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

3.1 不同排的不對稱設計

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，以及由于風載荷而水平作用在軸上的軸向載荷。如果假設一個逆風風力渦輪機，即主流類型，轉(zhuǎn)子接收風位于逆風側(cè)，那么作用在遠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)于非對稱球面滾子軸承的新聞報道。該軸承具有獨特的設計，滾子長度不同，排與排之間的接觸角不同2）（圖4）。這些變化將計算壽命提高了約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。如果在風力渦輪機中使用該軸承，那么可以縮小軸承尺寸，有助于減小整個風力渦輪機的尺寸、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)差動滑動（由于滾子和滾道之間旋轉(zhuǎn)方向的速度差異而導致的滑動），軸承在滾子接觸面和滾道表面之間的接觸點滑動旋轉(zhuǎn)。此外，由于風的條件，旋轉(zhuǎn)會反復停止和開始。軸承用潤滑脂潤滑，如果在運行過程中出現(xiàn)潤滑不良（油膜不足），那么由于金屬接觸，滾道表面可能會發(fā)生磨損，從具有高PV值的點（即接觸應力(P)和滑動速度(V)的乘積）開始，并逐漸形成雙峰形式。因此，應力集中在沒有磨損的純滾動接觸線上，這可能會導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)，并且由于重復載荷而發(fā)生損壞。通過上述不對稱設計，PV值可降低約30%，因此該設計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和油膜形成不足的潤滑條件，涂層具有優(yōu)異的附著力和耐磨性（圖8）。（2）有效性的驗證進行了驗證試驗，以確認DLC涂層的優(yōu)越性。試驗用兩種類型的軸承進行：小尺寸模型軸承和全尺寸試驗軸承。①使用小尺寸模型軸承進行評估在加速條件下（標準產(chǎn)品的外圈滾道表面在300小時內(nèi)剝落），施加與實際渦輪機類似的組合徑向和軸向載荷，并每50小時比較一次外圈載荷區(qū)域的磨損狀態(tài)（圖9）。

圖10顯示試驗結(jié)果。不對稱產(chǎn)品的磨損速度約為標準產(chǎn)品的2/3。DLC涂層產(chǎn)品最初出現(xiàn)約5μm的磨損，但之后磨損沒有擴散。②使用實際尺寸軸承進行評估為了加速試驗，與小尺寸模型軸承一樣，在720小時標準產(chǎn)品剝落的條件下進行評估。圖11顯示試驗后外圈滾道表面載荷區(qū)域的狀況。剝落在標準產(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對用作風力渦輪機主軸承的球面滾子軸承提出以下建議（圖12）。①標準設計：該型號采用非對稱滾子，內(nèi)圈上有一個中心擋邊。從結(jié)構(gòu)上講，滾子由3個點支撐：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。②DLC涂層：這種類型基于標準設計，在需要抑制磨損損壞時使用。③非對稱設計：當需要延長壽命（通過防剝落措施）和減小渦輪機尺寸（軸承尺寸減小）時，使用非對稱設計。④DLC涂層+不對稱設計：這種類型通過減小風力渦輪機的總體尺寸和重量來降低初始成本，并通過更穩(wěn)定的運行潛在地提高可靠性、降低發(fā)電成本。