1. 引言
风电机组是大型旋转机械装备，主轴承不仅是其中的必要部件，而且还是承受较大的载荷的关键部件。随着机组的大型化，主轴承也越来越大。从国内风电产业的发展历程看，主轴承的大型化似乎比叶片大型化更难实现，以至于被列为当前急需攻关的技术产品。本文仍是站在整机的角度漫谈一番主轴承。
2. 风电机组的主轴承
风电机组中的主轴承有两个功能：确保叶轮及主轴的转动，实现表征着机械能的运动和动力的传递；承受来自叶轮的除扭矩之外的其它无用载荷，并将其传递到塔架及基础。在水平轴风电机组中，功率流是沿着来风方向向后传递，载荷流是垂直向下传递。正是由于上述功能定义，在风电机组的机舱拓扑结构中，主轴承（含轴承座）的最佳位置应该在位于塔架顶端的偏航回转支承上方附近，以便于无用载荷以最短的路径，通过偏航回转支承和塔架传递到基础。
由于其功能和处于中心位置的布局，可以认为主轴承是风电机组最重要的机械零部件；由于它的重要性，对主轴承有很高的技术要求；由于技术要求高，主轴承的制造难度也大。所以目前主轴承的供应还是国外品牌为主。
笔者曾经参观过某品牌轴承的荷兰研发中心，仔细观察了解了从材料到热处理、从摩擦到润滑、从装配到测试的全部研发环节。不禁感叹，它之所以能在长时间存续和大范围应用，是有它的道理的。
在风电机组中，除了叶轮主轴外，齿轮箱（有齿轮箱时）和发电机（有或无齿轮箱）这两个大部件也需要轴承。因此，主轴承通常有三种设计方案。
1）方案一——单独设置主轴系
这种方案中的齿轮箱和发电机由生产厂商各自研发制造，同时设置有独立的主轴系（含主轴承、轴承座、润滑和定位密封附件）。主轴系中通常有前后两个主轴承，也有采用单一的双列圆锥滚子轴承的（它是从两个背靠背布置的圆锥滚子主轴承演变来的，简称“双列锥轴承”）。主轴系、齿轮箱和发电机三者之间通过联轴器联接起来，实现运动和动力传递。这是一种标准的配置方式，功能明确、各司其责。
2）方案二——主轴承集成在齿轮箱中
这种方案将双列锥轴承或一个主轴承集成到齿轮箱中，用齿轮箱的输入级行星架轴承承担全部或其中一个主轴承的功能。前者采用单个双列圆锥滚子轴承配置，后者即所谓的三点支撑。这种方案将本该由主轴承和轴承座承受无用载荷通过齿轮箱传递到底座，或者说齿轮箱承担了额外的载荷，而且还是不明确的载荷，齿轮箱的运行可靠性可想而知。最有影响的事件是，十多年前某国外机型在轻量化设计中，采用上述双列锥轴承方案，使得该机组投运不久便全部召回，制造商损失重大。
3）方案三——主轴承兼作发电机轴承
这种方案是直接驱动机型采用的，即叶轮与发电机共用轴承。由于目前的直驱机型均采用叶轮与发电机同侧布置，无论是内转子式还是外转子式，来自叶轮的载荷与来自发电机载荷耦合在主轴承上，而轴承座通常需悬置在底座上，使得轴承座到塔架的载荷传递需要复杂的底座结构，并且导致偏航回转支承受载特性劣化。
3. 机组大型化中的主轴承
机组的大型化，更大的额定功率和更长的叶片，导致更大的机组载荷。主轴承作为重要承载部件，需要对其提出更高的要求。
首先大机组的主轴承需要定制。大型风电机组中的主轴承是需要整机商向轴承商订购的，而轴承商并没有事先预备好相应规格和类型的主轴承，需要定制开发。主轴承不像叶片，可以由整机商设计、叶片厂代工生产，主轴承只能由专业的轴承制造商提供。如果不同整机商的同容量机型选择不同的主轴承，必将加大主轴承乃至机组的成本。正是由于主轴承的重要性，一款主轴承的研发耗时远长于叶片，因此主轴承将会成为大型化机组的新瓶颈。
其次对主轴承提出了更高的承载能力和更高的可靠度要求。虽然加大了轴承的尺度，但轴承的承载机理是相同的，微观到轴承滚道，接触疲劳极限并不会因为尺度加大而增大，除非优化了材料和热处理。某个局部位置滚动体和滚道之间的瞬间接触特性可能恶于较小轴承，以至于降低了大轴承的可靠性。为了保证可靠性，又需要付出更高的成本代价，况且大机组还需要更高的可靠性。更长的叶片导致主轴承的接触应力幅加大，影响主轴承的疲劳寿命。
主轴承的大型化伴随内外圈直径、轴承宽度滚动体直径和长度（滚子类轴承）等尺度的增加。更大的尺度对原材料、机加能力、加工精度、热处理能力、检测能力都提出了更高的要求，这些能力的提高无疑会增加主轴承的成本；保持更长圆周滚道和更多滚子数量的均匀性难度提高，使主轴承的可靠度不易保证。
除了轴承本体，主轴承还面临总体装配、游隙调整和保持、润滑和密封、冷却和散热等新的难题。由于轴承配合的特殊要求，分别与主轴承内圈和外圈配合的主轴和轴承座的加工难度也相应增加；大机组采用的圆锥滚子轴承在装配和运维时要求控制和调整游隙，需要配置专门的游隙调整装置；大型化的主轴承使得滚动体的滚动线速度增加，滚动摩擦加剧，加大了发热量，对于润滑和冷却提出新的更高的要求。
大型化的海上风电机组还有特殊的运行要求。设计寿命提高到25年，要求主轴承更高的疲劳寿命；海洋环境的高腐蚀性对主轴承的防腐要求也更高；海上环境较低的可达性，主轴承的运维策略需要更加优化。
4. 结束语
风电机组的大型化的初衷是为了降低风电的度电成本，但是如果主轴承之类的大部件成本增加或可靠性降低，将会事与愿违。解决的策略可有三条：
通过技术攻关和研发，提高大型主轴承的技术成熟程度，降低机组和主轴承的运行风险和应用成本；
简化主轴承大型化的开发内容和过程，虽然降低了一些成本，但增加了运行风险和成本，综合代价更大；
其它新型整机技术方案实现大型化，但避免配套大型主轴承。这对于我国的机组大型化不失为一条可行的途径。
大型化主轴承尤其是海上风电机组用的主轴承，在技术先进性、使用经济性、产品可靠性、运行稳定性等多元追求中，如何实现综合最优，是风电从业者面临的新问题，需要慎重对待。一旦大型主轴承失效，将是难以承受的结果。
