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杏彩体育:滑动轴承行业研究:乘风而上滑动轴承助力风电降本增效

2024-11-22 07:25:42 1 来源:杏彩体育官网入口 作者:杏彩体育官网登录网址

  滑动轴承主要分为流体润滑轴承、自润滑轴承两大类。轴承是当代机械设备中一种重要 的基础零部件,主要功能是支撑旋转轴或其他运动体,同时保证其运动精度。轴承产品 规格型号众多,根据产品结构和工作原理的不同,可以分为“滚动轴承”和“滑动轴承” 两大类。滚动轴承是指在零件间含有滚动体作滚动运动的轴承,滑动轴承则是不使用滚 动体,仅在滑动摩擦下工作的轴承。根据工作时轴套和轴颈表面间呈现的摩擦状态不同, 滑动轴承可分为流体润滑轴承(如动压轴承、静压轴承)、非完全流体润滑轴承和无润滑 轴承,一般后两者属于自润滑轴承。

  滑动轴承技术路线丰富,多样化的原理与结构适配不同应用场景。流体润滑轴承、自润 滑轴承虽然同属滑动轴承的细分赛道,但在原理、结构与下游应用等方面均存在较大差 异。 1)流体润滑轴承:主要有液体润滑与气体润滑两类,按润滑原理又可分为动压润滑与静 压润滑。液体动压润滑轴承依靠轴颈转动带来的流体动压形成相适应的压力油膜将轴承 和轴颈表面分隔,从而使金属和金属不发生直接接触;液体静压润滑轴承则依靠外部供 给压力油,在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑;气体动压/静压润滑轴承以气体 为润滑剂,原理与液体润滑类似。

  2)自润滑轴承:一般包含非完全液体润滑轴承(如含油轴承等)和固体润滑轴承。含油 轴承即粉末冶金轴承,是由金属粉末和其他减摩材料粉末压制、烧结、整形和浸油而成, 具有多孔结构,在热油中浸润后,孔隙间充满润滑油。工作时由于轴颈转动的抽吸作用 和摩擦发热,使金属与油受热膨胀,把油挤出孔隙,进而摩擦表面起润滑作用,轴承冷 却后,油又被吸回孔隙中;固体润滑轴承用石墨、二硫化钼、酞青染料、聚四氟乙烯等 固体润滑剂润滑,形成永久润滑膜,能适应极端工况环境。

  滑动轴承处于快速发展期,全球市场规模已逾 140 亿美元。从轴承行业整体来看,全球 市场规模已超千亿美元,2021 年全球轴承市场规模约 1200 亿美元,2016-2021 年 CAGR 为 4.4%;2021 年我国轴承市场规模约为 2278 亿人民币,2016-2021 年 CAGR 为 7.0%。 从滑动轴承细分市场看,相较于已实现标准化的滚动轴承,滑动轴承目前正处于应用扩 张、品类提升的高速发展期,2020 年全球滑动轴承市场规模约为 141 亿美元,同年我国 滑动轴承市场规模约为 137 亿人民币,2016-2020 年全球、我国滑动轴承市场规模 CAGR 分别为 12.8%、13.2%,均高于轴承行业整体增速。

  流体润滑轴承格局:五大跨国集团具备领先优势,全球 CR5 约为 18.86%。目前滑动 轴承产业基本上由大型的跨国集团公司主导,如 Kingsbury、Michell、RENK、Waukesha 及 Miba 等。发达国家的滑动轴承产业历史悠久,已形成了全面的技术体系,积累了丰富 的研究和工程应用经验,掌握了多项高精制造工艺,并且已经建立起了以几家龙头企业 为首的滑动轴承供应体系,因此全球重要装备、关键配套的流体润滑滑动轴承基本上出 自上述大型滑动轴承厂家。以动压油膜滑动轴承为例,2020 年全球动压油膜滑动轴承市占率排名前五的企业,合计市占率约为 18.86%。国内动压油膜滑动轴 承市场竞争格局相对分散,其中崇德科技在全球动压油膜滑动轴承市场的占有率为 1.31%,排名第六,在国内市场占有率约为 5.57%,排名第一。

  自润滑轴承格局:全球市场由外资主导,国内中高端市场集中度较高。相较于滚动轴承, 自润滑轴承子行业专业化分工明显,不同用途的自润滑轴承在品种和规格上差异较大, 对材料选型、技术路径等要求均有不同,因此自润滑轴承行业独树一帜,形成以美国 GGB 公司、日本 Oiles 公司、法国 Stain-Gobain 等专业自润滑轴承企业为主导的竞争格局。 国内自润滑轴承行业经过多年发展已具有一定规模,并在浙江嘉善地区形成了明显的产 业集群。国内格局上看,中低端市场中小企业较多,大多数中小企业生产水平不高,中 高端市场则由长盛轴承、双飞股份、中达精密等少数企业占领,集中度较高。

  自润滑轴承是新型轴承品类,全球推广使用历史仅 50 年。自润滑轴承的制造技术起源 于英国,20世纪50年代PTFE(聚四氟乙烯)在英国开始被作为一种轴承材料进行试验, 同时铜粉烧结工艺也获得了突破。1956年,世界上第一个以 PTFE 作为内衬,以钢板为 支撑的自润滑 DU轴承投放市场。60年代末,自润滑轴承开始进入航空航天等尖端科技 应用领域。从 70 年始,英国自润滑轴承制造商将技术许可给法国、德国、日本和美 国公司,这一举措推动了世界自润滑轴承行业的快速发展,自润滑轴承逐步在机械制造 领域广泛使用。

  从应用领域来看,汽车自润滑轴承快速推广,产品与技术加速渗透。自润滑轴承备具轻 量化、低噪音、无给油、柔性等优点,因此其在汽车上的运用得以快速推广。自润滑轴 承及相关技术在汽车领域正在加速渗透:(1)目前每台乘用车上自润滑轴承的运用数量 已从之前的 30 件增加到 100 多件,而且正在不断地替代滚针、粉末类轴承而产生新的 运用;(2)除了轴承以外,自润滑技术在非轴承领域的运用也在增加,比如用于空调压 缩机的自润滑涂层斜盘、具备自润滑性能的高分子工程塑料结构件等。

  自润滑轴承的优良性能还使得其在工程机械、一般工业等领域不断扩大应用。1)工程机 械:普通具备低速、重载特性,且工况较恶劣,而自润滑轴承具备免加油、耐冲击、耐 粉尘、高强度等特性,在解决了润滑问题的同时降低了噪音,延长了使用寿命,特别适 合在恶劣的矿场、野外作业的设备,目前工程机械底盘系统、车身系统、执行装置、液 压系统等部位均有使用自润滑轴承。2)一般工业:免维护自润滑轴承在高速和高精度工 业设备的连续运行中具有出色的耐磨性和抗咬合性,在注塑机、液压设备、冲压设备、 黑色冶金、纺织机械、熔炉、罐头食品、工业机器人、制药机械等领域均在逐步替换传 统轴承方案并扩大应用。

  自润滑轴承壁垒较高,材料研发是核心。自润滑轴承的技术主要体现在自润滑材料的研 发,目前自润滑材料多为复合材料,如 PTFE、POM、PA、PI、酚醛树脂、PEEK 等高分 子复合材料,以及双金属/多金属复合材料、高性能铜合金复合材料、金属基复合材料等 金属基体材料和减摩材料。复合材料的研发和产业化应用均需较深的技术积累和长期的 反复试验,因此开发自润滑材料要求企业具备一支拥有良好理论基础和丰富实践经验的 高素质研发团队,并具备针对不同工况条件模拟测试产品承载能力、使用寿命、极限温 度和速度等性能的检测设备。

  目前高性能滑动轴承材料的生产、加工技术主要掌握在少 数大型企业手中,新进入的企业缺乏足够的研发能力,只能向先进企业购买高性能轴承 材料,或者采用一些低档次的材料生产低端轴承产品。中高端产品研发能力的缺乏阻碍 了行业内新企业的发展,也形成了自润滑轴承行业的主要壁垒。

  风电轴承是壁垒较高的核心零部件,目前以滚动轴承为主。风电轴承一般包括变桨轴承、 偏航轴承、传动系统轴承(主轴轴承、齿轮箱轴承、发电机轴承)。轴承是风电设备的核 心零部件,需满足风电设备的恶劣工况和长寿命、高可靠性的使用要求,因此具备较高 技术壁垒。风电轴承在不同机型中的使用量不同,一般来说一台直驱式风机需要 1~2 套 主轴轴承、1 套偏航轴承、3 套变桨轴承,而双馈式或半直驱式风机由于在直驱式的基础 上增加了齿轮箱,因此还需要多套齿轮箱轴承。目前风电轴承为滚动轴承为主,由于不 同机型轴承的工况与设计要求均有差异,因此风电轴承定制化程度较高。

  风电轴承根据设计要求使用不同类型轴承。滚动轴承根据结构、滚动体、功能的差异可 分为不同类型,按承载方面或公称接触角可分为向心轴承(径向受力)/推力轴承(轴向 受力);按能否调心可分为调心轴承/非调心轴承;按滚动体种类可分为球轴承/滚子轴承; 按滚动体列数可分为单列轴承/双列轴承/多列轴承。

  在典型的风电滚动轴承设计中,偏航轴承一般选用单列球轴承、双列球轴承;变桨轴承 多采用双列球轴承,近年来有以滚子轴承替代球轴承的趋势(国外以取代 30%,国内约 15%);主轴轴承根据功率与设计的不同,在调心滚子轴承、单列圆锥滚子轴承、圆柱滚 子轴承、双列圆锥滚子轴承、三排圆柱滚子轴承当中选择一种或两种的组合;齿轮箱轴 承的低速轴、中间轴与输出轴使用的轴承有所不同,低速轴通常为调心滚子轴承、圆柱 滚子轴承、圆锥滚子轴承等,输出轴还可使用四点接触球轴承用作推力轴承;发电机轴 承的组配形式较多,最常用的是深沟球轴承与圆柱滚子轴承的组配形式。

  滑动轴承具备多种优良性能,契合风电工况要求,其中自润滑轴承还具备显著的成本优 势。滑动轴承与滚动轴承在性能指标上各有优劣势。具体而言,滚动轴承的摩擦系数较 小,传动效率高(一般滑动轴承的摩擦系数为 0.08-0.12,而滚动轴承的摩擦系数仅为 0.001-0.005)。滑动轴承由于接触面积大,承载能力、抗冲击能力、运行平稳性显著高于 滑动轴承,并且由于取消了滚动体,滑动轴承的径向尺寸更小,适用于结构要求紧凑的 场合。因此,滑动轴承优秀的承载性能和环境适应性十分契合风电、核电等大型装备。 此外,在滑动轴承品类中,自润滑轴承的环境适应性与运动适应性显著优于流体润滑轴 承,并且由于自润滑轴承结构简单、免维护或少维护,其制造成本与维护成本均具备明 显优势。

  主轴轴承:理论上可全部替换为滑动轴承。风力发电机中,主轴系统分别连接齿轮箱与 轮毂,对于风机叶片起到基础支撑作用,并将叶片载荷向齿轮箱传递。水平轴式风机中 约有 80%采用了主轴支撑原理,此时主轴需要同时承受轴向力、径向力与倾覆力矩,因 而需要具备良好的调心性能、抗振性能与运转稳定性。主轴支撑方式具体分为“三点支 承”,“两点支承”和“一点支承”,其中三点支承是双馈机型的常用布置形式,由“主轴 轴承+齿轮箱中的轴承”组成,一般用于较小兆瓦的风机;两点支承则是双列圆锥滚子 轴承+圆柱滚子轴承”形式,适用于大兆瓦风机;

  一点支承通常采用双列圆锥滚子轴承, 其优点是易于安装,但随着轴承直径的增大,轴承成本会大大增加,对于直驱机型来说 超过 6MW 就很难再采用单轴承。从滑动轴承的角度来看,抗振性能与运转稳定性是滑 动轴承的优势所在,同时滑动轴承当中有“关节轴承”等具备优良调心性能的品类,因 此滑动轴承在风电主轴上的应用不存在无法突破的技术壁垒,我们认为三种支撑方式的 滚动轴承均有替换为滑动轴承的可能。

  齿轮箱轴承:理论上中低速齿轮箱可全部替换为滑动轴承,高速齿轮箱中低速轴、中速 轴可替换为滑动轴承。在双馈机型和半直驱机型中,由于发电机的磁极对数较小,风电 叶轮转速远远达不到发电机的额定转速,因此必须通过齿轮箱增速来实现发电。不同机 型齿轮箱的工况与传动比要求不同,因此结构差异较大:1)双馈机型一般采用行星轮系 +平行轴传动的高速齿轮箱,目前应用最广泛的为传动结构,主要为“一级行星+两 级平行轴”和“两级行星+一级平行轴”两种类型,一级行星两级平行轴多应用于 2MW 及 2MW 以下的风电机组,可靠性更高,但体积也相应更大;两级行星一级平行轴主要 用于 2.5MW 以上的风电机组,具有承载力强、变速效率高、体积小的优点。

  2)半直驱 机型一般采用一至两级传动的中低速齿轮箱,传动比较双馈机型低,但结构相对紧凑, 可靠性较高。从轴承工作性能上看,双馈机型齿轮箱的低速轴和中速轴均可使用滑动轴 承,而高速轴由于转速过高不宜使用滑动轴承;半直驱机型配置中低速齿轮箱,理论上 其齿轮箱轴承可全部使用滑动轴承。

  海外已有成熟应。