風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承潤滑系統(tǒng)故障分析與改進(jìn)

彭啟明，傅彩明，毛文貴

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411104）

0 引言

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軸承潤滑系統(tǒng)進(jìn)行研究，開發(fā)新的潤滑系統(tǒng)具有迫切的現(xiàn)實(shí)需要.

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)換風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)連接轉(zhuǎn)動(dòng)的核心部件是軸承，作為轉(zhuǎn)動(dòng)部件，軸承的潤滑要求很高，需要定期加注油脂潤滑.目前主要使用自動(dòng)加脂泵對(duì)軸承進(jìn)行自動(dòng)注脂潤滑，但這種簡(jiǎn)單的潤滑方式可靠性不高，特別是冬季氣溫低時(shí)，不能有效地對(duì)軸承進(jìn)行油脂加注，影響了軸承部件的潤滑，加速了軸承部件的磨損，降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)的可靠性.我國幾大風(fēng)機(jī)廠家的風(fēng)機(jī)均出現(xiàn)過油脂堵塞問題，油脂被堵在管道及閥體中，引起軸承潤滑不良甚至引發(fā)故障.因此，

1 風(fēng)力發(fā)電組自動(dòng)潤滑系統(tǒng)的組成

在國內(nèi)2 MW風(fēng)機(jī)風(fēng)電機(jī)組上，風(fēng)機(jī)的自動(dòng)軸承潤滑系統(tǒng)組成是相似的，其軸承自動(dòng)潤滑系統(tǒng)主要由偏航軸承潤滑系統(tǒng)、主軸承潤滑系統(tǒng)和變槳軸承潤滑系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)組成［2］，每一個(gè)系統(tǒng)都是由油脂泵、油管、溢流閥、壓力傳感器和油脂分配閥組成.本文以湘電XE93型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軸承自動(dòng)潤滑系統(tǒng)單線式潤滑系統(tǒng)為例展開研究，如圖1所示.

圖1 軸承自動(dòng)潤滑系統(tǒng)單線式潤滑系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)主要由油脂泵、油脂管路、油脂分配閥和控制板組成，通過PLC控制油脂泵電機(jī)的啟停來控制油脂的加注，加注的油脂通過主管道到分配閥，再通過分配閥分配到支管路去，然后通過支管路到達(dá)軸承上的各個(gè)潤滑點(diǎn)，如圖2所示.

圖2 軸承自動(dòng)潤滑系統(tǒng)原理

由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境在野外，南方和北方夏冬溫度差異較大，往往適合在南方的設(shè)計(jì)到北方運(yùn)行卻會(huì)出現(xiàn)問題.該系統(tǒng)在夏季能運(yùn)行良好，因?yàn)闅鉁馗邥r(shí)油脂粘度較低，油脂泵流量正常，保證油脂能順利輸送到軸承各潤滑點(diǎn)，軸承潤滑良好.但該系統(tǒng)在冬季可能會(huì)出現(xiàn)問題，尤其在冬季氣溫降低至零下十度左右時(shí)，油脂泵流量降低，系統(tǒng)不能保證油脂能順利輸送到軸承各潤滑點(diǎn)，因而經(jīng)常會(huì)發(fā)生軸承潤滑不良甚至缺油的現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，造成這類故障的原因是油脂溫度太低導(dǎo)致油脂粘度過高，油脂被堵在油脂分配器中難以流動(dòng)，甚至完全堵塞.

2 溫度對(duì)油脂粘度的影響

緊貼管壁運(yùn)動(dòng)的油脂會(huì)粘在管壁上，油脂是有粘度的，根據(jù)牛頓定理，在流體中運(yùn)動(dòng)，阻滯剪切變形的粘性力F與流體的速度梯度和接觸面積成正比，并且與流體的性質(zhì)有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中dv/dy為垂直與速度方向的速度變化率，A為接觸面積，μ表征流體粘度的比例系速，稱為動(dòng)力粘度或簡(jiǎn)稱為粘度，單位為N·s/m2，即Pa·s，其量綱為M/（L·T）.

運(yùn)動(dòng)黏度即流體的動(dòng)力粘度與同溫度下該流體密度ρ之比，單位為（m2）/s，用小寫字母v表示，即：

H·Noureddine等［3］提出，流體粘度與溫度密切相關(guān)，對(duì)于油品，由于溫度升高時(shí)其內(nèi)聚力減小，對(duì)大多數(shù)油品來說，在正常沸點(diǎn)以下，油品粘度與溫度的函數(shù)關(guān)系如方程：

式中，μ為油品粘度，T為測(cè)試溫度，A、B、C均為常數(shù).

可見油品粘度與溫度成反比例關(guān)系.

3 溫度對(duì)油脂粘度影響試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：在恒溫恒濕的試驗(yàn)室中，保持溫度不變、濕度不變、測(cè)量不同溫度下油脂的粘度.

試驗(yàn)器材：數(shù)顯粘度測(cè)量儀、溫度計(jì).

試驗(yàn)介質(zhì)：美孚MOBIL SHC GREASE 460 WT.

表1 溫度與運(yùn)動(dòng)粘度之間的關(guān)系

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從美孚公司提供的MOBIL SHC GREASE 460 WT編號(hào)MSDS_668809安全技術(shù)說明書可知油脂的相對(duì)密度為0.9，由式（2）可得油脂的粘度等于0.9倍的運(yùn)動(dòng)粘度.

用MATLAB計(jì)算方程（3）A，B，C的值.

圖3 求A，B，C的程序框圖

解得A＝7.92，B＝164.6，C＝-131.9

式（3）為：

畫出方程 lnμ＝7.92+164.6/（T-131.9）與表 1散點(diǎn)的圖形.

圖4 溫度與運(yùn)動(dòng)粘度之間的關(guān)系

從圖4可知油脂運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度下降而增大，所以氣溫越低油脂粘度越高，在油脂管道及油脂分配閥中運(yùn)動(dòng)阻力越大，越容易發(fā)生油脂管及油脂分配閥堵塞故障.

4 溫度對(duì)油脂泵出脂量的影響試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：在恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)中，保持溫度、濕度不變，觀察油脂的出脂量.

試驗(yàn)器材：恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)、自動(dòng)潤滑系統(tǒng)、計(jì)時(shí)器、電子秤.

試驗(yàn)介質(zhì)：美孚MOBIL SHC GREASE 460 WT.

表2 溫度與排脂量的關(guān)系

圖5 溫度與一級(jí)分配器出油量之間的關(guān)系

從圖5可知潤滑系統(tǒng)在工作時(shí)間一定的條件下一級(jí)分配閥出油量隨溫度的變化而變化，溫度低時(shí)一級(jí)分配閥出油量少，溫度升高時(shí)一級(jí)分配閥出油量增多，溫度與一級(jí)分配閥出油量之間成近似二次開口向下單調(diào)增區(qū)間函數(shù)關(guān)系，溫度越高一級(jí)分配閥出油脂越容易.

圖6 溫度與二級(jí)分配器出油量之間的關(guān)系

從圖6可知潤滑系統(tǒng)在工作時(shí)間一定的條件下二級(jí)分配閥出油量隨溫度的變化而變化，溫度低時(shí)二級(jí)分配閥出油量少，溫度高時(shí)二級(jí)分配閥出油量多，溫度與二級(jí)分配閥出油量之間成近似一次正比例函數(shù)關(guān)系，溫度與二級(jí)分配閥出油量成正相關(guān)性.

5 新型軸承潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于冬天溫度比較低，風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)溫在-30～0℃之間，油脂粘度大，油脂從油脂泵注入到分配閥，而分配閥是金屬材質(zhì)組成，如圖6所示.閥體溫度很低，油脂在低溫條件下很容易在分配閥之中堵塞，時(shí)間一長油脂氧化在分配閥之中，造成分配閥永久性堵塞.現(xiàn)在的風(fēng)機(jī)潤滑脂加注系統(tǒng)沒有考慮到低溫的影響，導(dǎo)致油脂在分配閥中凝固，這樣新的油脂進(jìn)不來，廢油脂排不出，軸承潤滑不好加劇了軸承的磨損。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，大部分油脂潤滑系統(tǒng)堵塞，都是油脂分配閥堵塞造成的，因此需要設(shè)計(jì)一種新型的軸承潤滑系統(tǒng)，具備溫度加熱與控制的功能，能夠?qū)Ψ峙溟y的溫度進(jìn)行控制，改善油脂在軸承潤滑系統(tǒng)中的流動(dòng)性，保證油脂在寒冷低溫的環(huán)境下也能夠注入到軸承當(dāng)中去，如圖7所示.

圖7 油脂分配閥

該軸承潤滑系統(tǒng)是一種自帶加熱器的系統(tǒng)，由潤滑泵、溢流閥、油管、過濾器、主分配閥、壓力傳感器、溫度開關(guān)、加熱器、導(dǎo)線、端子排和電源組成，如圖8所示.系統(tǒng)開始工作前會(huì)采集分配閥的溫度值，當(dāng)溫度很低時(shí)，會(huì)預(yù)先對(duì)分配閥進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱到系統(tǒng)溫度的設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)開始工作.系統(tǒng)工作時(shí)，首先啟動(dòng)油脂泵，將油脂泵放至主分配閥，然后主分配閥再把油脂均勻分配到次級(jí)分配閥，最后次級(jí)分配閥將油脂均勻分配到各軸承潤滑點(diǎn).在此過程中，如果分配閥溫度過高，加熱器將停止加熱，使溫度下降；如果分配閥溫度過低，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)加熱器加熱.當(dāng)系統(tǒng)在PLC設(shè)定的工作周期之外進(jìn)行間隙調(diào)整時(shí)，加熱器不加熱，如圖9所示.

圖8 新型軸承潤滑系統(tǒng)

圖9 新型軸承潤滑系統(tǒng)原理

加熱器由零線、火線、溫控開關(guān)和四個(gè)加熱電阻組成，當(dāng)溫控開關(guān)接受到PLC的開始指令后，加熱器開始工作；接受到停止指令后，加熱器停止工作；當(dāng)溫度超過設(shè)定值70℃時(shí)，不管PLC有沒有停止指令，溫控開關(guān)自動(dòng)斷開，加熱器停止加熱.加熱器的工作原理如圖10所示.

圖10 自動(dòng)加熱系統(tǒng)電路圖

加熱器上開有安裝孔，其安裝板、外殼、接線頭和內(nèi)部電熱絲的結(jié)構(gòu)形式如圖11所示.

圖11 加熱器

6 結(jié)語

本文對(duì)風(fēng)機(jī)變槳軸承自動(dòng)潤滑系統(tǒng)在工作過程中常出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，并就溫度對(duì)油脂泵出脂量和溫度對(duì)油脂粘度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時(shí)結(jié)合風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析，研究表明溫度對(duì)潤滑系統(tǒng)有著重要的影響，油脂分配閥在冬天最容易堵塞的主要原因是，油脂在低溫時(shí)粘度較高，流動(dòng)性很差，使得油脂滯留在分配閥中并發(fā)生氧化反應(yīng)，長時(shí)間的氧化會(huì)造成分配閥永久性堵塞.通過在油脂分配閥上設(shè)計(jì)加裝一個(gè)自動(dòng)溫控加熱裝置，使得低溫天氣里分配閥的溫度恒定，可顯著改善油脂的流動(dòng)性能，能完全避免油脂凝固，進(jìn)而避免現(xiàn)有風(fēng)機(jī)軸承潤滑系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的油脂潤滑不足和無潤滑的故障，從而保障風(fēng)機(jī)軸承始終工作在潤滑條件良好的狀態(tài).