文 | 譚凱，黃蓉

風力發(fā)電機用主軸軸承的專利分析

文 | 譚凱，黃蓉1

主軸軸承是風電機組的核心部件，直接決定著機組的傳遞效率和主傳動鏈的維護成本。統(tǒng)計顯示，從2004年—2015年，我國風電企業(yè)在此方面的專利申請量有了大幅提升，但與國外相比，仍存在不小的差距。

風力發(fā)電機發(fā)電時，葉輪將風能轉(zhuǎn)換為機械能，低速轉(zhuǎn)動的葉輪通過傳動系統(tǒng)由齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機進行發(fā)電。主軸軸承是吸收風力作用載荷和傳遞載荷的主要部件，其性能的好壞不僅對傳遞效率有影響，而且也決定了主傳動鏈的維護成本。由于風力發(fā)電機組所處的惡劣工況和長壽命、高可靠性的使用要求，使得軸承具有較高的技術(shù)復雜度，是公認的國產(chǎn)化難度最大的技術(shù)之一，成為影響我國風力發(fā)電制造業(yè)發(fā)展的軟肋。

本文從全球?qū)＠暾垜B(tài)勢、中國專利申請態(tài)勢兩方面對主軸軸承的專利進行分析，從而對比出國內(nèi)外技術(shù)的差距。其中，全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析的樣本來源于世界專利索引（WPI）數(shù)據(jù)庫，中國專利申請態(tài)勢分析的樣本來源于中國專利數(shù)據(jù)庫（CPRS）。

主軸軸承全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析

為分析主軸軸承全球?qū)＠暾垜B(tài)勢，本節(jié)重點研究了主軸軸承的全球?qū)＠暾堏厔?、主要申請人排名、技術(shù)分布這三個方面。

一、申請趨勢

近年來風力發(fā)電技術(shù)朝著大型化、商品化、實用化、集群化方向快速發(fā)展，發(fā)電成本持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)不斷成長壯大。隨著風力發(fā)電機組功率的不斷增大，對風力發(fā)電機組配套軸承的需求也不斷增加，從圖1可看出，全球風力發(fā)電機主軸軸承的專利申請量可以分為以下3個階段：

（一）技術(shù)萌芽期（2002年—2005年）

2005年之前，全球風力發(fā)電機組以兆瓦級以下機型為主，所采用的主軸軸承大多為通用軸承，相應(yīng)的主軸軸承的專利申請量一直較少。

（二）快速發(fā)展期（2006年—2010年）

2006年之后，由于世界清潔能源的需求上升，各國政府都制定了相應(yīng)的鼓勵政策，風力發(fā)電機大型化的趨勢越來越明顯。主軸軸承的供應(yīng)商開始大力投入到主軸軸承的研發(fā)上，主軸軸承的申請量從2005年起穩(wěn)步上升，到2010年達到峰值，達到60多件。

（三）技術(shù)穩(wěn)定期（2011年至今）

2011年之后，風電機組市場出現(xiàn)短期飽和，2011年—2013年，主軸軸承總申請量一直維持在60件左右，而2014年—2015年的專利申請量受數(shù)據(jù)公開滯后的影響，并不能準確反映真實的申請量。

二、主要申請人排名

如圖2所示，對全球?qū)＠暾埲诉M行了統(tǒng)計。世界主要軸承制造商中，日本NTN、瑞典SKF以及德國舍弗勒排名前三位。從世界范圍來看，日本、歐洲和美國占據(jù)申請量的絕對優(yōu)勢。尤其是日本，有4家該國企業(yè)名列其中，包括NTN、NSK（日本精工）、三菱重工和光洋精工，占33.3%，表明了日本在主軸軸承上的技術(shù)領(lǐng)先地位。中國雖然也有3家企業(yè)上榜，包括國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司（以下簡稱“國電聯(lián)合”）、瓦房店軸承集團有限責任公司（以下簡稱“瓦軸”）、湘電風能有限公司（以下簡稱“湘電”），但申請量都較少，比如瓦軸在通用軸承上擁有先進技術(shù)，但其在主軸軸承方面的相關(guān)申請就較少，這也從側(cè)面反映出中國在主軸軸承技術(shù)上的落后。

三、技術(shù)分布

總體來說，集中于主軸軸承結(jié)構(gòu)改進的專利申請占據(jù)多數(shù)，而其他如安裝拆卸、布置方式、材料工藝、監(jiān)測維護、潤滑、密封、保持架等方面的專利申請數(shù)量相當。圖3顯示了全球排名前12位的申請人在主軸軸承的專利申請技術(shù)分布上的申請量。排名前三位的NTN、SKF和舍弗勒三大軸承制造商主要著眼于主軸軸承的結(jié)構(gòu)，其在結(jié)構(gòu)上的專利申請量分別為：19項、25項和38項，大幅領(lǐng)先于其他申請人。而日本NTN除了在主軸軸承的結(jié)構(gòu)外，還在圓錐滾子軸承的保持架技術(shù)上申請了大量的專利，其申請量與結(jié)構(gòu)方面的申請量基本持平，顯示了其在保持架這一技術(shù)上具有一定的優(yōu)勢。瑞典SKF除在主軸軸承的結(jié)構(gòu)外，各個技術(shù)分支的申請量比較均衡。德國舍弗勒則在主軸軸承結(jié)構(gòu)上大量布局，顯示了其在此方面擁有強大的技術(shù)儲備。另外，日本NSK在主軸軸承的材料工藝方面申請了大量專利，表明其在這一技術(shù)分支上的強大實力。此外，瓦軸作為軸承制造商，其專利申請主要集中在監(jiān)測維護和保持架上，與國外軸承制造商的技術(shù)側(cè)重點不同，這也顯示出我國在主軸軸承的結(jié)構(gòu)、材料工藝上的落后。

圖1 主軸軸承領(lǐng)域全球?qū)＠暾堏厔?/p>

圖2 主軸軸承領(lǐng)域全球主要申請人

圖3 主軸軸承領(lǐng)域全球?qū)＠暾堉饕暾埲说募夹g(shù)分布

主軸軸承中國申請態(tài)勢分析

為分析主軸軸承中國專利申請態(tài)勢，本節(jié)重點研究了主軸軸承的中國專利申請趨勢、主要申請人排名、技術(shù)分布這三個方面。

一、申請趨勢

如圖4所示，有關(guān)主軸軸承的申請，在國內(nèi)從2004年開始出現(xiàn)第一件專利申請之后，總體分為3個階段：

（一）技術(shù)萌芽期（2004年—2007年）

由于主軸軸承的生產(chǎn)難度較大，長期依賴國外進口，國內(nèi)對主軸軸承的研發(fā)起步較晚，該階段與主軸軸承相關(guān)的專利申請量較少，主要申請人為國外公司，僅在2006年國內(nèi)公司提交了1件專利申請。

（二）高速發(fā)展期（2008年—2011年）

“十五”期間，中國風電裝機容量不斷攀升，導致主軸軸承處于供貨緊張狀態(tài)，一些國外企業(yè)的產(chǎn)品合同交貨周期甚至達到了1年至2年，產(chǎn)品價格因市場供不應(yīng)求而相對較高 。2007年，《滾動軸承風力發(fā)電機軸承》出臺，2008年以后，國內(nèi)企業(yè)積極參與并致力于主軸軸承的研發(fā)工作。該階段與主軸軸承相關(guān)的專利申請量逐年增加，2008年，國內(nèi)企業(yè)提交了7件專利申請，從2009年開始，國內(nèi)申請人的申請量超過國外申請人。

（三）技術(shù)穩(wěn)定期（2012年至今）

2010年—2012年，風電行業(yè)在經(jīng)歷了高利潤、高速度的發(fā)展后，行業(yè)競爭激烈，受行業(yè)洗牌、調(diào)整的影響，該階段與主軸軸承相關(guān)的專利申請量開始回落。在2012年主軸軸承專利申請量出現(xiàn)低谷后，于2013年開始反彈，這表明風電產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷調(diào)整后其發(fā)展趨于理性，而2014年—2015年的專利申請量受數(shù)據(jù)公開的滯后影響，并不能準確反映真實的申請量。

二、主要申請人排名

如圖5所示，對主要申請人在中國申請的專利進行了統(tǒng)計分析。其中，瑞典SKF以26件專利申請位居首位。在專利申請量排名前12位的申請人中，中國企業(yè)有5家，占比41.7%，這說明國內(nèi)企業(yè)在主軸軸承領(lǐng)域具備較強的知識產(chǎn)權(quán)保護意識；德國企業(yè)有3家，占比25%；日本企業(yè)有2家，占比16.7%；瑞典和丹麥企業(yè)各有1家，占比8.3%。這些申請人中屬于整機制造商的有中國國電聯(lián)合、德國西門子、中國湘電、中國華銳風電科技股份有限公司（以下簡稱“華銳”）、丹麥維斯塔斯、日本三菱重工，它們的專利申請側(cè)重于主軸軸承應(yīng)用方面；其余的都為軸承制造商，它們的專利申請側(cè)重于主軸軸承結(jié)構(gòu)、布置方式等。

圖4 主軸軸承領(lǐng)域中國專利申請趨勢及國內(nèi)/外專利申請趨勢

圖5 主軸軸承領(lǐng)域中國專利申請主要申請人排名

圖6 主軸軸承領(lǐng)域中國專利申請技術(shù)分支占比情況

圖7 主軸軸承領(lǐng)域中國專利申請主要申請人技術(shù)分支

三、技術(shù)分布

圖6反映的是主軸軸承各個技術(shù)分支上的專利申請量情況。從該圖中可看出，大部分專利仍集中于主軸軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面（占31%），安裝拆卸、布置方式、監(jiān)測維護、潤滑、密封、保持架方面的專利申請占比基本相當。而制約我國風電軸承行業(yè)發(fā)展的材料工藝技術(shù)的專利申請量較少，這是因為很多國外用于風電傳動系中的軸承產(chǎn)品已進入中國市場，但其核心技術(shù)并沒有在中國公開。此外，由于目前市場的維修成本大于更換成本，并且維修后的風險不易把控，風力發(fā)電機上主軸軸承的維修案例極少，絕大部分場合還是選擇更換主軸軸承。因此，主軸軸承的安裝以及監(jiān)測的專利申請量所占比例較大，其所體現(xiàn)的也是近年來機組軸承領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢，即軸承尺寸的不斷增大，損壞后更換的成本增加，相應(yīng)地對于其安裝和運行的技術(shù)要求也越來越高，因此申請人對于這些領(lǐng)域的專利保護也愈加重視。

圖7反映的是主要申請人在各個技術(shù)分支上的專利申請量。由該圖可以看出，在結(jié)構(gòu)上，瑞典SKF、日本NTN、德國西門子、德國舍弗勒申請量較大；在安裝拆卸上，中國國電聯(lián)合、瑞典SKF、中國湘電申請量較大；在材料工藝上，日本NTN申請量較大；在監(jiān)測維護上，中國瓦軸和中國上海聯(lián)合滾動申請量較大；在潤滑上，日本NTN申請量較大；在密封上，中國國電聯(lián)合、中國華銳申請量較大；在保持架上，日本NTN、瑞典SKF公司、中國瓦軸申請量較大。由于主軸軸承領(lǐng)域整機制造商與軸承制造商之間缺乏技術(shù)合作，整機制造商在設(shè)計傳動系時簡單地把軸承設(shè)計工作外包給軸承制造商，整機制造商在應(yīng)用主軸軸承時會發(fā)現(xiàn)一系列應(yīng)用問題，因而整機制造商多在潤滑、密封、監(jiān)測、安裝方面申請相關(guān)專利。

小結(jié)

我國風電軸承制造與國外存在差距，材料是主要因素，其次為風電軸承設(shè)計、工藝水平和工藝裝備。盡管我們制定了JG/T10705－2007《滾動軸承 風力發(fā)電機軸承》和修訂了GB/T18254－2002《高碳鉻軸承鋼》標準，對其中碳化物、偏析、含氧量和夾雜物等要求有所提升，但受制于國內(nèi)鋼企冶煉技術(shù)和成本等因素，完全實施仍有很大難度，這就造成國內(nèi)風電軸承質(zhì)量先天不足，風電軸承的壽命、可靠性及一致性遜色國外產(chǎn)品。

在分析全球和中國主軸軸承專利時發(fā)現(xiàn)，關(guān)于材料和工藝方面的專利申請很少，因而在這方面的借鑒和啟示也寥寥無幾，想要在材料和工藝方面尋求主軸軸承的突破難度較大。但是，關(guān)于主軸軸承其他方面的申請很多，因而可以考慮從其他方面著手打破主軸軸承的制造瓶頸。

（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局機械發(fā)明審查部風力機械處）

1 黃蓉等同于第一作者