球面滾子軸承的優(yōu)勢(shì)在于其安裝誤差的公差，以及為每個(gè)軸承使用獨(dú)立外殼的能力。然而，在某些情況下，由于滾道表面的運(yùn)行磨損而導(dǎo)致過早損壞。NTN通過使用獨(dú)特的技術(shù)，計(jì)入主軸承的特殊應(yīng)用條件，幫助延長(zhǎng)此類軸承的使用壽命，并最大限度地減小渦輪機(jī)的尺寸。

3.1 不同排的不對(duì)稱設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)子和葉片的重量，主軸承承受垂直作用在軸上的徑向載荷，以及由于風(fēng)載荷而水平作用在軸上的軸向載荷。如果假設(shè)一個(gè)逆風(fēng)風(fēng)力渦輪機(jī)，即主流類型，轉(zhuǎn)子接收風(fēng)位于逆風(fēng)側(cè)，那么作用在遠(yuǎn)離葉片的后排滾子上的載荷大于作用在靠近葉片的前排上的載荷（圖3）。

我們注意到了施加載荷的這些特征，2017年，NTN發(fā)布了一份關(guān)于非對(duì)稱球面滾子軸承的新聞報(bào)道。該軸承具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)，滾子長(zhǎng)度不同，排與排之間的接觸角不同2）（圖4）。這些變化將計(jì)算壽命提高了約2.5倍，使軸承的內(nèi)徑減少了約10%，重量減少了約30%，壽命與傳統(tǒng)產(chǎn)品相當(dāng)。如果在風(fēng)力渦輪機(jī)中使用該軸承，那么可以縮小軸承尺寸，有助于減小整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的尺寸、重量和成本（圖5）。

3.2 DLC涂層（1）表面球面滾子軸承的滾子是筒形的。在球面滾子軸承內(nèi)，出現(xiàn)差動(dòng)滑動(dòng)（由于滾子和滾道之間旋轉(zhuǎn)方向的速度差異而導(dǎo)致的滑動(dòng)），軸承在滾子接觸面和滾道表面之間的接觸點(diǎn)滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)。此外，由于風(fēng)的條件，旋轉(zhuǎn)會(huì)反復(fù)停止和開始。軸承用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，如果在運(yùn)行過程中出現(xiàn)潤(rùn)滑不良（油膜不足），那么由于金屬接觸，滾道表面可能會(huì)發(fā)生磨損，從具有高PV值的點(diǎn)（即接觸應(yīng)力(P)和滑動(dòng)速度(V)的乘積）開始，并逐漸形成雙峰形式。因此，應(yīng)力集中在沒有磨損的純滾動(dòng)接觸線上，這可能會(huì)導(dǎo)致滾道表面剝落和開裂（圖6）。

旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈在滾道表面的整個(gè)圓周上承受載荷，但外圈固定在殼體中，因此載荷區(qū)集中在特定范圍內(nèi)，并且由于重復(fù)載荷而發(fā)生損壞。通過上述不對(duì)稱設(shè)計(jì)，PV值可降低約30%，因此該設(shè)計(jì)在一定程度上能有效減少磨損。另外，在油膜不足的狀態(tài)下，很難避免金屬接觸，需要其他方法來進(jìn)一步提高可靠性。因此，我們開發(fā)了一種在滾子接觸面上涂類金剛石（DLC）涂層（圖7）的軸承。NTN使用的DLC涂層采用3層結(jié)構(gòu)：①增加對(duì)基材附著力的金屬底層；②中間層，用作金屬子層和頂層之間的硬度梯度；③DLC涂層的高硬度頂層。鑒于球面滾子軸承特有的差速滑動(dòng)和油膜形成不足的潤(rùn)滑條件，涂層具有優(yōu)異的附著力和耐磨性（圖8）。（2）有效性的驗(yàn)證進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，以確認(rèn)DLC涂層的優(yōu)越性。試驗(yàn)用兩種類型的軸承進(jìn)行：小尺寸模型軸承和全尺寸試驗(yàn)軸承。①使用小尺寸模型軸承進(jìn)行評(píng)估在加速條件下（標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的外圈滾道表面在300小時(shí)內(nèi)剝落），施加與實(shí)際渦輪機(jī)類似的組合徑向和軸向載荷，并每50小時(shí)比較一次外圈載荷區(qū)域的磨損狀態(tài)（圖9）。

圖10顯示試驗(yàn)結(jié)果。不對(duì)稱產(chǎn)品的磨損速度約為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的2/3。DLC涂層產(chǎn)品最初出現(xiàn)約5μm的磨損，但之后磨損沒有擴(kuò)散。②使用實(shí)際尺寸軸承進(jìn)行評(píng)估為了加速試驗(yàn)，與小尺寸模型軸承一樣，在720小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品剝落的條件下進(jìn)行評(píng)估。圖11顯示試驗(yàn)后外圈滾道表面載荷區(qū)域的狀況。剝落在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品上很明顯，但在DLC涂層產(chǎn)品上不明顯，只有2μm的磨損。3.3 球面滾子軸承的建議規(guī)范鑒于上述情況，NTN對(duì)用作風(fēng)力渦輪機(jī)主軸承的球面滾子軸承提出以下建議（圖12）。①標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)：該型號(hào)采用非對(duì)稱滾子，內(nèi)圈上有一個(gè)中心擋邊。從結(jié)構(gòu)上講，滾子由3個(gè)點(diǎn)支撐：內(nèi)圈/外圈滾道表面和內(nèi)圈上的中心擋邊。這樣可以防止?jié)L子傾斜（滾子軸承中滾子在其正常旋轉(zhuǎn)軸上的傾斜），并抑制滾道和滾子之間的滑動(dòng)。②DLC涂層：這種類型基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在需要抑制磨損損壞時(shí)使用。③非對(duì)稱設(shè)計(jì)：當(dāng)需要延長(zhǎng)壽命（通過防剝落措施）和減小渦輪機(jī)尺寸（軸承尺寸減?。r(shí)，使用非對(duì)稱設(shè)計(jì)。④DLC涂層+不對(duì)稱設(shè)計(jì)：這種類型通過減小風(fēng)力渦輪機(jī)的總體尺寸和重量來降低初始成本，并通過更穩(wěn)定的運(yùn)行潛在地提高可靠性、降低發(fā)電成本。