風(fēng)電機(jī)組變槳軸承漏油分析

劉勇，王興祖，趙登利

（山東中車風(fēng)電有限公司 風(fēng)電裝備研究所，濟(jì)南 250022）

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組正朝著低風(fēng)速、高功率的方向發(fā)展，在功率提升的同時，風(fēng)機(jī)對各子系統(tǒng)均提出了更高的要求。偏航、變槳軸承作為風(fēng)電機(jī)組的核心零部件，長期以來大多依賴國外進(jìn)口，近年來國內(nèi)大批優(yōu)秀的軸承廠家在風(fēng)電領(lǐng)域開始嶄露頭角，已具備兆瓦級風(fēng)電軸承的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造以及測試能力［1］。

變槳軸承作為變槳系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接影響整個變槳動作的連貫性、穩(wěn)定性以及精準(zhǔn)度。國內(nèi)外廠家均逐年加大對變槳軸承設(shè)計(jì)研發(fā)的投入力度，然而軸承的漏油問題始終沒有得到很好解決，漏油現(xiàn)象依然頻繁出現(xiàn)。考慮到潤滑脂對軸承潤滑的重要性以及變槳軸承高昂的拆卸成本，故對變槳軸承漏油問題進(jìn)行分析。

1 變槳軸承

變槳軸承作為連接輪轂與葉片的樞紐，主要選用雙排四點(diǎn)接觸球軸承，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其承載能力強(qiáng)、回轉(zhuǎn)阻力小、使用壽命長，對安裝基座的要求不高，廣泛運(yùn)用于兆瓦級風(fēng)電機(jī)組［2］?？紤]到風(fēng)機(jī)所處環(huán)境較為惡劣，變槳軸承多選用雙唇式丁腈橡膠密封件（圖2），其不僅低溫性能好、扯斷強(qiáng)力大、耐磨性能強(qiáng)，而且內(nèi)唇可防止油脂溢出，外唇可抵擋異物侵入，密封座可起到定位作用［3］。潤滑劑常采用復(fù)合鋰基潤滑劑，其老化后為白色水狀，不會對球造成嚴(yán)重影響，而且潤滑效果良好。

圖1 雙排四點(diǎn)接觸球軸承Fig.1 Double row four point contact ball bearing

圖2 雙唇式密封件Fig.2 Double lip seal

2 漏油現(xiàn)象

通過對國內(nèi)各大風(fēng)場進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)多年的風(fēng)電機(jī)組不同程度的存在密封圈潤滑脂溢出的現(xiàn)象。根據(jù)漏油程度的不同，將其劃分為2種類型：

1）輕微漏油。集油瓶和密封圈處均有潤滑脂溢出，集油瓶收集到絕大部分潤滑脂，密封圈處僅有少許潤滑脂溢出（圖3）。

圖3 輕微漏油Fig.3 Minor oil leakage

2）嚴(yán)重漏油。集油瓶未收集到或僅收集到少許潤滑脂，而密封圈處有大量潤滑脂溢出（圖4）。

圖4 嚴(yán)重漏油Fig.4 Serious oil leakage

考慮到變槳軸承出廠前已注入空腔體積60%～90%的油脂，后期維護(hù)、保養(yǎng)又會注入新的油脂，軸承密封旋轉(zhuǎn)會增大內(nèi)部油壓，再加上旋轉(zhuǎn)過程中油溫的升高以及油脂本身的侵潤性，密封件可能會有少許油脂滲出，因此輕微漏油屬于正?，F(xiàn)象。密封件自身具有一定的承壓和密封能力，是軸承內(nèi)部和外界的有力屏障，如果發(fā)生嚴(yán)重漏油，說明整個潤滑脂的流通可能存在異常，需進(jìn)行深入、詳細(xì)的研討。

3 理論分析

通過手動或自動的方式將潤滑脂從注油孔注入到變槳軸承溝道內(nèi)，后續(xù)維修、保養(yǎng)時，隨著新油脂的注入，溝道內(nèi)的舊油脂便會從排油孔中排出，由集油瓶回收。整個潤滑脂的流通主要受油脂容量、潤滑油路以及軸承密封3個因素影響。

3.1 填充量分析

為防止變槳軸承因缺少潤滑脂而造成金屬表面干摩擦，均會注入一定量的潤滑脂。潤滑脂填充量直接影響軸承的運(yùn)行狀態(tài)，油脂填充量過多時，不僅會提高軸承的溫升，還會增大其摩擦轉(zhuǎn)矩，而且當(dāng)填充量超過理論最大容脂量的2/3時，軸承會有漏脂的風(fēng)險(xiǎn)［4］，考慮到變槳軸承所承受的載荷普遍較大，漏脂現(xiàn)象將會更加嚴(yán)重。

3.2 油路分析

潤滑脂的油路可分為進(jìn)油油路、工作油路以及排油油路，涵蓋注油孔、溝道、排油孔以及集油瓶管路。由于存在嚴(yán)重漏油現(xiàn)象的變槳軸承均表現(xiàn)為集油瓶未收集到或僅收集到少許潤滑脂，因此將研究重點(diǎn)放在排油油路方面，即排油孔和集油瓶管路對潤滑脂流通的影響。以某風(fēng)場2MW機(jī)組變槳軸承為例，已知排油孔尺寸為M14 mm×1.5 mm×20 mm，內(nèi)徑為9.8 mm，集油瓶管路內(nèi)徑為6.5 mm，集油瓶管路與集油瓶存在一個直角彎，因此整個排油油路（圖5）不僅包括摩擦阻力，還包括2個收縮的局部阻力以及一個折彎的局部阻力。圖5中，l1為軸承外圈注油孔長度；l2為集中潤滑管接頭通徑長度；d1，d2分別為2段管路的直徑。

圖5 變槳軸承排油油路Fig.5 Oil discharge circuit of pitch bearing

已知鋰基潤滑脂是由基礎(chǔ)油和稠化劑形成的假塑性非Newton流體［5］，采用Herschel-Bulkley模型描述潤滑脂較為復(fù)雜的流變特性，其摩擦阻力和局部阻力分別為［6-7］

排油油路潤滑脂的阻力損失為

式中：ξ1，ξ2分別為l1，l2段管路收縮處綜合阻力系數(shù)；ξ3為l2段管路直角彎處綜合阻力系數(shù)。

已知所選潤滑脂的密度為1.076×103kg/m3，黏度為4.6×10-4m2/s（40℃），當(dāng)l1=50 mm，d1=9.8 mm，l2=70 mm，d2=6.5 mm，v≈0.6 mm/s時，排油油路潤滑脂的阻力損失約0.05 MPa，小于溝道內(nèi)潤滑脂的油壓0.2 MPa，排油油路滿足流通要求，潤滑脂可克服排油油路的阻力損失，由集油瓶管道中排出。

3.3 密封分析

密封件作為變槳軸承密封的關(guān)鍵，不僅能夠在-40～50℃溫度下繼續(xù)保持穩(wěn)定的密封性能，還可有效防止輻射以及氧化氣體進(jìn)入，使得軸承內(nèi)部空間得到有效隔離，其密封效果主要影響因素有：1）密封件自身的承壓能力；2）軸承內(nèi)、外圈的偏移量。

密封件自身的承壓能力由密封件的尺寸和形狀決定，雙唇式密封結(jié)構(gòu)相對于單唇式具有更好的密封性能，已知變槳軸承溝道內(nèi)潤滑脂的油壓約為0.2 MPa，雙唇式密封件完全可以滿足其承載要求。

雙唇式密封件的內(nèi)唇、外唇具有較好的密封性能。當(dāng)軸承內(nèi)、外圈的偏移量增加，超過密封件內(nèi)、外唇的允許范圍時，密封件的過盈量則會減小，甚至出現(xiàn)開口現(xiàn)象，此時，隨著密封件承壓能力的急速下降，油脂便會突破內(nèi)唇的限制，并從唇口處溢出。

4 試驗(yàn)

4.1 風(fēng)場試驗(yàn)

考慮到排油油路對潤滑脂流通的影響，針對存在嚴(yán)重漏油現(xiàn)象的變槳軸承做如下對比試驗(yàn)。

4.1.1試驗(yàn)1

1）選擇5臺（每臺3套）變槳軸承均存在嚴(yán)重漏油現(xiàn)象的風(fēng)機(jī)，將各軸承依次進(jìn)行編號；

2）將各軸承溢出的油脂擦拭干凈，并用膠木棒逐個按壓密封件，確保密封件已壓實(shí)；

3）依次注入1 kg潤滑脂，查看各軸承的漏油情況。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各軸承依然出現(xiàn)嚴(yán)重漏油現(xiàn)象，而且集油瓶中未有潤滑脂溢出。

4.1.2試驗(yàn)2

1）將溢出的潤滑脂再次擦拭干凈，并用膠木棒依次按壓密封件，確保密封件已壓實(shí)；

2）拆除各軸承的集油瓶，并逐個注入潤滑脂，查看各軸承的漏油情況。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，15套軸承中共有3套出現(xiàn)密封件和排油孔同時溢油，其余12套軸承的密封件不再漏油，而是從排油孔中溢出。

通過上述對比試驗(yàn)可知，排油油路不暢嚴(yán)重影響潤滑脂的流通，盡管排油孔和集油瓶管路孔徑已滿足理論設(shè)計(jì)要求，考慮到老化的潤滑脂堆積以及密封件的磨損等問題，排油孔和集油瓶管路的孔徑以及長度仍需調(diào)整，以滿足潤滑脂的流通要求。

4.2 試驗(yàn)臺試驗(yàn)

由于風(fēng)機(jī)的實(shí)際工況難以控制，以及變槳軸承拆卸和密封件更換的難度較大，故在試驗(yàn)臺上進(jìn)行靜載以及動載試驗(yàn)［8］。

4.2.1 靜載試驗(yàn)

1）選用2套2 MW變槳軸承裝配至試驗(yàn)臺（圖6），初始注脂量均為4 kg，空載轉(zhuǎn)動試驗(yàn)軸承（由于試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)自重，實(shí)為輕載，M≈700 kN·m，徑向載荷Fr≈200 kN，軸向載荷Fa=0），轉(zhuǎn)速為1.6 r/min。

圖6 變槳軸承試驗(yàn)臺Fig.6 Test bed of pitch bearing

2）連續(xù)運(yùn)行7 d，每天每套軸承分別注脂約0.5 kg，在距注脂孔約180°位置裝集油瓶，觀察軸承密封件和集油瓶的溢脂情況。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2套軸承的密封效果良好，排油油路暢通，油脂均從集油瓶中溢出，密封件無油脂溢出。

4.2.2 動載試驗(yàn)

1）靜載試驗(yàn)后，分別施加4 000，6 000 kN·m扭矩進(jìn)行動載試驗(yàn)，每個階段連續(xù)運(yùn)行5 d；

2）將千分表表座置于軸承外圈，表針指向軸承內(nèi)圈，加載完成后，查看軸承內(nèi)、外圈相對偏移量；

3）每天每套軸承注脂0.5 kg，觀察軸承密封件和集油瓶的溢脂情況。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施加4 000 kN·m扭矩后，表針顯示2套軸承內(nèi)、外圈相對偏移量分別為0.9，1.0 mm，集油瓶和密封件均有油脂溢出；施加6 000 kN·m扭矩后，表針顯示2套軸承內(nèi)、外圈相對偏移量分別為1.5，1.6 mm，密封件溢出大量油脂，集油瓶不再有油脂溢出。

通過靜載和動載試驗(yàn)可知，軸承排油油路暢通，雙唇式密封件在靜載情況下密封效果良好；動載情況下，隨著載荷的加大，軸承內(nèi)、外圈相對偏移量也會相應(yīng)增加，密封件內(nèi)唇的過盈量對應(yīng)減小，以至于造成油脂從唇口處溢出。

5 結(jié)論

通過對變槳軸承漏油問題進(jìn)行理論分析，并結(jié)合試驗(yàn)，得出漏油原因?yàn)椋?/p>

1）潤滑脂填充量過多。過多的潤滑脂不僅會影響軸承的正常運(yùn)行，還會導(dǎo)致軸承漏油。一般情況下，密封軸承應(yīng)控制潤滑脂的填充量，最多不超過內(nèi)部空間的50%［4］。

2）排油油路不暢。應(yīng)盡量增大排油孔和集油瓶管路孔徑或減小集油瓶管路長度，并且在空間布局允許的情況下，避免管路折彎，采取直管形式連接集油瓶。

3）密封件不具備補(bǔ)償軸承內(nèi)、外圈偏移量的能力。變槳軸承在極限載荷情況下，內(nèi)、外圈偏移量超過2 mm，傳統(tǒng)雙唇式密封件無法滿足其密封要求。為此，要提高軸承加工精度、完善軸承制造工藝，減少軸承內(nèi)、外圈的偏移量，并提高軸承內(nèi)、外圈加載情況下抵抗偏移的能力；改進(jìn)密封件結(jié)構(gòu)，以減小軸承內(nèi)、外圈偏移對密封件的影響，或使密封件具備補(bǔ)償2 mm及以上偏移量的能力。