风力发电机组变桨轴承不出油问题原因分析及改进措施

2018-02-06孙乐乐

机电信息 2018年3期

关键词：过盈量变桨注油

孙乐乐

（国电联合动力技术有限公司，北京100039）

0 引言

近年来，随着能源和环境问题日趋紧张，新能源越来越受到国家重视，其中风电就是迅猛发展的新能源之一。

风力发电机组所用轴承根据用途大致分为三类[1-3]，即主轴承、偏航轴承、变桨轴承。变桨轴承是风力发电机组的关键部件之一，桨叶通过变桨轴承安装在轮毂上。对于变桨轴承，由于其影响变桨的连贯性和稳定性，往往要求其能够可靠运行20年。

变桨轴承所处的环境往往比较恶劣，加上低速运转和摆动等工况特点，个别风场存在变桨轴承集油瓶采集不到油的现象。基于此，有必要对变桨轴承不出油问题进行分析并提出改进措施。

1 变桨轴承不出油的影响因素

在风力发电机组中，变桨轴承采用的结构形式通常为内圈带齿或无齿双排四点接触球轴承。对于个别风场出现的变桨轴承集油瓶收集不到油的现象，其影响因素大致有三个方面，具体如下：

1.1 注油量及注油频率

变桨轴承运行前需填充一定量的润滑油脂，通常初润滑时，注油脂量一般为轴承内部有效空间体积的60%～80%[4]。

润滑方式分为手动润滑和自动润滑。风机维护时，随着新油脂注入，沟道内旧油脂便会从排油孔中排出，收集在集油瓶中。手动润滑时，注油周期需根据变桨轴承的运行情况、工作环境、润滑脂的寿命等因素来确定，通常注油的周期是半年[5]。对于自动润滑，其注油频率与外界环境因素、润滑系统性能有关，润滑油脂的黏度受温度影响特别大（温度每下降5℃，油脂表现的黏度即会翻倍），低温时黏度大，难泵送，要求的打油频率高；高温时黏度小，易泵送，要求的打油频率低。

1.2 密封及密封过盈量

变桨轴承密封系统由轴承内外圈端面密封槽、密封圆台结构及专用密封圈三部分构成。密封圈固定在轴承套圈的端面密封槽内，密封圈唇口与密封圆台径向采取过盈配合[6]。过盈量需合理制定，否则受载时将影响密封使用性能。

密封一般采用双唇密封，如图1所示，尽量避免使用单唇密封。双唇密封的优点在于外面的密封唇用来阻止外面的粉尘进入轴承；里面的密封唇用来阻止轴承里面的润滑脂泄漏，同时保持腔内工作压力。

密封圈材料通常采用耐油的丁腈橡胶，密封圈的密封过盈量要能满足以下要求：在使用寿命中，轴承的腔内工作压力保持在0.2 MPa，腔内极限压力达到0.25 MPa；且密封圈与接触面要有足够高的粗糙度，以减少摩擦，减小启动摩擦力矩[6]。

图1 密封系统示意图

1.3 载荷及位移关系

变桨轴承的结构形式为双排4点接触球轴承，钢球和内外滚道形成4对接触点，受力情况如图2所示。图中，Fa为轴承承受的轴向载荷，Fr为轴承承受的径向载荷，M为轴承承受的倾覆力矩，dm为轴承节圆直径，dc为两排钢球之间的中心距[7-8]。

图2 变桨轴承受力图

假设变桨轴承外圈固定，在轴向力Fa、径向力Fr和倾覆力Mθ矩联合作用下，轴承的内、外套圈产生轴向相对位移δα、径向相对位移δr和相对转角位移θ。

Fa、Fr和Mθ已知，和δa、δr和θ的关系是关于此三个未知量的三元非线性方程组，运用Newton-Raphson非线性方程组的数值解法可解得δa、δr和θ[9]。

载荷的大小将影响内外圈的相对位移，同时也将影响密封的实际使用能力，如果密封的能力不足以抵消内外圈的相对位移，将导致油脂从密封处泄漏，从而集油瓶采集不到油。

2 变桨轴承不出油的原因分析

2.1 注油量分析

变桨轴承中，润滑油脂为半固体，流动性较差，并且轴承套圈和滚珠有一定的密合度。对于不出油的轴承，首先需要辨明两种情况：是轴承未注满导致的集油瓶未采到油还是密封漏油导致的集油瓶未采到油。

第一种情况，需检查初始注脂量和维护时注油的记录，从而辨别注脂总量是否达到轴承内部有效空间体积。

第二种情况，若现场采用的是手动润滑，由于一次性注入的油量太大，为避免造成变桨轴承内部局部压力过大而顶开轴承密封圈，需要分次注入，每次注意变桨一定的角度，以便使润滑油脂尽量分散均匀。若采用自动润滑，其注油频率及每次注脂量需合理制定。

2.2 密封分析

由于变桨轴承处于恶劣的运行环境中，易出现密封失效现象，从而导致实际应用中局部密封部位承压能力下降，油脂突破密封内唇，从唇口处溢出。对于不出油的风机，需对轴承密封进行详细的分析，主要分为以下两种情况：

（1）轴承密封圈自身物理性能差。轴承密封圈材质不良，其耐低温、耐油压、耐盐雾侵蚀及耐磨损性能差。

（2）轴承密封圈粘接和安装质量差。密封圈分整体或粘接两种形式，需合理计算实际需要的密封圈长度，轴承密封圈长度不合理、轴承密封圈粘接不牢固和轴承密封圈安装方式不合理均将影响密封的实际应用性能。

2.3 载荷和密封过盈量分析

为保持密封的良好效果，应保证变桨轴承受载后密封唇与套圈之间仍有一定的过盈量。具体体现在：密封安装处内外圈最大径向相对位移量应保证变形后不脱离套圈的凸缘；密封安装处内外圈最大轴向相对位移量应保证变形后不接触到套圈的凸缘。

在轴向力Fa、径向力Fr和倾覆力Mθ矩联合作用下，轴承的内、外套圈产生轴向相对位移δα、径向相对位移δr和相对转角位移θ。

对于载荷和密封过盈量的关系，主要分为三类：

在第一类极限工况中，密封的过盈量大于变桨轴承在此极限工况下的变形，满足使用要求，油从集油瓶处排出。

在第二类极限工况中，密封的过盈量略大于变桨轴承在此极限工况下的变形，此时，排油口处的油压约等于集油瓶出口压力，油从集油瓶处和密封出，部分集油瓶采集不到油，出现不出油现象。

在第三类极限工况中，密封的过盈量小于变桨轴承在此极限工况下的变形，不满足使用要求，油从密封处漏出，集油瓶采集不到油，出现不出油现象。

3 变桨轴承不出油问题的改进措施

上面分析了变桨轴承不出油的原因，针对这些原因采取的改进措施有：

（1）严格按照规范注油脂。初始注脂时需严格按照规定的轴承内部有效空间体积60%～80%进行加注，此外，维护时要严格控制注脂量，同时要进行变桨以确保注脂均匀性。

（2）选用综合性能较好的密封，并注意安装方式。

首先，需选择低温性能好、耐磨性好且使用寿命较长的密封。密封的性能需进行相应试验，比如常规的拉伸强度、低温测试以及老化试验，以确定是否适合风电轴承的工况。

其次，安装时，对于剪裁型密封，首先要由设计人员计算轴承所用密封的长度，装配人员按照计算出的长度剪裁出对应的密封，用专用的黏合剂粘接。在密封槽中选择8个等分点，将密封圈置入这8个点内，按顺时针或逆时针方向检验密封件整圈是否压实，有无不平整或凸、凹等缺陷。整体型密封件安装方式与长条剪裁型一样，也是采用8点进行安装[10]。

（3）合理设置密封件的过盈量。根据极限工况的载荷，按照工程算法亦或是有限元分析，使密封的过盈量大于轴承内外圈的偏移量。