斯凯孚张彬：风电产品（主轴承）可靠性设计优化
9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。
斯凯孚（中国）销售有限公司主轴承应用工程经理张彬出席大会并发表了题为《风电产品（主轴承）可靠性设计优化》的主旨演讲。以下为发言全文：
张彬：大家下午好，我是最后一个发言，希望能给大家带来一些有用的东西，我是斯凯孚的张彬，我主要负责风电轴承工作。我这边报告的，其实主要是三个部分，第一个是关于轴承的一些介绍，另外是轴承的意义，这两部分今天咱们在这说了很多，各位专家已经给出了非常有意义的介绍，我这边重点是介绍第三部分，如何提高轴承系统的可靠性。我这里面把风机的结构列在这，因为各位专家都是从业多年了，所以对这个结构很了解，那么可以看到，在这个结构里，我们轴承应该是主要有这么四个大的部分，首先在前面有？？轴承，然后最前面，我们可以看到在我右手这边，是我们的主轴承，然后中间是齿轮箱轴承，刚才来自南高齿的陈总给大家做了很多介绍，后面是发电机轴承，这是我们整个风机系统里主要的四大块，当然还有其它小的辅件，比如说各种阀，都会有小小的轴承。我们今天主要是关注在风机里的这几大块，我们可以看到，这张表是我们对于轴承寿命的一个理论曲线，其实轴承我们在风电行业里，所有涉及轴承，都是按照90%的可靠性来设计的，意思就是说我们的轴承设计寿命是20年，意思是说到20年的时候，我有90%的轴承，依然在正常工作，那有10%的轴承，在这二十年里会失效。其实这个数字可能对于好多从业者来说，还是有一点惊奇的，因为我跟很多主机厂的产品经理，或者他们项目的负责人去聊过这件事情，在他们的眼里觉得，寿命是20年，意味着到风机运行20年之后，正常情况下是不会出现轴承失效的。实际上情况是这样的，我们所有的东西都是有一个概率，尤其这种部件，我们可以看这张图，横轴其实就是轴承本身的寿命，我们可以简单理解为，从0到20年这么一个时间历程，那我们的总轴是它的失效概率，我们可以看到当我们的寿命，到达我们绿区边缘的时候，到了20年的时候，这时候，我们轴承是有10%失效的，过了20年之后，它的失效概率会大大增加，所以对我们在做结构设计，以及后期风机的时候，要进行充分考虑，考虑他20年后的失效，需要额外注意的东西。这是我们的一个设计，实际其实是像我们两副小图这种情况，像蓝色这种情况，有可能有些设备缺陷，以及后期的不当，可能实际情况是我们这种红线的情况，也就是说会比我们之前的设计，提早的出现了失效。其实我们一直致力于，希望本身产品能够按照我们设计的曲线来工作，来实现它的使命，而不是说出现了，像我们小图上这种提早的一个失效。其实出现我们小图上这种提早的失效，它也是有很多方面原因的，我在这里列出了轴承可靠性影响因素，我们尽量想把它归结为简单几大类，我们可以看到，轴承的可靠性，首先是跟我们本身机组的结构有关系，比如说我们用什么样的风机结构，是双惠类型的，还是直驱类型的，里面的轴承是两颗还是一颗，其实对轴承可靠性有影响。其次就是风载，现在风资源预测越来越准，对于风载可信度越来越高，但风载有一个不确定性，在上午专家演讲里也提到了，叶片越大，风载的不确定性会越高，所以它带来的设计之外的因素，设计之外的载荷，可能性也会更多。另外是控制因素，像今天下午早一点的时候，咱们中车这边的宋总也讲到了柔塔的设计，其实在柔塔设计的时候，就需要对控制额外关注，但是对控制做额外关注的时候，其实不可避免的，对于我们机组上的改革，是有比较明显影响的，但这些都是一些外部因素，讲到我们轴承本身的可靠性。但这些是属于咱们这边，比如说整机厂这方面，需要我们轴承零部件供应商和主机厂，一起去分析，一起去学习，然后避免的。另外作为轴承厂家，也需要自己独立承担的一部分，就是轴承自己的设计制造，以及轴承的运维情况。
这是轴承本身的一些分类，我们其实更多的是想如何就我们拥有的知识，拥有的这些资源，然后能够提高本身分辨轴承的可靠性，其实我们这边有三个大的方向，但是就是说最传统的，或者目前看起来最有效的方法，那就是说更多的投入。比如说我选择结构更大更强的轴承，或者说我投入更多的资源，来放到这上面，然后提高系统的可靠性，但实际情况应该是越来越不允许，我们去这么做，因为现在大环境是要我们有必要减少成本，分摊到每个零部件上，也需要有更高的性价比或者工业密度，所以说更多投入这条路，目前看下来应该是越来越难走。所以说面对我们来说，最好的选择，还是通过相应的技术创新，或者说我们本身的体系流程创新，能够在不增加成本，或者说在增加成本的情况下，增加更多性能的情况下，才是我们有效的出路。
也是我们对可靠性的一个简单的理解，我们可以看到横轴是我们本身的投入，纵轴是我们本身的收益，我们需要去致力于的，就是我们看到的黄色区域，我们希望我们在有投入的情况下，去获得本身轴承最大的一个收益，这也是为什么我们刚才看到，我们去通过投入更多的资源，更大的结构，是不可行的，因为它会走入一个瓶颈，你去投入再多的东西，在没有实质技术创新的情况下，它会走入瓶颈，你越投入，其实不会带来明显的提升。
我演讲主要想集中在这三个方面，一是技术创新，二是标准化，三是智慧运维，这方面来提升风机轴承产品的运行可靠性，我们首先来看技术创新。斯凯孚大家了解到，是一家知识性公司，我们在全球主要的区域都有研发中心，比如说在中国上海，然后在欧洲、在美国，以及在印度，都有相应的研发中心，然后我们希望通过每年营业额3%左右的投入，来提升系统的可靠性。我们的理念其实也是非常的朴实，就是说通过实验来验证我们的理论设计，其实我们在荷兰研发中心，有非常多资深理论专家，去做技术理论研究，那同时我们也更注重于我们实际的实验测试。那下面图上，是我们去年新建成的测试中心，这个测试中心其实是专门为我们风电行业去做的一个投入，我们从2015年开始建立测试中心，投入4000万欧元，把整个测试中心建立起来。目前可以看到，我们下图这个测试设备，它是可以去完全的实时模拟真是的工况，目前它可以模拟16兆瓦真实的工况，现在看下来，应该是全球最先进，最大的一个实验台，它的一个特点就是说，可以真实的模拟工况。我们知道风是实时变化的，我可以五赫兹的频率，实时去加载变化弯矩径向率，来模拟真实叶轮的载荷，从而实现整个风机，无论是极限测试还是疲劳测试。我们从去年建成以后，已经在和欧洲的几个厂家，在做它们产品的测试，同时我们也知道，中国其实是风电这个行业最大的市场，所以我们这边也在和咱们国内的几个主流厂家在做交流，应该说如果是一切顺利的话，那我们在今年的年底，或者是在明年年初的话，有希望和咱们国内的厂家，去做一个合作，然后把我们国内生产的一些关键性的大机组，比如说6兆8兆，这样等级的机组，然后放到我们测试台上，去做一个真实的测试拖动，然后我们再去做相应的设计优化，最终希望以非常高的可靠性，投放到整个市场上。
其实对于设计，我们还是非常去关注本身细节的设计，因为我们知道，其实对于风机，它有两个方面，第一个是外载荷，其实我们现在更多的是依赖于整机厂的载荷，另外是轴承本身的一个外部所处的环境，比如它的壳体，它本身的轴系。所以我们可以看到，我们本身的壳体的结构，做得越来越轻，越来越薄，我们结构本身的内部应力也越来越大，变形也越来越大，那转换到我们轴承上，其实就是轴承内部的受载情况越来越恶劣。对于这种真实的挑战，我们只有通过自己内部的一些革新，来不增加额外结构变化的情况下，提升我们的性能，对于这些，比如说我们现在对于市场上用的最多的，应该占市场份额70%左右的这种轴承，做了非常多的设计，这种设计是完全针对于风电行业的。因为大家知道，条形轴承在整个市场里，用得非常多，但风电有它本身的特点，首先风电机组的转速，一是比较慢的，一般只有十几转，第二它是不稳定的，是一个变载荷。另一点就是说，其实风电总体的运行温度不算苛刻，比如说轴承的温度，从四五十度到六七十度，是一个主流的温度趋势，这对于本身内部稳定性，其实是没有任何影响的。另外一个特点，其实它是一个长寿命的，20年的运行期，在后面，在风场上，风场本身的环境是非常恶劣的，无论是沙尘，还是潮湿的气侯，都是对轴承的长效运行是一个挑战。所以我们其实对这种风电特殊的工况，做了相对分析以后，对轴承做了相对的细节上的改进，比如说我们对轴承滚道，做了一些适当的修整，然后让滚子和滚道本身的接触更加的均匀。另外一个非常关键的就是说，我们本身的保持架，因为大家做机械的可能都非常清楚，轴承内部的运转，滚子本身是一个滑动的摩擦，它这个滑动摩擦，其实是磨损非常大的，要应对20年的话，是一个非常严苛的挑战，所以我们在这里，对保持架做了一个特殊的涂层，来有效减少运行中的磨损。另外就是说本身表面形貌的一个优化，轴承其实现在作为一个精密的零部件，它本身表面的数值可以做到0.1，这是一个方向，另外对于0.1的具体分布形势我，其实也是有非常多的理论基础去支持的，它的合理分布，能够让轴承有更好的性能，尤其是在很多情况下，润滑不了的情况下。另外我们对滚子和套圈做了一个处理，为了应对海上高风险的项目。
讲了这么多，这款产品其实总的下来，我们可以看到，它有几个大的方向的提升，首先是承载力，我们现在这款新的产品，承载力应该有40%的提升，这指的是径向载荷，轴向会有75%的提升，综合下来，这款产品对于寿命有60以上的提升。简单来说，本来可以运行二十年的产品，实际上可以保证同等条件下，应该会运行到30年，甚至更长的时间，这个收益是非常明显的。另外一个核心的问题就是说，我做了这么多改进，其实我产品本身的重量没有提升，我本身产品的成本也没有提升，反而是有所下降，所以真正实现了加量不加价，这么一个对市场的承诺。
另外一部分是标准化，这是一个齿箱的结构，齿箱里面有很多轴承，在国内厂家，一般有三五个平台，国内有超过十家以上的厂商，如果这样做的话，就会有四五十个，几十个产品，它对应的风险，可能就是四五十个，或者更多。所以我们希望在各个厂商里面，都是用一样的，这样的话，我们尽量把产品类型去单一下来，然后把我们的风险数量给控制下来，提高我们本身的可靠性。
另外一个是关于智慧运维，现在斯凯孚一直在推我们本身的旋转设备性能的方法，其实我们不只是一个做轴承的厂家，更不只是做产品，我们更多是做工程、做服务的厂家，所以说我们现在有一个非常强大的智慧中心，首先我们有自己的原系统，另外我们有非常完善的风机测试系统，比如说从本身振动的、温度的、转速的，能够接入到我们的园区，然后分析风机的运行状况，我们可以看到，我们现在致力于实际风机使用成本，或者维护成本，是我们下图这条红线，通过智慧运维，我们希望能够达到本身预见的一个水平，然后通过我们提前的预估、预判，合理的备价，提前更换，然后能降低本身运维的成本。
对于这边，我们有一个产品的演化，可以看到就是说，这个大箱子是我们最早期的一个监测系统，它的体积比我们前面这个讲台都大，当时其实对于行业来说，还是影响比较大的，因为我们很难把这么大的设备，拿到供应商去，我们意识到这种情况，可以看到迅速推出我们这个蓝色的，叫IMx-8，它的尺寸像一本字典大小，现在是我们主流在使用，我相信可能很多专家，都用过这个系统。后面我们在做的，就是说几款小的，它的大小和U盘一样，非常方便的可以拿到现场去检测轴承系统运行状态。后面我们在做的是嵌入式的，大概只有一两个厘米这么级别的，去嵌入到整个系统中，通过嵌入系统，实时追踪整个系统运行状况，为后期的运维提供一个有效的预判，我的内容就到这里，谢谢大家。
（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）
