景相悖。
當(dāng)滑動軸承發(fā)生相對運動時，會形成一層流體動力油膜，將其與行星輪隔離開來，使兩者之間沒有金屬接觸。Ümit Mermerta? 強調(diào)說：“在低速情況下，尤其是當(dāng)風(fēng)電機組在靜止狀態(tài)下自由旋轉(zhuǎn)時，流體動力油膜仍然難以形成，我們要防止這種情況造成問題。”
通過一系列預(yù)防措施，包括軸承的特殊設(shè)計、對潤滑油溫度和流量的了解和控制，并結(jié)合其獨特的設(shè)計、材料和制造技術(shù)，遠景確保軸承的可靠性滿足風(fēng)電場在所有運行邊界條件下的實際運行要求。
第二項挑戰(zhàn)是滑動軸承極高的清潔度要求，一些細微的硬質(zhì)顆粒進入軸承當(dāng)中，可能造成軸承磨損。這對滑動軸承的存儲與裝配環(huán)節(jié)提出了更高要求。
“我們要確保工廠的清潔度，對防塵措施有明確要求。例如需要一個獨立的區(qū)域進行裝配，相關(guān)人員進入前要做好特殊的防塵措施，保證滑動軸承在安裝過程中不會被污染。”楊亞文表示：“遠景的齒輪箱是自研自制的，這也對保持滑動軸承的清潔度有益，因為我們也會深度清洗齒輪箱中的其他零部件，控制齒輪箱整體的清潔度和清潔系統(tǒng)，避免相互污染。”
第三項挑戰(zhàn)是滑動軸承的精密制造，需要采用全新的、高科技含量的技術(shù)。例如，上文中提到的熔噴涂覆技術(shù)，在全球都處于領(lǐng)先水平，在國內(nèi)是獨一份的存在。而在熔噴涂覆流程結(jié)束后，還有數(shù)控機床對滑動軸承進行削切和清洗，在刻畫出潤滑油所流經(jīng)通道的同時，確保其孔洞中不存在有任何毛刺、顆粒、污垢等異物。整個過程簡短有序，但基本都由自動化設(shè)備完成，是遠景滑動軸承制造流程中，最具技術(shù)含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2021年7月，遠景能源第一臺采用滑動軸承的齒輪箱下線，當(dāng)年即在3MW樣機上開始并網(wǎng)測試。隨后，30多臺此類機組又被安裝于吉林通榆某項目，這也是遠景能源搭載滑動軸承的首個批量化項目。2023年2月，遠景能源首批搭載滑動軸承的海上風(fēng)電機組，在山東海域安裝，6月并網(wǎng)運行。目前遠景能源搭載滑動軸承批量運行超過一年的機組達到100多臺，已安裝的機組已有約500臺。
實現(xiàn)風(fēng)電齒輪箱中的滑動軸承零失效，推動滑動軸承得到更廣泛的應(yīng)用，在遠景能源看來是“走在一條難而正確的道路上”。因而，該公司新開發(fā)的機型與大批量交付的產(chǎn)品，都將應(yīng)用滑動軸承技術(shù)，未來搭載比例可達90%以上，基本與國外應(yīng)用比例一致。此外，遠景能源還將考慮在風(fēng)電機組的其他零部件上采用滑動軸承技術(shù)，包括主軸軸承。
對此，婁益民坦言：“我們正在探索如何將齒輪箱滑動軸承的研發(fā)經(jīng)驗應(yīng)用于發(fā)電機軸承和主軸承上，會不斷推出新的應(yīng)用，目前遠景還有很多與滑動軸承相關(guān)的前瞻性項目和產(chǎn)品正在開發(fā)當(dāng)中。”