風力發(fā)電機組單線式潤滑系統(tǒng)工作原理及應用*

張學文，陽雪兵，劉 明，楊國龍

(湘電風能有限公司，湖南 湘潭 411102)

0 引 言

目前，兆瓦風力發(fā)電機組均配備有自動潤滑系統(tǒng)，用于潤滑機組的軸承和齒輪。遞進式潤滑系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，易于監(jiān)測，使其在風機中得到普遍采用，但遞進式潤滑屬于串聯(lián)式系統(tǒng)，每個出口排油存在順序關系。這種順序關系使得遞進式潤滑系統(tǒng)存在易堵塞的缺點，而且只要一個出口連接的油路出現(xiàn)堵塞，系統(tǒng)將無法繼續(xù)工作，軸承其它潤滑點也無法得到潤滑[1,2]。

隨著近年來海上風電的不斷發(fā)展，風電發(fā)電機組裝機容量越來越大，其配套的偏航軸承，變槳軸承，主軸承等直徑都相應增大[3]，軸承上需要布置潤滑點數(shù)量也相應增加，尤其對于偏航軸承和變槳軸承這類回轉(zhuǎn)支撐類軸承，需要根據(jù)軸承直徑大小布置相應數(shù)量潤滑點數(shù)才能保證良好的潤滑效果，遞進式潤滑系統(tǒng)的特點使得其在這種應用場景局限性越來越大，而單線式潤滑系統(tǒng)則因各注油器之間相互獨立，布管簡單，系統(tǒng)易于擴展，在大功率風力發(fā)電機組特別是海上風電機組上得到越來越廣泛的應用。

1 單線潤滑系統(tǒng)工作原理

單線式潤滑系統(tǒng)是一種通過潤滑泵將潤滑劑注入到主管線中，并通過單線式分配器將潤滑劑分配到各潤滑點的系統(tǒng)。如圖1所示，單線潤滑系統(tǒng)一般由潤滑泵，單線式分配器，主油管，壓力傳感器組成，其中潤滑泵上需具有一個卸壓閥，主油路上的壓力傳感器或壓力開關用于檢測系統(tǒng)的工作壓力。單線式潤滑系統(tǒng)工作過程一般分為兩個階段，第一階段為系統(tǒng)加壓，在這個階段，單線式分配器主要完成潤滑劑的計量。第二個階段為系統(tǒng)卸壓，在這個階段，單線式分配器計量腔內(nèi)的潤滑劑將全部進入分配腔作為下一次工作時排出的潤滑劑。單線式分配器排出潤滑劑可以在加壓階段也可以在卸壓階段，其取決于單線分配器的結(jié)構(gòu)。

圖1 單線潤滑系統(tǒng)原理圖

圖2所示為一種單線式分配器結(jié)構(gòu)，當潤滑泵啟動將潤滑劑注入主油管和串接在主油路上的分配器內(nèi)部，潤滑劑推動控制活塞2克服彈簧壓力向上移動并關閉出油口3。隨著壓力升高，計量活塞4克服彈簧壓力向上移動，此時潤滑劑將充滿計量腔5，當計量腔的柱塞4運動到上限后，指示銷6全部伸出，系統(tǒng)壓力將快速升高，壓力傳感器檢測到系統(tǒng)壓力達到設定壓力后，停止?jié)櫥?，打開卸壓閥，主油管內(nèi)的壓力潤滑劑回流到潤滑泵的油箱內(nèi)，由于壓力的下降，左側(cè)分配腔的控制活塞2向下運動將進油口1通往計量腔5的油路關閉，而計量腔通往分配腔的油路打開，計量腔5的潤滑劑在彈簧的作用下進入到分配腔并從出油口輸送到潤滑點。

圖2 一種單線分配器結(jié)構(gòu)1.進油口 2.控制活塞 3.出油口 4. 計量腔的柱塞 5.計量腔 6.指示桿

2 系統(tǒng)卸壓方式的選擇

卸壓是單線式潤滑系統(tǒng)必須具備的功能，一般該功能通過集成在油脂泵上卸壓閥實現(xiàn)，卸壓閥可以采用一個兩位兩通的電磁閥也可以通過機械動作的方式的卸壓，兩者各有優(yōu)缺點，其中電磁閥卸壓相對簡單，斷電即卸壓，通電即關閉卸壓通道，這也是大多數(shù)廠家采用的卸壓方式。除了采用電磁閥卸壓，SKF廠家的603系列單線式潤滑泵則是通過一個凸輪機構(gòu)實現(xiàn)卸壓，如圖3所示，當系統(tǒng)加壓時，電機順時針旋轉(zhuǎn)，當系統(tǒng)需要卸壓時，電機逆時針旋轉(zhuǎn)一周。這種卸壓方式的優(yōu)點是在系統(tǒng)加壓過程中如出現(xiàn)斷電，系統(tǒng)不會卸壓，當恢復供電時，系統(tǒng)可以繼續(xù)完成斷電前未完成的動作。這種卸壓方式的缺點是電機的電氣控制相對較復雜。

圖3 SKF公司603系列潤滑泵的卸壓結(jié)構(gòu)1.卸壓閥 2.執(zhí)行機構(gòu) 3.凸輪

3 單線式分配器結(jié)構(gòu)選擇

3.1 單線式分配器的分類及應用

單線式分配器根據(jù)工作時潤滑劑供給時間點不同可以分為先潤滑單線式分配器和后潤滑單線式分配器兩種[4]。如圖4、5所示，帶先潤滑單線式分配器的單線式系統(tǒng)在系統(tǒng)加壓時給潤滑點供送潤滑劑，而帶后潤滑單線式分配器的單線式系統(tǒng)則是在系統(tǒng)卸壓時給潤滑點供送潤滑劑。兩者相同點是都是在系統(tǒng)加壓時完成潤滑劑的計量和存儲。圖2所示的單線式分配器屬于后潤滑單線式分配器。

圖4 帶先潤滑單線式分配器的單線潤滑系統(tǒng)壓力分布

圖5 帶后潤滑單線式分配器的單線潤滑系統(tǒng)壓力分布

3.2 常見單線式分配器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)確定

分配器作為單線式潤滑系統(tǒng)的核心零部件，其結(jié)構(gòu)特性決定了單線式潤滑系統(tǒng)的性能。單線式分配器有多種結(jié)構(gòu)，目前在風電行業(yè)常見單線式分配器除了圖2所示的結(jié)構(gòu)外，還有圖6所示結(jié)構(gòu)。

圖6 SKF公司QSL系列單線式分配器結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)具有一個傘形閥1，當系統(tǒng)加壓時，傘形閥1打開，同時將油道Ⅱ4堵住，潤滑劑從油道Ⅰ3進入計量腔2，活塞5向上運動。由于計量腔2容積的膨脹，使得分配腔6內(nèi)的潤滑劑受到擠壓而被輸送到潤滑點。當系統(tǒng)卸壓時，傘形閥1將進油口關閉，傘形閥在其復位彈簧的作用下向下移動，打開油道Ⅱ4，計量腔的潤滑劑在彈簧7的作用下從通道Ⅰ3和通道Ⅱ4流入分配腔6。圖7所示為另一種常見單線式分配器結(jié)構(gòu)[5]，該分配器屬于先潤滑單線式分配器結(jié)構(gòu)，分配活塞9的上部分為計量腔，活塞下部分為分配腔。

圖7 一種活塞式分配器結(jié)構(gòu)1.閥活塞 2.孔 3.分配腔 4.計量腔 5.連接通道 6.潤滑劑入口通道 7.復位彈簧Ⅰ 8.通道 9.分配活塞 10.復位彈簧Ⅱ 11.潤滑劑出口 12.支承體 13.通道 14.閥殼體 15.螺紋連接件 16.下密封體 17.圓周密封件 18.指示銷 19.上密封體 20.延長件 21.密封螺旋塞 22.支承肩部

單線式分配器主要性能參數(shù)有工作壓力，最大出口壓力，允許最大殘余壓力。工作壓力是單線式分配器允許工作的壓力范圍，對于單線式分配器，除了要求在最大工作壓力內(nèi)使用外，還要求系統(tǒng)能達到其最小工作壓力(一般100 bar)，否則系統(tǒng)無法工常工作。最大出口壓力是單線式分配器一個關鍵指標，圖6所示的單線式分配器出油口的最大壓力P2=P1-F/S，式中P1為進油口壓力，F(xiàn)為彈簧7的壓力(N)，S為計量腔活塞的面積。由于彈簧7產(chǎn)生的壓力一般遠小于進油口壓力P1，因此出油口的最大壓力一般可達200 bar；而圖2所示的后潤滑單線式分配器的出油口最大壓力P2=F/S，一般只有50 bar左右，當分配器離潤滑點較遠或低溫潤滑脂流動性差造成沿程阻力大于單線式分配器出口壓力時，后潤滑單線式分配器將無法正常工作。允許最大殘余壓力是單線式潤滑系統(tǒng)另外一項關鍵指標，該壓力值是指單線式分配器實現(xiàn)完全卸壓要求其進油口壓力在系統(tǒng)卸壓后能達到的最低殘余壓力要求，該值越大表明單線式分配器對主油路的卸壓要求越低；對單線式分配器自身來說，卸壓后主油管的殘余壓力越小越好，SKF公司QSL系列單線式分配器允許最大殘余壓力為60 bar。

4 單線式潤滑系統(tǒng)常見問題及應用總結(jié)

4.1 常見問題

單線式潤滑系統(tǒng)在風發(fā)電機組上使用過程中常見故障有以下幾個方面。

(1) 系統(tǒng)無法建立起壓力，原因有主油管泄漏或者潤滑泵故障。

(2) 單線式分配器故障，單線式分配器出現(xiàn)故障一般按影響可以分兩種情況，一種情況是只影響出故障的分配閥，如圖8所示的指示桿密封漏油，另一個情況則影響系統(tǒng)正常工作，如圖9的單線式分配器內(nèi)部的傘形閥損壞，造成系統(tǒng)無法建壓，潤滑脂全部從出故障的單線式分配器直接輸送到對應的潤滑點，該單線式分配器失去定量功能，而系統(tǒng)其它單線式分配器均無法正常工作。

圖8 單線式分配器指示桿漏油 圖9 單線式分配器內(nèi)部故障

(3) 系統(tǒng)無法卸壓，原因有主油路堵塞和卸壓閥故障。

4.2 經(jīng)驗總結(jié)

單線式潤滑系統(tǒng)因各分配器之間相互獨立，布管簡單，系統(tǒng)易于擴展的特點在某些應用場景相比遞進式潤滑系統(tǒng)更有優(yōu)勢，但在風力發(fā)電機組上應用時需要注意以下幾點：

(1) 能否順利完成卸壓對單線式潤滑系統(tǒng)正常工作至關重要，而潤滑脂的流動性嚴重影響單線式潤滑系統(tǒng)的卸壓。風力發(fā)電機組軸承使用的潤滑脂稠度等級大多處在NLGI1～NLGI2之間，因此單線式潤滑系統(tǒng)一般不適合在北方等低溫環(huán)境下使用。在設計時，需要根據(jù)工作溫度、所選的潤滑脂和管路長度計算或試驗確認卸壓油路的沿程阻力是否小于所選單線式分配器卸壓最低殘余壓力的要求。

(2) 風力發(fā)電機組采用單線式潤滑系統(tǒng)時，分配器距離潤滑點的距離應盡可能短，特別對于帶后潤滑單線式分配器的單線式潤滑系統(tǒng)，由于其出口最大工作壓力相對較低，設計必須核算單線式分配器出口到潤滑點的最大沿程阻力是否小于分配器出口壓力。

(3) 單線式潤滑系統(tǒng)工作時主油管一直處在加壓和卸壓脈沖循環(huán)工作下，因此主油管需要按液壓軟管總成的相關標準進行扣壓，并按標準GB/T 7939-2008或ISO6605進行耐久性脈沖試驗。

(4) 不同結(jié)構(gòu)的單線式分配器，其定量精度也有差別，在一些定量要求高的地方，應選定量精度高的單線式分配器。

(5) 單線式分配器之間雖然是并聯(lián)關系，但由于共用一個主油管，相互之間仍存在影響，因此單線式潤滑系統(tǒng)可靠性并不一定就比遞進式潤滑系統(tǒng)高。

5 結(jié) 語

從系統(tǒng)工作原理，單線分配器結(jié)構(gòu)等方面分析對比了幾種單線式潤滑系統(tǒng)，介紹了其常見故障及其產(chǎn)生的原因，為避免遞進式潤滑系統(tǒng)的堵塞風險提高潤滑系統(tǒng)的可靠性，風電主機廠在一些大功率風電機組特別是海上風電機組的潤滑設計方案選擇時開始用單線潤滑系統(tǒng)替代遞進式潤滑系統(tǒng)；但單線式潤滑系統(tǒng)并非在所有應用工況下的可靠性都要高于遞進式潤滑系統(tǒng)，對于一些短距離且潤滑點較少的脂潤滑應用如風力發(fā)電機組主軸承潤滑，遞進式潤滑系統(tǒng)仍具有其不可替代的優(yōu)勢；另外，安裝與維護對于風力發(fā)電機組潤滑系統(tǒng)能否可靠工作也至關重要。