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风力发电机主轴轴承产业分析报告
2016-11-28 10:03:09 阅读

  风力发电机的主轴轴承是吸收风力作用载荷和传递载荷的主要部件,其性能的好坏不仅对传递效率有影响,而且也决定了主传动链的维护成本。由于风力发电机组的恶劣工况和长寿命高可靠性的使用要求,使得轴承具有较高的技术复杂度,是公认的国产化难度最大的技术之一,成为影响我国风力发电制造业发展的软肋。在2010年10月国家工信部发布的《机械基础零部件产业振兴实施方案》中,风力发电机轴承被列为七大类需要重点突破的关键零部件之首。
 
  基于风力发电行业和轴承行业发展的需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目风力发电机课题组从主轴轴承整体概况、主轴轴承技术发展路线、主轴轴承可借鉴的专利信息这三个方面,对风力发电机用主轴轴承进行了深度剖析。
 
PART 1:主轴轴承整体概况
 
  国内风力发电机上所使用的主轴轴承基本被三家国外供应商垄断,这三家供应商分别是日本NTN,瑞典SKF和德国FAG(如图1所示)。经过检索获得了主轴轴承全球专利申请464项,分析统计后得到该领域的主要申请人排名(如图2所示),可以看到,这三家供应商日本NTN,瑞典SKF和德国FAG在主轴轴承领域申请量排名前三,这表明他们在主轴轴承领域有着绝对的优势。虽然中国的国电联合动力、瓦房店轴承和湘电风能也进入排名,但与上述三家巨头相比申请量相对较少。
 
 
  为什么风力发电机都使用进口的主轴轴承,而国产的主轴轴承得不到认可,国内企业与国外企业的差距在哪里呢?通过比较NTN、SKF、FAG与国电联合、瓦房店轴承、湘电风能在主轴轴承领域的技术分布(如图3所示),不难发现国外的这三家企业在各个技术分支上都有涉猎,而国内的这三家企业在有些技术分支上却是空白。从图3中不仅可以看到国内企业在主轴轴承的各个方面都落后于国外企业,同时也可看到NTN、SKF、FAG在专利布局上的侧重点有所不同。
 
 
PART 2:主轴轴承技术发展路线——以NTN为例
 
  图4是NTN主轴轴承的技术发展路线图,该图上对应了部分相关专利,其中绿色表示未进入中国,黄色表示进入中国但未决,红色表示进入中国且有效,蓝色表示进入中国但失效。从图中可看出NTN的研发重点是调心滚子轴承,从2003至2011年一直在结构方面持续申请,在申请结构的同时,还在防雷技术、润滑、涂层、材料、监测、安装、工艺等方面进行布局,形成了一个完备的专利体系。从2005到2007年NTN开始研发圆锥滚子轴承,尤其在圆锥滚子轴承的保持架上申请了非常多的专利,多达数20项。从2010年开始,NTN的研发重点转向监测维护,涉及轴承震动、磨损、润滑油、状态等方面的监测。在2013年,NTN公司还研发了新结构轴承,相比于调心滚子轴承和圆锥滚子轴承可以减小轴承的宽度,节省安装空间。需要注意的是,轴承的监测维护是主轴轴承技术发展的趋势。
 
 
PART 3:主轴轴承可借鉴的专利信息
 
  通过梳理NTN的技术发展脉络,分析其专利布局,找到国内企业可以借鉴的专利信息。
 
  首先,NTN未进入中国的专利申请,或者进入中国已经失效的专利申请,可以直接借鉴。例如,就轴承的布置方式而言,NTN的一个专利申请(如图5所示),双列圆锥滚子轴承31设置在主轴26上,其中一列圆锥滚子的内轨道面32a支撑在主轴的外表面。这种布置可以使得轴承的维护期被延长。由于该申请未入中国,该布置思路国内企业可直接使用。
 
 
  其次,众所周知调心滚子轴承和圆锥滚子轴承都是大型风力发电机广泛采用的主轴轴承的类型,主轴轴承领域的申请人已经对这两种轴承在结构、润滑、密封、涂层、保持架等各方面申请了大量的外围专利,形成了一个专利系统,国内企业想要从这两种类型的轴承上再有所创新难度较大,因而国内企业应当将目光转向研发新结构的主轴轴承上。
 
  同样以NTN的一项申请举例(如图6所示),滚动轴承的内外圈1、2之间夹设有多个滚子3,在圆周方向并列的滚子之间,设置间隔型的保持器4,由于多个滚子3按照在圆周方向并列的滚子的轴心L1、L2呈每一个或多个滚子的轴心轮流相互交叉的方式设置,因而该滚动轴承与现有技术的多列圆锥滚子轴承等比较,可以降低轴承的宽度,从而可以节省轴向的空间。
 
 
  该申请进入中国但未决断,不能直接使用,那国内企业应该怎么应对呢?在分析NTN的技术发展路线图时可看到,其对调心滚子轴承和圆锥滚子轴承布局专利时,在结构不断革新的基础上,还从润滑、密封、涂层、保持架、安装等方面进行申请。从这我们受到一些启示,虽然该新结构轴承已经在中国申请专利,但是我们可以对该新结构轴承的结构上继续研发,并从润滑、密封、涂层、保持架、安装等方面进行专利布局。(国家知识产权局专利分析普及推广项目风力发电机课题组)
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