劉二恩，張楚翔，蘇鳳宇，劉曉輝，劉大恩

(1.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.河南江河機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467337)

變槳軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(下文簡稱風(fēng)電機(jī)組)的關(guān)鍵部件，使用環(huán)境惡劣，維修成本高[1]，受力情況比較復(fù)雜，并且直接影響整個(gè)變槳?jiǎng)幼鞯倪B貫性、穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確度[2]，為保證變槳軸承壽命的可靠性，需要對(duì)變槳軸承進(jìn)行良好的密封及潤滑。隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，變槳軸承的密封圈逐漸老化，潤滑脂逐漸變質(zhì)，廢脂外排不暢和變槳軸承不完全回轉(zhuǎn)造成內(nèi)部壓力不均等會(huì)導(dǎo)致變槳軸承密封圈處出現(xiàn)不同程度的漏脂，若不及時(shí)處理可能會(huì)造成變槳軸承潤滑不良，從而影響變槳軸承及風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。變槳軸承漏脂的原因較多，由于跟蹤觀察及驗(yàn)證周期長，密封試驗(yàn)臺(tái)難以模擬變槳軸承實(shí)際工況等原因，對(duì)其研究不夠系統(tǒng)、深入，因此有必要對(duì)變槳軸承漏脂的原因進(jìn)行分析和總結(jié)。

1 變槳軸承漏脂的原因

1.1 密封不良

1.1.1 密封圈老化與磨損

變槳軸承大多采用丁晴橡膠密封圈[3]，長時(shí)間使用會(huì)發(fā)生老化，其老化速度與丁腈橡膠中丙烯腈含量、配方含膠率、防老劑以及使用環(huán)境等因素有關(guān)，一般情況下丁晴橡膠密封圈使用壽命為5～10年。變槳軸承采用接觸式密封，在運(yùn)行過程中密封圈與密封摩擦面接觸，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，密封圈會(huì)逐漸磨損導(dǎo)致密封性能下降和密封圈承壓不足，潤滑脂可能會(huì)從密封圈處泄漏。

1.1.2 密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

變槳軸承一般采用雙唇密封圈，其外唇可阻擋水分、灰塵及其他有害物質(zhì)侵入軸承內(nèi)部，內(nèi)唇可防止漏脂。若密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，安裝后會(huì)影響密封效果，并且變槳軸承運(yùn)行后可能會(huì)導(dǎo)致密封圈變形，使密封能力不足或密封失效，潤滑脂容易泄漏。

1.1.3 密封圈安裝與維護(hù)不當(dāng)

不按照工藝安裝或維護(hù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致密封圈受力不均勻，安裝密封圈時(shí)接口黏接不良會(huì)導(dǎo)致密封圈接口斷裂，后續(xù)變槳軸承注脂運(yùn)行后密封圈容易出現(xiàn)鼓包、翹曲(圖1)和斷裂現(xiàn)象，從而使?jié)櫥瑥拿芊馊p隙、翹曲及破損處溢出。

圖1 變槳軸承密封圈翹曲Fig.1 Warping of sealing ring for pitch bearing

1.1.4 密封圈擠壓損壞

風(fēng)場風(fēng)電機(jī)組的葉片安裝或維護(hù)時(shí)需要使用液壓拉伸器對(duì)葉片與變槳軸承的連接螺栓施加力矩，連接螺栓與密封圈的距離較近，且液壓拉伸器的拉伸頭外形尺寸較大，拉伸頭易壓到密封圈使密封圈嚴(yán)重破損，如圖2所示。變槳軸承后續(xù)運(yùn)行時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致密封圈變形和撕裂，造成潤滑脂大量泄漏。

圖2 變槳軸承密封圈擠壓破損Fig.2 Squeeze damage of sealing ring for pitch bearing

1.2 變槳軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

1.2.1 溝道結(jié)構(gòu)

變槳軸承溝道設(shè)計(jì)影響潤滑脂在軸承內(nèi)部溝槽的流動(dòng)性。正常情況下，變槳軸承從注脂孔加注潤滑脂，從排脂孔排廢脂需要的壓力差值小于密封圈所能承受的壓力值，同時(shí)大于潤滑脂流動(dòng)的阻力值，則密封圈處不會(huì)漏脂。所需的壓力差值與潤滑脂流動(dòng)的阻力密切相關(guān)，阻力小需要的壓力差值就小，阻力大需要的壓力差就大。若變槳軸承內(nèi)部溝道設(shè)計(jì)不合理，潤滑脂流動(dòng)阻力就大，不利于潤滑脂與內(nèi)部壓力的均勻分布，潤滑脂無法順利進(jìn)入排脂孔而造成排脂不暢，導(dǎo)致密封圈處潤滑脂溢出。

1.2.2 脂孔尺寸與分布

變槳軸承的注脂孔和排脂孔需合理間隔分布，保證軸承能順利注入新脂并排出廢脂。相鄰注脂孔與排脂孔的距離要適中，若距離太短，加脂時(shí)注脂孔壓力較大而排脂孔壓力較小，新加的潤滑脂易從排脂孔排出；若距離太長，加脂時(shí)密封圈承受的局部壓力較大，易導(dǎo)致漏脂。另外排脂孔截面直徑過小，與排脂孔相連接的集脂瓶口直徑過小，軸承上2個(gè)排脂孔的間距過大，也會(huì)增加潤滑脂排出的阻力，造成排脂不暢，使變槳軸承內(nèi)部壓力過大導(dǎo)致漏脂。

1.3 潤滑脂選擇不當(dāng)或潤滑系統(tǒng)設(shè)置不合理

1.3.1 潤滑脂選擇不當(dāng)

潤滑脂的選擇通常要參考變槳軸承的實(shí)際工況，同時(shí)還需考慮潤滑脂的稠度和添加劑種類等。潤滑脂的稠度與周圍環(huán)境溫度密切相關(guān)，環(huán)境溫度每下降5 ℃，稠度會(huì)增加1倍，潤滑脂流動(dòng)性將會(huì)變差，如果潤滑脂的稠度不合適或抗壓性能不足，后續(xù)使用易發(fā)生固化現(xiàn)象而堵塞脂路系統(tǒng)，導(dǎo)致潤滑脂無法正常排出而從密封圈處泄漏，如圖3所示。

圖3 變槳軸承排脂孔處的固化潤滑脂F(xiàn)ig.3 Grease solidification in grease discharge hole of pitch bearing

1.3.2 注脂量及集中潤滑系統(tǒng)設(shè)置不合理

變槳軸承在運(yùn)行前需填充一定量的潤滑脂，填充量約為變槳軸承內(nèi)部空間的60%～80%[4]，一般選擇的填充量約為70%，也有個(gè)別變槳軸承供應(yīng)商為了保證充分潤滑選擇80%的填充量。

國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組大多采用集中潤滑系統(tǒng)對(duì)變槳軸承加注潤滑脂，部分風(fēng)電機(jī)組制造商為進(jìn)一步降低變槳軸承的維護(hù)成本采用人工定期加注潤滑脂。這2種加注潤滑脂的方式均存在不足:人工定期加注潤滑脂的注脂量及注脂周期往往為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與變槳軸承實(shí)際所需潤滑脂存在較大偏差，注脂量通常情況下會(huì)偏多且不均勻，無法保證變槳軸承的潤滑時(shí)間，再加上變槳軸承出廠前可能加注了約80%的潤滑脂，極易造成變槳軸承溝道內(nèi)局部潤滑脂大量堆積；集中潤滑系統(tǒng)采用自動(dòng)注脂方式，使軸承潤滑更加充分[5]，雖然保證了變槳軸承的潤滑時(shí)間和注脂量的均勻性，但在變槳軸承不運(yùn)行或機(jī)組長時(shí)間停機(jī)狀態(tài)下，集中潤滑系統(tǒng)仍按其預(yù)設(shè)好的固定程序繼續(xù)注脂，同樣容易造成變槳軸承溝道內(nèi)局部潤滑脂大量堆積。

正常情況下變槳軸承密封圈的密封壓力約為2.8×105Pa，變槳軸承靜止不工作時(shí)所需注脂壓力約為(2.5～2.8)×105Pa，變槳軸承運(yùn)行時(shí)所需注脂壓力僅為0.6×105Pa左右。因變槳軸承所采用的潤滑脂本身流動(dòng)性較差，上述2種注脂方式導(dǎo)致的潤滑脂大量堆積會(huì)增大變槳軸承溝道內(nèi)潤滑脂通道的壓力，從而增加注脂時(shí)所需的注脂壓力。當(dāng)注脂壓力大于變槳軸承密封圈的密封壓力時(shí)，潤滑脂會(huì)在注脂推力的作用下從變槳軸承密封圈處大量泄漏。

另外，如果集中潤滑系統(tǒng)的壓力泵或輸脂管中的空氣未完全排空，空氣將隨著潤滑脂進(jìn)入變槳軸承溝道，造成溝道內(nèi)局部壓力過大，當(dāng)該壓力大于變槳軸承密封圈的密封壓力時(shí)會(huì)撐開密封圈，造成嚴(yán)重漏脂現(xiàn)象[5]。

1.3.3 廢脂收集方法不當(dāng)

目前風(fēng)電機(jī)組變槳軸承廢脂收集普遍采用在軸承圓周上分布的數(shù)個(gè)廢脂排出小孔分別安裝集脂瓶的方式，加入新脂時(shí)，新脂把廢脂從軸承內(nèi)腔擠壓進(jìn)廢脂排出小孔，排入集脂瓶，需定期清理。實(shí)際上，隨著變槳軸承運(yùn)行時(shí)間的增加，廢脂收集效果不好，容易漏脂。

2 解決措施

2.1 密封圈

2.1.1 選擇質(zhì)量可靠的密封圈材料

國內(nèi)密封圈的抗老化、抗磨損等關(guān)鍵性能與國外還有一定差距，當(dāng)前大多風(fēng)電機(jī)組制造商采用成本較高的進(jìn)口密封圈材料。

2.1.2 改善密封圈的結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)大部分變槳軸承密封圈采用類似雙唇的結(jié)構(gòu)，如圖4所示，結(jié)構(gòu)簡單，防止內(nèi)部漏脂的能力有限，因此在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，將雙唇結(jié)構(gòu)改為多唇結(jié)構(gòu)(圖5)，同時(shí)增加2道直密封唇加強(qiáng)防泄漏效果，其安裝示意圖如圖6所示。

圖4 變槳軸承原密封結(jié)構(gòu)Fig.4 Original structure of sealing for pitch bearing

1—凸臺(tái)；2—主密封體；3—防塵唇；4—第3道封油唇；5—第2道封油唇；6—第1道封油唇；7—第1道直密封唇；8—第4道封油唇；9—第2道直密封唇圖5 新型防泄漏密封圈截面示意圖Fig.5 Section diagram of new leakproof sealing ring

圖6 新型防泄漏密封安裝示意圖Fig.6 Installation diagram of new leakproof seal

第1道封油唇前端與變槳軸承內(nèi)圈的外圓表面緊密接觸，末端與外圈的內(nèi)圓表面緊密接觸，其外側(cè)凸起的弧面有利于抵消變槳軸承內(nèi)部的潤滑脂壓力，可防止?jié)櫥瑥牡?道封油唇與內(nèi)外圈之間的間隙泄漏。

第2道、第3道封油唇外形呈魚尾狀，其與內(nèi)圈外圓表面上的密封槽接觸，兩者之間存在微小的間隙，丁晴橡膠密封圈具有一定的彈性，既能保證變槳軸承正?；剞D(zhuǎn)，又能防止從第1道封油唇泄漏的潤滑脂繼續(xù)向外泄漏。

第4道封油唇與外圈的嵌槽接觸，可防止變槳軸承泄漏的潤滑脂繼續(xù)向外泄漏。

防塵唇外形呈魚鰭狀，末端與內(nèi)圈的外圓表面緊密抵靠,其外側(cè)面凸起的弧面不僅保證了防塵唇與內(nèi)圈緊密抵靠，而且利于加工。防塵唇具有雙向防護(hù)的特點(diǎn)，既能防止泄漏的潤滑脂繼續(xù)向外部泄漏，又能防止空氣中的灰塵、雜質(zhì)或其他有害物質(zhì)進(jìn)入到變槳軸承內(nèi)部導(dǎo)致溝道磨損或發(fā)熱卡死，造成風(fēng)電機(jī)組無法正常工作，甚至還會(huì)出現(xiàn)重大事故[6]。

第1道、第2道直密封唇與外圈表面接觸，可防止泄漏的潤滑脂繼續(xù)向外泄漏。

凸臺(tái)位于主密封體上，上表面為平面，同時(shí)與防塵唇之間預(yù)留了安裝工具操作空間，可使用帶滾輪結(jié)構(gòu)的操作工具沿凸臺(tái)上表面前后滾壓，將密封圈壓實(shí)，從而保證密封圈的密封效果。

新型防泄漏密封圈整體外形呈魚骨形，采用1道防塵唇、4道封油唇、2道直密封唇，可有效杜絕軸承內(nèi)部潤滑脂向外泄漏。

2.1.3 合理維護(hù)并及時(shí)更換損壞或老化的密封圈

必須嚴(yán)格按規(guī)定的工藝安裝或維護(hù)密封圈，避免密封圈安裝不合格或密封圈損壞的情況。對(duì)漏脂變槳軸承密封圈進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)密封圈存在老化、磨損嚴(yán)重、破損、翹曲變形等情況，需及時(shí)清理漏脂，并按工藝要求更換新密封圈。

2.1.4 縮小液壓拉伸器拉伸頭尺寸

與液壓拉伸器供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)溝通，縮小拉伸頭外形尺寸，避免液壓拉伸器現(xiàn)場作業(yè)時(shí)擠壓損壞密封圈；進(jìn)一步規(guī)范現(xiàn)場安裝工藝，增加一項(xiàng)“液壓拉伸器現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，檢測拉伸頭與密封圈距離”的工序。

2.2 改善變槳軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2.1 溝道底部溝槽

變槳軸承溝道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅影響潤滑脂在軸承內(nèi)部溝道的流動(dòng)性，也影響與溝道相連接的一段排脂孔的直徑。潤滑脂的流動(dòng)性與其流經(jīng)的截面形狀及面積有關(guān)，截面越小，流動(dòng)性越差。

某供應(yīng)商設(shè)計(jì)的變槳軸承溝道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7a所示，溝底全部為圓弧過渡，經(jīng)風(fēng)場實(shí)際驗(yàn)證這種溝道截面形狀不利于潤滑脂在溝底的流動(dòng)。改進(jìn)后的溝道截面形狀如圖7b所示，溝底增加了矩形溝槽，從而增加了潤滑脂的流動(dòng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明，溝道截面形狀改進(jìn)后潤滑脂可從排脂孔順暢排出，且密封圈無鼓包、漏脂現(xiàn)象。

圖7 某變槳軸承溝道結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of pitch bearing raceway

2.2.2 改善軸承脂孔尺寸與分布結(jié)構(gòu)

GB/T 29717—2013《滾動(dòng)軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航、變槳軸承》規(guī)定變槳軸承注脂螺紋孔規(guī)格一般為M10 mm×1 mm，排脂螺紋孔規(guī)格為M14 mm×1.5 mm，當(dāng)有特殊要求時(shí)排脂孔數(shù)量、位置和規(guī)格由軸承制造商與風(fēng)電機(jī)組制造商協(xié)商確定。注脂孔與排脂孔結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 注脂孔和排脂孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of grease injection hole and grease discharge hole

由圖8可知，整個(gè)排脂通道為階梯結(jié)構(gòu)，分為軸承外側(cè)與集脂瓶相接的螺紋孔部分和靠近軸承內(nèi)側(cè)與溝道相連接的光孔部分。潤滑脂流經(jīng)的截面面積越小，排出時(shí)阻力越大，因此，在軸承結(jié)構(gòu)允許的情況下，適量增加軸承排脂孔外側(cè)連接螺紋孔的直徑和深度，盡量使排脂螺紋孔接近溝道，以減小潤滑脂排出的阻力。排脂孔靠近溝道的光孔部分由于受溝底設(shè)計(jì)槽寬限制，一般直徑為9～12 mm，若改善軸承溝底結(jié)構(gòu)，增大槽寬，可考慮增加排脂孔靠近溝道的光孔部分的直徑，有利于排脂。

變槳軸承排脂孔與注脂孔一般均為間隔分布，排脂孔軸向位置處于溝道中心。

2.3 合理選擇潤滑脂及集中潤滑系統(tǒng)設(shè)置

2.3.1 選擇合適的潤滑脂

根據(jù)變槳軸承的實(shí)際工況、潤滑脂的稠度及其與密封圈的兼容性等選擇合適的潤滑脂。潤滑脂使用溫度為-40～150 ℃，應(yīng)具備抗微動(dòng)磨損性、極壓性、抗水性、防腐性和泵送性良好等性能。

2.3.2 選擇合適的注脂量及潤滑系統(tǒng)控制策略

強(qiáng)制要求變槳軸承最多只能加注70%的填充量，且使用集中潤滑系統(tǒng)，不建議采用人工注脂的方式。

考慮到變槳軸承不運(yùn)行或機(jī)組長時(shí)間停機(jī)狀態(tài)時(shí)集中潤滑系統(tǒng)仍按其預(yù)設(shè)好的固定程序繼續(xù)注脂，因此需對(duì)集中潤滑系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，更改注脂控制方式為變槳軸承運(yùn)行時(shí)注脂(此時(shí)所需注脂壓力遠(yuǎn)小于密封圈的密封壓力)，不運(yùn)行時(shí)不注脂。同時(shí)參考變槳軸承變槳的角度、速度、時(shí)間及累計(jì)變槳時(shí)間等因素設(shè)計(jì)控制策略，確定注脂的頻率、時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)。另外，集中潤滑系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的外界溫度進(jìn)行調(diào)整，低溫時(shí)潤滑脂的稠度大，泵送性較差，此時(shí)需要提高注脂頻率；高溫時(shí)潤滑脂的稠度小，泵送性較好，此時(shí)需要降低注脂頻率。

針對(duì)集中潤滑系統(tǒng)的壓力泵或輸脂管中的空氣未完全排空造成漏脂的問題，可以在集中潤滑系統(tǒng)安裝完成后，與變槳系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，通過實(shí)際運(yùn)行集中潤滑系統(tǒng)檢驗(yàn)變槳軸承溝道中是否有殘存空氣并進(jìn)行充分排除。

2.3.3 增加廢脂清除系統(tǒng)

如圖9所示，廢脂清除系統(tǒng)的工作原理為：啟動(dòng)液壓泵，壓力油通過動(dòng)力管A驅(qū)動(dòng)廢油吸排脂器將軸承內(nèi)的廢油吸入吸排脂器內(nèi)腔，然后分控箱啟動(dòng)二位四通閥，系統(tǒng)換向，壓力油通過動(dòng)力管B驅(qū)動(dòng)廢油吸排脂器將排脂內(nèi)腔中收集到的廢脂通過集廢油管集中收集到集油箱。

1—?jiǎng)恿蹷；2—集油箱;3—液壓泵；4—廢油吸排脂器；5—分控箱；6—?jiǎng)恿蹵；7—集廢油管圖9 廢潤滑脂清除系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.9 Structural schematic diagram of waste grease removal system

另外可采用真空袋代替集脂瓶來收集廢脂，或者縮短廢脂排出管路，增大集脂瓶管口直徑等方法來改善廢脂不易排出的情況。

3 結(jié)束語

變槳軸承密封圈處漏脂的主要原因：1)變槳軸承密封不良導(dǎo)致密封圈承壓不足，引起漏脂；2)變槳軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致潤滑脂在軸承內(nèi)部流動(dòng)性差，廢脂無法順利從排脂孔排出，從而導(dǎo)致軸承內(nèi)部壓力過大，潤滑脂從密封圈處溢出；3)潤滑脂選擇或填充量不合適導(dǎo)致潤滑脂稠度過小或注脂過量，潤滑脂從密封圈處擠出。

經(jīng)實(shí)踐證明，通過改進(jìn)密封圈，優(yōu)化溝道底部溝槽結(jié)構(gòu)，改善脂孔尺寸與分布結(jié)構(gòu)，合理選擇潤滑脂，改善潤滑系統(tǒng)控制策略，增加廢脂清除系統(tǒng)等措施，基本上可杜絕變槳軸承漏脂問題，從而避免因漏脂造成的風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)，提高了變槳軸承使用壽命及風(fēng)電機(jī)組可利用小時(shí)數(shù)，從而提高了發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益。