在轴承行业竞争日趋激烈的今天，各大轴承公司都争相在提高轴承产品性能方面下功夫，以期用高性能的产品赢得市场，立于不败之地。本文以NSK提高海上风力发电机的轴承设计、以及通过材料和表面处理提高轴承可靠性为例，介绍NSK在提高轴承性能方面的设计与技术。

1、引言

作为在位居前列的轴承公司，NSK拥有能够自主研发到销售、技术服务的全套经营体制。在自主研发方面，NSK投入大量资金，以四大核心技术为平台，重点研发提高轴承性能的产品设计、材料及制造工艺。本文介绍NSK在提高轴承产品性能方面的研发成果。

2、提高海上风力发电机性能的轴承设计

风能系统对轴承有两个关键要求：高性能和恶劣条件下的高使用寿命。这些要求尤其适用于风力涡轮机容量仍在增加的海上风场。NSKZ近开始为9.5MW涡轮机配套轴承，并且已经在为12MW级的海上涡轮机开发轴承。

然而，对风力发电机轴承提出高要求的不仅仅是性能能力。在海上，由于风速很高，甚至更大的静载荷和动载荷作用在转子上，因此，整个传动系统负荷很大。在陆上风电机组中，主轴承承受的载荷高达1MN；在海上风电机组中，则更大。

鉴于此，对风力发电机轴承的使用寿命提出了越来越高的要求。对于陆上涡轮机，制造商传统上规定轴承的设计使用寿命必须为175000小时，相当于20年。然而，由于海上风能系统的高投资成本和接入困难，规定了25年的使用寿命，这是计入了动态负荷的一个重大挑战。

这些载荷显然对轴承的选择有影响。在直驱风力发电机中，越来越多地选择双列圆锥滚子轴承作为主轴承。与以往常用的圆柱滚子轴承相比，圆锥滚子轴承具有预紧力可调的优点，从而可以获得更高的系统刚度。这种轴承的内径高达2.7米，这甚至挑战了的设计和制造理念。

对于齿轮传动系统的情况，附加驱动部件的重量通过发电机可以有更小的设计来补偿。每个功率容量等级的主转子轴承都有不同的设计概念。高达5兆瓦的系统通常采用球面滚柱轴承，而对于6兆瓦及以上的系统，两个圆锥滚柱轴承或双列圆锥滚柱轴承与圆柱滚柱轴承组合。

2.1 集成轴承

在齿轮传动系统中，带有两级或三级行星级的齿轮箱现在很常见。通常这些行星级与斜齿轮级结合在一起。几年来，人们一直倾向于使用所谓的集成行星齿轮。为此，NSK（与齿轮制造商密切合作）开发了无外圈的多列圆锥和圆柱滚子轴承。因此，行星轮的孔用作轴承的外滚道。

在某些应用中，使用四列整体圆柱滚子轴承。每级加上四颗行星，一组轴承总共包括16行。为了在所有轴承上获得均匀载荷，整套轴承的孔径和外切直径具有非常严格的公差。

另一个趋势是从单一供应商处采购涡轮机的所有轴承。这种市场趋势是NSK决定扩大其风电业务部门产品组合的具体原因之一，尽管该公司已经为变速箱和发电机开发和制造各种类型的轴承20年了。

2.2 研究WEC（白色蚀刻裂纹）

鉴于海上风力涡轮机对轴承的性能要求非常严苛，风电行业显然对轴承损坏非常敏感。技术专长使克服几乎所有典型的轴承损坏成为可能。例如，*的设计方法与高纯度的钢相结合，确保已经实际消除了风力发电机组轴承中的经典轴承疲劳失效。

然而，轴承行业仍在研究的一个领域是WEC（白色蚀刻裂纹）。这些裂纹是轴承损坏的迹象，在轴承使用寿命的早期出现。典型的损伤症状是滚道下方的白色结构（因此得名），导致裂纹的形成，Z终导致轴承失效。

长期以来，人们对WEC形成的确切原因还不清楚，尽管一系列实验表明，这种缺陷Z有可能是氢渗透造成的，但氢的来源仍然没有得到充分的解释。

进一步的研究表明，氢气的产生是在操作过程中发生的。Z初的假设是氢来自润滑剂及其添加剂的碳氢链；一种在典型损伤症状后得到证实的理论能够在实验室用某些类型的油和油脂重现。

因此，NSK开发了一种新材料，这种材料具有更高的抗氢渗透性和氢脆裂纹形成能力。虽然实验室试验已经成功完成，但这种材料制成的轴承目前正在进行实地试验。

2.3 应用状态监视

由于故障安全特性和长寿命要求，风能系统中的轴承是状态监测系统（CMS）的理想候选设备，该系统使用外部安装或集成的传感器来连续监测轴承的状态。可以及时检测和报告指示轴承损坏的异常情况。

现代CMS由海上风电场部署，以便及早发现异常情况，从而对系统的维护周期进行相应规划。NSK预计这类系统具有巨大的市场潜力。

3、提高轴承可靠性的材料和表面处理技术

使用专用轴承钢和表面处理可显著提高轴承的可靠性，进而有助于降低机械和设备的总拥有成本。

3.1 材料纯度、工艺与专用热处理

100cr6（或日本标准SUJ2）等合金轴承钢的疲劳寿命主要取决于夹杂物含量。尤其是氧化物或非金属夹杂物，会在滚道表面下产生负面影响。因为在氧化过程中，氧化铝夹杂物能导致轴承疲劳寿命大幅度降低。由于氧化铝夹杂物相对较硬，并且钢材加工时，可能会破裂（例如在锻造过程中），夹杂物收缩并削弱组织。

NSK与的