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自研主轴承打通产业链“最后一公里”,这很中国风机!

   2023-12-19 国际能源网/风电头条16360
核心提示:有力推动了我国风电供应链变成“合作链”“共赢链”,代表中国制造业最高水平跻身全球第一梯队。

编者按

健康、自主、可靠的产业链对于风电发展至关重要,其中自研是核心基础,制造是重中之重,最终都指向高效可靠的交付。

对核心部件的理解程度,直接决定整个风机系统效率和安全性的提升。作为风机国产化的引领者,远景自2009年起,从基础研究入手,坚持做难而正确的事,一路打开变频器、变桨系统、发电机、叶片、齿轮箱、主轴承等核心部件设计和制造的黑匣子,持续推动风机性能、可靠性、成本良性平衡。

经过三十余年的发展,中国风电步入“无人区”,在技术创新、产品形态等方面已无太多经验可借鉴。远景用民族情怀开拓风电技术“深水区”,在多个领域代表中国风电最高水平跻身全球一流。

从简单的系统集成到逐步提升整机国产化率,再到核心部件自研自制、产业链垂直整合,全面迈入3.0时代的中国风电产业已经驶入“无人区”。这意味着没有先例可循,没有经验可鉴,只能先行先试,大胆探索。

作为风机国产化卡脖子的“最后一公里”,主轴承曾长期困扰着中国风电制造业,特别是与渐成主流的大兆瓦风机匹配的大型主轴承,在国际上也缺少量产经验,遑论实际运行。如今,在“无人区”独舞的中国风企正在创造历史——远景自研自制的主轴承5年交付4600台,运行零失效,形成了从设计、制造、测试验证到可靠性运行的闭环,不仅将风机的性能和可靠性提升到前所未有的新高度,更有力推动我国风电供应链变成“合作链”“共赢链”,代表中国制造业最高水平跻身全球第一梯队。

形成全流程闭环

实现全过程管理

主轴承是高精密件,精度控制要求高达微米级,对设计、制造、质量管理各环节均提出极高要求。长久以来占据中国风电市场的国际知名轴承品牌虽然有深厚的技术沉淀,但也存在短板:在盈利目标的驱动下,轴承产品尽可能统一化、标准化,才能减少研发和生产成本,适用于更多市场和行业,为风电行业“量身定制”几无可能,更多是把标准化的产品供给风机厂家,很多实际应用中的问题由此而生。国内轴承企业进入风电行业较晚,同样制造通用轴承产品较多,对风电主轴承的理解不深,与风机相匹配的产品设计更无从谈起。

如何从风机实际应用工况出发,定制化主轴承产品,更好实现与风机控制的协同,进而打造一款完全适用于风机产品和应用场景的主轴承,成为摆在全行业面前的一道难题。

除了自研自制,别无他途。

然而,自研自制主轴承绝非易事。远景自研轴承团队表示,除了在设计源头需要与风机控制、运行场景相匹配,主轴承的制造对精度控制要求也很高,不仅需要先进的制造设备和高标准的物料,与之相关的人员配置和培训也得跟上,更需要实现批量产品一致性的全流程严格质量把控。批量制造稳定性的控制能力,是对轴承制造商最大的考验。

可靠的主轴承离不开源头的最优设计、模拟风机真实工况的测试验证、严格的制造过程管理。5年前,远景组建了汇集各行业顶尖人才的团队,与供应链企业形成合力,在设计源头、制造技术、质量控制三个环节同时发力,开始打造真正适合风机产品和应用场景的主轴承。

严把质量关口

坚守源头创新

承载能力是衡量轴承性能的关键指标,高承载能力主轴承让风机运行寿命更长。

然而,轴承的最终品质与基础原材料和底层技术密切相关。例如,材料疲劳会直接影响主轴承的寿命。只有最大程度剔除其中的非金属夹杂,严格控制钢材的洁净度,才能延缓材料疲劳的发生。

正是源于对原材料纯净度检测和把关的高度重视,远景成立了自己的轴承原材料标准和检测要求,也是当前行业的最高标准。

“此外,为了保证热处理后表面形成足够的压应力,我们通过新的热处理技术在提高耐磨性的同时,极大延缓局部微裂纹的扩展,从而提高轴承整体承载能力并大幅提升轴承的运行寿命。” 远景自研轴承团队介绍说。

由于风机载荷动态变化,滚子的运动会导致主轴承运行过程中产生滑动和磨损,这些磨损是轴承剥落的起源。针对这一现象,远景领全球之先,将摩擦功理论和技术应用到风电领域,有效掌控了风机载荷引起的摩擦磨损,显著延长了主轴承寿命。

理论和技术的创新离不开严格的测试验证。

过去几年,远景在测试验证方面投入巨大:成为国内第一个投资了五自由度测试平台的风电整机厂家、建成全国最大的具备动态弯矩加载能力的主轴承测试台、同时拥有20兆瓦级别中国唯一能够实现弯扭耦合的传动链测试台。

▲中国最大的具备动态弯矩能力的风电主轴承测试台

远景自研轴承团队表示,一些国外品牌的零部件供应商虽然也有自己的测试台,但大多只能做静态工况的加载,而风机的实际工况瞬息万变,最大程度模拟真实工况的测试平台才能更好地为零部件质量保驾护航。除了行业常规的纯扭矩加载,远景测试平台还能实现弯矩加载、扭矩和弯矩的耦合加载,同时还能实现冲击载荷、交变载荷和波动载荷的测试,最大程度接近风机的实际应用工况。

“远景的测试台可以模拟风机的真实输入。我们在主轴承和传动链布置了上百个传感器,针对主轴承在波动载荷下的温度、位移、应变、偏转角,特别是对滚动体做了非常详细的姿态和受力监测。通过这些监测数据,我们捕获并建立了外部工况引起的摩擦磨损的理论模型。” 远景自研轴承团队说。

再加上远景独有的伽利略系统监测每台风机主轴承的受载和疲劳状态,近万台风机数据进一步修正了测试台架得出的理论模型。数据积累越多,批量风机运行态与轴承寿命可靠度相关的模型就越精准,这也是以远景为代表的整机商独一无二的优势所在。

在业内看来,只有风电整机商能够把轴承本身的基础特性同风机运行的特性结合在一起。通过台架测试和风场运行数据反馈,还可以依据轴承的状态实现风机的载荷控制,提高轴承的寿命,进而提升整个系统的可靠性。

远景过去5年累计开发了14款主轴承产品,交付了230多个项目,总交付量达到4600台,至今零失效,这是国际顶尖轴承供应商都未曾达成的业绩。通过设计、质量、认知的提升,基于创新理念设计的主轴承比基于常规认知设计的主轴承,能助力风机降低单位千瓦制造和运营成本,特别是在海上大兆瓦风机运维成本居高不下的今天,主轴承可靠性提升的价值创造不言而喻。

赋能零部件商

带动全产业链

正如业内所说,风机主轴承国产化进程缓慢,并非是单方面的设计、加工或质量管理卡脖子,而是每个环节环环相扣,只有悉数打通,才能生产出可靠、可批量交付的产品。

远景正是通过多年的经验积累才有了今天的认知,并把这种认知融入到每个环节之中。对于风电开发商而言,远景提供了性价比更优,可靠性更高的整机产品;对于主轴承等零部件供应商而言,远景把自己对整机、系统和部件的深刻理解赋能供应商,帮助供应商制造出更契合整机系统、更适合实际运行工况的主轴承产品。

远景自研轴承团队说:“我们对主轴承代工厂是全方位、全过程、全制造体系的赋能,而不仅仅是工艺支持或质量检测上,除了自有的设计开发和测试验证活动外,我们深度参与代工商的设备选型、产线布局、供应链规划、工艺放行等。随着交付能力的提升,除了常规的供应商管理活动外,还驱动了数字化、智能化的高端制造软硬件配置,加速推进现场自动化管理、数字化文档管理,具备高效的追溯能力,进而和远景智慧平台对接实现全生命周期的质量管理。”

远景对供应商的管理是从源头开始的,钢材、热处理、机加工、装配、出厂检验等全过程都有专业的集成开发团队负责全链条的开发、评审、验证和放行,保证设备、工艺、人员等生产要素和过程管控都能满足高质量交付的要求,同时批量生产的质量监造会将每一个生产节点的数据反馈回远景质量管理平台进行大数据分析,保证轴承制造过程能力的稳定受控。

远景目前自研的4600台主轴承虽然都用于自有品牌风机,但在与零部件供应商的合作过程中,后者能够把制造和质量管控能力复用于其生产制造全领域,整体上带动中国风机制造产业链水平的提升。

正是由于风电整机商积极发挥“链主”作用,积极赋能主轴承供应商,进而扩大国产供应商的整体交付能力,才能最终促进本土供应链竞争力提升,保证了我国风机制造产业链的安全、稳定和高效。

目前,风电行业主轴承国产化比例从2021年前的10%左右提升到48%左右,自研主轴承平均成本比国外品牌降低了30%以上,有力支撑了风电产业的高质量发展,帮助风电行业穿越低价竞争的周期,在全球供应链格局变化中更具竞争力。

 
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