收稿日期：2023-01-13

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2022YFB4201100）；重慶市技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展專項重點項目（CSTB2022TIAD-KPX0051）；國家海上風(fēng)力發(fā)電

工程技術(shù)研究中心開放基金（HSFD22005）

通信作者：朱才朝（1966—），男，博士、教授，主要從事風(fēng)電裝備系統(tǒng)動力學(xué)和智能控制方面的研究。cczhu@cqu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0045 文章編號：0254-0096（2024）04-0077-09

摘 要：首先，分析滾動軸承在風(fēng)電傳動系統(tǒng)中應(yīng)用的局限性，探討滑動軸承“以滑代滾”的可行性。然后，從風(fēng)電機組用滑動軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計、軸承材料、性能分析及優(yōu)化、試驗測試及應(yīng)用4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，綜述滑動軸承風(fēng)電應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)手段和面臨的困難。最后，對風(fēng)電機組滑動軸承的材料改性、一體化設(shè)計、延壽技術(shù)發(fā)展趨勢做出展望。

關(guān)鍵詞：滑動軸承；風(fēng)電機組；滾動軸承；齒輪箱

中圖分類號：TM614"""""""""""" """""""" nbsp;""""" 文獻標志碼：A

0 引 言

發(fā)展風(fēng)電是支撐中國實現(xiàn)“30·60”雙碳目標的關(guān)鍵途徑之一，中國風(fēng)資源儲量達1000 GW，發(fā)展?jié)摿薮?。風(fēng)電機組是開發(fā)風(fēng)能資源的重大裝備，截至2021年底，中國風(fēng)電累計裝機容量約340 GW，居全球第一［1］，預(yù)計“十四五”期間在“碳中和”及“風(fēng)光”總裝機12億kW以上雙重目標下，中國風(fēng)電每年平均新增裝機至少達50 GW，即“十四五”期間要完成2.5億kW的風(fēng)電裝機，目前中國海上風(fēng)電仍未實現(xiàn)全面平價上網(wǎng)，亟需通過核心技術(shù)升級實現(xiàn)風(fēng)電降本增效。

主軸軸承和齒輪箱軸承是風(fēng)電機組不可替代的基礎(chǔ)件，然而中國風(fēng)電滾動軸承被SKF、FAG、TIMKEN等外企長期“壟斷”，成本高、可靠性低，其中，5 MW及以上大功率風(fēng)電滾動軸承國產(chǎn)化率不足5%，滾動軸承在齒輪箱成本占比高達30%，且造成了40%的機組故障［2］；隨著風(fēng)電機組朝著10 MW+超大功率方向發(fā)展，未來20 MW風(fēng)電機組風(fēng)輪質(zhì)量將超過500 t［3］，滾動軸承將面臨徑向承載力不足、失效率和成本高等問題，亟需探索基于新軸承類型的風(fēng)電傳動系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。與滾動軸承相比，滑動軸承承載能力強、成本低，且全膜潤滑狀態(tài)下滑動軸承功率損失小，理論壽命無限制；據(jù)行業(yè)預(yù)測，同功率等級下滑動軸承齒輪箱扭矩密度可提升25%，成本可降低15%［4］，且滑動軸承結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)國產(chǎn)化制造，對于中國風(fēng)電滾動軸承擺脫國外“卡脖子”意義重大。然而，國內(nèi)外高校、研究機構(gòu)、企業(yè)在滑動軸承應(yīng)用技術(shù)研究方面缺乏與風(fēng)電傳動系統(tǒng)低速、重載工況結(jié)合，具有適用場景局限性等不足，整體上滑動軸承風(fēng)電應(yīng)用技術(shù)仍處于探索性研究階段。因此，研究大功率風(fēng)電機組用滑動軸承技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢不僅有利于彌補該方面分析文獻的缺失，而且有利于吸收和改進已有技術(shù)優(yōu)缺點，可為風(fēng)電機組滑動軸承技術(shù)提供參考。

基于此，本文首先介紹目前中國風(fēng)電傳動系統(tǒng)存在的問題，總結(jié)大功率風(fēng)電傳動系統(tǒng)軸承“以滑代滾”的可行性，分析滑動軸承風(fēng)電應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點和挑戰(zhàn)，展望風(fēng)電機組用滑動軸承發(fā)展趨勢。

1 風(fēng)電傳動系統(tǒng)存在的問題

風(fēng)電主軸系為多點彈性支撐且受到大風(fēng)輪傾覆力矩、偏航、變槳等交變載荷影響，極易產(chǎn)生微小損傷和故障累計導(dǎo)致風(fēng)電機組發(fā)生重大事故。風(fēng)電齒輪箱為復(fù)雜的多級行星傳動結(jié)構(gòu)，多源構(gòu)件承載變形耦合機理復(fù)雜，故障失效模式多樣［5］。隨著風(fēng)電機組朝著10 MW+超大功率方向發(fā)展，主軸及齒輪箱質(zhì)量及尺寸不斷增大，風(fēng)電滾動軸承內(nèi)外圈、滾道和滾珠的疲勞剝落、磨損等故障率將持續(xù)增加，嚴重制約了大功率風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)可靠性。

滑動軸承具有徑向尺寸小、承載能力強、成本低等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機和內(nèi)燃機等高速、輕載工程應(yīng)用場景，也可應(yīng)用于風(fēng)電傳動系統(tǒng)中替代滾動軸承，可大幅提升齒輪箱扭矩密度、降低成本，如圖1所示［6］。目前國外風(fēng)電及滑動軸承企業(yè)、高校以及研究機構(gòu)在風(fēng)電滑動軸承設(shè)計制造與試驗方面開展了大量應(yīng)用驗證研究，開發(fā)了風(fēng)電滑動軸承專業(yè)設(shè)計平臺，具備了滑動軸承齒輪箱產(chǎn)品系列化開發(fā)能力。德國MIBA、RENK研制的6 MW級風(fēng)電滑動軸承已小批量應(yīng)用，Winergy開發(fā)的3～5 MW系列滑動軸承齒輪箱已實現(xiàn)小批量應(yīng)用，Siemens、GE和Vestas等主機廠開發(fā)的2～5 MW應(yīng)用滑動軸承的風(fēng)電機組樣機已并網(wǎng)發(fā)電；中國重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)等科研高校開發(fā)了滑動軸承分析軟件，已在相關(guān)風(fēng)電企業(yè)應(yīng)用，大連三環(huán)復(fù)合材料技術(shù)開發(fā)股份有限公司（后文簡稱三環(huán)復(fù)材）開發(fā)了國產(chǎn)風(fēng)電主軸滑動軸承，并在哈電工程中心2 MW機組中應(yīng)用，金風(fēng)科技股份有限公司（后文簡稱金風(fēng)科技）開發(fā)了3 MW滑動軸承主軸系樣機，已成功并網(wǎng)發(fā)電，南京高速齒輪制造有限公司（后文簡稱南高齒）開發(fā)了2～6 MW級滑動軸承齒輪箱，并在上海電氣風(fēng)電集團股份有限公司（后文簡稱上海電氣）、浙江運達風(fēng)電股份有限公司（后文簡稱浙江運達）和美國GE等主機廠應(yīng)用。

國內(nèi)外風(fēng)電滑動軸承應(yīng)用總體處于并跑階段，然而中國開發(fā)的滑動軸承設(shè)計軟件缺乏與風(fēng)電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)耦合，滑動軸承齒輪箱及主軸系樣機普遍采用進口滑動軸承，相關(guān)應(yīng)用滑動軸承的風(fēng)電機組樣機運行驗證時間短，造成了中國在風(fēng)電滑動軸承基礎(chǔ)研究和應(yīng)用驗證等方面仍存在一定差距，因此開展滑動軸承在風(fēng)電傳動系統(tǒng)的應(yīng)用研究，對打破國外風(fēng)電高端滾動軸承的技術(shù)封鎖，實現(xiàn)中國風(fēng)電滑動軸承關(guān)鍵技術(shù)自主可控意義重大。

2 風(fēng)電機組用滑動軸承研究現(xiàn)狀

2.1 風(fēng)電機組用滑動軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計

風(fēng)電機組主軸系一般采用單主軸承或雙主軸承支撐，主軸承在運行過程中主要承受風(fēng)輪和主軸重力以及時變氣動載荷作用［7］，載荷波動大、幅值高（0～107 Nm），全壽命周期內(nèi)滑動軸承軸瓦周向承載不均勻，加之主軸運行轉(zhuǎn)速低（lt;20 r/min），造成主軸滑動軸承難以形成穩(wěn)定的全膜潤滑狀態(tài)，摩擦副的固體接觸摩擦?xí)?dǎo)致溫升過大；現(xiàn)有風(fēng)電主軸系滑動軸承通常采用非均布分塊瓦結(jié)構(gòu)，如圖2a所示。根據(jù)全壽命周期內(nèi)瓦面承載特征匹配不同的瓦塊密度，可同時兼顧軸系運行穩(wěn)定和制造成本。為承受大風(fēng)輪傾覆彎矩、偏航等非扭載荷，主軸系采用上風(fēng)向徑向軸承、下風(fēng)向徑向推力軸承的構(gòu)型，通過推力軸承承載主軸系運行過程中受到的非扭載荷，保證風(fēng)電機組的高可靠運行。三環(huán)復(fù)材前期開發(fā)了2 MW風(fēng)電機組主軸非均布分塊式滑動軸承，其分塊瓦設(shè)計可實現(xiàn)滑動軸承單瓦塊塔上更換，極大降低了風(fēng)電機組后期的運維成本。風(fēng)電齒輪箱具有復(fù)雜的多級行星傳動結(jié)構(gòu)，風(fēng)湍流引起的時變氣動載荷會通過主軸傳遞到齒輪箱，加之行星架重力和斜齒輪嚙合附加彎矩［7］，將導(dǎo)致不同嚙合相位下多行星滑動軸承載荷邊界時變，且附加彎矩易造成軸瓦局部應(yīng)力集中和邊緣磨損，影響滑動軸承服役壽命?，F(xiàn)有風(fēng)電齒輪箱行星滑動軸承通常采用圓瓦軸承結(jié)構(gòu)，根據(jù)摩擦副不同可分為銷軸-滑動軸承一體化和浮環(huán)軸承兩種技術(shù)路線，如圖2b所示。

銷軸-滑動軸承一體化構(gòu)型是目前使用最廣泛的行星滑動軸承結(jié)構(gòu)，通過銷軸-徑向滑動軸承過盈連接或激光熔覆加工，在滑動軸承外瓦面與行星齒輪內(nèi)孔之間形成潤滑油膜，以承受銷軸和齒輪徑向載荷，通過行星齒輪兩端面推力滑動軸承承受非扭載荷；浮環(huán)軸承是指滑動軸承在銷軸和行星齒輪之間浮動，在銷軸-滑動軸承和滑動軸承-行星齒輪之間將形成兩個摩擦副，且每個摩擦副的相對滑動速度都低于原軸承，具有摩擦功耗低、溫升易于控制等優(yōu)點；柔性銷技術(shù)可有效提升風(fēng)電齒輪箱均載性能，NREL在銷軸-滑動軸承一體化構(gòu)型的基礎(chǔ)上將柔性銷技術(shù)運用到滑動軸承齒輪箱中，通過柔性銷的變形補償作用，降低滑動軸承與齒輪內(nèi)孔產(chǎn)生重載接觸的風(fēng)險［8］，如圖2b所示。

針對風(fēng)電傳動系統(tǒng)中滑動軸承運動和承載特征，現(xiàn)有風(fēng)電滑動軸承均采用徑向推力滑動軸承組合，以提高風(fēng)電傳動系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，然而在低速重載工況下，滑動軸承潤滑場、壓力場和溫度場間存在復(fù)雜的非線性關(guān)聯(lián)，且徑向與推力滑動軸承二者之間的潤滑性能也會相互影響，造成滑動軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配困難；其次，現(xiàn)有風(fēng)電滑動軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏與傳動系統(tǒng)多體動力學(xué)耦合，無法實現(xiàn)風(fēng)電傳動鏈系統(tǒng)級的參數(shù)最優(yōu)匹配，不能充分發(fā)揮滑動軸承在提高扭矩密度、減小體積方面的潛力。

2.2 風(fēng)電機組用滑動軸承材料

滑動軸承表面磨損狀態(tài)直接決定軸承的服役壽命，因此軸瓦材料強度、干摩擦系數(shù)和體積磨損率等摩擦學(xué)性能是限制軸承服役性能和運行壽命的關(guān)鍵因素。風(fēng)電主軸滑動軸承承受超大風(fēng)輪和主軸的重力作用，對滑動軸承的承載性能要求較高，6 MW風(fēng)電主軸滑動軸承承載比壓接近15 MPa，長時高比壓運行下軸瓦面累計磨損將引起滑動軸承周向設(shè)計間隙不規(guī)則變化，造成軸瓦失效；其次，風(fēng)電機組啟停頻繁（年啟停次數(shù)≥2000次），啟動過程中軸瓦-軸頸重載接觸，合金材料軸瓦易產(chǎn)生膠合失效，現(xiàn)有風(fēng)電主軸滑動軸承軸瓦普遍采用PTFE（聚四氟乙烯）、PEEK（聚醚醚酮）等高性能復(fù)合材料，PEEK材料在70 ℃下（主軸承運行溫度）最大比壓可達120 MPa以上［9］，同時具有自潤滑特性、不易膠合和耐磨性強等優(yōu)點，即使在無油工況下也可保證短時間穩(wěn)定運行，已在塑料齒輪、滑動軸承中有較為廣泛的應(yīng)用［10］；德國亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)的主軸滑動軸承在風(fēng)電機組40%壽命試驗中未發(fā)生可見磨損［11］，中國三環(huán)復(fù)材采用復(fù)合材料配方設(shè)計與共混改性技術(shù)，開發(fā)了風(fēng)電主軸PEEK材料滑動軸承，軸瓦材料壓縮強度可達140 MPa，如圖3a所示。

高扭矩密度是風(fēng)電齒輪箱發(fā)展的永恒主題，三級行星傳動和滑動軸承技術(shù)的應(yīng)用，使齒輪箱結(jié)構(gòu)越來越緊湊和輕量化，其扭矩密度已突破210 Nm/kg，然而風(fēng)電齒輪箱超緊湊設(shè)計會導(dǎo)致運行溫升過高，加之高原地域低溫氣候影響，造成風(fēng)電齒輪箱軸承運行溫度跨度大（[-40～80 ℃]），寬溫域下滑動軸承潤滑介質(zhì)黏度和密度變化會嚴重影響其摩擦學(xué)性能；現(xiàn)有齒輪箱滑動軸承一般采用強度高、耐磨性和導(dǎo)熱性強的銅基合金材料，如圖3b所示。樊文欣等［12］通過試驗探究3種典型銅合金材料的磨損性能，發(fā)現(xiàn)在重載固體接觸下，粗糙峰接觸會導(dǎo)致銅合金材料產(chǎn)生微觀切削和擠壓變形，甚至出現(xiàn)黏著節(jié)點，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大；表面涂層技術(shù)可在軸瓦表面形成一層低摩擦、高耐磨的固態(tài)連續(xù)膜，可最大程度地延長滑動軸承的使用壽命，針對非理想工況，SKF已開發(fā)出超過35種特殊涂層材料以延長軸承的使用壽命，并提升其運行性能；美國國家可再生能源實驗室NREL開展了乏油工況下風(fēng)電齒輪箱磨損性能試驗，滑動軸承在54000次循環(huán)載荷下僅產(chǎn)生20 μm涂層材料磨損［8］；Winergy開發(fā)的銅鋅合金滑動軸承在風(fēng)電機組20 a壽命試驗中累計磨損小于4～8 μm［6］。

綜上，現(xiàn)有銅合金與復(fù)合材料可滿足穩(wěn)定工況下的風(fēng)電主軸及齒輪箱滑動軸承承載比壓和運行壽命需求，然而受風(fēng)速的不確定性影響，風(fēng)電機組全壽命周期內(nèi)會遭受頻繁的啟停與沖擊載荷等非理想工況，滑動軸承將不可避免地產(chǎn)生重載接觸，極易引起軸瓦材料產(chǎn)生嚴重磨損和永久塑性變形失效；此外風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)在儲存、運輸和未上電等特殊工況下，軸瓦材料易發(fā)生蠕變，產(chǎn)生永久性變形失效，因此亟需開發(fā)滑動軸承多相合金與復(fù)合材料改性技術(shù)，保證風(fēng)電滑動軸承在頻繁啟停與沖擊載荷過程中的運行可靠性，支撐未來風(fēng)電滑動軸承的批量化應(yīng)用。

2.3 風(fēng)電機組用滑動軸承性能分析及優(yōu)化

2.3.1 風(fēng)電滑動軸承軸瓦面輪廓設(shè)計

滑動軸承軸瓦面輪廓設(shè)計主要是通過表面織構(gòu)和修形等方式增加滑動軸承油膜厚度，降低啟動過程和軸頸偏斜下的軸瓦磨損，延長滑動軸承使用壽命。軸瓦表面織構(gòu)是指在軸瓦表面制備特定形狀、排布和尺寸的微結(jié)構(gòu)陣列，以獲得特殊的表面性能，表面織構(gòu)微結(jié)構(gòu)凹槽可儲存潤滑劑和軸瓦軸頸磨損產(chǎn)生的磨粒，減少啟動時的干摩擦接觸面積，相較于無織構(gòu)軸承，可在更低的速度下形成動壓油膜，如圖4所示。

不同織構(gòu)形狀對于滑動軸承的承載力、油膜厚度和摩擦系數(shù)的影響不同，三角形、矩形等線性底部輪廓對于提高油膜厚度較圓形底部輪廓織構(gòu)好［13］，矩形和圓形織構(gòu)對于承載力的提升效果優(yōu)于三角形和橢圓形織構(gòu)［14］，但三角形和橢圓形織構(gòu)的承載力具有取向效應(yīng)，即垂直于滑動方向橢圓形織構(gòu)承載力大于平行于滑動方向［15］，圓形邊緣或彎曲底部輪廓等織構(gòu)形狀對于摩擦系數(shù)和軸承剛度性能提升方面較直邊緣或平坦底部輪廓好［16］；隨著織構(gòu)寬度和間距的增加，軸承承載能力逐漸增加，隨著織構(gòu)深度的增加，軸承承載能力先增大后減?。?7］。此外，織構(gòu)區(qū)域面積和密度參數(shù)與滑動軸承摩擦學(xué)性能提升聯(lián)系緊密，表面織構(gòu)僅在軸承的收斂區(qū)提高軸承運行性能，而全織構(gòu)軸承性能提升效果有限［18］。

針對軸頸偏斜狀態(tài)下滑動軸承的減磨優(yōu)化問題，相關(guān)學(xué)者主要采用修形方式來降低邊緣磨損，滑動軸承修形主要通過改變軸瓦或軸頸的表面微觀輪廓來增加軸承邊緣油膜厚度，降低粗糙接觸和邊緣磨損，微觀修形在齒輪和滾動軸承領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用［19］。滑動軸承修形主要分為軸頸修形與軸瓦修形兩種，修形曲線主要為三角函數(shù)［20-21］和多項式曲線［22］等，如圖5所示，向果等［20］提出一種正弦曲線軸瓦修形方法，有效減小了滑動軸承邊緣磨損深度和平均粗糙接觸力，修形效果與修型參數(shù)和載荷工況密切相關(guān)；文獻［21］提出一種滑動軸承軸頸表面修型方法，發(fā)現(xiàn)合理的修型參數(shù)可有效增加瞬態(tài)沖擊載荷下滑動軸承的最小膜厚、降低軸承的平均摩擦和峰值摩擦；然而，軸承修型可能會引起軸承承載力下降、功耗增加等問題，劉崇培等［23］分析了表面織構(gòu)與軸瓦修形對滑動軸承潤滑性能的復(fù)合影響，發(fā)現(xiàn)合理的織構(gòu)參數(shù)可有效克服雙拋物線形修形引起的承載能力下降和功耗增加等負面影響。

風(fēng)電齒輪箱長期服役于重載工況，行星級銷軸易產(chǎn)生非均布柔性變形，加之斜齒輪嚙合附加彎矩和浮動構(gòu)件影響［24］，極易導(dǎo)致行星級滑動軸承軸瓦偏磨，惡化滑動軸承運行壽命，修型技術(shù)已在風(fēng)電滑動軸承中得到一定應(yīng)用［22］；軸瓦微尺度織構(gòu)有利于改善風(fēng)電啟動和沖擊載荷下滑動軸承摩擦副潤滑性能，然而相關(guān)織構(gòu)參數(shù)的設(shè)計需綜合考慮滑動軸承和傳動系統(tǒng)的摩擦動力學(xué)耦合，且有可能引入新的問題，例如重載啟動下可能會破壞織構(gòu)微結(jié)構(gòu)。

2.3.2 風(fēng)電機組用滑動軸承動力學(xué)分析

在風(fēng)電傳動系統(tǒng)中，滑動軸承油膜不僅起到承受載荷、減輕摩擦的作用，同時也是轉(zhuǎn)子-支撐-基礎(chǔ)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其摩擦學(xué)性能與傳動系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)相互耦合影響。張春鵬等［25］采用集中參數(shù)法建立滑動軸承行星級齒輪傳動動力學(xué)模型，分析了結(jié)構(gòu)柔性對行星級均載特性影響，發(fā)現(xiàn)滑動軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)與系統(tǒng)均載性能密切相關(guān)；Hagemann等［26-27］建立風(fēng)電齒輪箱行星滑動軸承熱彈流耦合模型，發(fā)現(xiàn)行星齒輪內(nèi)孔承載后會產(chǎn)生橢圓形變形和橫向扭曲變形，行星銷軸呈現(xiàn)S型扭矩變形，極大影響了滑動軸承油膜間隙形狀，造成了軸瓦邊界粗糙峰接觸和磨損，如圖6所示；董鵬等［28］建立薄壁行星輪系軸承載荷分布計算模型，發(fā)現(xiàn)行星齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪緣變形對軸承的接觸載荷、壓力分布和使用壽命有顯著影響；Lucassen等［29］建立風(fēng)電傳動系統(tǒng)多體動力學(xué)模型，提取齒輪箱行星滑動軸承運行載荷，并進行彈流潤滑性能求解，分析了不同載荷、運行轉(zhuǎn)速下行星滑動軸承運行可靠性。

上述研究關(guān)注于穩(wěn)態(tài)工況下的建模分析，風(fēng)電機組在啟動過程中，軸瓦等效載荷和相對速度具有時變性特征，加之多潤滑狀態(tài)共存，須考慮轉(zhuǎn)子瞬態(tài)動力學(xué)對滑動軸承潤滑性能的影響，崔淑慧等［30］基于平均流量雷諾方程，建立滑動軸承啟動過程的瞬態(tài)分析模型，發(fā)現(xiàn)增大滑動軸承設(shè)計間隙會減少固體接觸時間，從而使滑動軸承從混合潤滑更快地過渡到全膜潤滑狀態(tài)，并進一步分析了不同加速方式對啟停過程中滑動軸承潤滑性能的影響［31］；梁鵬等［32］進一步考慮了油膜黏性摩擦力和時變軸瓦載荷，分析了沖擊載荷對滑動軸承啟動性能的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊載荷介入啟動過程越早，滑動軸承的粗糙接觸越嚴重，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越差；向果等［33］建立滑動軸承-轉(zhuǎn)子摩擦動力學(xué)耦合的瞬態(tài)啟動模型，發(fā)現(xiàn)滑動軸承啟動階段的性能在很大程度上取決于軸瓦材料的彈性模量和硬度。

綜上，現(xiàn)有滑動軸承瞬態(tài)啟動過程仿真分析缺乏與風(fēng)電傳動系統(tǒng)多體動力學(xué)耦合，無法有效指導(dǎo)工程設(shè)計；而穩(wěn)態(tài)工況下動力學(xué)耦合主要以等效油膜剛度阻尼［34］和等效油膜力［35］兩種方式，前者技術(shù)成熟度和計算效率較高，但不適用于時序載荷譜下的仿真分析，后者可有效克服上述問題，然而風(fēng)電齒輪箱行星齒輪一般為3～8個，受時變風(fēng)載荷和構(gòu)件耦合變形影響，不同嚙合相位下多個行星滑動軸承間隙動態(tài)變化，潤滑狀態(tài)差異較大，即在任意齒輪箱動力學(xué)分析中，不同行星滑動軸承潤滑特性需要獨立計算，極大地增加了計算成本；采用簡化油膜力計算模型［35］、機器學(xué)習(xí)［36］或數(shù)據(jù)庫［37］等方法可有效提高計算效率，但在風(fēng)電傳動系統(tǒng)分析中的適用性還有待進一步驗證，后續(xù)仍需開發(fā)高效率滑動軸承齒輪箱摩擦動力學(xué)耦合分析技術(shù)。

2.3.3 風(fēng)電機組用滑動軸承優(yōu)化設(shè)計

風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)各構(gòu)件變形和滑動軸承彈流潤滑特性存在復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系，時變彎-扭復(fù)合載荷導(dǎo)致滑動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性復(fù)雜，在系統(tǒng)層面上實現(xiàn)滑動軸承寬徑比、相對間隙和齒輪參數(shù)最優(yōu)匹配，對提高滑動軸承潤滑性能和運行壽命運行至關(guān)重要，滑動軸承設(shè)計參數(shù)如圖7所示。

現(xiàn)有滑動軸承優(yōu)化主要有單目標優(yōu)化和多目標參數(shù)優(yōu)化兩種。前者算法設(shè)計簡單、收斂速度快、效率高，但可能會引起單一性能提升而整體性能下降的問題。因此，針對復(fù)雜運行環(huán)境下的滑動軸承一般采用田口優(yōu)化算法［38］、代理模型優(yōu)化、遺傳算法優(yōu)化［39］、粒子群算法［40］等方法等多目標優(yōu)化算法，然而上述優(yōu)化方法主要關(guān)注滑動軸承本身的潤滑性能提升，忽略了風(fēng)電傳動系統(tǒng)構(gòu)件變形與軸承潤滑性能耦合影響，例如軸頸不對中會影響齒輪副間隙，齒輪箱頻繁啟停會產(chǎn)生載荷沖擊，齒輪箱結(jié)構(gòu)變形與滑動軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)誤差補償影響等。因此，風(fēng)電齒輪箱滑動軸承參數(shù)優(yōu)化設(shè)計須綜合考慮齒輪模數(shù)、壓力角等宏觀齒數(shù)和微觀修形參數(shù)變化對傳動系統(tǒng)整體運行性能影響，實現(xiàn)齒輪嚙合精度與滑動軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，充分發(fā)揮滑動軸承的優(yōu)勢。

通過滑動軸承運行狀態(tài)監(jiān)測并匹配相應(yīng)的系統(tǒng)控制，可有效減少風(fēng)電機組服役過程中的啟停次數(shù)，避面滑動軸承嚴重磨損，提高滑動軸承在頻繁啟停、沖擊載荷等非穩(wěn)態(tài)工況下運行壽命。Prost等［41］采用聯(lián)合時頻分析方法分析了不同材料、潤滑劑、運行溫度和工況等組合下滑動軸承摩擦力矩、磨損狀態(tài)、瞬態(tài)振動和噪聲等運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)特征，提出基于威布爾分布的滑動軸承運行可靠性評估曲線，然而風(fēng)電齒輪箱滑動軸承-銷軸-齒輪的高度一體化集成設(shè)計導(dǎo)致滑動軸承油膜參數(shù)監(jiān)測難以實現(xiàn)。

針對上述問題，Hess等［36］考慮滑動軸承流-固-熱多場耦合影響，提出一種基于多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑動軸承油膜參數(shù)預(yù)測方法，但其主要評估了穩(wěn)態(tài)工況下的預(yù)測效果，對于風(fēng)電時變載荷、齒輪動態(tài)嚙合精度和滑動軸承動態(tài)間隙耦合等復(fù)雜工況下的適用性需進一步驗證；Jensen等［42］采用多物理建模方法，建立滑動軸承摩擦學(xué)、柔性轉(zhuǎn)子與基礎(chǔ)動力學(xué)、傳感系統(tǒng)、液壓制動器動力學(xué)和控制系統(tǒng)等多系統(tǒng)耦合的數(shù)字孿生模型，通過數(shù)字孿生模型對反饋控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，有效降低了轉(zhuǎn)子-軸承-基礎(chǔ)系統(tǒng)的振動。綜上，數(shù)字孿生技術(shù)未來可能會成為風(fēng)電滑動軸承智能運維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可大幅降低風(fēng)電研發(fā)和運維成本，然而風(fēng)電滑動軸承傳動系統(tǒng)是復(fù)雜的潤滑-結(jié)構(gòu)-動力學(xué)-控制多系統(tǒng)耦合，厘清傳動系統(tǒng)多參量之間的耦合機理是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的首要難題。

2.4 風(fēng)電機組用滑動軸承試驗測試及應(yīng)用

風(fēng)電機組常年在3600余種載荷工況下運行，開展滑動軸承零件級和齒輪箱部件級試驗測試，對于風(fēng)電傳動系統(tǒng)的性能驗證、參數(shù)迭代優(yōu)化和解決設(shè)計缺陷、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期至關(guān)重要。在風(fēng)電滑動軸承材料零件級磨損試驗方面，Winergy開展了2 MW風(fēng)電齒輪箱滑動軸承磨損性能試驗［6］，銅鋅合金材料滑動軸承在2000次啟停下磨損量小于1 μm，20 a壽命模擬下軸瓦累積磨損為4～8 μm；亞琛工業(yè)大學(xué)開展了CoCr+hBN（六方氮化硼）、CuAl+Poly（聚酯）、CuSn和CuSn+hBN共4種涂層滑動軸承磨損性能試驗，20 MPa比壓下4種涂層材料去除水約為104 μm2（常規(guī)參考值為106 μm2）［43］。

在風(fēng)電機組滑動軸承齒輪箱及主軸系部件試驗方面，太原重工股份有限公司（后文簡稱太原重工）開展了5 MW級滑動軸承齒輪箱臺架試驗，滑動軸承運行溫度低于60 ℃，溫升在10～15 ℃之間［44］；Winergy公司［6］開展了8 MW滑動軸承風(fēng)電齒輪箱臺架試驗，相較于滾動軸承齒輪箱，額定工況下滑動軸承齒輪箱噪聲水平下降3 dB，振動性能0.4 mm/s（滾動軸承1.2 mm/s）。NREL與Romax開展了1.5 MW滑動軸承風(fēng)電齒輪箱啟停和加速壽命試驗，額定工況下四行星輪滑動軸承風(fēng)電齒輪箱均載系數(shù)在0.95～1.05之間，5000次啟停循環(huán)試驗期間滑動軸承溫升穩(wěn)定［8］；亞琛工業(yè)大學(xué)開展了錐形滑動軸承主軸系統(tǒng)40%壽命模擬試驗，軸瓦未發(fā)現(xiàn)可見磨損［11］；金風(fēng)科技開發(fā)了3 MW滑動主軸承樣機，主軸系承載密度提升超過20%，維護成本降低超過60%，已實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電及滿發(fā)運行［45］。

在風(fēng)電滑動軸承產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用驗證方面，國內(nèi)外風(fēng)電整機及齒輪箱企業(yè)均在布局風(fēng)電滑動軸承技術(shù)，德國西門子、美國GE、丹麥VESTAS、上海電氣和浙江運達等主機廠先后開展了滑動軸承主軸系及齒輪箱樣機應(yīng)用驗證，如表1所示。與國外相比，中國在風(fēng)電滑動軸承應(yīng)用方面總體處于并跑，但仍存在風(fēng)電滑動軸承依賴進口、風(fēng)場應(yīng)用規(guī)模小、掛機運行驗證時間較短等問題，后續(xù)應(yīng)結(jié)合風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)風(fēng)電滑動軸承關(guān)鍵技術(shù)迭代更新。

3 風(fēng)電機組用滑動軸承發(fā)展趨勢

3.1 風(fēng)電機組用滑動軸承材料改性技術(shù)

風(fēng)電機組啟停與重載沖擊頻繁，齒輪箱構(gòu)件承載變形復(fù)雜、運行溫度高，易造成軸瓦與軸頸直接接觸，導(dǎo)致軸瓦產(chǎn)生膠合失效，需結(jié)合風(fēng)電機組低速重載工況特征，進一步開發(fā)風(fēng)電滑動軸承復(fù)合材料共混改性與合金材料強化技術(shù)，提高軸瓦材料的自潤滑性能、耐磨性和材料強度，保障軸承運行壽命。

3.2 滑動軸承風(fēng)電機組傳動鏈一體化設(shè)計技術(shù)

風(fēng)電傳動系統(tǒng)構(gòu)件變形和滑動軸承潤滑特性存在復(fù)雜的非線性耦合，時變彎-扭復(fù)合載荷導(dǎo)致滑動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動特性復(fù)雜，需開發(fā)風(fēng)電齒輪箱與滑動軸承摩擦動力學(xué)耦合分析技術(shù)，探索建模精度與計算效率雙約束下滑動軸承齒輪箱宏微觀參數(shù)高效匹配優(yōu)化方法，充分發(fā)揮滑動軸承、齒輪和傳動軸等部件的強度極限，實現(xiàn)風(fēng)電齒輪箱輕量化設(shè)計。

3.3 基于多源數(shù)據(jù)驅(qū)動的風(fēng)電滑動軸承延壽技術(shù)

現(xiàn)有試驗臺可利用聲發(fā)射和超聲等技術(shù)實現(xiàn)滑動軸承油膜參數(shù)監(jiān)測，但工程化應(yīng)用具有一定的局限性，齒輪箱滑動軸承僅可實現(xiàn)溫度信號監(jiān)測。后續(xù)應(yīng)充分結(jié)合滑動軸承溫度和傳動系統(tǒng)構(gòu)件振動、載荷信息，探索基于多源數(shù)據(jù)的滑動軸承綜合性能評估方法，并匹配相應(yīng)的運行控制策略，提升風(fēng)電機組的可靠性并延長軸承使用壽命。

4 結(jié) 論

針對中國風(fēng)電機組大型化發(fā)展趨勢和風(fēng)電傳動系統(tǒng)存在的問題，綜述了滑動軸承風(fēng)電應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)手段和面臨的困難，并展望了未來風(fēng)電機組用滑動軸承發(fā)展趨勢，主要結(jié)論如下：

1）銅基合金材料和PEEK類復(fù)合材料性能可滿足風(fēng)電傳動系統(tǒng)正常運行需求，但在頻繁啟停和重載沖擊等非理想工況下，滑動軸承易因重載接觸產(chǎn)生膠合和永久塑性變形，造成軸瓦失效。因此，亟需開發(fā)復(fù)合材料共混改性與合金材料強化技術(shù)，保證滑動軸承在非理想工況下的運行可靠性，支撐未來風(fēng)電滑動軸承技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)風(fēng)電降本增效。

2）現(xiàn)有滑動軸承分析方法不適用于時變載荷譜下的風(fēng)電傳動系統(tǒng)分析（計算成本高昂），無法充分發(fā)揮滑動軸承在齒輪箱輕量化設(shè)計方面的優(yōu)勢，需綜合考慮風(fēng)電傳動系統(tǒng)建模精度與計算效率，開發(fā)應(yīng)用滑動軸承的風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)一體化分析方法，為滑動軸承齒輪箱系統(tǒng)參數(shù)匹配提供技術(shù)支撐。

3）與國外相比，中國在風(fēng)電滑動軸承應(yīng)用方面總體處于并跑，但仍存在風(fēng)電滑動軸承依賴進口、風(fēng)場應(yīng)用規(guī)模小、掛機運行驗證時間較短等問題，亟需深入開展風(fēng)電滑動軸承摩擦動力學(xué)耦合基礎(chǔ)理論和綜合性能評估研究，支撐中國風(fēng)電滑動軸承國產(chǎn)化設(shè)計、制造與應(yīng)用。

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RESEARCH STATUS AND DEVELOPMENT TREND OF

SLIDING BEARINGS IN WIND TURBINE

Li Hao1，Zhu Caichao1，Tan Jianjun1，Sun Zhangdong2，Wang Hongxia2

（1. Chongqing University State Key Laboratory of Mechanical Transmission for Advanced Equipment， Chongqing 400044， China；

2. Colleqe of Mechanical Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China）

Abstract：Firstly， this paper analyzes the limitations of rolling bearings application in wind turbine transmission systems， and the feasibility of journal bearings \"replace rolling with sliding\" is explored. Then， from the four key links of wind turbine journal bearing structure design， bearing material， performance analysis and optimization， experimental testing and application， the existing technical means and difficulties faced by journal bearing application in wind turbine are reviewed. Finally， the development trend of material modification， integrated design， and life extension technology of wind turbine journal bearings are prospected.

Keywords：journal bearing； wind turbines； rolling bearing； gearbox