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企业技术开发项目设计书项目名称2兆瓦级风电增速箱主轴轴承的研发企业名称江苏迪邦三星轴承有限公司企业法人（签名）项目负责人汤国良电话13906117788项目起止时间2009年1月至2011年12月填报日期2010年11月18日一、立项依据1．国内外现状、水平和发展趋势随着经济的快速发展，环保要求越来越高，能源形势越来越严峻，风力发电近年来在全世界范围内受到越来越广泛的重视，发展步伐也越来越快。轴承作为一种重要的通用机械零件，具有众多的生产商和用户。据了解，一些轴承生产开发大国和知名的轴承企业，近年来都在进行大规模调整。德国、美国、日本等国的主要轴承企业都在生产管理信息化上进行了大量的投入，并取得了很好的效益。我国轴承行业装备水平落后，技术档次和产品质量不高，改造任务相当艰巨。用高新技术对轴承行业进行改造是促进我国轴承行业经济约化增长和提高经济效益的必由之路。如专利200710135038.X公开了一种圆锥滚子轴承低摩擦的方法及其结构，它通过使圆锥滚子轴承的大挡圈与滚道母线的夹角大于90度和减小圆锥滚子一端球面的球径的方法，专利CN200710193135.4介绍了一种GCr15钢轴承套圈贝氏体等温淬火工艺，将GCr15钢轴承套圈先加热到870℃，然后将GCr15钢轴承套圈放入230℃的50%KNO3+50%NaNO2硝酸盐溶液中恒温保持4小时后取出。然而这些工艺下得到的轴承相对来说冲击韧性及耐磨性较差，因此寻找一种高效的改进方法势在必行。本公司自主研究开发2MW及以上风电增速箱主轴承，利用套圈内孔或外圆定位、端面夹紧进行车加工，提高了车加工形位精度、降低了车加工装夹、车削形成的组织应力，有利于减小轴承套圈在淬火时的变形量。而且，在常规轴承加工工艺基础上，增加锻件正火、粗车后去应力退火、粗磨后去应力回火工艺，采用贝氏体等温淬火工艺替代常规的马氏体淬火工艺，使产品的冲击韧性、断裂韧性、耐磨性和尺寸稳定性得到提高。2．项目开发的目的、意义由于风电增速箱可靠性要求高，要求采用进口轴承，原则上轴承设计承寿命为13万小时。输入端大轴承采用单列满滚子轴承较为普遍，对于中小功率齿轮箱也有采用双列调心滚子轴承的。行星轮中间的轴承以采用短圆柱滚子轴承或双列调心滚子轴承为宜。定轴级轴承：对于600kW以下齿轮箱,双列调心滚子轴承选用较广，因为双列调心滚子轴承具有较高的额定载荷，同时能承受一定的轴向力。如250kW、600kW齿轮箱均采用双列调心滚子轴承。随着风电齿轮箱向大功率方向发展，单一的双列调心滚子轴承已无法满足承载需要。通常采取单列滚子与四点接触轴承组合方式，四点接触轴承可以承受较大的轴向力。如750kW、1100kW、1300kW风机增速箱均为此结构。风电轴承包括偏航轴承、变浆轴承、发电机轴承、主轴轴承、增速箱轴承、驱动减速机轴承六种类型，其中偏航轴承和变浆轴承的技术门槛相对较低，国产替代率已达到80%以上，年产能达到4万套以上；但是主轴轴承和增速箱轴承，基本还是依靠从国外进口，价格昂贵，是国产替代产品（本公司）价格的6~8倍，而且合同交货周期长达1~2年。国内有部分企业初步介入，但均尚处于研制阶段。风电增速箱轴承产业化开发对加快实现轴承国产化、替代进口，摆脱我国长期进口此类轴承价格昂贵、交货周期长的状况，满足国内风电发展的需求；提高我国大功率风电传动装置的竞争力，促进国产风电产业快速发展、降低风力发电成本具有十分重要作用。本项目所研制的风电机组增速箱主轴承，不仅具有很好的经济效益，同时具有十分重大的社会效益。3．本项目达到的技术水平及市场前景为提高本项目产品的技术含量及产品的整体性能，本公司工程技术研究中心通过特殊的结构设计、冷热加工工艺及轴承表面处理与制造技术研究，成功开发的2兆瓦及以上风电增速箱主轴承的各项技术参数达到进口轴承的标准，核心技术拥有2项发明专利和6项实用新型专利。项目前期采用贝氏体等温淬火工艺替代常规的马氏体淬火工艺，贝氏体组织的突出特点是冲击韧性、断裂韧性、耐磨性、尺寸稳定性好，表面形成高达-400～-500MPa残余压应力，极大地减小了淬火裂纹倾向；在磨加工时表面压应力抵消了部分磨削应力，使整体应力水平下降，大大减少了磨削裂纹。因此适用于装配过盈量大、工况条件差、承受大冲击负荷、润滑条件不良的轴承。我国可开发风能总量约10亿千瓦，截至2009年底，我国风电机组的装机容量为2000万千瓦左右，仅占可开发风能总量的不到2%，开发潜力极大。按照我国能源发展战略，国家将大幅度提高风能、太阳能等可再生能源在整个能源消费中的比例。风电产业的快速增长，为风电设备的发展提供了强有力的支撑。近10年来，我国大型风电机组制造业从零起步，目前已初具规模。国家更出台了一些具体的产业化扶持政策，其中提出风电设备国产化率要达到70%以上，不满足设备国产化率要求的风电场不允许建设。2006年以来，我国风电装机容量增长很快。2004年全国装机只有76.4万千瓦，2009年达到2000万千瓦左右，仅次于美国，位列世界第二；2010年将达到3000万千瓦左右。从目前我国众多企业对风电产业大举投资和国际上十大风电设备企业相继进入中国的情况看，业内人士预计在不久的将来我国将成为世界风电设备制造中心。从现在的发展情况来看，预计我国将于2010达到《可再生能源中长期发展规划》，提前10年实现所提出的风电发展目标3000万千瓦。而随着国内研发技术及制造技术的提高，风力发电机组国产化率也将进一步提高，风电轴承市场潜力非常巨大。就本项目而言，其产品一是具有一定的技术优势。本公司与洛阳轴承研究所、河南科技大学合作研发2MW及以上风电增速箱轴承，依托他们的研发能力，在产品结构设计、热处理工艺、加工方法、加工精度、表面处理等方面取得了突破，与国内外同类产品相比，整体性能高；二是与国外同类产品相比，本公司价格便宜80%左右，具有一定的价格优势；三是本公司具有多年从事轴承生产及销售经验，从而与国内外多数风电企业有良好的合作关系，因此，本项目产品具有良好的市场发展前景。二、开发内容和目标1．项目主要内容、目标及关键技术（1）研究内容①中碳钢冷辗轴承套圈进行渗碳热处理工艺研究，以及中碳钢材料和渗碳热处理工艺在风电增速箱轴承上的运用研究；②进一步分析滚子轴承挡边与滚子端面的接触模式与载荷分布，优化轴承结构设计；③2兆瓦及以上风电增速箱轴承模拟试验设备研发，进行模拟加载试验；④集成摩擦学技术和数值分析技术对增速箱主轴承承受的弯曲载荷及倾覆力矩等复杂载荷进行分析，从而给出滚动体间的载荷分布和各滚动体的接触应力等有关的摩擦学特性以及轴系的变形状况。（2）关键技术①轴承套圈滚道和圆柱滚子外圆母线、挡边与滚道角度等结构创新设计。轴承套圈滚道母线和圆柱滚子外圆母线设计为带微量凸度，改善轴承工作状态时的载荷分布，挡边与滚道设计角度为90.4°~91°，减少滚子端面与挡边面的接触面积，降低了摩擦系数。；②特殊车加工夹具的选择，利用套圈内孔或外圆定位、端面夹紧进行车加工定位，提高车了加工形位精度、降低了车加工装夹、车削形成的组织应力，从而减小轴承套圈在淬火时变形量；③轴承零件采用表面磷化处理技术，在轴承零件表面形成致密均匀的磷化膜，抗腐蚀性能好，抗磨损性强。2．技术创新之处(1)产品设计创新：轴承内、外套圈滚道及滚子外圆都设计带有凸度，改善载荷分布。滚道与挡边夹角设计为90.4°~91°，有效降低轴承摩擦发热。(2)工艺创新：在常规轴承加工工艺基础上，增加锻件正火、粗车后去应力退火、粗磨后去应力回火工艺，并采用贝氏体等温淬火工艺替代常规的马氏体淬火工艺，产品的冲击韧性、断裂韧性、耐磨性、尺寸稳定性得到大幅度提高。3．主要技术指标或经济指标（1）主要技术指标：①在轴承结构、轴承模拟试验设备等方面申请发明专利2项、实用新型专利2项；②形成1个新产品，1套新工艺和1套新装置，制定2个技术标准，并实现产业化生产；③主要达到的技术要求序号项目技术指标1额定动载（Cr）1290KN2额定静载（Cor）3080KN3极限转速360r/min4适应环境温度-40℃~+50℃5额定寿命20年6其他性能符合GB/T307.1-2005《滚动轴承向心轴承公差》标准（2）主要经济指标执行期内，预计完成累计生产风电增速箱主轴轴承1000套，完成累计销售收入2亿元，增加净利润1600万元，实现累计缴税900万元，出口创汇400万美元。三、开发试验方法及技术路线（工艺路线）1、研究试验方法（1）目前，轴承套圈常用材料大多为高碳铬轴承钢，其含碳量较高，即使经过退火处理，冷变形抗力仍较高，影响冷辗性能和模具的使用寿命。本公司将采用中碳钢替代目前使用的高碳铬轴承钢轴承套圈，并应用洛阳轴研科技股份有限公司独占许可的发明专利“中碳钢冷辗轴承套圈渗碳工艺”对中碳钢冷辗轴承套圈进行渗碳热处理工艺，利用冷变形提高渗速或降低渗碳或碳氮共渗温度，进一步提高轴承在污染环境中的疲劳裂纹扩展抗力，降低裂纹扩展速率，提高使用寿命和运转可靠性；（2）分析滚子轴承挡边与滚子端面的接触模式与载荷分布，优化轴承结构设计，解决滚子轴承运转时滚子端面和轴承挡边摩擦发热形成烧伤的现象；（3）研发2MW及以上风电增速箱主轴承模拟试验设备，制定2MW及以上风电增速箱主轴承模拟试验的规程，通过模拟轴承在风机上的安装和工况一比一加载试验，检测产品的最大摩擦力矩等多项性能，并在此基础上对2MW及以上风电增速箱和配套轴承作为一个整体系统分析其动态状况下多个轴承之间的相互作用及非线性刚性、轴承内部滚动体之间的载荷分配等理论基础作深入研究，推演出更精确的风电增速箱主轴承疲劳寿命理论计算公式，使高可靠性风电轴承的选取成为可能；（4）集成摩擦学技术和数值分析技术对增速箱主轴承承受的弯曲载荷及倾覆力矩等复杂载荷进行分析，从而给出滚动体间的载荷分布和各滚动体的接触应力等有关的摩擦学特性以及轴系的变形状况，为制定风电增速箱主轴承标准提供理论依据。2、技术路线轴承主要包括四部分：外圈、内圈、滚动体和保持架。由于对滚动体与内外圈的要求比较高，需具有较高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。故需要对内、外圈，滚动体和保持架的组成材料进行选择，需要优化轴承的结构设计及各部分的组合设计。具体工艺流程如下：外圈退磁清洗终检分选内圈退磁清洗终检分选滚子清洗弹簧圈清洗退磁清洗外观检查合套四、现有开发条件和工作基础1．承担单位开展本项目的优势（人才、设施条件）江苏迪邦三星轴承有限公司创建于1992年，注册资金2000万元，是专业生产冶金轧机轴承、发动机配用轴承、减、变速机轴承、纺织和矿山机械轴承等产品的骨干企业。公司共有员工786名，其中，大专以上科技人员257名，占员工总数的32.7%；研发人员94名，占员工总数的11.9%。本公司技术力量雄厚、工艺装备先进、生产设备及检测手段齐全、质量体系完善、产品质量稳定可靠，现已通过了ISO9001：2009质量管理体系、ISO14001：2004环境管理体系的认证及ISO/TS16949：2009的审核注册。轧机轴承FC系列产品在2002年被国家经贸委认定为“国家重点新产品”。2007年“三鑫”商标被江苏省工商行政管理局认定为“江苏省著名商标”。2010年1月被国家工商局认定为“中国驰名商标”。截止2009年年末总资产达到34843万元，销售收入7752万元，上年交税总额466万元，银行信用等级AAA级。本公司具有完善的生产和销售体系，年生产能力可达1000万套，其中65%以上的产品出口至美国、日本、韩国、欧洲和俄罗斯等20多个国家和地区。公司注重人才培养和产品开发。为使项目产品得以顺利开发，公司专门成立了一支专业的攻关研发小组，其中大专及以上学历11人，高工2人，并与河南科技大学和洛阳轴研科技股份有限公司的博士群及权威技术人员建立了专门项目的密切合作，为项目的技术攻关提供了高专业的研究开发队伍。核心技术已获得2项发明专利和6项实用新型专利。同时江苏迪邦三星轴承有限公司有着多年的风电增速箱轴承的生产开发经验，更有一支专业化的营销团队，高度重视产