風(fēng)電變槳軸承密封圈密封性的研究

林國福， 褚翠霞， 凌紅， 閆海濤

（洛陽LYC軸承有限公司航空精密軸承重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471039）

0 引 言

近年來我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展非常迅速，預(yù)計(jì)2020年風(fēng)力發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到2.1 億kW[1]。隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的不斷增加，風(fēng)電變槳軸承[2]的市場需求量也越來越大。根據(jù)風(fēng)電變槳系統(tǒng)的受力要求，在整機(jī)設(shè)計(jì)中風(fēng)電變槳軸承一般選用四點(diǎn)接觸球軸承[3]，該結(jié)構(gòu)可以承受軸向力和徑向力，同時(shí)承受較大的傾覆力矩，能夠滿足風(fēng)機(jī)變槳的使用要求。

風(fēng)電變槳軸承的潤滑方式一般采用固體潤滑脂，使用橡膠密封圈密封潤滑脂[4]。而變槳軸承在風(fēng)場運(yùn)行時(shí)潤滑脂會從密封圈處泄漏，目前風(fēng)電變槳軸承的漏脂現(xiàn)象是行業(yè)內(nèi)普遍存在的問題[5]，困擾著各風(fēng)機(jī)制造商和風(fēng)電業(yè)主。所以變槳軸承密封圈的密封性已不能滿足使用要求，急需研究和解決變槳軸承漏脂的問題。

1 風(fēng)電變槳軸承密封結(jié)構(gòu)

圖1 風(fēng)電變槳軸承密封圈結(jié)構(gòu)圖

目前國內(nèi)大多數(shù)風(fēng)電變槳軸承的密封圈的結(jié)構(gòu)如圖1所示，選用雙唇密封圈，密封圈2安裝在外圈1的端面槽內(nèi)，密封圈的兩個(gè)密封唇與內(nèi)圈3外徑相配合，唇口的壓下量為1.5 mm，密封圈上唇的主要作用是防止外界大?；覊m等雜物進(jìn)入軸承內(nèi)部，密封圈下唇的主要作用是防止內(nèi)部的潤滑脂泄漏。

風(fēng)電變槳軸承選用雙唇密封圈的通用性比較強(qiáng)，雙唇密封圈屬于成熟產(chǎn)品，在國內(nèi)和國外均有生產(chǎn)，其采購成本相對較低，而且安裝和使用也比較方便，因此被大部分變槳軸承制造商優(yōu)先選用。

2 變槳軸承漏脂的現(xiàn)象

變槳軸承在風(fēng)場運(yùn)行一段時(shí)間后，經(jīng)常會出現(xiàn)潤滑油脂從軸承密封圈唇口處泄漏。特別是風(fēng)機(jī)為自動潤滑系統(tǒng)，潤滑脂的注入量較大，漏脂的現(xiàn)象更為明顯。某風(fēng)場現(xiàn)場使用不到2 a的2 MW變槳軸承漏脂情況如圖2所示，大量泄漏的潤滑脂堆積在密封圈處。從風(fēng)場統(tǒng)計(jì)情況看，變槳軸承漏脂的部位相對比較固定，該區(qū)域是承受風(fēng)力的槳葉對變槳軸承形成傾覆力矩的壓力位置。

變槳軸承均設(shè)計(jì)有注油孔和排油孔，注油孔連接注油管，為軸承注脂使用，確保軸承內(nèi)部潤滑脂能夠得到及時(shí)填充；排油孔安裝有接油瓶，接油瓶主要回收軸承內(nèi)部多余的潤滑脂。但風(fēng)場運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，接油瓶內(nèi)卻很少或沒有收集到軸承內(nèi)部多余的潤滑脂（如圖3），潤滑脂是從密封圈唇口處泄漏。

圖2 變槳軸承密封唇口處漏脂圖

圖3 變槳軸承接油瓶

3 變槳軸承漏脂的分析

關(guān)于現(xiàn)有雙唇密封圈變槳軸承漏脂問題有很多分析，主要集中在密封圈的密封性、排油孔的尺寸、軸承內(nèi)的注脂量、密封圈的老化等方面。而在密封圈的密封性分析中，密封圈的唇口的壓下量大小、密封圈的硬度、與密封圈唇口配合表面的粗糙度等都將影響密封圈的密封性。其中密封圈的唇口的壓下量大小對密封圈密封性的影響尤為明顯。

使用有限元分析某風(fēng)機(jī)用四點(diǎn)接觸球變槳軸承，在受極限載荷（如表1）的作用下，對軸承端面內(nèi)外圈相對偏移量進(jìn)行分析。

當(dāng)加載極限載荷情況下，軸承內(nèi)外圈的徑向變形云圖如圖4所示。從變形云圖中可以看出內(nèi)圈最大變形量為2.658 mm。

通過分析提取軸承輪轂側(cè)端面內(nèi)外圈相對偏移量的坐標(biāo)圖，其中第7粒鋼球的位置徑向相對偏移量可達(dá)1.4 mm，如圖5所示。而設(shè)計(jì)密封圈的唇口的壓下量僅為1.5 mm，在這種情況下密封圈將失去密封的作用，軸承內(nèi)部與外界不存在壓力差，軸承內(nèi)部的油脂也隨之泄漏。泄漏的油脂既污染環(huán)境，又會降低軸承的使用壽命。

表1 極限工況載荷（dlc1.6eba-4）

圖4 極限載荷下軸承徑向變形云圖

圖5 極限載荷下軸承輪轂側(cè)端面內(nèi)外圈相對偏移量

為解決風(fēng)電變槳軸承漏脂現(xiàn)象，根據(jù)風(fēng)電變槳軸承結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和使用工況，需要對風(fēng)電變槳軸承密封圈的密封性進(jìn)行研究，因此改進(jìn)密封圈的設(shè)計(jì)、改變密封方式和增加密封槽設(shè)計(jì)，以達(dá)到密封圈能夠阻止軸承內(nèi)部油脂向外泄漏。

4 變槳軸承密封圈密封性的改進(jìn)

有限元分析變槳軸承在傾覆力矩作用下，內(nèi)圈與外圈之間存在較大的徑向位移，針對變槳軸承的這一使用特點(diǎn)，為提高密封圈的徑向密封能力，增加一個(gè)徑向密封唇，滿足內(nèi)外圈出現(xiàn)徑向偏移時(shí)密封圈的密封性。因此密封圈采用3個(gè)唇口設(shè)計(jì)，并在內(nèi)圈密封圈唇口側(cè)增加相應(yīng)的密封槽。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的密封圈結(jié)構(gòu)如圖6所示。

設(shè)計(jì)中密封圈2的上唇與內(nèi)圈3外徑配合，主要作用依然是防止外界灰塵、水霧等雜物進(jìn)入軸承內(nèi)部；密封圈的下唇同樣與內(nèi)圈3外徑配合，主要作用是防止大量內(nèi)部的潤滑脂泄漏；而增加設(shè)計(jì)密封圈中間唇與內(nèi)圈3的密封槽軸向上表面配合，主要作用是阻止通過下唇泄漏的潤滑脂再次泄漏。而且變槳軸承在承載較大的傾覆力矩時(shí)，上唇和下唇的密封性就有所降低，而中間唇對內(nèi)圈和外圈徑向位移的敏感性較小，密封圈的密封性不會降低，潤滑脂也不會大量泄漏。

改進(jìn)后的變槳軸承密封圈需要重新采購，外圈密封圈安裝部位的設(shè)計(jì)與加工方法不變。內(nèi)圈的徑向需增加密封槽，加工工藝易于實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的內(nèi)圈密封槽位置高于外圈端面，便于密封圈的中間唇的安裝。變槳軸承三密封結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到軸承在受傾覆力狀態(tài)下的密封要求，從而解決了風(fēng)電變槳軸承的漏脂現(xiàn)象。

圖6 改進(jìn)密封圈結(jié)構(gòu)圖

5 改進(jìn)前后耐氣壓試驗(yàn)效果對比

變槳軸承裝配完成后，通過耐氣壓試驗(yàn)對改進(jìn)前后軸承的密封圈的密封性進(jìn)行對比，如圖7所示。改進(jìn)前的密封圈加壓至0.18 MPa，氣壓出現(xiàn)降低；改進(jìn)后的密封圈加壓至0.28 MPa，保壓120 s，氣壓未下降，改進(jìn)后的密封圈的密封性有明顯改善。

6 結(jié) 語

圖7 耐氣壓試驗(yàn)圖

通過對風(fēng)電變槳軸承密封圈密封性的研究，改變了密封圈的密封方式，增加內(nèi)圈的密封槽，并設(shè)計(jì)使用三唇密封圈，將密封圈純徑向密封改進(jìn)為徑向與軸向組合密封。即使在較大的傾覆力矩作用下風(fēng)電變槳軸承內(nèi)圈與外圈之間存在較大的徑向位移，三唇密封圈也能夠起到密封作用，防止軸承內(nèi)部的潤滑脂大量泄漏，從而保證風(fēng)電變槳軸承的使用壽命，滿足風(fēng)電變槳軸承使用要求。