風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承潤滑脂的研制及應(yīng)用

高宇航，王佳，王慶日

(遼寧海華科技股份有限公司,遼寧 鞍山 114229)

0 引言

近20多年來，風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用規(guī)模越來越大，裝機(jī)容量持續(xù)增長。發(fā)展以風(fēng)電為代表的可再生能源，已成為世界各國應(yīng)對(duì)未來能源和氣候變化壓力的長期策略。我國從1986年在山東榮成建立了第一個(gè)風(fēng)電場開始至今，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已位居世界第一(見圖1)。

2017年我國制定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用潤滑劑系列國家標(biāo)準(zhǔn)，明確了我國風(fēng)電潤滑油脂的性能要求[1]。在開啟中國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用油規(guī)范化的同時(shí)，也為國內(nèi)潤滑油脂生產(chǎn)企業(yè)打開一扇窗，逐漸增多的國產(chǎn)化替代已開始動(dòng)搖進(jìn)口油脂在風(fēng)電潤滑領(lǐng)域的壟斷。但對(duì)于很多中國企業(yè)來說，對(duì)風(fēng)電潤滑的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)尚且不足，大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判斷油脂潤滑狀況。本文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承潤滑脂的研制，研究人員采用FE8、FE9、SRV和SKF EMCOR等試驗(yàn)測試了該產(chǎn)品各項(xiàng)性能，并用了三年時(shí)間跟蹤該產(chǎn)品在1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用情況。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承的工況及潤滑要求

1.1 軸承工況條件

我國風(fēng)力發(fā)電廠通常設(shè)在戈壁曠野、山區(qū)風(fēng)口、海邊海島等人煙稀少的地區(qū)，交通不便。而且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組又通常固定于幾十到一百多米高的塔頂上，不易維護(hù)，因此對(duì)主軸軸承有著嚴(yán)格的要求。工況條件如下：

(1)國內(nèi)風(fēng)場遍布較廣，環(huán)境溫度約在-40～40 ℃之間，且經(jīng)常頻繁停機(jī)和啟動(dòng)。

(2)極易受沙塵、雨雪、海水鹽霧侵蝕等環(huán)境因素的影響。

(3)風(fēng)速較高時(shí)，主軸上面所承受的來自葉輪的軸向力更大，致使后排軸承滾動(dòng)體后移，導(dǎo)致其與內(nèi)外圈間隙減小，摩擦增大，軸承溫度升高，此時(shí)若潤滑不充分則會(huì)造成嚴(yán)重的磨損[4]。

(4)風(fēng)電設(shè)備昂貴，難以維修，設(shè)計(jì)使用壽命多為20年，要求具有很高的潤滑可靠性。

1.2 軸承潤滑性要求

主軸作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐旋轉(zhuǎn)的核心部件，因其較難的維護(hù)與保養(yǎng)，使得主軸軸承對(duì)潤滑劑的使用壽命和使用穩(wěn)定性有著很高的要求。可以說確保主軸軸承的有效潤滑，在一定程度上可決定風(fēng)機(jī)的壽命與性能[2-3]。主要性能要求如下：

(1)低溫性能：確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承在低溫時(shí)可以啟動(dòng)及運(yùn)行，即低溫潤滑性。

(2)防護(hù)性能：可在苛刻的環(huán)境下(潮濕、鹽霧)保護(hù)設(shè)備軸承不被銹蝕。

(3)極壓抗磨性能：提高主軸軸承的承載和抗沖擊負(fù)荷能力，降低軸承溫升，并能改善軸承抗微動(dòng)磨損性能。

(4)潤滑可靠性：超長使用壽命，無需頻繁更換，有效降低能耗。

2 風(fēng)機(jī)主軸軸承潤滑脂的研制

為了適應(yīng)風(fēng)機(jī)主軸的工況和其他影響因素，把主軸軸承潤滑脂的高低溫性能、極壓抗磨性能、抗水性能和防銹性能作為重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)，通過SRV抗微動(dòng)磨損、軸承壽命(FE9)、軸承磨損(FE8)和防銹性(SKF EMCOR)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)風(fēng)電主軸軸承潤滑脂進(jìn)行了研究。

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

基礎(chǔ)油作為潤滑脂中含量最高的組分，其性能對(duì)潤滑脂的性能有著直接影響。由于風(fēng)機(jī)主軸具有低速重載、長壽命、低溫下頻繁啟停的工況條件，這就要求基礎(chǔ)油具備足夠的油膜厚度和優(yōu)異的高、低溫性能。

顯然，合成油具備這種優(yōu)異的理化性能，更符合主軸軸承潤滑脂的需求。對(duì)于低速重載工況下的軸承潤滑分析，為延長壽命，需要使?jié)櫥走_(dá)到彈性流體潤滑的條件，采用Dowson膜厚計(jì)算公式[5]，得到主軸軸承對(duì)油膜厚度的要求(基礎(chǔ)油黏度V40:460 mm2/s)，同時(shí)又考慮到抗水性和經(jīng)濟(jì)性，最終確定了合成烴(PAO)作為其基礎(chǔ)油。

但PAO的極性低，對(duì)稠化劑和添加劑的溶解性較差，還會(huì)使密封件產(chǎn)生收縮等問題，因此必須加入酯類油來改善其溶解性和相容性[6]。

2.2 稠化劑的選擇

稠化劑作為潤滑脂中第二大組分，同樣對(duì)潤滑脂的性能有著決定作用。復(fù)合鋰皂在國內(nèi)技術(shù)成熟，對(duì)各種類型的基礎(chǔ)油均有較強(qiáng)的稠化能力，并對(duì)添加劑感受性好，如變換不同的基礎(chǔ)油和添加劑，可明顯改善潤滑脂的抗氧化性、防銹性和極壓抗磨性等性能[7]。同時(shí)，復(fù)合鋰基潤滑脂可以滿足主軸軸承對(duì)高溫、長壽命等的要求，最終確定了復(fù)合鋰皂作為稠化劑。

2.3 添加劑的選擇

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承的工況要求潤滑脂具有極壓抗磨性、抗氧化性和防銹性，因此對(duì)添加劑的選擇進(jìn)行了如下探索。

2.3.1 極壓抗磨性

潤滑脂的極壓抗磨性普遍來自于含硫、磷、鋅、鉬等元素的添加劑復(fù)配，不同類型的極壓劑在潤滑脂中提供了不同的性能。但一些硫/磷極壓劑可能會(huì)對(duì)軸承壽命產(chǎn)生負(fù)面影響[8]，所以需要在考慮壽命的前提下選擇添加劑。選擇四種樣品A1、B1、C1、D1，根據(jù)四球機(jī)法PB、PD值(SH/T 0202)和抗磨性能(SH/T 0204)來考察極壓抗磨劑的復(fù)配效果，測試結(jié)果見表1。

表1 極壓抗磨劑復(fù)配效果

由表1可見，硫、磷劑的復(fù)配可以明顯提高PD值，而含鉬劑的加入使?jié)櫥琍B值大幅度提高，磨斑明顯變小。將四者以合適的比例復(fù)配，使?jié)櫥瑯O壓抗磨性能達(dá)到最佳值。

2.3.2 抗氧化性

金屬皂與基礎(chǔ)油一樣，含有烴鏈容易被氧化，且相比于潤滑油，潤滑脂在軸承運(yùn)行時(shí)形成油膜的比表面積更大，更易被氧化。因此，選用合適的抗氧劑可以有效提高潤滑脂的使用壽命，以解決風(fēng)電設(shè)備不易維護(hù)的問題。選擇5種樣品A2、B2、C2、D2、E2，通過氧化安定性(SH/T 0325)和其蒸發(fā)損失(GB/T 7325)評(píng)價(jià)其抗氧化能力，結(jié)果見表2。

表2 抗氧劑在主軸軸承脂中的測試結(jié)果

由表2可見，樣品E2采用了胺、酚型抗氧劑混合，再復(fù)配ZDDP和金屬減活劑的方案，主軸軸承脂的抗氧化性能有了明顯提升，使稠化劑對(duì)基礎(chǔ)油具備更強(qiáng)的保持能力。

2.3.3 防銹性

海上風(fēng)電由于其資源豐富、風(fēng)速大、不與其他發(fā)展項(xiàng)目爭地、可以大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)勢，一直受到各國關(guān)注。但海上潮濕、鹽霧等苛刻的工況環(huán)境對(duì)裸露的主軸軸承的潤滑與防護(hù)提出了較高要求。

依據(jù)SH/T 0700，采用SKF EMCOR臺(tái)架試驗(yàn)來考察其動(dòng)態(tài)防銹性能；依據(jù)SH/T 0081，采用鹽霧箱試驗(yàn)來考察其靜態(tài)防銹性能，試驗(yàn)條件：35 ℃，濃度為5%的NaCl溶液，72 h。選擇5種樣品A3、B3、C3、D3、E3，詳細(xì)結(jié)果見表3。

表3 主軸軸承脂防銹性能考察

由表3數(shù)據(jù)可見，以鹽水為試驗(yàn)條件的防銹性能最難解決，經(jīng)過多種添加劑復(fù)配篩選，磺酸鹽與羧酸鹽的復(fù)配可以有效改善潤滑脂在鹽水中的防銹能力。

2.3.4 生產(chǎn)工藝

采用常壓釜兩步法工藝生產(chǎn)復(fù)合鋰基潤滑脂，100 ℃時(shí)十二羥基硬脂酸與氫氧化鋰水溶液開始一步皂化反應(yīng)。升溫至140 ℃時(shí)，加入癸二酸和氫氧化鋰開始二步皂化反應(yīng)。升溫至210 ℃煉制保溫，降溫至80 ℃時(shí)加入添加劑，均化處理并包裝。

3 風(fēng)機(jī)主軸軸承潤滑脂的性能評(píng)價(jià)及對(duì)比

依據(jù)GB/T 33540.1-2017《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用潤滑劑 第一部分：軸承潤滑脂》中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸偏航變槳距軸承潤滑脂技術(shù)要求和試驗(yàn)方法，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全項(xiàng)分析，并與同類進(jìn)口產(chǎn)品對(duì)比，詳細(xì)結(jié)果見表4。

表4 主軸軸承潤滑脂與進(jìn)口同類產(chǎn)品性能對(duì)比

由表4可見，主軸軸承潤滑脂各項(xiàng)指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，在安定性能方面與進(jìn)口競品相比具有明顯優(yōu)勢。為進(jìn)一步考察該產(chǎn)品的壽命和摩擦磨損性能，采用FE9、FE8和SRV臺(tái)架試驗(yàn)來進(jìn)行全面評(píng)估。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 抗微動(dòng)磨損性能測試

微動(dòng)磨損是反映潤滑脂在周期性小振幅狀態(tài)下抗磨損能力的指標(biāo)。風(fēng)機(jī)在野外受無規(guī)律的強(qiáng)風(fēng)影響，設(shè)備由此產(chǎn)生的顫動(dòng)會(huì)直接作用于主軸軸承、偏航軸承和變槳軸承，因而主軸軸承潤滑脂需具備抗微動(dòng)磨損能力。

測試設(shè)備：OPTIMOL的SRV第五代試驗(yàn)機(jī)(如圖2)；試驗(yàn)方法：ASTM D7594；試驗(yàn)條件：100 N，50 ℃，0.3 mm，50 Hz，4 h；以試驗(yàn)球?qū)υ囼?yàn)盤進(jìn)行往復(fù)試驗(yàn)。詳細(xì)測試結(jié)果見圖3、圖4。

圖2SRV抗微動(dòng)磨損測試設(shè)備

圖3 主軸軸承潤滑脂SRV摩擦系數(shù)

圖4 進(jìn)口主軸軸承潤滑脂競品的SRV摩擦系數(shù)

由圖3、圖4對(duì)比可見，主軸軸承潤滑脂摩擦系數(shù)略高，但摩擦系數(shù)曲線更平穩(wěn)，潤滑脂的摩擦磨損性能更穩(wěn)定。

SRV測試得到的摩擦系數(shù)并不能直接用于判斷潤滑脂的摩擦磨損性能，同時(shí)還需參考頂球磨痕直徑和摩擦系數(shù)曲線的平穩(wěn)程度。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表5。

表5 主軸軸承潤滑脂與進(jìn)口競品SRV摩擦系數(shù)及磨痕對(duì)比

注：f表示摩擦系數(shù)，W表示磨痕。

由表5對(duì)比數(shù)據(jù)可見，第15min、30min、45min、60min的摩擦系數(shù)對(duì)比顯示，主軸軸承潤滑脂的摩擦系數(shù)變化小，更穩(wěn)定；而其摩擦系數(shù)雖然略高，但磨痕直徑卻更小，抗磨性能也更好。SRV測試中的摩擦系數(shù)并不是越小越好，往復(fù)式的微動(dòng)磨損著重考察的是軸承滾動(dòng)體對(duì)其內(nèi)、外圈和保持架產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦，所以過低的摩擦系數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致軸承滾動(dòng)體更易產(chǎn)生滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而降低軸承使用壽命。

4.2 FE8軸承磨損性能測試

FE8軸承磨損試驗(yàn)是考察潤滑脂對(duì)軸承的耐磨保護(hù)能力(見圖5)。通過查閱與收集，整理了我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中常用的國外多家同類產(chǎn)品FE8試驗(yàn)條件，詳見表6(FE8因測試成本較高，研發(fā)產(chǎn)品已滿足FAG對(duì)軸承產(chǎn)品FE8的要求，故未做競品測試)。

圖5 FE8測試軸承

通過表6的調(diào)研結(jié)果，并結(jié)合我國實(shí)際情況，選擇了FE8的測試條件：536050軸承，80 kN，80 ℃，7.5 r/min，500 h；測試方法：DIN 51819。測試結(jié)果見圖6和表7。

圖6 FE8測試扭矩曲線

由圖6可見，測試扭矩?zé)o異常增大情況出現(xiàn)，且有穩(wěn)定下降的趨勢。

表7 FE8磨損量測試結(jié)果 mg

由表7數(shù)據(jù)可見，測試軸承在測試周期內(nèi)未失效，并且VWK50≤35 mg ，符合舍弗勒FAG產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的抗磨損性能。

4.3 潤滑脂分油性能與FE9軸承壽命的關(guān)系

潤滑脂主要是依靠基礎(chǔ)油來潤滑軸承設(shè)備，因而其分油能力決定其長期持續(xù)地對(duì)潤滑表面供油，適當(dāng)?shù)胤钟蛯?duì)潤滑壽命會(huì)產(chǎn)生積極影響。FE9潤滑脂潤滑壽命是反映潤滑脂潤滑可靠度的指標(biāo)，其壽命的長短體現(xiàn)出潤滑脂可靠性能的高低。

FE9試驗(yàn)方法：DIN 51821；試驗(yàn)條件：軸承安裝方式A，1500 N，6000 r/min，140 ℃。

油分離度試驗(yàn)方法：IP 121；試驗(yàn)條件：40 ℃，168 h。

表8考察了潤滑脂分油能力與FE9軸承壽命的關(guān)系，同時(shí)對(duì)比了進(jìn)口同類產(chǎn)品。

表8 潤滑脂分油能力對(duì)FE9的影響及與進(jìn)口競品對(duì)比

由表8可見，潤滑脂分油能力與FE9軸承壽命是有一定相關(guān)性的，過低或過高的分油均會(huì)導(dǎo)致壽命的下降，因而控制分油的速度可以延長使用壽命。主軸軸承脂B方案的測試結(jié)果好于進(jìn)口同類競品。通過拆卸B方案的軸承(見圖7)可見，軸承內(nèi)部仍有殘余的潤滑脂，外部未見大量基礎(chǔ)油析出的情況。

圖7主軸軸承脂B的FE9軸承壽命拆卸

5 風(fēng)電主軸軸承脂在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用與監(jiān)測

5.1 產(chǎn)品上機(jī)應(yīng)用

選取一臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)良好的金風(fēng)1.5 MW風(fēng)電機(jī)組，進(jìn)行油脂更換(見圖8)，同時(shí)選取一臺(tái)狀態(tài)相同的1.5 MW風(fēng)機(jī)作為參照。對(duì)比分析油脂更換后對(duì)機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)等方面產(chǎn)生的影響，為將來的國產(chǎn)化油品替代打下基礎(chǔ)。

圖8主軸軸承潤滑脂更換

5.2 跟蹤監(jiān)測

監(jiān)測取樣周期由密到疏，并根據(jù)運(yùn)行脂樣品指標(biāo)來不斷調(diào)整取樣周期，完成三年的產(chǎn)品及數(shù)據(jù)跟蹤監(jiān)控。運(yùn)行樣品詳細(xì)檢測數(shù)據(jù)見表9。

表9 主軸軸承脂運(yùn)行三年監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

注：“+”為增加/提高，“-”為減少/降低，測得數(shù)據(jù)為多次取樣檢測平均值。

由表9可見，各項(xiàng)指標(biāo)均無異常，錐入度與滴點(diǎn)隨取樣時(shí)間的延長而出現(xiàn)規(guī)律性的變化。通過三年的跟蹤監(jiān)測，運(yùn)行脂樣品各項(xiàng)指標(biāo)均無異常，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

5.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能曲線

每臺(tái)風(fēng)機(jī)都有一條性能曲線，定義了功率相對(duì)于風(fēng)速的變化情況。通過對(duì)該曲線的分析，可以對(duì)不同風(fēng)速下風(fēng)機(jī)性能作出評(píng)價(jià)，為風(fēng)機(jī)主要部件的老化加速情況、風(fēng)機(jī)出力的穩(wěn)定性分析提供有力的數(shù)據(jù)[9]。

整理并分析了試驗(yàn)風(fēng)機(jī)與參照風(fēng)機(jī)三年的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，形成性能曲線圖，見圖9。

圖9 風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能曲線對(duì)比

由圖9可見，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的性能曲線基本一致，運(yùn)行三年性能穩(wěn)定，可滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承的

正常使用。且在風(fēng)速較低時(shí)(4～9 m/s)，試驗(yàn)風(fēng)機(jī)的功率略高。

6 結(jié)論

(1)復(fù)合鋰皂稠化聚α-烯烴油，輔以抗氧、防銹、極壓抗磨劑，可制得適合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承使用的潤滑脂。

(2)FE8、FE9測試結(jié)果顯示，主軸軸承潤滑脂具有良好的抗摩擦磨損性能和長壽命性能，可滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承的長效潤滑需求。

(3)控制潤滑脂的分油速度，可有助于提高潤滑壽命。

(4)SRV的摩擦系數(shù)不是越小越好，平穩(wěn)的摩擦系數(shù)曲線和較低的磨損更能反映潤滑脂優(yōu)異的抗微動(dòng)磨損性能。

(5)通過三年上機(jī)應(yīng)用，證明研制的主軸軸承潤滑脂可滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸軸承的潤滑要求。