兆瓦級風電機組變槳集中潤滑系統(tǒng)選型及故障診斷研究

劉 欣 張亞平 劉玉成/沈陽鼓風機集團股份有限公司

0 引言

然而，相對于整機設備廠商而言，變槳軸承、潤滑脂以及集中潤滑設備實行單獨采購，而這些零部件又分屬不同供方供貨。這就存在這樣的一個問題：集中潤滑設備供方對變槳軸承所需潤滑要求及所選配油脂的性能要求不甚了解，而潤滑脂供方又很難全面掌握軸承及集中潤滑設備的技術要求。更重要的是，整機廠商在潤滑設備采購的技術準備過程中，更多時間處于多個供方間技術接口傳遞的位置，往往由于對整個系統(tǒng)沒有全面的了解，出現(xiàn)當設備有問題時解決不利的情況。

本文就是在這種背景下，以變槳集中潤滑系統(tǒng)為例，從潤滑機理、設備選型及故障分析三個方面對變槳集中潤滑系統(tǒng)做一個較系統(tǒng)的綜合闡述和分析，為整機廠商從事集中潤滑設備選型和設計的工程技術人員，提供一定的借鑒和參考。

隨著風電機組大功率化的發(fā)展以及受結(jié)構和較難維護的影響，目前風電機組變槳軸承潤滑一般選用集中潤滑系統(tǒng)。集中潤滑系統(tǒng)，可以做到定時定量給軸承及齒圈等部件提供潤滑脂，極大方便了風場主對變槳軸承的保養(yǎng)，大幅降低維護的人工成本。因此，集中潤滑系統(tǒng)在兆瓦級風電機組中得到廣泛應用。

1 變槳集中潤滑基本機理及作用簡介

根據(jù)軸承疲勞壽命公式以及借助壽命修正系數(shù)，對軸承在特殊情況下可達到的疲勞壽命[1]作出估定，即：

式中：Lhe為基于10%報廢概率的額定疲勞壽命；Lna為在一定條件下達到的疲勞壽命；a1為有關報廢概率的壽命修正系數(shù)；a2為有關材料的壽命修正系數(shù)；a3為有關工作條件的壽命修正系數(shù)。

可知，影響系數(shù)a3的條件首先是潤滑，主要因素是潤滑膜厚度。對于變槳軸承，潤滑的作用首先是防止?jié)L動面和滑動面的金屬接觸，同時保持較小的摩擦和磨損。此外，潤滑劑還能保護軸承不生銹，在一定條件下還能散熱。

2 變槳集中潤滑系統(tǒng)的選型

風電機組變槳集中潤滑系統(tǒng)一般由潤滑泵、潤滑管線、一級分配器、二級分配器及潤滑小齒等組成。按照分配器結(jié)構可將集中潤滑系統(tǒng)分為遞進式集中潤滑系統(tǒng)和單線式集中潤滑系統(tǒng)。從目前的應用來看，遞進式集中潤滑系統(tǒng)的應用較為廣泛。單線式集中潤滑系統(tǒng)由于其分配器的原理，可以延長維護間隔，目前主要應用于海上大兆瓦風機，而在陸上風機應用較少，其主要原因在于遞進式分配器體積較小，在機組中的安裝較為方便。而單線式的分配器，目前體積較大，成本較高。但隨著潤滑系統(tǒng)廠家工藝水平的發(fā)展以及對成本的控制，單線式集中潤滑系統(tǒng)將會在風電機組中得到更廣泛的應用。

變槳集中潤滑系統(tǒng)型式的選擇，需要不同整機廠商依照機組實際需求而定。本節(jié)將從潤滑脂選取和潤滑設備組件選擇兩方面進行論述。

2.1 潤滑脂的選擇

潤滑脂就是潤滑油加上稠化劑，使之形成一種半流體狀的潤滑劑。實際稠化劑并不參與潤滑，但它是潤滑油的承載體。潤滑脂內(nèi)的基礎油和添加劑是設備潤滑保護的關鍵。潤滑脂的選擇，在很大程度上影響到軸承潤滑的效果，從而影響軸承壽命[2]。

2.1.1 風力發(fā)電機組變槳軸承潤滑脂要求

風電機組的工作環(huán)境決定了對變槳軸承潤滑脂的需要具有寬廣的溫度范圍、良好的針入度穩(wěn)定性、良好的抗水性、良好的防腐性、對金屬的相容性（如銅）、高負載能力（dmn＜3 000）、優(yōu)化的油分離性能以及良好的低溫性能[3]。

同時，由于變槳軸承為間歇工作，機組上振動均傳遞到變槳軸承上，使其長期處于微動狀態(tài)。因此，微動磨損測試對變槳軸承特別適用[3]。由于變槳軸承處于易微動磨損的集中供脂場合，應選用稠度等級為0#或1#的潤滑脂。

表1 風電設備潤滑脂的測試表

風電設備潤滑脂的相關測試列于表1，工程設計人員在選擇潤滑脂時可參考使用。

2.1.2 潤滑脂選用原則

潤滑脂的選擇，直接影響著潤滑油膜的厚度，從而影響軸承的壽命。由于變槳軸承的結(jié)構不同，選擇的潤滑脂也不同，本文僅以滾動軸承為例來介紹變槳集中潤滑脂選擇的原則。

潤滑脂的基本適用范疇在油品的說明中都會提到，但選擇變槳軸承潤滑脂時除了考慮脂的基本適用范疇外，還應考慮軸承的應力大?。ㄘ摵?、轉(zhuǎn)速）、運轉(zhuǎn)性能要求（噪聲、摩擦）和環(huán)境條件（濕度、外來異熱）。以下主要對應力大小方面進行說明。

潤滑脂與轉(zhuǎn)速及負荷的關系，首先根據(jù)轉(zhuǎn)速比n/ngf來估定，其中n是軸承的最高工作轉(zhuǎn)速，ngf則是脂潤滑軸承的極限轉(zhuǎn)速；其次還要考慮負荷比P/C，其中C是軸承的額定動負荷，P是工作中出現(xiàn)最大負荷時的當時載荷。選擇脂的類型時還得考慮軸承的滑動摩擦成分，因此比值P/C應乘以系數(shù)f。

f=1,適用于承受任何載荷的球軸承和主要隨徑向負荷的滾子軸承。

f=2,適用于主要承受軸向負荷的滾子軸承。

圖1 潤滑脂與轉(zhuǎn)速及負荷的關系圖

Ⅰ區(qū)為一般應力范圍。該轉(zhuǎn)速與負荷對脂的選擇幾乎沒有影響。工作溫度也在一般范圍內(nèi)，通常在80℃以下，本區(qū)使用常溫通用軸承潤滑脂。在斜線附近，即轉(zhuǎn)速較高與負荷較大時，可出現(xiàn)較高溫度，所以需要使用耐熱脂。

Ⅱ區(qū)為中低、中轉(zhuǎn)速的高負荷比值區(qū)。在這類工作條件下應使用粘度較高的基礎油潤滑脂和加有高壓添加劑的潤滑脂或固體潤滑劑。其錐入度與Ⅰ區(qū)的脂相同。

Ⅲ區(qū)則是高轉(zhuǎn)速與低負荷區(qū)。此區(qū)要求潤滑劑摩擦以及軸承滑動面的摩擦均應小，同意潤滑脂必須具有足夠的粘附性。否則轉(zhuǎn)速高時會被甩掉。因此用鋰皂、復合鋇皂或有機合成凝結(jié)劑與粘度低的合成基礎油組成的潤滑脂特別好。

風力發(fā)電機組變槳軸承的計算結(jié)果一般落在Ⅰ、Ⅱ區(qū)，可由此進行選擇。

其它因素對潤滑脂選擇的影響在文獻[1]、[2]中均有詳細說明。

另外，目前各油品供應商也開發(fā)出了不同部位的風電機組專用潤滑脂，在選型時也可按照油品供應商的說明進行選擇。

2.1.3 潤滑脂的用量

1）裝脂量

由于軸承潤滑脂填充量過大會因攪拌效應造成軸承溫度過高，使脂喪失潤滑能力，從而對軸承造成損壞。風力發(fā)電機組變槳軸承屬于低速重載工況，對軸承潤滑脂的填充量可稍微多一點，一般而言變槳潤滑軸承的裝脂量為軸承空間凈容積的1/2到2/3，或由軸承供應商進行確定。

2）再潤滑量

集中潤滑系統(tǒng)的潤滑周期小于1天，按文獻[2]中所給再潤滑量的計算公式為：

式中：m 為再潤滑量，g；D 為軸承外徑，mm；B 為軸承寬度，mm。

2.2 變槳集中脂潤滑系統(tǒng)部件的選型

1）潤滑泵的流量應根據(jù)再潤滑量和供脂時間來確定。潤滑泵的工作壓力應根據(jù)系統(tǒng)的壓力損失來決定，變槳脂潤滑系統(tǒng)的壓力損失分為沿程阻力損失和局部阻力損失。其中沿程損失主要為管路的沿程損失，局部損失為接頭、分配器以及被潤滑的軸承部件處損失之和。壓力損失的計算在很多流體力學類的著述中都有敘述，本文不再累述。其中，軸承內(nèi)腔滾道的油脂阻力損失計算為難點，一般需要軸承供方配合完成。在實際工程應用中，在確定了布線方案后，也可由元器件供應商提供壓力損失等數(shù)據(jù)，根據(jù)壓力損失選用合適的潤滑泵；

2）安全閥的設定值要小于泵的最大允許工作值，但應該大于最嚴苛工作狀態(tài)下的壓力損失；

3）儲脂罐容量根據(jù)補油間隔和再潤滑脂消耗速度來確定；

4）管路的爆裂壓力應大于系統(tǒng)工作的最大壓力，風電行業(yè)要求一般不低于600bar；5）廢脂收集瓶用來收集軸承排出的廢脂；6）潤滑小齒輪應根據(jù)變槳齒輪箱的齒輪數(shù)據(jù)進行選擇。

另外，所有的系統(tǒng)部件的材料都應該與選用的潤滑脂相兼容。

3 變槳集中脂潤滑系統(tǒng)故障診斷

目前市場上廣泛使用的主要幾種變槳潤滑設備，其系統(tǒng)原理大同小異，潤滑系統(tǒng)的故障排查也基本相同，本節(jié)對變槳軸承潤滑系統(tǒng)的故障診斷進行一般性說明，以期對工程實際應用起到一定的指導作用。

一般而言，變槳集中脂潤滑系統(tǒng)的主要故障現(xiàn)象有以下幾種：電機不運轉(zhuǎn)、泵打不出油、分配器堵塞。

3.1 電機不運轉(zhuǎn)

導致此現(xiàn)象的原因可能是以下幾個：

1）電源未接通；

2）電機故障。

應按照以下步驟進行檢查：

1）檢查電源開關是否合上。當檢查發(fā)現(xiàn)潤滑泵開關斷開時，應首先用萬用表測量潤滑泵電源開關輸出端有無電壓、有無短路或接地現(xiàn)象，確認無上述問題后方可重新合上電源開關；

2）檢查潤滑泵電源線有無短路或接地、斷路現(xiàn)象，需要時更換輪轂潤滑泵電源線；

3）檢查電機電源插頭，有無松動或脫落。必要時更換電機。

3.2 泵打不出油脂

導致該現(xiàn)象的原因可能有以下幾個：

1）油箱油脂已排空；

2）潤滑脂中有氣泡；

3）使用了不適當?shù)挠椭?/p>

4）泵芯的吸油口被堵死；

5）泵芯磨損；

6）泵芯的止回閥損壞或卡死。

按照以下步驟進行排查：

1）當潤滑油泵內(nèi)潤滑脂低至1/3時，應及時加脂。由于補油接頭帶有油脂過濾接頭，建議從加油嘴處補加；

2）當潤滑油脂內(nèi)或油管存有大量空氣時，也會導致系統(tǒng)不出脂，這就需要拔下一級分配器輸入油管快插頭并按下潤滑泵強制啟動按鈕，當聽到油管內(nèi)有啪啪的聲音時為系統(tǒng)在排空氣，直至油管內(nèi)有大量潤滑脂流出時方可重新插上油管；

3）由泵內(nèi)刮油板觀察泵工作是否正常，拔下出油口若無油脂流出來時，應檢查安全閥有無堵塞，需要時更換安全閥或更換新泵。

3.3 一級分配器或二級分配器堵塞

導致此故障現(xiàn)象的原因可能有以下幾個：

1）油脂內(nèi)有臟物導致出油口堵塞；

2）油管路到各潤滑點無潤滑脂流出；

3）分配器內(nèi)部故障；

4）潤滑系統(tǒng)內(nèi)壓力不夠或達不到系統(tǒng)設定壓力值。

按照以下步驟進行排查：

1）在選擇符合規(guī)格的潤滑脂以后，加油過程中應盡量避免臟物進入油泵中。必要時清理臟物或重新加注潤滑油脂；

2）拔下一級分配器的輸入端快插頭，用油槍手動打壓，查看一級分配器壓力指示器有無動作，這個過程大概需要1～2分鐘。如果手動打壓時，壓力指示器未動作，則需要依次拔下一級分配器上的輸出快插頭，根據(jù)被拔出快插頭的輸出口有無油流出來判斷一級分配器的好壞(當出油量少時，可以用細鐵絲慢慢通出油口，以防出油口堵塞)；同時可以通過手動打壓時一級分配器壓力指示器的動作情況來判斷是哪個二級分配器堵了。當確認后，拔出該二級分配器的輸入快插頭，將油脂槍嘴放入該插頭內(nèi)，并依次拔下分配器出油口快插頭，通過手動打壓觀察出油口有無潤滑脂流出來判斷是分配器堵塞或者是通往各潤滑脂的油管路堵塞，分配器堵塞時更換分配器，油管路堵塞可用油槍直接接到堵塞油管路上打壓，如果不能打通，則需要更換新的油管路；

3）在潤滑泵出口加裝壓力表檢測出口壓力，如果其壓力過低，則需要更換潤滑泵。

4 結(jié)語

本文對變槳集中脂潤滑系統(tǒng)潤滑脂的選擇、集中潤滑系統(tǒng)部件的選擇以及集中潤滑系統(tǒng)故障分析與排查進行了簡要的說明，對實際工程應用起到一定的指導作用。實踐也證明，在潤滑組件、潤滑脂肪及變槳軸承確定的情況下，不同的潤滑機制及潤滑系統(tǒng)排布，也會對潤滑效果產(chǎn)生較大影響。受軸承內(nèi)部流道結(jié)構差異以及油脂流動阻力試驗條件不具備的影響，本文未能給出變槳軸承滾道油脂阻力經(jīng)驗公式和數(shù)值，這將是下一步工作需要解決的問題。

[1]埃斯曼，哈斯馬要韋根特.滾動軸承設計與應用手冊[M].劉家文，譯.華中工學院出版社，1985.

[2]卜炎.實用軸承技術手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.