隨著國內企業(yè)投入的增加、技術的提升，未來三五年，國產(chǎn)主軸軸承有望與國外品牌并駕齊趨，并在不遠的將來實現(xiàn)更大范圍的國產(chǎn)化替代。
主軸軸承作為風電機組的核心零部件，載荷復雜多變，可靠性及精度要求高，設計壽命需達到25年以上。由于技術難度大，國外品牌憑借技術和經(jīng)驗積累，長期占據(jù)國內大部分市場份額。近年來，隨著國內企業(yè)在科研、技術、工藝等方面的提升，加上疫情影響和成本壓力，國產(chǎn)風電主軸軸承有望在三五年內與國外品牌并駕齊趨，并在不遠的將來實現(xiàn)更大范圍的國產(chǎn)化替代。
主軸軸承國產(chǎn)化率逐年提高
我國風電裝機規(guī)模多年呈持續(xù)上升趨勢，因此，對主軸軸承需求量迅速增加。由于風電主軸軸承對壽命及可靠性要求很高，長期以來，舍弗勒、SKF、NTN三家國外企業(yè)占據(jù)國內市場的絕大部分份額，而海上風電機組所用的主軸軸承幾乎為國外品牌壟斷。
“近三年，受國產(chǎn)化替代影響，國外品牌市場份額（陸上風電）逐步降至65%左右。國內主軸軸承從設計到生產(chǎn)制造，和國外產(chǎn)品的差距在縮小。以洛軸為代表的國內主要軸承制造企業(yè)，主流機型所用的3~6.25MW主軸軸承已大批量裝機使用，10MW以下的海上風電機組主軸軸承也進入研發(fā)、樣機試用階段。預計2022年，主軸軸承（陸上）國產(chǎn)化率可提高到40%。隨著主機招標價格大幅走低，整機商對軸承等各零部件的成本關注度都在提升，主軸軸承國產(chǎn)化已是大勢所趨。國內主軸軸承在保證產(chǎn)品質量的前提下價格優(yōu)勢更為明顯，未來三年，國產(chǎn)主軸軸承市場占比超過進口軸承已成必然。”洛陽LYC軸承有限公司（下稱“洛軸”）總經(jīng)理于海波向《風能》表示。
大兆瓦主軸軸承研制難度增加
主軸軸承是風電機組中單價最貴、技術壁壘較高的軸承。風電機組朝著大型化方向迅猛發(fā)展，給技術含量較高的主軸軸承國產(chǎn)化帶來了不少的挑戰(zhàn)?？此浦皇浅叽绲姆糯?，難度卻呈幾何級增加。大尺寸意味著更高的載荷，加上轉速高、運行時間長，這些都要求必須對設計、材料、冷熱處理工藝、檢測、試驗等進行全面升級，也對生產(chǎn)設備和檢測設備提出更為苛刻的要求。
常見的主軸軸承有三種：調心滾子軸承（SRB）、圓錐滾子軸承（TRB）、三排圓柱滾子軸承（CRB）。調心滾子軸承多用于雙饋、5MW以下機型，其優(yōu)點在于抗撓動性比較強。直驅和半直驅機型多采用圓錐滾子軸承和三排圓柱滾子軸承，適用于更大單機容量的機組。目前，圓錐滾子軸承是國內企業(yè)研發(fā)的重點。
設計是研制主軸軸承的關鍵環(huán)節(jié)。除風力載荷外，主軸軸承還要承受主軸、葉輪的重力載荷，工況復雜。在設計時，要求軸承具備良好的抗沖擊性能、靈活的調心性能、優(yōu)異的滾道抗疲勞性能。據(jù)上海電氣風電集團股份有限公司軸承策略采購王怡介紹，一些能力較強的整機商會聘請專家設計，將設計圖紙交給軸承廠生產(chǎn)。如果沒有這方面專業(yè)能力的話，則需要供應商具備相應的設計能力或委托第三方進行設計。
材料的難點主要在于抗疲勞壽命，這與原材料中非金屬夾雜物的類型、大小、分布有關。其中，脆性夾雜物以及大顆粒夾雜物對壽命的影響最大。因此，如何進一步提高軸承鋼的潔凈度，減小鋼中夾雜物的含量與尺寸，提高碳化物的均勻性成為重點所在。此外，主軸軸承的硬度、強度、心部韌性與選材關系密切。為提高零件硬度、保證心表硬度一致，要求材料具有良好的淬透性、淬硬性及工藝適應性。目前，大兆瓦風電主軸軸承多采用滲碳鋼、高淬透性鋼和中碳合金鋼。
業(yè)內專家表示，在軸承鋼材料方面，國外品牌近些年培養(yǎng)了國內供應商，其工藝水平、冶煉水平進步很大，材料的純度和化學成分能和國外企業(yè)媲美，但仍有差距?！巴馄笾鬏S軸承的原材料也購自國內供應商，供應商按照客戶的棒材放料鍛造，軸承用鋼都標著號牌，其金屬含量的配比乃是他們的核心機密之一。”一位業(yè)內人士向《風能》透露。
就工藝而言，國內企業(yè)在研制、生產(chǎn)5MW以下風電主軸軸承上基本不存在難點。不過，更大兆瓦的主軸軸承工藝制造難度增加很多，如冷加工尺寸精度、熱處理變形、滾動體修形、滾道凸度、材料內部組織控制，更優(yōu)的表面處理技術，包括如何解決邊界摩擦以及外界污染物介入后的潤滑問題等。此外，加工更大尺寸的軸承需要更大更精密的加工、檢測設備，而設備本身價格昂貴。
國產(chǎn)主軸軸承技術的進步也得到了外企的肯定。舍弗勒在給《風能》的采訪回復中表示，隨著調心滾子軸承應用經(jīng)驗的累積，針對客戶的項目，國產(chǎn)軸承已經(jīng)可以與進口品牌同時提供方案。并且隨著軸承鋼材料的工藝水平、冶煉水平的提高，感應淬火熱處理的應用推廣，以及生產(chǎn)上投資力度加大，國產(chǎn)品牌開發(fā)速度很快，為后續(xù)的項目開發(fā)儲備了經(jīng)驗和產(chǎn)能。
與外資品牌的差距在哪里
舍弗勒、鐵姆肯、SKF、NSK等外資軸承品牌的發(fā)展歷程要遠長于國內企業(yè)，有些甚至有上百年的歷史，擁有雄厚的技術底蘊和豐富的經(jīng)驗。反觀國內企業(yè)，從2006年國家出臺“風電設備國產(chǎn)化率70%以上”政策后才開始攻克風電軸承，主軸軸承的研發(fā)僅有十多年時間。
幾家國內大型軸承廠相關負責人表示，對于大兆瓦主軸軸承，從研發(fā)角度來講不存在“瓶頸”，欠缺的主要是經(jīng)驗的積累。這一點，《風能》曾經(jīng)在對某國外品牌軸承企業(yè)采訪時同樣聽到過類似的表述：“少量生產(chǎn)沒問題，但是批量化后質量不夠穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率有待提高。”
舍弗勒在采訪回復中也中肯地指出，國產(chǎn)主軸軸承缺乏研發(fā)和應用校核能力，多數(shù)需要委托外部團隊處理，不利于風險管控。實際應用經(jīng)驗和理論基礎仍有上升空間，這一點依然是進口品牌主軸軸承的優(yōu)勢。
據(jù)瓦房店軸承集團有限責任公司（下稱“瓦軸”）風電主軸軸承研究所所長蒼施良介紹，國內外的差距包括：一是計算方面，國外軸承供應商起步早，校核機型多，理論分析經(jīng)驗與實際裝配經(jīng)驗相對豐富；二是軸承承載能力，國外主軸軸承的承載能力普遍高于國內主軸軸承，這取決于各家的設計理念；三是在生產(chǎn)設備上，國外廠家比國內更先進，生產(chǎn)線的自動化程度更高，高精度數(shù)控車床、雙端面磨床、機械手、機器人等設備俱全，國內軸承生產(chǎn)廠家的高精尖設備覆蓋率低一些。
在設備方面，缺少大兆瓦軸承的試驗臺架也是一項短板?！霸囼炁_架主要是模擬工況，通過加速疲勞，監(jiān)測溫升、油脂清潔度、加載受力等情況，最后拆解檢驗軸承磨損狀況，驗證其是否與設計目標相同。目前國內做不了大兆瓦軸承的臺架試驗，樣品通常需要運到西門子歌美颯、GE、維斯塔斯等國外的實驗機上驗證，且價格不菲，單次試驗就要兩三百萬元，這還不包括運費。”成都天馬鐵路軸承有限公司（下稱“成都天馬”）營銷總監(jiān)范佳橋告訴《風能》。
據(jù)了解，成都天馬于2021年8月下線的8MW海上風電主軸軸承樣品，已發(fā)送至西門子歌美颯在丹麥的試驗臺架進行測試，預計將于今年7月完成測試。
目前，國內領先的軸承制造商加大了軟硬件的投入。洛軸成立的航空精密軸承國家重點實驗室，是我國軸承行業(yè)內唯一的國家級企業(yè)重點實驗室，購置了一批世界領先的分析軟件和檢測試驗設備，在投主軸軸承試驗設備外徑可達4米。同時，洛軸高標主軸承生產(chǎn)線將于今年6月底前具備投產(chǎn)條件，洛軸新能源裝備軸承智能化生產(chǎn)基地項目已啟動，規(guī)劃對標進口軸承。
洛陽新強聯(lián)回轉支承股份有限公司（下稱“新強聯(lián)”）引進來自意大利薩伊SAET的全數(shù)控無軟帶淬火機床，經(jīng)過長時間的探索，實現(xiàn)了淬火無軟帶的技術要求。
據(jù)瓦軸風電銷售公司總經(jīng)理徐猛介紹，目前，該公司正在投入一個風電軸承新工廠，專門用于生產(chǎn)風電主軸軸承、齒輪箱軸承和電機軸承，預計于2023年投產(chǎn)。
在檢測設備方面，國內風電軸承領軍企業(yè)自2019年開始逐步投入了進口的相控陣超聲波探傷儀、圓度儀、輪廓儀、三坐標等檢測儀設備，與國外企業(yè)基本沒有區(qū)別。
然而，在產(chǎn)線設計、5S管理、環(huán)境改造方面，國內企業(yè)仍需要向外企學習。“外企的廠房非常整潔。環(huán)境做得好不好也從一個側面反映出管理水平。目前，一些國內企業(yè)在成為國外品牌供應商的審核中，在這方面也作出了相應的改進，值得國內同行學習?！蓖踱颉讹L能》表示。
國產(chǎn)化需要機會和信任
2010年1月12日，風電設備國產(chǎn)化率70%以上的規(guī)定取消。外資企業(yè)涌入，幾乎壟斷國內的主軸軸承市場。2020年以來，受國外疫情影響，進口主軸軸承供應受限。隨著國內雙碳目標的推進，主要軸承廠家訂單量增多，目前已經(jīng)開始批量生產(chǎn)4MW以上產(chǎn)品。
2021年11月，洛軸研制的4MW調心主軸軸承亮相國家" 十三五”科技成就展
其中，洛軸7.0MW平臺主軸軸承將于今年年中裝機運行，正在研發(fā)的12MW主軸軸承樣機預計會在今年年底前交付使用。
據(jù)新強聯(lián)技術總監(jiān)郝文路介紹，該公司的三排圓柱滾子主軸軸承自2011年實現(xiàn)量產(chǎn)以來，軸承的各項指標達到甚至超過國外軸承，在圓錐滾子軸承方面，3~4MW產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，5MW以上產(chǎn)品正在小批量生產(chǎn)。
2021年，因疫情造成的影響開始逐步得到緩解，部分開發(fā)企業(yè)又要求主軸軸承使用進口品牌，這對于國內主軸軸承制造商是一個挑戰(zhàn)。
其中存在的一個普遍現(xiàn)象是，開發(fā)企業(yè)對使用國產(chǎn)主軸軸承的積極性不高?！讹L能》從主軸廠和整機商處獲悉，阻力主要來自開發(fā)企業(yè)，由于開發(fā)企業(yè)相對集中且追求風電場發(fā)電效益，在招標時擁有更大話語權，會指定安裝部件品牌。而整機市場競爭充分，為了拿到訂單，對于開發(fā)企業(yè)提出的條件整機商基本上照單全收，這些條件又會向上傳遞給部件商。
對此，徐猛表示：“對于新研發(fā)的產(chǎn)品，希望合作伙伴能給國產(chǎn)供應商更多的機會，這是一個循環(huán)改進的過程，國外品牌也是從失敗中不斷修正才制造出精品。我們愿意和合作伙伴共同承擔風險?！?/p>
據(jù)了解，主軸廠在投產(chǎn)時，通常會多投幾套，以便有更多工藝摸索、調試的機會，如果產(chǎn)生報廢品，則由自己承擔，以保證合格產(chǎn)品的出貨。
“開發(fā)企業(yè)采購時，實際上最看重的還是應用業(yè)績。客戶對供應商的過程控制能力、硬件水平關注度比較高，例如能否進行有限元分析做模擬計算，通過試驗機實驗、掛樣機，最終到工程應用。而國內主軸軸承起步晚，市場影響力有限，產(chǎn)品運行時間短于國外軸承供應商，還需要開發(fā)企業(yè)對國內供應商產(chǎn)品增加了解，同時我們要增強軟硬件的水平?！庇诤２ǚ治龅馈?/p>
不過，引進風電軸承加工設備耗資巨大，動輒千萬元以上，且相對于其他軸承加工設備而言，風電軸承加工設備應用范圍單一。如果該型號產(chǎn)能被市場淘汰，設備成本將很難收回。
“由于各制造商與整機商形成縱向聯(lián)合關系，各家產(chǎn)品形式、尺寸不一，造成市場上產(chǎn)品類型五花八門。同時，由于國內整機價格不斷壓低，造成國內市場上的價格、需求量不夠穩(wěn)定，往往出現(xiàn)訂單生產(chǎn)過程中要求改機型等現(xiàn)象，增加供應商庫存壓力。歐洲風電市場價格則相對穩(wěn)定，產(chǎn)品型號較少，計劃安排準時，一些國內供應商反而更愿意接國外客戶訂單。目前，我們做的很重要的工作就是統(tǒng)型和標準化，希望能夠在一個系列或一個兆瓦級別里，盡可能在相同的平臺上選擇標準軸承，從可靠性、成本及運維角度來看，也有利于平臺的建設和發(fā)展?！庇诤２ê粲?。
抓住機遇，加快國產(chǎn)化進程
在裝機規(guī)模提升、風電機組產(chǎn)量高速增長的背景下，風電軸承行業(yè)進入了高速發(fā)展期，大兆瓦產(chǎn)品的國產(chǎn)化亟待突破。
國內主要軸承企業(yè)推進風電高端軸承國產(chǎn)化進程
據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會（CWEA）預測，2021~2025年國內風電軸承市場復合年均增長率（CAGR）將達到13%，預計年產(chǎn)值達到106億元。其中，海上風電軸承市場空間將超過21億元（約占20%）。風電軸承成本約占風電機組總成本的5%，而主軸軸承大概占1.5%，以此推算，風電主軸軸承的年產(chǎn)值在30億元左右。
國產(chǎn)品牌的價格普遍低于進口品牌，更具價格優(yōu)勢。調心滾子軸承由于應用時間較長，原材料和工藝加工較為成熟，價格因規(guī)格尺寸不同大概在9萬~15萬元，較進口產(chǎn)品低約40%~50%。圓錐滾子軸承價格在20多萬元，比進口產(chǎn)品低20%~30%。三排圓柱滾子軸承故障率低于國外產(chǎn)品，可完全實現(xiàn)進口替代，價格比國外產(chǎn)品低20%~30%。
在目前的市場中，調心滾子軸承和圓錐軸承幾乎各占一半。伴隨著更大兆瓦機組的出現(xiàn)，雙饋機組也傾向于選擇圓錐滾子軸承形式。
范佳橋分析，預計三五年后，圓錐滾子軸承將占80%，調心滾子軸承會縮減至10%~15%。因為隨著機型向著大兆瓦發(fā)展，載荷會變大，調心滾子軸承的使用將存在局限性。
郝文路則表示，若能克服局限性，三排圓柱滾子軸承將在2~5 MW，乃至7 MW直驅機組上也具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
面對全面走向平價，在雙碳目標的政策引導下，業(yè)內對于降本增效的意愿進一步增強，在仍具有降本空間的主軸軸承上實現(xiàn)國產(chǎn)化，被業(yè)界寄予厚望。
“主軸軸承已經(jīng)到了一個關鍵節(jié)點，國外供貨也存在著各種因素制約，且價格高。”蒼施良認為，“隨著近幾年國產(chǎn)主軸軸承技術精度的提升，結合運行時期軸承的表現(xiàn)，未來3年，國產(chǎn)主軸軸承有可能超過進口品牌。價格是一方面，交付能力能保障是另一方面，物流運輸距離比較短，加上專業(yè)服務團隊技術持續(xù)提升，經(jīng)驗不斷積累，服務也會占有一定的優(yōu)勢?！?/p>
他建議，由政府牽頭，以風電整機商為中心，聯(lián)合部件商和開發(fā)企業(yè)，共同建立試驗風電場，為軸承的設計、制造、使用尋找共同的解決方案，形成一種長效的、可持續(xù)的綠色發(fā)展新模式。
目前，國家也出臺了對首臺套的獎勵政策，軸承企業(yè)可以與開發(fā)企業(yè)共同參與相關的科研項目，但有業(yè)內人士建議，應當增加適當?shù)拿庳煷胧?，進一步調動開發(fā)企業(yè)應用國產(chǎn)主軸軸承的積極性。CWEA
來源：《風能》雜志 文/王芳
評論