变桨轴承作为风电机组的关键部件和变桨驱动装置一起工作，改变叶片角度（即改变桨距角）实现对叶片输出功率的控制和保证桨叶的安全。变桨轴承需要承受3个方向交变的轴向力、径向力和大的倾覆力矩，载荷分布如图1所示，叶片的高频振动也会直接传导到变桨轴承。
图1 变桨轴承载荷分布示意图
变桨轴承的工作环境非常恶劣（高温、高寒、高盐、高风沙、高湿），要使其满足20年使用寿命的要求，就必须保证变桨轴承在整个运行期间，保持均匀和稳定的启动摩擦力矩、有效的密封、良好的润滑。由于兆瓦级风电变桨轴承要求高可靠性和长使用寿命且又是双排四点接触球结构,因此,对成品和零件的技术要求不同于普通回转支承。
1、变桨轴承的特性
变桨轴承连接转子轮毂和转子叶片，其主要目的是实现对涡轮叶片的分度或定位，以优化不同风速下的叶片角度。变桨轴承最大的特征为桃形滚道和滚动体数量多。该类轴承设计的单排四点接触或双排八点接触提供了卓越的承载能力，钢球与滚道有多个接触点，这使得轴承能够同时承受径向、轴向和倾覆载荷。变桨轴承主要特性为：
• 桨叶与轮毂（整流罩）连接，并调整叶片迎风角；
• 通过内/外正齿轮或液压柱塞旋转；
• 以非常小的角度 (＜5°) 摆动，并且在整个生命周期内旋转角度不得超过90°；
• 长时间静止，并不断受到振动；
• 轴承维护困难，每6～12个月定期维护一次（直接观察）；
• 暴露在各种天气条件下；
• 空心铸铁轮毂和复合材料叶片非常具有弹性，几乎不提供轴承支撑；
• 设计使用寿命为20年（约175,000小时）。
2、变桨轴承的失效原因
近年来，变桨轴承失效呈高发态势，这与早期变桨轴承行业认知不足存在一定关系，如早期仅采用工程算法对变桨轴承滚道强度进行校核，未引入有限元分析等。标准轴承计算模型预测的经典失效模式（疲劳剥落）实际上是非常罕见的失效原因。经研究表明，变桨轴承的失效通常与润滑剂退化、缺乏结构柔性、载荷和操作应用不当有关。
2.1 润滑失效
由标准轴承计算模型预测的经典故障模式（即疲劳剥落、压痕）实际上并不是变桨轴承故障的常见原因。常见故障通常是润滑不良造成的。润滑引起的故障包括微动磨损（伪布氏压痕）、腐蚀、凹坑和表面引发的疲劳。
麻点
伪压痕和腐蚀
凹坑和腐蚀
腐蚀麻点
表面引发的疲劳
2.2 过载运行
因为轴承缺乏轮毂组件的刚性支撑，导致不平衡，其中一部分滚道承受了大部分载荷。载荷和操作不当引起的故障包括零件损坏（滚动体、保持架、滚道），保持架锁死和滚道损伤。当然润滑条件不好也会加剧这些故障。
滚道接触断裂
滚道接触部位损伤，产生冷加工
滚道断裂
保持架断裂
钢球破碎
2.3 椭圆截断失效
变桨轴承中，钢球与滚道之间的接触区域形成一个椭圆形，该椭圆形以滚道接触角为中心。在较大的推力或倾覆载荷下，接触椭圆会溢出滚道的物理极限（截断）。接触截断的可能性随轴承直径与厚度的比率增加，或者随着外部支撑的减少而增加。严重的接触截断会产生应力上升，从而导致滚道边缘断裂或球碎裂。
椭圆形 (未损坏的)
椭圆形(失效前)
2.4 疲劳破坏
轴承次表面在交变切应力作用下产生裂纹，载荷作用下该裂纹向外扩展，最终导致接触表面剥落。
2.5 塑形变形
轴向载荷、径向载荷及倾覆力矩在变桨轴承上分布不好，进而产生塑形变形。
2.6 滚道磨损
杂质、粉尘未能过滤的磨料及桨叶的颤动，导致变桨轴承产生麻点及凹坑。
2.7 保持架断裂
由于保持架材料及制造问题，载荷作用下变桨轴承产生内外圈相对变形，保持架在受到内外圈相对变形产生的拉力后快速失效。
2.8 套圈断裂
变桨轴承存在设计、制造缺陷或过载时，载荷作用下导致轴承套圈断裂。
3、防止变桨轴承失效的技术方法
大多数变桨轴承都以类似的方式失效，但潜在的原因可能会有所不同，因此必须从了解该轴承的独特问题开始进行。根据给定轴承的具体问题，轴承升级应包括以下部分或全部技术改进内容。
3.1 滚道接触面积
增加滚道接触面积可最小化或消除接触截断，另外，轴承材料方面的增强也可以减小变形。
轴承升级前后对比，触点截断用红色表示
3.2 保持架设计
整体式保持架尽管有一些理论上的优势，但考虑到制造精度、材料强度、成本等因素，分段式保持架在现实中具有更大的优势。分段保持架允许有限的活动空间，可以减少拉伸和压缩载荷；可以使用高强度合金钢，提高耐用性和减少接触磨损。
3.3 滚道几何参数优化
通过控制滚道几何尺寸和公差，改善承载分布和平衡。优化的滚道参数可以减少打滑和摩擦，从而减少内部磨损，改善变桨系统的响应和效率。
3.4 高耐久性密封设计和滚道硬化
采用“H”形截面轮廓、迷宫式密封圈替换原有普通密封结构（下图）；浮动设计具有高响应性，即使变形也能提供密封压力；材料方面，密封圈采用耐磨、热塑性聚氨酯代替传统的丁腈橡胶，更耐用：防止污染物（油脂、水、杂质）的进入，密封效果更好，强度更高，能够延长使用寿命和更换间隔。
密封结构的改进
3.4 滚道硬化
滚道表面硬化（感应淬火）能够有助于防止次表面损伤（屈服）或内部损伤，滚道表面的均匀硬度分布能够承受重载荷。
3.5 包装
合适的包装可以防止在运输过程中因冲击、振动和其他危险而导致的腐蚀和损坏。包装应包括在安装孔上涂防腐涂层；用VCI 防锈纸纸包裹轴承；用真空密封袋包装；采用单独的板条箱（堆叠成两层）。
总结：优化思路如图
风电机组用轴承如下图
