文 | 譚凱，黃蓉

風(fēng)力發(fā)電機(jī)用主軸軸承的專利分析

文 | 譚凱，黃蓉1

主軸軸承是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，直接決定著機(jī)組的傳遞效率和主傳動(dòng)鏈的維護(hù)成本。統(tǒng)計(jì)顯示，從2004年—2015年，我國(guó)風(fēng)電企業(yè)在此方面的專利申請(qǐng)量有了大幅提升，但與國(guó)外相比，仍存在不小的差距。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，低速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)由齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。主軸軸承是吸收風(fēng)力作用載荷和傳遞載荷的主要部件，其性能的好壞不僅對(duì)傳遞效率有影響，而且也決定了主傳動(dòng)鏈的維護(hù)成本。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處的惡劣工況和長(zhǎng)壽命、高可靠性的使用要求，使得軸承具有較高的技術(shù)復(fù)雜度，是公認(rèn)的國(guó)產(chǎn)化難度最大的技術(shù)之一，成為影響我國(guó)風(fēng)力發(fā)電制造業(yè)發(fā)展的軟肋。

本文從全球?qū)＠暾?qǐng)態(tài)勢(shì)、中國(guó)專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)兩方面對(duì)主軸軸承的專利進(jìn)行分析，從而對(duì)比出國(guó)內(nèi)外技術(shù)的差距。其中，全球?qū)＠暾?qǐng)態(tài)勢(shì)分析的樣本來(lái)源于世界專利索引（WPI）數(shù)據(jù)庫(kù)，中國(guó)專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析的樣本來(lái)源于中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)（CPRS）。

主軸軸承全球?qū)＠暾?qǐng)態(tài)勢(shì)分析

為分析主軸軸承全球?qū)＠暾?qǐng)態(tài)勢(shì)，本節(jié)重點(diǎn)研究了主軸軸承的全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人排名、技術(shù)分布這三個(gè)方面。

一、申請(qǐng)趨勢(shì)

近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)朝著大型化、商品化、實(shí)用化、集群化方向快速發(fā)展，發(fā)電成本持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)不斷成長(zhǎng)壯大。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率的不斷增大，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套軸承的需求也不斷增加，從圖1可看出，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承的專利申請(qǐng)量可以分為以下3個(gè)階段：

（一）技術(shù)萌芽期（2002年—2005年）

2005年之前，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以兆瓦級(jí)以下機(jī)型為主，所采用的主軸軸承大多為通用軸承，相應(yīng)的主軸軸承的專利申請(qǐng)量一直較少。

（二）快速發(fā)展期（2006年—2010年）

2006年之后，由于世界清潔能源的需求上升，各國(guó)政府都制定了相應(yīng)的鼓勵(lì)政策，風(fēng)力發(fā)電機(jī)大型化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。主軸軸承的供應(yīng)商開(kāi)始大力投入到主軸軸承的研發(fā)上，主軸軸承的申請(qǐng)量從2005年起穩(wěn)步上升，到2010年達(dá)到峰值，達(dá)到60多件。

（三）技術(shù)穩(wěn)定期（2011年至今）

2011年之后，風(fēng)電機(jī)組市場(chǎng)出現(xiàn)短期飽和，2011年—2013年，主軸軸承總申請(qǐng)量一直維持在60件左右，而2014年—2015年的專利申請(qǐng)量受數(shù)據(jù)公開(kāi)滯后的影響，并不能準(zhǔn)確反映真實(shí)的申請(qǐng)量。

二、主要申請(qǐng)人排名

如圖2所示，對(duì)全球?qū)＠暾?qǐng)人進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。世界主要軸承制造商中，日本NTN、瑞典SKF以及德國(guó)舍弗勒排名前三位。從世界范圍來(lái)看，日本、歐洲和美國(guó)占據(jù)申請(qǐng)量的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。尤其是日本，有4家該國(guó)企業(yè)名列其中，包括NTN、NSK（日本精工）、三菱重工和光洋精工，占33.3%，表明了日本在主軸軸承上的技術(shù)領(lǐng)先地位。中國(guó)雖然也有3家企業(yè)上榜，包括國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)電聯(lián)合”）、瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“瓦軸”）、湘電風(fēng)能有限公司（以下簡(jiǎn)稱“湘電”），但申請(qǐng)量都較少，比如瓦軸在通用軸承上擁有先進(jìn)技術(shù)，但其在主軸軸承方面的相關(guān)申請(qǐng)就較少，這也從側(cè)面反映出中國(guó)在主軸軸承技術(shù)上的落后。

三、技術(shù)分布

總體來(lái)說(shuō)，集中于主軸軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)的專利申請(qǐng)占據(jù)多數(shù)，而其他如安裝拆卸、布置方式、材料工藝、監(jiān)測(cè)維護(hù)、潤(rùn)滑、密封、保持架等方面的專利申請(qǐng)數(shù)量相當(dāng)。圖3顯示了全球排名前12位的申請(qǐng)人在主軸軸承的專利申請(qǐng)技術(shù)分布上的申請(qǐng)量。排名前三位的NTN、SKF和舍弗勒三大軸承制造商主要著眼于主軸軸承的結(jié)構(gòu)，其在結(jié)構(gòu)上的專利申請(qǐng)量分別為：19項(xiàng)、25項(xiàng)和38項(xiàng)，大幅領(lǐng)先于其他申請(qǐng)人。而日本NTN除了在主軸軸承的結(jié)構(gòu)外，還在圓錐滾子軸承的保持架技術(shù)上申請(qǐng)了大量的專利，其申請(qǐng)量與結(jié)構(gòu)方面的申請(qǐng)量基本持平，顯示了其在保持架這一技術(shù)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。瑞典SKF除在主軸軸承的結(jié)構(gòu)外，各個(gè)技術(shù)分支的申請(qǐng)量比較均衡。德國(guó)舍弗勒則在主軸軸承結(jié)構(gòu)上大量布局，顯示了其在此方面擁有強(qiáng)大的技術(shù)儲(chǔ)備。另外，日本NSK在主軸軸承的材料工藝方面申請(qǐng)了大量專利，表明其在這一技術(shù)分支上的強(qiáng)大實(shí)力。此外，瓦軸作為軸承制造商，其專利申請(qǐng)主要集中在監(jiān)測(cè)維護(hù)和保持架上，與國(guó)外軸承制造商的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)不同，這也顯示出我國(guó)在主軸軸承的結(jié)構(gòu)、材料工藝上的落后。

圖1 主軸軸承領(lǐng)域全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

圖2 主軸軸承領(lǐng)域全球主要申請(qǐng)人

圖3 主軸軸承領(lǐng)域全球?qū)＠暾?qǐng)主要申請(qǐng)人的技術(shù)分布

主軸軸承中國(guó)申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分析

為分析主軸軸承中國(guó)專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)，本節(jié)重點(diǎn)研究了主軸軸承的中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人排名、技術(shù)分布這三個(gè)方面。

一、申請(qǐng)趨勢(shì)

如圖4所示，有關(guān)主軸軸承的申請(qǐng)，在國(guó)內(nèi)從2004年開(kāi)始出現(xiàn)第一件專利申請(qǐng)之后，總體分為3個(gè)階段：

（一）技術(shù)萌芽期（2004年—2007年）

由于主軸軸承的生產(chǎn)難度較大，長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口，國(guó)內(nèi)對(duì)主軸軸承的研發(fā)起步較晚，該階段與主軸軸承相關(guān)的專利申請(qǐng)量較少，主要申請(qǐng)人為國(guó)外公司，僅在2006年國(guó)內(nèi)公司提交了1件專利申請(qǐng)。

（二）高速發(fā)展期（2008年—2011年）

“十五”期間，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量不斷攀升，導(dǎo)致主軸軸承處于供貨緊張狀態(tài)，一些國(guó)外企業(yè)的產(chǎn)品合同交貨周期甚至達(dá)到了1年至2年，產(chǎn)品價(jià)格因市場(chǎng)供不應(yīng)求而相對(duì)較高 。2007年，《滾動(dòng)軸承風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承》出臺(tái)，2008年以后，國(guó)內(nèi)企業(yè)積極參與并致力于主軸軸承的研發(fā)工作。該階段與主軸軸承相關(guān)的專利申請(qǐng)量逐年增加，2008年，國(guó)內(nèi)企業(yè)提交了7件專利申請(qǐng)，從2009年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的申請(qǐng)量超過(guò)國(guó)外申請(qǐng)人。

（三）技術(shù)穩(wěn)定期（2012年至今）

2010年—2012年，風(fēng)電行業(yè)在經(jīng)歷了高利潤(rùn)、高速度的發(fā)展后，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，受行業(yè)洗牌、調(diào)整的影響，該階段與主軸軸承相關(guān)的專利申請(qǐng)量開(kāi)始回落。在2012年主軸軸承專利申請(qǐng)量出現(xiàn)低谷后，于2013年開(kāi)始反彈，這表明風(fēng)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷調(diào)整后其發(fā)展趨于理性，而2014年—2015年的專利申請(qǐng)量受數(shù)據(jù)公開(kāi)的滯后影響，并不能準(zhǔn)確反映真實(shí)的申請(qǐng)量。

二、主要申請(qǐng)人排名

如圖5所示，對(duì)主要申請(qǐng)人在中國(guó)申請(qǐng)的專利進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。其中，瑞典SKF以26件專利申請(qǐng)位居首位。在專利申請(qǐng)量排名前12位的申請(qǐng)人中，中國(guó)企業(yè)有5家，占比41.7%，這說(shuō)明國(guó)內(nèi)企業(yè)在主軸軸承領(lǐng)域具備較強(qiáng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)；德國(guó)企業(yè)有3家，占比25%；日本企業(yè)有2家，占比16.7%；瑞典和丹麥企業(yè)各有1家，占比8.3%。這些申請(qǐng)人中屬于整機(jī)制造商的有中國(guó)國(guó)電聯(lián)合、德國(guó)西門(mén)子、中國(guó)湘電、中國(guó)華銳風(fēng)電科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“華銳”）、丹麥維斯塔斯、日本三菱重工，它們的專利申請(qǐng)側(cè)重于主軸軸承應(yīng)用方面；其余的都為軸承制造商，它們的專利申請(qǐng)側(cè)重于主軸軸承結(jié)構(gòu)、布置方式等。

圖4 主軸軸承領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)及國(guó)內(nèi)/外專利申請(qǐng)趨勢(shì)

圖5 主軸軸承領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人排名

圖6 主軸軸承領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)技術(shù)分支占比情況

圖7 主軸軸承領(lǐng)域中國(guó)專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人技術(shù)分支

三、技術(shù)分布

圖6反映的是主軸軸承各個(gè)技術(shù)分支上的專利申請(qǐng)量情況。從該圖中可看出，大部分專利仍集中于主軸軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面（占31%），安裝拆卸、布置方式、監(jiān)測(cè)維護(hù)、潤(rùn)滑、密封、保持架方面的專利申請(qǐng)占比基本相當(dāng)。而制約我國(guó)風(fēng)電軸承行業(yè)發(fā)展的材料工藝技術(shù)的專利申請(qǐng)量較少，這是因?yàn)楹芏鄧?guó)外用于風(fēng)電傳動(dòng)系中的軸承產(chǎn)品已進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，但其核心技術(shù)并沒(méi)有在中國(guó)公開(kāi)。此外，由于目前市場(chǎng)的維修成本大于更換成本，并且維修后的風(fēng)險(xiǎn)不易把控，風(fēng)力發(fā)電機(jī)上主軸軸承的維修案例極少，絕大部分場(chǎng)合還是選擇更換主軸軸承。因此，主軸軸承的安裝以及監(jiān)測(cè)的專利申請(qǐng)量所占比例較大，其所體現(xiàn)的也是近年來(lái)機(jī)組軸承領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，即軸承尺寸的不斷增大，損壞后更換的成本增加，相應(yīng)地對(duì)于其安裝和運(yùn)行的技術(shù)要求也越來(lái)越高，因此申請(qǐng)人對(duì)于這些領(lǐng)域的專利保護(hù)也愈加重視。

圖7反映的是主要申請(qǐng)人在各個(gè)技術(shù)分支上的專利申請(qǐng)量。由該圖可以看出，在結(jié)構(gòu)上，瑞典SKF、日本NTN、德國(guó)西門(mén)子、德國(guó)舍弗勒申請(qǐng)量較大；在安裝拆卸上，中國(guó)國(guó)電聯(lián)合、瑞典SKF、中國(guó)湘電申請(qǐng)量較大；在材料工藝上，日本NTN申請(qǐng)量較大；在監(jiān)測(cè)維護(hù)上，中國(guó)瓦軸和中國(guó)上海聯(lián)合滾動(dòng)申請(qǐng)量較大；在潤(rùn)滑上，日本NTN申請(qǐng)量較大；在密封上，中國(guó)國(guó)電聯(lián)合、中國(guó)華銳申請(qǐng)量較大；在保持架上，日本NTN、瑞典SKF公司、中國(guó)瓦軸申請(qǐng)量較大。由于主軸軸承領(lǐng)域整機(jī)制造商與軸承制造商之間缺乏技術(shù)合作，整機(jī)制造商在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系時(shí)簡(jiǎn)單地把軸承設(shè)計(jì)工作外包給軸承制造商，整機(jī)制造商在應(yīng)用主軸軸承時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一系列應(yīng)用問(wèn)題，因而整機(jī)制造商多在潤(rùn)滑、密封、監(jiān)測(cè)、安裝方面申請(qǐng)相關(guān)專利。

小結(jié)

我國(guó)風(fēng)電軸承制造與國(guó)外存在差距，材料是主要因素，其次為風(fēng)電軸承設(shè)計(jì)、工藝水平和工藝裝備。盡管我們制定了JG/T10705－2007《滾動(dòng)軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承》和修訂了GB/T18254－2002《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其中碳化物、偏析、含氧量和夾雜物等要求有所提升，但受制于國(guó)內(nèi)鋼企冶煉技術(shù)和成本等因素，完全實(shí)施仍有很大難度，這就造成國(guó)內(nèi)風(fēng)電軸承質(zhì)量先天不足，風(fēng)電軸承的壽命、可靠性及一致性遜色國(guó)外產(chǎn)品。

在分析全球和中國(guó)主軸軸承專利時(shí)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于材料和工藝方面的專利申請(qǐng)很少，因而在這方面的借鑒和啟示也寥寥無(wú)幾，想要在材料和工藝方面尋求主軸軸承的突破難度較大。但是，關(guān)于主軸軸承其他方面的申請(qǐng)很多，因而可以考慮從其他方面著手打破主軸軸承的制造瓶頸。

（作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局機(jī)械發(fā)明審查部風(fēng)力機(jī)械處）

1 黃蓉等同于第一作者