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深度分析風力發電機主軸軸承的發展

責任編輯:篮彩胜分差排余法  發布時間:2016-12-24
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風力發電機的主軸軸承是吸收風力作用載荷和傳遞載荷的主要部件,其性能的好壞不僅對傳遞效率有影響,而且也決定了主傳動鏈的維護成本。由于風力發電機組的惡劣工況和長壽命高可靠性的使用要求,使得軸承具有較高的技術復雜度,是公認的國產化難度最大的技術之一,成為影響我國風力發電制造業發展的軟肋。


在2010年10月國家工信部發布的《機械基礎零部件產業振興實施方案》中,風力發電機軸承被列為七大類需要重點突破的關鍵零部件之首。


基于風力發電行業和軸承行業發展的需求,國家知識產權局專利分析普及推廣項目風力發電機課題組從主軸軸承整體概況、主軸軸承技術發展路線、主軸軸承可借鑒的專利信息這三個方面,對風力發電機用主軸軸承進行了深度剖析。

一、主軸軸承整體概況

國內風力發電機上所使用的主軸軸承基本被三家國外供應商壟斷,這三家供應商分別是日本NTN,瑞典SKF和德國FAG(如圖1所示)。經過檢索獲得了主軸軸承全球專利申請464項,分析統計后得到該領域的主要申請人排名(如圖2所示),可以看到,這三家供應商日本NTN,瑞典SKF和德國FAG在主軸軸承領域申請量排名前三,這表明他們在主軸軸承領域有著絕對的優勢。雖然中國的國電聯合動力、瓦房店軸承和湘電風能也進入排名,但與上述三家巨頭相比申請量相對較少。


為什么風力發電機都使用進口的主軸軸承,而國產的主軸軸承得不到認可,國內企業與國外企業的差距在哪里呢?通過比較NTN、SKF、FAG與國電聯合、瓦房店軸承、湘電風能在主軸軸承領域的技術分布(如圖3所示),不難發現國外的這三家企業在各個技術分支上都有涉獵,而國內的這三家企業在有些技術分支上卻是空白。


從圖3中不僅可以看到國內企業在主軸軸承的各個方面都落后于國外企業,同時也可看到NTN、SKF、FAG在專利布局上的側重點有所不同。


二、主軸軸承技術發展路線——以NTN為例

圖4是NTN主軸軸承的技術發展路線圖,該圖上對應了部分相關專利,其中綠色表示未進入中國,黃色表示進入中國但未決,紅色表示進入中國且有效,藍色表示進入中國但失效。從圖中可看出NTN的研發重點是調心滾子軸承,從2003至2011年一直在結構方面持續申請,在申請結構的同時,還在防雷技術、潤滑、涂層、材料、監測、安裝、工藝等方面進行布局,形成了一個完備的專利體系。


從2005到2007年NTN開始研發圓錐滾子軸承,尤其在圓錐滾子軸承的保持架上申請了非常多的專利,多達數20項。從2010年開始,NTN的研發重點轉向監測維護,涉及軸承震動、磨損、潤滑油、狀態等方面的監測。在2013年,NTN公司還研發了新結構軸承,相比于調心滾子軸承和圓錐滾子軸承可以減小軸承的寬度,節省安裝空間。需要注意的是,軸承的監測維護是主軸軸承技術發展的趨勢。

三、主軸軸承可借鑒的專利信息

通過梳理NTN的技術發展脈絡,分析其專利布局,找到國內企業可以借鑒的專利信息。

首先,NTN未進入中國的專利申請,或者進入中國已經失效的專利申請,可以直接借鑒。例如,就軸承的布置方式而言,NTN的一個專利申請(如圖5所示),雙列圓錐滾子軸承31設置在主軸26上,其中一列圓錐滾子的內軌道面32a支撐在主軸的外表面。這種布置可以使得軸承的維護期被延長。由于該申請未入中國,該布置思路國內企業可直接使用。
其次,眾所周知調心滾子軸承和圓錐滾子軸承都是大型風力發電機廣泛采用的主軸軸承的類型,主軸軸承領域的申請人已經對這兩種軸承在結構、潤滑、密封、涂層、保持架等各方面申請了大量的外圍專利,形成了一個專利系統,國內企業想要從這兩種類型的軸承上再有所創新難度較大,因而國內企業應當將目光轉向研發新結構的主軸軸承上。

同樣以NTN的一項申請舉例(如圖6所示),滾動軸承的內外圈1、2之間夾設有多個滾子3,在圓周方向并列的滾子之間,設置間隔型的保持器4,由于多個滾子3按照在圓周方向并列的滾子的軸心L1、L2呈每一個或多個滾子的軸心輪流相互交叉的方式設置,因而該滾動軸承與現有技術的多列圓錐滾子軸承等比較,可以降低軸承的寬度,從而可以節省軸向的空間。

該申請進入中國但未決斷,不能直接使用,那國內企業應該怎么應對呢?在分析NTN的技術發展路線圖時可看到,其對調心滾子軸承和圓錐滾子軸承布局專利時,在結構不斷革新的基礎上,還從潤滑、密封、涂層、保持架、安裝等方面進行申請。


從這我們受到一些啟示,雖然該新結構軸承已經在中國申請專利,但是我們可以對該新結構軸承的結構上繼續研發,并從潤滑、密封、涂層、保持架、安裝等方面進行專利布局。


來源:國家知識產權局(ID:sipoprc),作者:專利分析普及推廣項目風力發電機課題組


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