風(fēng)電機(jī)組主軸承密封方案改進(jìn)

王京麗 程洪民 趙登利

(山東中車風(fēng)電有限公司風(fēng)電裝備研究所，山東 濟(jì)南 250000)

風(fēng)電機(jī)組的主軸承采用脂潤(rùn)滑的方式來保證軸承的使用壽命和機(jī)組運(yùn)行的可靠性。為防止油脂外泄，主軸承需設(shè)置密封裝置。而在運(yùn)行機(jī)組中存在從主軸承密封處泄漏油脂的情況，一旦因泄漏使主軸承缺脂，將形成干摩擦，對(duì)軸承內(nèi)部件損害極大[1]，極易導(dǎo)致軸承故障引發(fā)機(jī)組停機(jī)。主軸軸承作為核心零部件，故障維護(hù)費(fèi)用較大。若潤(rùn)滑不良迫使軸承更換，將產(chǎn)生幾倍于軸承價(jià)格的高額費(fèi)用。因此，風(fēng)電機(jī)組主軸承必須配置可靠的軸承密封方案。

1 密封的原理及類型

1.1 密封工作原理

風(fēng)電機(jī)組的主軸承密封采用旋轉(zhuǎn)唇形油封，靠密封唇與主軸的輕度過盈配合起密封作用。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，油封密封唇實(shí)際上并沒有與主軸直接接觸，而是作用在密封唇與主軸間約1 μm的油膜上。主軸開始旋轉(zhuǎn)后，在毛細(xì)作用下會(huì)產(chǎn)生這層油膜，這層油膜與空氣接觸端在液體表面張力作用下形成一個(gè)彎月面，實(shí)現(xiàn)了主軸承的脂密封[2]。

1.2 密封類型

旋轉(zhuǎn)唇形油封分骨架油封和夾布油封兩類[3]。骨架油封由金屬骨架作為支撐，只可做成整體式。夾布油封除整體式外，還有開口式和現(xiàn)場(chǎng)粘接式，可滿足風(fēng)機(jī)20年壽命周期內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)更換密封的需求。另外，根據(jù)唇口數(shù)量旋轉(zhuǎn)唇形油封還可分為三種形式：?jiǎn)未接头?、帶防塵唇的主副唇油封及雙唇油封。

2 主軸軸承密封的應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)

2.1 密封方案的應(yīng)用

(1)單唇油封

該密封方案只采用一道單唇油封，適用于空氣質(zhì)量比較好的無沙塵風(fēng)場(chǎng)。另外，為保護(hù)唇口，防止顆粒雜質(zhì)進(jìn)入，溝槽設(shè)計(jì)時(shí)盡量將“開口”尺寸設(shè)計(jì)成小口，見圖1(a)。

(2)V圈+單唇油封

該方案在溝槽外增加了一道V圈與單唇油封組合使用，如圖1(b)所示。V圈起端面密封和防塵作用，適用于處在沙塵含量多、空氣質(zhì)量較差的風(fēng)場(chǎng)。但需要注意，V圈的密封機(jī)理與油封不同[4]，不能單獨(dú)使用在風(fēng)電機(jī)組的主軸上，并且當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)速度大于15 m/s時(shí)，在離心力作用下，V圈的唇部會(huì)與配合面分開，此時(shí)不宜采用V圈。

(3)帶防塵唇的主副唇油封

該密封方案是在單唇油封的結(jié)構(gòu)上增加防塵唇，如圖1(c)所示。在功能定義上與防塵圈+單唇油封的密封系統(tǒng)一致，即采用副唇取代V圈，節(jié)約成本，達(dá)到只采用一道密封同時(shí)實(shí)現(xiàn)防塵和防漏的效果[5]。

但是在有些應(yīng)用中，防塵唇和密封唇之間的腔室會(huì)形成“負(fù)壓”，油脂被吸入腔室后吸附灰塵，導(dǎo)致污垢在兩密封唇間聚集，隨著主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，使用該型密封反而比使用無防塵唇的密封更快地在軸上產(chǎn)生劃痕和漏脂。

(a)單唇油封密封(b)V圈+單唇油封密封(c)主副唇油封密封(d)雙唇油封密封

(e)組合油封密封1—導(dǎo)油孔 2—注油孔 3—環(huán)形槽圖1 油封密封方案示意圖Figure 1 Schematic diagram of oil seal sealing scheme

(4)雙唇油封

雙唇油封具有兩個(gè)密封唇，如圖1(d)所示，可以同時(shí)起到防塵和防油的作用，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的“腰部”使油封的抗軸竄和偏心能力大大提高。因此，此結(jié)構(gòu)型式的油封尤其適用于三點(diǎn)式雙饋機(jī)組。但因腰部結(jié)構(gòu)薄、軟，開口式和現(xiàn)場(chǎng)粘接式的雙唇油封要保證內(nèi)外、兩唇口的精準(zhǔn)對(duì)接，其操作具有一定的難度。

(5)組合密封

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加[6]，機(jī)組部件趨向于大型化，密封內(nèi)徑尺寸變得越來越大。為適應(yīng)大兆瓦機(jī)組油封的需求，風(fēng)機(jī)主軸密封內(nèi)徑可以達(dá)到3 m及以上。部件大型化的同時(shí)，密封問題的重要性也凸顯出來。為更好地實(shí)現(xiàn)主軸密封，在某些場(chǎng)合，如海上風(fēng)電場(chǎng)，引進(jìn)兩道密封組合使用的方式，見圖1(e)。位于外部的密封需要潤(rùn)滑，以避免唇口產(chǎn)生干摩擦，因此，在溝槽部件上設(shè)有潤(rùn)滑脂通道和環(huán)形槽，油封上帶有徑向?qū)в涂凇?/p>

2.2 密封材料

選擇密封材料時(shí)主要考慮因素：耐磨性好，耐低溫，耐高溫，耐臭氧老化，耐紫外線老化，耐機(jī)械和熱沖擊的能力，摩擦系數(shù)小，油脂耐腐蝕性能，易加工，成本低。

在風(fēng)機(jī)主軸軸承密封應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)機(jī)組使用環(huán)境和密封要求，有所側(cè)重地選擇密封材料。比如，低溫型機(jī)組材料耐低溫性能要求高；高原型機(jī)組耐臭氧、紫外線性能和耐高溫性能要求高；沙塵區(qū)域機(jī)組的耐磨性能要求高；海上機(jī)組則要求綜合性能最優(yōu)，保證密封的可靠性和較長(zhǎng)的使用壽命。

橡膠是密封的主材料，風(fēng)電機(jī)組主軸承密封常用的材料主要有：丁腈橡膠、氟橡膠和輕化丁腈橡膠，性能參數(shù)見表1。

表1 密封材料的性能參數(shù)表Table 1 Performance parameters of seal materials

3 漏脂原因分析及問題處理

運(yùn)行中風(fēng)電機(jī)組主軸軸承密封的密封效果和使用壽命相差很大，造成這種現(xiàn)象的影響因素很多，主要集中在顆粒雜質(zhì)、溫度、偏心量、唇口損傷等方面[7]，產(chǎn)生這些影響因素的原因主要有：

(1)油封設(shè)計(jì)偏心度不足。偏心度與機(jī)型、軸承游隙和軸徑有關(guān)，風(fēng)電機(jī)組主軸由一組或兩組主軸承支撐，用時(shí)前端連接風(fēng)輪承受風(fēng)載，加之主軸軸承本身存在徑向游隙，在主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)不可避免地出現(xiàn)徑向跳動(dòng)。若密封設(shè)計(jì)偏心不足，在慣性作用下部分密封唇無法緊貼軸頸而造成泄漏，另一部分密封唇因偏心接觸加快了唇口磨損，降低了使用壽命[8]。實(shí)際上，受裝配、加工等不可控因素的影響，偏心度無法精確量化，因此，準(zhǔn)確地匹配密封處的偏心度具有一定難度?？筛鶕?jù)油封本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，盡量改善油封腰部結(jié)構(gòu)，以提高油封偏心度，例如雙唇油封薄、軟的腰部結(jié)構(gòu)。同時(shí)，可采取措施降低主軸系統(tǒng)的偏心度，選擇精度等級(jí)較高的主軸承，油封溝槽的位置盡可能靠近軸承，見圖2。

圖2 油封溝槽Figure 2 Oil seal groove

(2)主軸上唇口配合面處粗糙度、硬度和表面處理不合格，造成密封唇磨損[9]。過多的唇口磨損不僅縮短了使用壽命，還會(huì)產(chǎn)生額外的采購和更換成本及油脂泄漏成本。安裝槽唇口配合面應(yīng)無任何破損、刮痕、開裂、銹蝕或毛刺。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 4288中要求，配合面的粗糙度值Ra應(yīng)≤0.8 μm，表面硬度為40～50HRC。另外，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，唇口配合面上的方向性可能導(dǎo)致密封件泄漏，首選使用橫磨以減小密封配合端面上的方向性，保證在0°±0.05°范圍內(nèi)。

(3)油封軸向加持設(shè)計(jì)不足，導(dǎo)致唇口竄動(dòng)。蓋板厚度偏小、固定螺栓規(guī)格偏小或數(shù)量偏少都會(huì)引起油封軸向加持力不足，隨著主軸旋轉(zhuǎn)，油脂泄漏通道極易被打開。為保證密封的軸向加持，相鄰兩螺栓的設(shè)計(jì)安裝距離建議不超過300 mm。標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸的油封推薦采用蓋板尺寸及固定螺栓規(guī)格見表2。

(4)暴力裝配或裝配不當(dāng)[10]使軸體和唇口劃傷、翻唇，引起漏脂。在密封區(qū)域，即使出現(xiàn)只有25 μm的軸向劃痕，也會(huì)破壞“彎月面”，造成漏油。因此，要注意清潔，小心安裝。如若油封為主副唇或雙唇結(jié)構(gòu)，應(yīng)在兩唇之間的間隙中涂抹潤(rùn)滑脂，防止干磨。

表2 蓋板尺寸及固定螺栓規(guī)格推薦參數(shù)表Table 2 Recommended parameters of cover plate sizeand fixed bolt specification

4 結(jié)語

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組主軸軸承密封的應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)，進(jìn)行漏脂原因分析，從油封設(shè)計(jì)、溝槽設(shè)計(jì)、加工和裝配等方面提出了一些改進(jìn)措施，在主軸密封設(shè)計(jì)時(shí)，須結(jié)合機(jī)型、環(huán)境、成本等工作因素，經(jīng)多種方案對(duì)比、綜合分析、計(jì)算后最終確定方案。正確合理地選擇密封方案、材料和設(shè)計(jì)溝槽對(duì)提高密封效果和延長(zhǎng)使用壽命具有重要意義。