風(fēng)電場物理特性對風(fēng)電機(jī)組軸承動(dòng)態(tài)潤滑影響的因素分析

■ 楊小品 寇桂岳 趙志英

(1.南昌工程學(xué)院 2.北京航空航天大學(xué))

0 引言

目前，風(fēng)能作為重要的可再生能源類型已成為我國主要的發(fā)電能源，全國已有數(shù)萬臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行。風(fēng)電場一般建在戈壁荒灘、山谷曠野或海上等工作環(huán)境惡劣之地，維修保養(yǎng)不易，加之風(fēng)電機(jī)組設(shè)備比較昂貴，所以維持風(fēng)電機(jī)組設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行的潤滑系統(tǒng)顯得尤為重要。良好的潤滑不僅可以保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，還可以節(jié)約潤滑油脂，并降低電力成本。軸承是風(fēng)電機(jī)組設(shè)備中非常重要的零部件，風(fēng)電機(jī)組中需要潤滑的軸承有很多，主要集中在主軸、偏槳、剎車等系統(tǒng)中。由于風(fēng)能的隨機(jī)性與不穩(wěn)定性，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中軸承潤滑需求與負(fù)荷強(qiáng)度、運(yùn)行時(shí)長、環(huán)境、溫度等方面有極大的關(guān)系。傳統(tǒng)人工注脂和定時(shí)定量的自動(dòng)注脂潤滑方式較易造成欠潤滑和過潤滑，已不能滿足潤滑需求。應(yīng)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組功率輸出、相關(guān)環(huán)境影響等因素，綜合考慮具體運(yùn)行工況下的潤滑需求，才能為風(fēng)電機(jī)組提供合理的潤滑方案[1]。若要選取適當(dāng)?shù)臐櫥桨?，必須對影響潤滑的一些重要因素進(jìn)行分析，才能在確定潤滑方案時(shí)進(jìn)行針對性處理。因此，本文從影響潤滑性能的各種內(nèi)、外部因素出發(fā)，重點(diǎn)分析各因素對潤滑效果的影響，為動(dòng)態(tài)潤滑控制策略提供理論支持。

1 風(fēng)電機(jī)組壽命與潤滑關(guān)系的分析

一般而言，風(fēng)電機(jī)組需要潤滑的部位超過80個(gè)，主要潤滑部位大致可分為軸承潤滑和齒輪潤滑兩類。在實(shí)際使用中，有70%的齒輪和軸承達(dá)不到預(yù)定壽命，影響軸承壽命的因素有很多[2-3]。

在GB/T 6391-2010《滾動(dòng)軸承 額定動(dòng)載荷和額定壽命》(即國際化標(biāo)準(zhǔn)ISO 281-2007)[4]中，軸承的壽命公式為：

式中，Lnm為修正額定壽命；L10為基本額定壽命；a1為可靠度修正系數(shù)；aISO為軸承壽命修正系數(shù)。

公式(1)中只有aISO為可變系數(shù)，可表示為：

aISO是與污染系數(shù)eC、疲勞載荷極限Cu、當(dāng)量動(dòng)載荷P及黏度比κ有關(guān)的函數(shù)。它將軸承在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中材料的疲勞極限，潤滑的有效程度、污染程度和軸承當(dāng)量動(dòng)載荷等因素綜合考慮后對L10進(jìn)行修正。因此，為了延長軸承使用壽命，可以通過調(diào)節(jié)aISO使軸承的修正額定壽命Lnm達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

根據(jù)GB/T 6391-2010中向心滾子軸承的壽命修正系數(shù)圖可以看出：Cu/P一定時(shí)，aISO的最大和最小值范圍可在0.3～50之間，相差數(shù)百倍，從式(1)可以看出，aISO對Lnm影響很大。在惡劣條件下，aISO極小時(shí)，軸承壽命急劇下降；而在潤滑和清潔良好的極端條件下，aISO可達(dá)50，幾乎可使軸承擁有無限壽命。因此，研究與aISO相關(guān)的參數(shù)具有非常重要的實(shí)際意義。

根據(jù)制造商回收到的失效軸承的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到了軸承失效形式的發(fā)生頻率，如圖1所示。 其中，43%的直接失效原因來自潤滑不當(dāng)，而密封缺陷和次表面疲勞也可間接引起潤滑不當(dāng)。

圖1 軸承失效原因占比情況

結(jié)合式(1)、式(2)和圖1可知，若要提高風(fēng)電機(jī)組的軸承壽命，必須避免污染、提供良好的潤滑。恰當(dāng)有效的潤滑方式和合適的潤滑量是提高軸承壽命、延長風(fēng)電機(jī)組服役年限最有效的方式。良好的潤滑與環(huán)境條件和潤滑油自身均有較大關(guān)系[5]。風(fēng)電機(jī)組載荷和軸承轉(zhuǎn)速與風(fēng)速、風(fēng)向及地理環(huán)境有關(guān)[6]，潤滑油品質(zhì)量與溫度和濕度及污染有關(guān)，因此，在對風(fēng)電機(jī)組制定潤滑方案時(shí)，必須對上述主要影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析和處理。

1.1 溫度影響

外部溫度的影響主要是對密封部件的影響和對潤滑油脂的影響，其中對潤滑油脂的影響尤為嚴(yán)重。潤滑油脂的性能直接關(guān)系到潤滑效果，因此，溫度對潤滑效果的影響不可忽略。

良好的潤滑首先要能保證在兩個(gè)接觸面之間形成可以隔離摩擦面的潤滑油膜。潤滑油膜的充分形成依賴于潤滑劑的黏度，而黏度對于溫度的變化高度敏感。溫度每下降5 ℃，油脂表現(xiàn)的黏度即會(huì)翻倍。風(fēng)力發(fā)電機(jī)全部裸露于室外環(huán)境中，在冬天，北方最冷月份的氣溫常低于-25 ℃，極端情況下甚至低于-40 ℃，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后迅速冷卻，潤滑油會(huì)變得很黏稠，造成下次啟動(dòng)困難；重啟時(shí)對潤滑油進(jìn)行加熱形成最小油膜亦有時(shí)間上的影響。在夏天，風(fēng)電機(jī)組處于太陽的暴曬之下，機(jī)艙溫度較高。溫度升高會(huì)導(dǎo)致潤滑黏度顯著下降，使?jié)櫥湍こ休d能力降低，最小油膜容易失效或者不易形成。最小油膜厚度大約是潤滑劑黏度的0.7次冪的函數(shù)。因此，對于工作環(huán)境溫度來說，超過合適溫度的±5 ℃，就需要考慮溫度變化的影響。溫度在70 ℃以上時(shí)，每升高15 ℃，潤滑脂的補(bǔ)充和更換周期要縮短1/2。在潤滑控制方案中要充分體現(xiàn)溫度變化這一因素的影響作用，油品的選擇、及時(shí)更換或改變補(bǔ)給周期是很有必要的。

受氣溫變化及低溫的影響，橡膠密封件更易老化。橡膠密封件老化后密封性能的下降則會(huì)導(dǎo)致潤滑污染的發(fā)生，比如，空氣中塵土泥沙等固態(tài)顆粒的入侵、雨雪水分的滲入，潤滑油脂的泄露等。嚴(yán)重的污染對于軸承的正常運(yùn)行有致命性打擊。

1.2 顆粒污染影響

在潤滑污染中，顆粒污染引起的后果比較嚴(yán)重，能導(dǎo)致軸承迅速失效。顆粒污染包括外部環(huán)境中顆粒入侵和部件剝落微粒等。某些采用自動(dòng)潤滑裝置的風(fēng)電機(jī)組，潤滑部件設(shè)有開放性注油孔，因此更容易受到潤滑污染。硬顆粒侵入密封圈或者防塵蓋后進(jìn)入到潤滑油和軸承內(nèi)部空間，并在滾動(dòng)體和滾道之間積聚，當(dāng)大于油膜厚度的固體顆粒被帶入接觸區(qū)時(shí)，顆粒被碾壓碎裂與潤滑油發(fā)生反應(yīng)會(huì)降低潤滑油的性能。若顆粒因應(yīng)力作用嵌到滾動(dòng)面形成凸起，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在凸起處形成高溫；若顆粒在兩滾動(dòng)面中間摩擦則會(huì)形成較深的壓痕，當(dāng)壓痕深度達(dá)到幾微米時(shí)，潤滑油膜可能會(huì)破裂而形成負(fù)壓，在負(fù)壓周圍形成很高的壓力峰。滾動(dòng)面凸起處同樣也會(huì)出現(xiàn)油膜壓力峰，這樣的高壓對滾動(dòng)體和滾道材料表面和次表面壓力有極大的影響，成為疲勞失效的起始點(diǎn)，這些局部的初始疲勞會(huì)導(dǎo)致軸承迅速失效。

顆粒入侵會(huì)造成軸承的潤滑不良，影響使用壽命。根據(jù)污染物顆粒的不同尺寸可以判斷受何種雜質(zhì)影響，來定量地評價(jià)污染對軸承疲勞壽命的影響。所以，在風(fēng)沙較大的風(fēng)電場，對軸承進(jìn)行油浴清洗、改變潤滑油補(bǔ)給周期是很有必要的。

1.3 濕度影響

濕度屬于潤滑中的水分污染。在氣候潮濕的地區(qū)，如環(huán)湖風(fēng)電場、海上風(fēng)電場，則必須考慮空氣濕度的影響，因?yàn)樗植粌H會(huì)對潤滑劑產(chǎn)生破壞作用，對機(jī)械部件也會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，比如部件工作表面生銹等。水汽或雨水、雪水的入侵會(huì)影響潤滑劑中的水分含量，潤滑劑中水的含量是影響潤滑性能的重要因素，最大水分含量應(yīng)控制在4×10-5。水分的污染將引起金屬部件腐蝕，破壞邊界潤滑保護(hù)層。水分通過物理和化學(xué)作用使?jié)櫥瑒┬阅芰踊蚴Вs短油品使用壽命。油脂中的水分能使接觸表明產(chǎn)生銹蝕。若摩擦面有剝落下來的細(xì)微顆粒，環(huán)境中濕氣和潮氣會(huì)與這些顆粒的氧化物發(fā)生水合反應(yīng)，還會(huì)導(dǎo)致所謂的微動(dòng)磨損腐蝕或摩擦氧化現(xiàn)象，從而對軸承壽命產(chǎn)生不利影響。因此，對于保持潤滑劑干燥方面，潤滑油脂加注時(shí)的防塵防潮要做好充分的保護(hù)設(shè)施，在條件允許時(shí)，可設(shè)立油脂的在線監(jiān)測系統(tǒng)，以分析油脂中水分及雜質(zhì)含量并進(jìn)行凈化處理。

1.4 地理位置的影響

地理位置主要影響風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行工況，而風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況決定著自身機(jī)械部件的磨損，各部件潤滑時(shí)間間隔和潤滑劑量的選取以抗磨損為主要依據(jù)。

風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電場的分布較分散，因此，整體上具有非常大的空間差異，而這些空間差異導(dǎo)致了風(fēng)電機(jī)組之間工作情況的差異。由于地形及空氣動(dòng)力學(xué)的影響，風(fēng)電機(jī)組位置和迎風(fēng)點(diǎn)決定了風(fēng)電機(jī)組的出力，在主風(fēng)向區(qū)域，風(fēng)電機(jī)組出力較多，而在風(fēng)向不明顯的區(qū)域，風(fēng)電機(jī)組出力較少。處于同一風(fēng)電場的各風(fēng)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)情況也不盡相同。

在風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙中，主要軸承潤滑部件有葉片軸承、主軸、發(fā)電機(jī)軸承、偏航系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)等。葉片為風(fēng)能捕獲部件，葉片帶動(dòng)主軸和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。主軸和發(fā)電機(jī)的工況不僅與風(fēng)速有關(guān)，還與其載荷有關(guān)[7-8]。在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)和需要變槳時(shí)，其運(yùn)行工況與風(fēng)速和風(fēng)向參數(shù)有關(guān)。偏航系統(tǒng)要保持機(jī)艙與風(fēng)向一致，運(yùn)行工況與風(fēng)向有關(guān)。剎車系統(tǒng)則主要與切入風(fēng)速、切出風(fēng)速及系統(tǒng)故障有關(guān)。工況不同，各部件的機(jī)械磨損均不同，因此，同一風(fēng)電機(jī)組中，不同的部件對潤滑的需求也不同；而軸承的連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)取決于潤滑的方式和劑量，因此，必須根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況確定合適的潤滑方案，才能保證軸承的正常運(yùn)行。

地理位置因素和風(fēng)能特性的結(jié)合對風(fēng)電機(jī)組潤滑方案有決定性作用，應(yīng)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)及風(fēng)場現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析決策。

1.5 風(fēng)電機(jī)組啟停的影響

因并網(wǎng)和保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的原因，風(fēng)電機(jī)組要在一定風(fēng)速范圍內(nèi)才可以工作，當(dāng)出現(xiàn)工作風(fēng)速范圍以外的切出風(fēng)速時(shí)需要及時(shí)停機(jī)。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)速超快、振動(dòng)過大、電機(jī)溫度過高等故障時(shí)，需通過液動(dòng)制動(dòng)裝置的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

風(fēng)電機(jī)組主軸承受的載荷有徑向載荷和軸向載荷，在啟停機(jī)過程中主軸受力不均勻，在頻繁陣風(fēng)啟停時(shí)會(huì)把潤滑油從受力較大的部分接觸面中擠出，不利于啟動(dòng)時(shí)的油膜形成[9]。在正常運(yùn)行中，風(fēng)力不穩(wěn)定時(shí)，由于載荷引起振動(dòng)偏高也會(huì)把潤滑油從摩擦中擠出，從而破壞最小油膜的完整性。因此，風(fēng)電機(jī)組切入切出的頻率必須要作為擾動(dòng)量加以考慮；而風(fēng)電機(jī)組載荷則作為隨動(dòng)量在最小油膜形成及作用過程中加以處理。另外，在寒冷時(shí)節(jié)，風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)還應(yīng)考慮潤滑油的加熱問題[10]。

2 結(jié)語

優(yōu)良的潤滑系統(tǒng)既能延長風(fēng)電設(shè)備壽命，又能降低發(fā)電成本、節(jié)約能源、提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的盈利能力[11]。風(fēng)電機(jī)組潤滑點(diǎn)眾多，影響風(fēng)電機(jī)組潤滑的因素亦很多，本文重點(diǎn)分析了外界環(huán)境的影響因素，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮潤滑點(diǎn)各種相關(guān)情況來選取合適的潤滑劑，并采取恰當(dāng)?shù)臐櫥桨?。對于給定的軸承應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)保持恰當(dāng)?shù)陌惭b技術(shù)，盡量避免各種污染，在選擇合適的潤滑劑的基礎(chǔ)上，用調(diào)整潤滑油脂的供給方式來優(yōu)化軸承壽命修正系數(shù)aISO，使軸承壽命盡可能的延長，能達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)壽命。

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