基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命預(yù)測(cè)

張學(xué)文，陽(yáng)雪兵，宋曉萍，劉 明，康輝民

(1.湘電風(fēng)能有限公司，湖南 湘潭 411102；2.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承普遍采用油脂進(jìn)行潤(rùn)滑，脂潤(rùn)滑可以簡(jiǎn)化軸承的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效降低軸承泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，主軸承設(shè)計(jì)壽命通常為20年，顯然潤(rùn)滑脂壽命比主軸承壽命更短，因此在主軸承使用壽命時(shí)間內(nèi)，需要定期向軸承補(bǔ)充一定量的新鮮潤(rùn)滑脂以維持軸承的潤(rùn)滑。但對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承每年的潤(rùn)滑脂補(bǔ)充量，行業(yè)現(xiàn)在主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加注，缺乏理論計(jì)算依據(jù)，各軸承廠家要求的潤(rùn)滑量也存在較大的偏差，有的甚至同一機(jī)型的主軸承每年要求的油脂潤(rùn)滑量差別近3倍。要科學(xué)地對(duì)軸承進(jìn)行補(bǔ)脂，就需要確定軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂在使用一段時(shí)間后狀態(tài)。對(duì)軸承內(nèi)的油脂定期取樣進(jìn)行理化分析雖然可以一定程序上了解其狀態(tài)，但對(duì)于大兆瓦風(fēng)電主軸承，從滾道處取樣非常困難，各位置取樣化驗(yàn)結(jié)果有時(shí)相差很大，使得取樣化驗(yàn)結(jié)果參考性有限。吳真光等[1]提出通過(guò)監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)行中的特征參數(shù)和參數(shù)值的變化來(lái)預(yù)測(cè)潤(rùn)滑脂的剩余壽命，但該方法處在探討階段，可行性仍待研究；文獻(xiàn)[2]中采用二參數(shù)威布爾概率分布最大似然計(jì)算機(jī)程序計(jì)算潤(rùn)滑脂壽命，但該方法需要樣本量較大，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承這種大尺寸非標(biāo)定制軸承來(lái)說(shuō)，顯然不現(xiàn)實(shí)。本文考慮利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組SCADA系統(tǒng)記錄的主軸承運(yùn)行數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)有軸承潤(rùn)滑脂壽命影響經(jīng)驗(yàn)公式或數(shù)據(jù)，建立仿真計(jì)算模型來(lái)預(yù)測(cè)潤(rùn)滑脂的壽命；同時(shí)，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承的實(shí)際潤(rùn)滑情況，將自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)、廢舊油脂排出等因素對(duì)其潤(rùn)滑脂壽命的影響考慮進(jìn)去，以期為風(fēng)電機(jī)組主軸承再潤(rùn)滑提供一種參考依據(jù)。

1 潤(rùn)滑脂壽命影響因素分析

1.1 溫度的影響

使用溫度是影響潤(rùn)滑脂壽命的最大因素，隨著使用溫度的提高，潤(rùn)滑脂壽命大幅度下降，行業(yè)普遍認(rèn)為溫度平均上升10～20 ℃，潤(rùn)滑脂的壽命減半，但溫度也并非越低越好，一般認(rèn)為溫度在40～70 ℃時(shí)潤(rùn)滑脂的壽命最高[3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承工作溫度并非是恒定的，其受很多因素的影響。一方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在不同地域，主軸承工作溫度受環(huán)境溫度的影響；另一方面，主軸承工作過(guò)程中轉(zhuǎn)速和載荷在不斷變化，造成其自身產(chǎn)的摩擦熱量也在變化。

1.2 轉(zhuǎn)速的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命有顯著的影響，轉(zhuǎn)速越高，脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的溫升越快；轉(zhuǎn)速對(duì)滾動(dòng)軸承內(nèi)滾動(dòng)體與滾道之間潤(rùn)滑脂的機(jī)械剪切強(qiáng)度也有很大關(guān)系，滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速越高，滾動(dòng)體與滾道間潤(rùn)滑脂的機(jī)械剪切作用越強(qiáng)。此外，不同類型的滾動(dòng)軸承對(duì)潤(rùn)滑脂壽命也有一定程度的影響?？紤]到轉(zhuǎn)速對(duì)滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命的影響，文獻(xiàn)[3]給出了潤(rùn)滑脂壽命的速度因素影響系數(shù)f的計(jì)算公式：

f=9.6×10-7Kfndm

(1)

Kf為不同類型滾動(dòng)軸承的速度系數(shù)，對(duì)于圓柱滾子軸承，Kf取1.8～2.3；n為滾動(dòng)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)速；dm為滾動(dòng)軸承的內(nèi)徑。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承轉(zhuǎn)速隨功率變化，轉(zhuǎn)速范圍一般在20 r/min以內(nèi)。

1.3 載荷的影響

軸承承受的載荷對(duì)潤(rùn)滑脂壽命有一定的影響。載荷對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響主要體現(xiàn)在載荷影響軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂的機(jī)械剪切作用，軸承廠家根據(jù)大量的測(cè)試得出了各種載荷與潤(rùn)滑脂的關(guān)系。Lugt等[4]用曲線擬合的方法得出一個(gè)載荷對(duì)滾動(dòng)軸承潤(rùn)滑脂壽命的影響關(guān)系公式，即

(2)

C為滾動(dòng)軸承基本額定動(dòng)載荷；P為當(dāng)量動(dòng)載荷；LP/C=0.1為軸承當(dāng)量載荷與基本額定動(dòng)載荷的比值為0.1時(shí)的壽命。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承的工況為低速重載，其承受的載荷大小和方向不斷變化，這使得難以實(shí)時(shí)計(jì)算或測(cè)量主軸承載荷，但可以從廠家提供的計(jì)算報(bào)告中得出主軸承載荷水平。表1所示為從主軸承廠家提供的計(jì)算報(bào)告中提取的某款主軸承基本額定動(dòng)載荷與當(dāng)量動(dòng)載荷的比值(C/P)及其時(shí)間占比，從中可以得出主軸承的C/P值在2～5之間，考慮時(shí)間占比的等效，C/P≈4。

表1 主軸承載荷C/P值及其時(shí)間占比

1.4 其他因素的影響

影響潤(rùn)滑脂壽命的還有潤(rùn)滑脂類型(包括皂基和基礎(chǔ)油類型)、是否有振動(dòng)和沖擊工況、外圈旋轉(zhuǎn)、保持架的結(jié)構(gòu)和材料等，但這些影響有時(shí)很難量化。ESDU(engineering sciences data unit)將振動(dòng)和沖擊分為了6個(gè)等級(jí)，并給出了相應(yīng)影響系數(shù)FV，對(duì)于安裝在剛性和重型基礎(chǔ)上具有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的大型設(shè)備和渦輪發(fā)電機(jī)組，F(xiàn)V選用0.7[5]。

2 主軸承潤(rùn)滑脂壽命預(yù)測(cè)模型的建立

2.1 潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的選擇

現(xiàn)有的潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算公式均是通過(guò)對(duì)有限試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合而成，適用范圍有一定限制，常見(jiàn)的公式有通用的合成油鋰基脂計(jì)算公式[6](式3)和Kawamura[7]提供的經(jīng)驗(yàn)公式(式4)。

(3)

L為潤(rùn)滑脂壽命；n為軸承轉(zhuǎn)速；N為允許轉(zhuǎn)速；P為當(dāng)量動(dòng)載荷；T為軸承溫度；Cr為基本額定動(dòng)載荷。

logL=-1.58×10-6V-2.18×10-2T-

9.84F+6.33+K1

(4)

V為軸承dmN值；T為溫度；F=P/Cr；K1為基礎(chǔ)油類型相關(guān)的系數(shù)。

上述2個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式均以溫度、轉(zhuǎn)速和載荷為計(jì)算參數(shù)，適合于計(jì)算輕載高速、工作溫度超過(guò)70 ℃、外徑小于100 mm的小型軸承。在這種使用工況下，高溫氧化成為潤(rùn)滑脂壽命的支配原因，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承工作溫度相對(duì)較低、轉(zhuǎn)速小、載荷大，因此潤(rùn)滑脂除了高溫氧化外還有機(jī)械剪切引起的老化。對(duì)于工作載荷較大、工作溫度70 ℃左右的使用工況，目前沒(méi)有可適用的潤(rùn)滑脂計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，但SKF公司軸承手冊(cè)中提供了工作溫度70 ℃的潤(rùn)滑脂壽命圖表[8]，可根據(jù)圖表擬合成式(5)所示的滾動(dòng)軸承用優(yōu)質(zhì)鋰基潤(rùn)滑脂壽命的計(jì)算公式：

(5)

bf為軸承類型系數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；dm為軸承節(jié)圓直徑，其可靠度為99%[4]。式(5)根據(jù)不同載荷等級(jí)，采用分段函數(shù)表示不同軸承類型、轉(zhuǎn)速、軸承節(jié)圓直徑在工作溫度為70 ℃下潤(rùn)滑脂壽命。對(duì)于不同溫度或載荷下的潤(rùn)滑脂壽命，可以根據(jù)第1部分的單因素經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。根據(jù)前述分析可知，相比于式(3)和式(4)，式(5)顯然更適合作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算的公式。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算方法

上述潤(rùn)滑脂經(jīng)驗(yàn)公式均是由小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)得來(lái)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組這種大尺寸軸承，并不能直接用上面的公式計(jì)算潤(rùn)滑脂壽命，否則其結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)明顯不相符，例如采用式(5)計(jì)算工作溫度70 ℃、額定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命僅為600多h。其主要原因是小尺寸軸承的潤(rùn)滑脂在較高轉(zhuǎn)速下，其潤(rùn)滑脂立即參與到了軸承潤(rùn)滑；但對(duì)于大尺寸軸承，其軸承空隙較大，大量的潤(rùn)滑脂并沒(méi)有立即參與潤(rùn)滑。Komatsuzalki等[9]通過(guò)對(duì)內(nèi)徑100 mm的大尺寸圓柱滾子軸承進(jìn)行潤(rùn)滑脂壽命試驗(yàn)研究，得出潤(rùn)滑脂預(yù)充量與軸承潤(rùn)滑壽命存在正比關(guān)系，認(rèn)為大尺寸軸承實(shí)際運(yùn)行時(shí)參與潤(rùn)滑的油脂是一小部分，大部分被軸承旋轉(zhuǎn)擠到軸承其他空隙部位沒(méi)有立即參與潤(rùn)滑，而是后繼補(bǔ)充到軸承潤(rùn)滑部位從而延長(zhǎng)了軸承潤(rùn)滑壽命。馬方波等[10]利用Komatsuzalki的研究結(jié)果推導(dǎo)出球面滾子軸承用復(fù)合鋁基潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算方法，并通試驗(yàn)驗(yàn)證其合理性。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂壽命計(jì)算時(shí)需要將潤(rùn)滑脂分為2部分，其中某時(shí)間段內(nèi)參與軸承潤(rùn)滑的油脂受到軸承載荷、轉(zhuǎn)速和溫度等綜合因素的影響而老化，設(shè)這部分潤(rùn)滑脂老化系數(shù)為Ki，即

(6)

式(6)中，分子為潤(rùn)滑脂70 ℃溫度下的非工作壽命，分母為潤(rùn)滑脂在軸承轉(zhuǎn)速為ni、工作溫度為T(mén)n、當(dāng)量載荷為Pn下的使用壽命。其余大部分軸承空隙位置的油脂不受載荷、轉(zhuǎn)速的影響，但受到軸承運(yùn)行溫度和振動(dòng)的影響，設(shè)這部分潤(rùn)滑脂老化系數(shù)為KT，即

(7)

Tn為潤(rùn)滑脂工作溫度，則潤(rùn)滑脂某一時(shí)間段tn后的壽命為

Ln=(Ln-1-Kitn)χ+(Ln-1-

KTtn)(1-χ)

(8)

Ln-1為上一時(shí)刻的潤(rùn)滑壽命；χ為參與軸承潤(rùn)滑的潤(rùn)滑脂比率，即χ=QL/Qn，其中QL為參與軸承潤(rùn)滑的潤(rùn)滑脂量，Qn為軸承內(nèi)當(dāng)前潤(rùn)滑脂總量。只要已知潤(rùn)滑脂的初始狀態(tài)和軸承運(yùn)轉(zhuǎn)以后每個(gè)時(shí)間段的溫度、轉(zhuǎn)速和載荷等數(shù)據(jù)，即可通過(guò)上述公式進(jìn)行迭代計(jì)算出某一時(shí)間的潤(rùn)滑脂壽命狀態(tài)。需要指出的是，潤(rùn)滑脂的使用壽命只相對(duì)使用工況來(lái)定義的，在不同工況下使用，壽命長(zhǎng)短不同，因此計(jì)算結(jié)果是以其非工作時(shí)的初始?jí)勖鳛榛鶞?zhǔn)得出的相對(duì)比值。

2.3 基于SACDA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命仿真模型建立

在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承一般配備集中自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，且在軸承上開(kāi)設(shè)有一定數(shù)量的排脂孔，即主軸承每隔一段時(shí)間就有新潤(rùn)滑脂補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，又有一些潤(rùn)滑脂排出去，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承潤(rùn)滑壽命計(jì)算時(shí)必須將以上影響因素考慮進(jìn)來(lái)?？紤]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂老化是一種極為復(fù)雜的過(guò)程，受很多因素的影響，且有些影響因素具有隨機(jī)性和不確定性，即沒(méi)有確定的函數(shù)或模型可以描述，因此需要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑壽命計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出以下假設(shè)。

a.新潤(rùn)滑脂與舊潤(rùn)滑脂混合后，其混合后的潤(rùn)滑脂的壽命為新舊潤(rùn)滑脂的壽命和混合比率的函數(shù)，即LB=f(LN,Lo,Pm),其中，LN為新潤(rùn)滑脂的壽命，Lo為舊潤(rùn)滑脂的剩余壽命，Pm為混合比率。

b.軸承排出的油脂沒(méi)有選擇性，所以在模型計(jì)算時(shí)，認(rèn)為新潤(rùn)滑脂加入到軸承后即被混合均勻，軸承排出的油脂為新舊潤(rùn)滑脂均勻混合后的潤(rùn)滑脂。

c.模型中不考慮軸承磨損的金屬顆粒、灰塵和水分對(duì)潤(rùn)滑脂壽命的影響。文獻(xiàn)[11]中說(shuō)明不同顆粒對(duì)固體油脂具有一定的影響，如鐵顆粒、灰塵對(duì)軸承潤(rùn)滑有惡化的作用，二硫化鉬、銅顆粒在一些條件下則對(duì)潤(rùn)滑脂壽命有改善，但同時(shí)銅顆粒又會(huì)加速潤(rùn)滑脂的氧化。

d.軸承內(nèi)除了極少部分潤(rùn)滑脂始終不參與潤(rùn)滑以外，其他軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂參與軸承剪切潤(rùn)滑的機(jī)率是相等的。

通過(guò)以上簡(jiǎn)化，最終建立的基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命仿真模型如圖1所示。該模型以Excel格式的SACDA數(shù)據(jù)作為輸入條件；以仿真時(shí)間(即機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間)或潤(rùn)滑脂壽命為0時(shí)作為結(jié)束條件，潤(rùn)滑系統(tǒng)采用定時(shí)定量潤(rùn)滑方式；采用與軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂量相關(guān)的隨機(jī)函數(shù)模擬軸承的廢油排出(即軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂越多，廢舊油脂的排出的量也越多，但排出的時(shí)間隨機(jī))。

圖1 基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命仿真模型

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

本文從系統(tǒng)邏輯和預(yù)測(cè)結(jié)果兩方面對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，以某風(fēng)場(chǎng)大兆瓦風(fēng)電機(jī)組主軸承用潤(rùn)滑脂壽命為研究對(duì)象。該機(jī)組的主軸承為三排圓柱滾子軸承，其中軸向承載滾道2個(gè)，徑向承載滾道1個(gè)，額定轉(zhuǎn)速為15.5 r/min，軸承工作方式為外圈旋轉(zhuǎn)。

3.1 仿真模型邏輯驗(yàn)證

任意選取1臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組2年的SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，作為其主軸承潤(rùn)滑脂壽命預(yù)測(cè)模型的輸入。圖2為模型仿真的不同潤(rùn)滑量下該款主軸承潤(rùn)滑脂壽命變化情況，由圖可知，隨著潤(rùn)滑量的增加，主軸承潤(rùn)滑脂剩余壽命越長(zhǎng)，在不進(jìn)行潤(rùn)滑時(shí)，軸承內(nèi)的預(yù)充油脂壽命只有20個(gè)月左右。圖3所示為不同排脂量下主軸承潤(rùn)滑脂壽命變化情況，由圖可知，排脂量對(duì)主軸承潤(rùn)滑脂剩余壽命有影響，軸承排脂越好，主軸承潤(rùn)滑脂剩余壽命越長(zhǎng)。圖4為不同參與軸承潤(rùn)滑量和溫度對(duì)主軸承潤(rùn)滑脂壽命的影響情況，由圖可知，溫度和參與軸承潤(rùn)滑量對(duì)主軸承潤(rùn)滑脂壽命影響顯著。圖5為潤(rùn)滑量相同，但潤(rùn)滑間隔時(shí)間不同情況下，主軸承潤(rùn)滑脂壽命變化情況，如圖所示，潤(rùn)滑間隔時(shí)間越長(zhǎng)，主軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂壽命波動(dòng)越大。從圖2～圖5的仿真結(jié)果可以看出，模型的仿真結(jié)果與實(shí)際情況在邏輯上完全相吻合。

圖2 不同潤(rùn)滑量下主軸承潤(rùn)滑脂壽命變化

圖3 不同排脂量下主軸承潤(rùn)滑脂壽命變化

圖4 溫度及參與潤(rùn)滑量對(duì)主軸承潤(rùn)滑脂壽命的影響

圖5 不同潤(rùn)滑間隔時(shí)間下主軸承潤(rùn)滑脂壽命變化趨勢(shì)

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

2019年，該風(fēng)場(chǎng)的2臺(tái)機(jī)組主軸承在運(yùn)行了33個(gè)月左右后被拆解分析，拆解后的軸承潤(rùn)滑脂狀況如圖6所示，其中，圖6a為4號(hào)機(jī)組拆解后的主軸承潤(rùn)滑脂狀況，圖6b為8號(hào)機(jī)組拆解后的主軸承潤(rùn)滑脂狀況。拆解結(jié)果顯示軸承內(nèi)潤(rùn)滑脂均出現(xiàn)硬化結(jié)塊，基礎(chǔ)油流失嚴(yán)重。對(duì)比來(lái)看，4號(hào)機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂狀況稍好于8號(hào)機(jī)組。通過(guò)調(diào)取2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行以來(lái)的SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)主軸承實(shí)際潤(rùn)滑和排脂情況設(shè)定仿真參數(shù)，仿真結(jié)果如圖7所示。仿真模型預(yù)測(cè)的2臺(tái)主軸承油脂33個(gè)月后的剩余壽命分別為新潤(rùn)滑脂的8%和10%左右，這與拆解顯示的結(jié)果基本相吻合。

圖6 拆解后的主軸承潤(rùn)滑脂狀況

圖7 基于SCADA數(shù)據(jù)的模型預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承用潤(rùn)滑脂的壽命變化趨勢(shì)，有助于科學(xué)地給軸承再潤(rùn)滑。由于潤(rùn)滑脂流動(dòng)性較差，采用定期取樣化驗(yàn)判斷其壽命狀態(tài)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差甚至誤判。隨著風(fēng)電機(jī)組的向大功率方向發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承尺寸越來(lái)越大，這更增加主軸承潤(rùn)滑脂的取樣檢測(cè)的難度。本文提出的基于SCADA數(shù)據(jù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承用潤(rùn)滑脂壽命預(yù)測(cè)方法和仿真模型，為判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承潤(rùn)滑脂壽命提供了一種新的思路和參考。