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随着国内企业投入的增加、技术的提升,未来三五年,国产主轴轴承有望与国外品牌并驾齐趋,并在不远的将来实现更大范围的国产化替代。
主轴轴承作为风电机组的核心零部件,载荷复杂多变,可靠性及精度要求高,设计寿命需达到25年以上。由于技术难度大,国外品牌凭借技术和经验积累,长期占据国内大部分市场份额。近年来,随着国内企业在科研、技术、工艺等方面的提升,加上疫情影响和成本压力,国产风电主轴轴承有望在三五年内与国外品牌并驾齐趋,并在不远的将来实现更大范围的国产化替代。
主轴轴承国产化率逐年提高
我国风电装机规模多年呈持续上升趋势,因此,对主轴轴承需求量迅速增加。由于风电主轴轴承对寿命及可靠性要求很高,长期以来,舍弗勒、SKF、NTN三家国外企业占据国内市场的绝大部分份额,而海上风电机组所用的主轴轴承几乎为国外品牌垄断。
“近三年,受国产化替代影响,国外品牌市场份额(陆上风电)逐步降至65%左右。国内主轴轴承从设计到生产制造,和国外产品的差距在缩小。以洛轴为代表的国内主要轴承制造企业,主流机型所用的3~6.25MW主轴轴承已大批量装机使用,10MW以下的海上风电机组主轴轴承也进入研发、样机试用阶段。预计2022年,主轴轴承(陆上)国产化率可提高到40%。随着主机招标价格大幅走低,整机商对轴承等各零部件的成本关注度都在提升,主轴轴承国产化已是大势所趋。国内主轴轴承在保证产品质量的前提下价格优势更为明显,未来三年,国产主轴轴承市场占比超过进口轴承已成必然。”洛阳LYC轴承有限公司(下称“洛轴”)总经理于海波向《风能》表示。
大兆瓦主轴轴承研制难度增加
主轴轴承是风电机组中单价最贵、技术壁垒较高的轴承。风电机组朝着大型化方向迅猛发展,给技术含量较高的主轴轴承国产化带来了不少的挑战。看似只是尺寸的放大,难度却呈几何级增加。大尺寸意味着更高的载荷,加上转速高、运行时间长,这些都要求必须对设计、材料、冷热处理工艺、检测、试验等进行全面升级,也对生产设备和检测设备提出更为苛刻的要求。
常见的主轴轴承有三种:调心滚子轴承(SRB)、圆锥滚子轴承(TRB)、三排圆柱滚子轴承(CRB)。调心滚子轴承多用于双馈、5MW以下机型,其优点在于抗挠动性比较强。直驱和半直驱机型多采用圆锥滚子轴承和三排圆柱滚子轴承,适用于更大单机容量的机组。目前,圆锥滚子轴承是国内企业研发的重点。
设计是研制主轴轴承的关键环节。除风力载荷外,主轴轴承还要承受主轴、叶轮的重力载荷,工况复杂。在设计时,要求轴承具备良好的抗冲击性能、灵活的调心性能、优异的滚道抗疲劳性能。据上海电气风电集团股份有限公司轴承策略采购王怡介绍,一些能力较强的整机商会聘请专家设计,将设计图纸交给轴承厂生产。如果没有这方面专业能力的话,则需要供应商具备相应的设计能力或委托第三方进行设计。
材料的难点主要在于抗疲劳寿命,这与原材料中非金属夹杂物的类型、大小、分布有关。其中,脆性夹杂物以及大颗粒夹杂物对寿命的影响最大。因此,如何进一步提高轴承钢的洁净度,减小钢中夹杂物的含量与尺寸,提高碳化物的均匀性成为重点所在。此外,主轴轴承的硬度、强度、心部韧性与选材关系密切。为提高零件硬度、保证心表硬度一致,要求材料具有良好的淬透性、淬硬性及工艺适应性。目前,大兆瓦风电主轴轴承多采用渗碳钢、高淬透性钢和中碳合金钢。
业内专家表示,在轴承钢材料方面,国外品牌近些年培养了国内供应商,其工艺水平、冶炼水平进步很大,材料的纯度和化学成分能和国外企业媲美,但仍有差距。“外企主轴轴承的原材料也购自国内供应商,供应商按照客户的棒材放料锻造,轴承用钢都标着号牌,其金属含量的配比乃是他们的核心机密之一。”一位业内人士向《风能》透露。
就工艺而言,国内企业在研制、生产5MW以下风电主轴轴承上基本不存在难点。不过,更大兆瓦的主轴轴承工艺制造难度增加很多,如冷加工尺寸精度、热处理变形、滚动体修形、滚道凸度、材料内部组织控制,更优的表面处理技术,包括如何解决边界摩擦以及外界污染物介入后的润滑问题等。此外,加工更大尺寸的轴承需要更大更精密的加工、检测设备,而设备本身价格昂贵。
国产主轴轴承技术的进步也得到了外企的肯定。舍弗勒在给《风能》的采访回复中表示,随着调心滚子轴承应用经验的累积,针对客户的项目,国产轴承已经可以与进口品牌同时提供方案。并且随着轴承钢材料的工艺水平、冶炼水平的提高,感应淬火热处理的应用推广,以及生产上投资力度加大,国产品牌开发速度很快,为后续的项目开发储备了经验和产能。
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