一种新型风力发电机组液压变桨油缸密封圈组件的应用

王明辉，李 明，黄志星

（华电福新能源发展有限公司福清分公司，福建 福清 350300）

风电机组控制系统重要组成部分——变桨系统，对机组稳定、安全运行具有特别重要的作用。变桨系统主要分为两大类：（1）电动变桨；（2）液压变桨。对于液压变桨系统的风机，其变桨油缸作为推动叶片的执行机构，运行过程中压力高达两百多巴甚至更高。因此，要求变桨油缸的密封组件要有较强的承压、耐磨和耐温能力。

根据华电歌美飒G87 风力发电机机型运维情况，液压变桨的风电机组在运行三至五年后，开始频繁发生液压变桨系统泄漏故障，造成较大的发电量损失、人力、液压油及备品备件的浪费。

1 液压变桨系统中密封件的重要作用和意义

在液压变桨系统和附属系统中，密封组件用来防止内部介质的泄漏及外界粉尘和杂物的侵入。这当中起密封作用的器件，就是密封件。液压系统外部渗漏会造成内部工作介质的额外损耗，污染设备和破坏环境，更严重的会引起机械操作失灵及工作人员人身事故。内部渗漏会引起液压系统容积效率的下降，导致系统内部无法达到工作压力。外部环境中细微的颗粒入侵液压系统中，都会引起不同程度的液压元件摩擦磨损，导致更加严重的泄漏。因此，液压系统中密封组件和装置是液压系统中一个十分重要的组成部件。它在液压系统中的可靠性和寿命，是用来衡量液压系统质量的关键指标。除了间隙密封之外，其余都是使用密封件，让工作元件两个接触表面的缝隙控制在需要密封的工作介质能通过的最小间隙之下。在接触式密封中，分为自封式压紧型密封和自封式自紧型密封。

2 旧款变桨油缸密封套件存在的问题

风力发电机组根据实时风速变化需调整桨叶角度，已追寻最佳的叶尖速比。在风速变化较大时，桨叶变桨频率较高，缸体及密封组件承受压力大，载荷高且时常液压油中存有杂质。所以变桨油缸在频繁变桨全过程中常会因为复杂的工况导致液压密封圈组件磨坏，从而导致液压油泄漏。因风力发电机轮毂处于几十米高空且轮毂内空间狭小，故更换油缸密封圈工作异常耗时耗力。

2.1 动密封件表面光洁度对密封件的影响

活塞杆表面需要镀硬铬，表面硬度至少为67 洛氏C。摩擦表面极好，虽然最佳的表面光洁度，可能取决于密封件的材质，但如果活塞杆的生产商能将表面光洁度达到0.1～0.3 μm Ra，就不会发生严重的后续问题。现场液压系统的密封件表面光洁度还达不到要求，随着运行年限的增加，表面光洁度越发粗糙。

2.2 温度对液压密封件材料的影响

液压系统的密封件受到多种因素影响，其中包括热态高温工况下密封件的性能，和在冷态低温工况下密封件的使用情况。密封件热态高温状态下，当温度达到一定值后密封件会开始慢慢变软或化学性质发生一定程度变化。密封件在冷态抗低温状态下，密封件会在某个温度点后材质开始硬化，让液压系统中密封件开始变脆甚至是开裂等物理变化。

2.3 液压系统密封组件结构弹性性能

弹性体密封件的抗拉强度普遍不如其他密封材质。一旦密封件的抗拉强度开始降低时，由于工作环境的不利影响，密封件的组对不正确而低于规定值的，从而弹性体的密封件就遭到破坏。

2.4 液压系统密封材料的伸长性能

在一定温度区间内橡胶材质的密封件伸长率指的是在应力的作用下，橡胶密封件发生变硬现象。其伸长的增量所占未形变前密封件长度的百分率。金属材料的抗拉实验，实验样品拉断后，试验品的断面标距增加的尺度和原来初始长度的百分值，叫做伸长率。金属制品的伸长率体现了金属材料的可塑性，伸长率越大其金属材质的可塑性越强。

2.5 液压系统密封件的抗硬度性能

弹性体橡胶密封材料拥有不同的硬度点。比如O 型密封圈的邵氏硬度范围通常为60～90 的硬度单位。但是比较硬质的O 型密封圈拥有较好的抗挤出能力，普通O形圈的滑动摩擦性能相对较差。

2.6 液压系统密封件的压缩和拉伸量

橡胶密封圈的材料存在差异，O 型密封圈的胶料组成也不相同，不同厂家出产的O 型密封圈的拉伸和压缩量也不尽相同。密封圈在长时间运行中，不断压缩和拉伸便会出现应力松弛想象，随着运行时间的增加这种现象会渐渐扩大，当密封圈性能降低到一定程度时即弹性不足就会导致系统渗漏，最直接且简单的做法即增加密封圈的截面尺寸，但是也会让密封圈在结构上变大。

2.7 液压密封件材料永久变形性能

工作介质的压力是引起液压密封件永久变形的主要因素。现代液压设备的工作压力正日益提高。较长时间的液压系统压力下使得密封圈产生永久性的形变。所以设计相应产品时，应根据实际的系统压力选取合适的橡胶耐压材料。工作压力越高，所用材料的硬度和耐高压性能也应越高。

风力发电机变桨油缸密封圈组件的组成：（1）防尘圈GSM 用于防止外界污染物进入液压系统和密封系统，并能使液压油返回润滑系统而不渗漏到外面，有辅助密封的功效。一般材质为橡胶、橡胶复合材料RP 和氟胶FKM。工作温度在-20～100℃之间，工作介质为液压油、乳化液、水，运行速度≤1 m/s。（2）孔用格来圈GSF 在液压系统经常被使用，尤其是往复运动，在压力较高和高频工况的重载双向活塞密封场合。能够较好地适用大量的流体和高温环境，也可适合较大的活塞间隙。密封环的材料通常有聚四氟乙烯，O 形圈材料通常为丁腈橡胶和氟橡胶。孔用格来圈特点有较好的动静密封性能；可允许较大的挤出间隙；摩擦较小，无爬行现象；沟槽简单，可用于整体式活塞。能够承受的压力范围0～30 MPa，工作温度范围-20～120℃，运行速度≤5 m/s。（3）轴用格来圈GSI 适合液压系统且往复运动的工况，可以在高、中、低压及载荷较重、频率较高的工况下活塞杆密封情况。GSI 型轴用格来圈更合适活塞行程长的场合，且范围较广的流体和高温情况，也可以适用于间隙较大的活塞杆。轴用格来圈的优点有较好动静密封性能；摩擦力比较小，不会出现爬行等现象；沟槽简单，可用于整体式活塞。能够承受的压力范围0～40 MPa，工作温度范围-20～120℃，运行速度≤5 m/s。

3 新型油缸密封圈组件的应用及优势

从风场近年变桨油缸维护工作中汲取经验，在设计油缸和密封圈过程中把握以下几点，能够有效避免密封件过早失效。

（1）定制活塞与导向套上的支撑环部分，以便其充分，均衡地承受油缸的侧向压力，假如支撑环的支撑面不充分，就会造成油缸活塞运动不在同一轴线上，活塞与导向套上的支撑环承受不足活塞杆的侧向力，导致密封件的损坏。（2）安装密封件前，要对密封件进行检查，确认其无变形，损坏。（3）检查密封组件的沟槽。清除金属件的尖刺与尖边，认真检查在密封件安装中密封件不经过孔和螺纹。（4）清扫密封件的沟槽，使其表面上的金属颗粒和杂质全部清理干净。检测全部动、静密封沟槽外表面粗糙程度满足现场需求。（5）密封件安装过程中要经过螺纹时，并且密封件内径要小于螺纹外径大时，建议使用硬质塑料作为轴套，安装密封件前先将轴套安装在螺纹外，以避免密封件的损伤。（6）检查密封件的材质、类型、尺寸大小是否合格且正确。（7）密封件在安装前，应当润滑密封件与硬件。建议使用现场专用的工作介质来润滑。（8）活塞一类的安装，要使得密封件同心，没有其他因素导致密封件局部变形。（9）密封件安装中尽量不用金属杆来辅助，如果一定要用到，就要确保金属杆外表面光滑，无细微尖刺。使用过程中要确保密封件与金属杆接触部分无损伤。（10）在连接到油缸前，请彻底冲洗液压系统。

通过优化变桨油缸密封结构，选用新型密封圈材料，优化密封圈套件配置。

（1）选用定制特殊角度的斜切口导向环，材料由聚四氯乙酸、尼龙、聚甲醛、酚醛夹布。适用于油缸往复运动的液压元件，以高性能液压油为工作介质，具有低摩擦、非常耐磨耐热和耐化学性。速度可达15 m/s，工作温度在-60～150℃之间，最大承载Pr：25℃时最高15 N/mm2，80℃时最高12 N/mm2。

（2）选用星型圈及X 型圈，油缸往复运动时，不会扭曲，由于所需的径向顶压力缩小，故而接触压力小，摩擦力也小，由于接触压力均匀，故而泄漏小，由于磨具分型面设在两个唇之间，因此飞边不会影响密封作用，在动密封场合，具有寿命长和良好的密封效果。适用工作压力≤30 MPa，往复运行速度≤0.5 m/s，工作温度在-80～200℃之间。

（3）选用NOK SPGW 活塞专用密封件，其滑动材料为PTFE，挡圈材料为聚酰胺树脂，支撑环材料为丁晴橡胶、氟橡胶。这种高压操作使用的密封件，优化了SPG的刮油性能，挡圈材质聚酰胺树脂的耐用性得到很大提升，有较低的摩擦阻力，避免了爬行，因为单个的密封件拥有出色的双向密封功能，因此节省了安装空间。适用工作压力≤50 MPa，往复运行速度≤1.5 m/s，工作温度在-40～100℃之间。

（4）选用TECNOLAN TTI 活塞杆专用密封件，材质主要为聚氨酯。硬度达93°ShA。其主要优势是能够确保良好的抗冲击压力峰值能力和低压范围内的低摩擦。不对称的唇口是为了区分静态和动态表面的唇口运行状况而设计的，静态唇口可塑性强，对压力波动更敏感；动态唇口更加短更牢固，集中负担对抗动态表面。其组成材料聚氨酯化合物能够确保在耐磨损，延长使用寿命，耐挤出方面的卓越性能，且对结构挠度不敏感，安装简单。适用工作压力≤50 MPa，往复运行速度≤0.5 m/s，工作温度在-40～110℃之间。

（5）选用NOK HBY 缓冲环，密封件材料为PU，支撑环材料为聚酰胺树脂。在滑动唇口上可泄放背压的特殊形状的缝槽能消除活塞杆密封件和缓冲环之间的压力，其与活塞杆密封件结合使用，以吸收高负荷下的冲击和波动压力，隔绝高温流体，以提高密封件的耐用度。适用工作压力≤400 bar，往复运行速度≤1.0 m/s，工作温度在-50～100℃之间。

4 变桨油缸密封组件的贮藏

绝大多数的聚合物密封圈产品在贮藏期间趋于性能的改变，甚至可能变得无法使用。这些变化包括变硬、软化、破裂、龟裂和其他退化。这些可能是由于氧化、臭氧、灯光、热或者潮湿。因此，在风场仓库贮藏这些密封件时应注意以下几点要求。

（1）温度。贮藏温度不要超过50℃。采用低温贮藏产品在使用前要先加温到约30℃。（2）湿度。最适合的湿度是65%，并且保存环境应适当通风。（3）照明。保护密封件不受到阳光和含有高紫外线成分的人工强光直射，除非密封件包装在不透明的容器中，使用红色或橙色的玻璃或涂层玻璃是最佳选择。（4）氧和臭氧。因为臭氧热会伤害橡胶，贮藏室中应避免有可能产生电火花和放电的设备。对于硫化橡胶之类的产品应用专用容器。（5）变形。在存放时要以橡胶密封圈自然状态去存放，避免在橡胶品储存时存在拉伸或压缩等情况。（6）接触液体及半固体物质。除非制造商的有意为之，橡胶密封件应尽量避免接触液体、半固体物质，特别是溶剂，例如油或者油脂。（7）接触金属。金属如锰、铸铁和铜或者铜合金会损害橡胶。需用一层纸、聚乙烯或者玻璃纸就能够隔离金属和密封件。（8）存货周转。弹性密封件要尽量缩短存放时间，做到合理的库存周转。（9）清洁。有机溶剂如三氯乙烯，四氯化碳和石油是最有害的介质，肥皂，水和甲基化酒精对橡胶损害最小，所有产品在使用前，都要先在室温下晾干。

5 结论

油缸密封结构改进严格依据运维标准，不仅有足够的精度和合理的压缩量，而且油口形式设计成斜口、平面及O 型圈等多种密封形式以防止漏油。具体改进方案如下：第一，更改并优化油缸缸头密封导向套和密封环结构，解决活塞和驱动轴密封件上的侧向力影响，解决密封组因另一侧变形导致的磨损失效，防止出现拉缸现象；第二，对油缸活塞密封结构进行优化，选用SPGW 型活塞密封组合密封组件，根据新流体动力效应，在密封件的摩擦界面上，开设流体动力螺旋槽，避免渗漏且具有储油能力强、摩擦力小、运转平稳和密封能力强等特点；第三，对缸头的外螺塞和轴向定位套做分体独立加工，提高分体独立产品加工配合间隙和变桨油缸的整体配合精度，且便于后期拆装及维护。

通过选用合理的密封材料，超高分子量聚乙烯密封材料及高性能高耐磨聚氨酯材料等，并选用材料更为合理的防尘圈、防护罩和橡胶套，防止环境中的尘埃和杂质进入系统。密封材料整体性能及耐磨度提高了50%以上。