劉 欣 張亞平 劉玉成/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

然而，相對(duì)于整機(jī)設(shè)備廠商而言，變槳軸承、潤(rùn)滑脂以及集中潤(rùn)滑設(shè)備實(shí)行單獨(dú)采購(gòu)，而這些零部件又分屬不同供方供貨。這就存在這樣的一個(gè)問(wèn)題：集中潤(rùn)滑設(shè)備供方對(duì)變槳軸承所需潤(rùn)滑要求及所選配油脂的性能要求不甚了解，而潤(rùn)滑脂供方又很難全面掌握軸承及集中潤(rùn)滑設(shè)備的技術(shù)要求。更重要的是，整機(jī)廠商在潤(rùn)滑設(shè)備采購(gòu)的技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程中，更多時(shí)間處于多個(gè)供方間技術(shù)接口傳遞的位置，往往由于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有全面的了解，出現(xiàn)當(dāng)設(shè)備有問(wèn)題時(shí)解決不利的情況。

本文就是在這種背景下，以變槳集中潤(rùn)滑系統(tǒng)為例，從潤(rùn)滑機(jī)理、設(shè)備選型及故障分析三個(gè)方面對(duì)變槳集中潤(rùn)滑系統(tǒng)做一個(gè)較系統(tǒng)的綜合闡述和分析，為整機(jī)廠商從事集中潤(rùn)滑設(shè)備選型和設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，提供一定的借鑒和參考。

隨著風(fēng)電機(jī)組大功率化的發(fā)展以及受結(jié)構(gòu)和較難維護(hù)的影響，目前風(fēng)電機(jī)組變槳軸承潤(rùn)滑一般選用集中潤(rùn)滑系統(tǒng)。集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，可以做到定時(shí)定量給軸承及齒圈等部件提供潤(rùn)滑脂，極大方便了風(fēng)場(chǎng)主對(duì)變槳軸承的保養(yǎng)，大幅降低維護(hù)的人工成本。因此，集中潤(rùn)滑系統(tǒng)在兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。

1 變槳集中潤(rùn)滑基本機(jī)理及作用簡(jiǎn)介

根據(jù)軸承疲勞壽命公式以及借助壽命修正系數(shù)，對(duì)軸承在特殊情況下可達(dá)到的疲勞壽命[1]作出估定，即：

式中：Lhe為基于10%報(bào)廢概率的額定疲勞壽命；Lna為在一定條件下達(dá)到的疲勞壽命；a1為有關(guān)報(bào)廢概率的壽命修正系數(shù)；a2為有關(guān)材料的壽命修正系數(shù)；a3為有關(guān)工作條件的壽命修正系數(shù)。

可知，影響系數(shù)a3的條件首先是潤(rùn)滑，主要因素是潤(rùn)滑膜厚度。對(duì)于變槳軸承，潤(rùn)滑的作用首先是防止?jié)L動(dòng)面和滑動(dòng)面的金屬接觸，同時(shí)保持較小的摩擦和磨損。此外，潤(rùn)滑劑還能保護(hù)軸承不生銹，在一定條件下還能散熱。

2 變槳集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的選型

風(fēng)電機(jī)組變槳集中潤(rùn)滑系統(tǒng)一般由潤(rùn)滑泵、潤(rùn)滑管線(xiàn)、一級(jí)分配器、二級(jí)分配器及潤(rùn)滑小齒等組成。按照分配器結(jié)構(gòu)可將集中潤(rùn)滑系統(tǒng)分為遞進(jìn)式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)和單線(xiàn)式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)。從目前的應(yīng)用來(lái)看，遞進(jìn)式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛。單線(xiàn)式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)由于其分配器的原理，可以延長(zhǎng)維護(hù)間隔，目前主要應(yīng)用于海上大兆瓦風(fēng)機(jī)，而在陸上風(fēng)機(jī)應(yīng)用較少，其主要原因在于遞進(jìn)式分配器體積較小，在機(jī)組中的安裝較為方便。而單線(xiàn)式的分配器，目前體積較大，成本較高。但隨著潤(rùn)滑系統(tǒng)廠家工藝水平的發(fā)展以及對(duì)成本的控制，單線(xiàn)式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)將會(huì)在風(fēng)電機(jī)組中得到更廣泛的應(yīng)用。

變槳集中潤(rùn)滑系統(tǒng)型式的選擇，需要不同整機(jī)廠商依照機(jī)組實(shí)際需求而定。本節(jié)將從潤(rùn)滑脂選取和潤(rùn)滑設(shè)備組件選擇兩方面進(jìn)行論述。

2.1 潤(rùn)滑脂的選擇

潤(rùn)滑脂就是潤(rùn)滑油加上稠化劑，使之形成一種半流體狀的潤(rùn)滑劑。實(shí)際稠化劑并不參與潤(rùn)滑，但它是潤(rùn)滑油的承載體。潤(rùn)滑脂內(nèi)的基礎(chǔ)油和添加劑是設(shè)備潤(rùn)滑保護(hù)的關(guān)鍵。潤(rùn)滑脂的選擇，在很大程度上影響到軸承潤(rùn)滑的效果，從而影響軸承壽命[2]。

2.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承潤(rùn)滑脂要求

風(fēng)電機(jī)組的工作環(huán)境決定了對(duì)變槳軸承潤(rùn)滑脂的需要具有寬廣的溫度范圍、良好的針入度穩(wěn)定性、良好的抗水性、良好的防腐性、對(duì)金屬的相容性（如銅）、高負(fù)載能力（dmn＜3 000）、優(yōu)化的油分離性能以及良好的低溫性能[3]。

同時(shí)，由于變槳軸承為間歇工作，機(jī)組上振動(dòng)均傳遞到變槳軸承上，使其長(zhǎng)期處于微動(dòng)狀態(tài)。因此，微動(dòng)磨損測(cè)試對(duì)變槳軸承特別適用[3]。由于變槳軸承處于易微動(dòng)磨損的集中供脂場(chǎng)合，應(yīng)選用稠度等級(jí)為0#或1#的潤(rùn)滑脂。

表1 風(fēng)電設(shè)備潤(rùn)滑脂的測(cè)試表

風(fēng)電設(shè)備潤(rùn)滑脂的相關(guān)測(cè)試列于表1，工程設(shè)計(jì)人員在選擇潤(rùn)滑脂時(shí)可參考使用。

2.1.2 潤(rùn)滑脂選用原則

潤(rùn)滑脂的選擇，直接影響著潤(rùn)滑油膜的厚度，從而影響軸承的壽命。由于變槳軸承的結(jié)構(gòu)不同，選擇的潤(rùn)滑脂也不同，本文僅以滾動(dòng)軸承為例來(lái)介紹變槳集中潤(rùn)滑脂選擇的原則。

潤(rùn)滑脂的基本適用范疇在油品的說(shuō)明中都會(huì)提到，但選擇變槳軸承潤(rùn)滑脂時(shí)除了考慮脂的基本適用范疇外，還應(yīng)考慮軸承的應(yīng)力大小（負(fù)荷、轉(zhuǎn)速）、運(yùn)轉(zhuǎn)性能要求（噪聲、摩擦）和環(huán)境條件（濕度、外來(lái)異熱）。以下主要對(duì)應(yīng)力大小方面進(jìn)行說(shuō)明。

潤(rùn)滑脂與轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的關(guān)系，首先根據(jù)轉(zhuǎn)速比n/ngf來(lái)估定，其中n是軸承的最高工作轉(zhuǎn)速，ngf則是脂潤(rùn)滑軸承的極限轉(zhuǎn)速；其次還要考慮負(fù)荷比P/C，其中C是軸承的額定動(dòng)負(fù)荷，P是工作中出現(xiàn)最大負(fù)荷時(shí)的當(dāng)時(shí)載荷。選擇脂的類(lèi)型時(shí)還得考慮軸承的滑動(dòng)摩擦成分，因此比值P/C應(yīng)乘以系數(shù)f。

f=1,適用于承受任何載荷的球軸承和主要隨徑向負(fù)荷的滾子軸承。

f=2,適用于主要承受軸向負(fù)荷的滾子軸承。

圖1 潤(rùn)滑脂與轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的關(guān)系圖

Ⅰ區(qū)為一般應(yīng)力范圍。該轉(zhuǎn)速與負(fù)荷對(duì)脂的選擇幾乎沒(méi)有影響。工作溫度也在一般范圍內(nèi)，通常在80℃以下，本區(qū)使用常溫通用軸承潤(rùn)滑脂。在斜線(xiàn)附近，即轉(zhuǎn)速較高與負(fù)荷較大時(shí)，可出現(xiàn)較高溫度，所以需要使用耐熱脂。

Ⅱ區(qū)為中低、中轉(zhuǎn)速的高負(fù)荷比值區(qū)。在這類(lèi)工作條件下應(yīng)使用粘度較高的基礎(chǔ)油潤(rùn)滑脂和加有高壓添加劑的潤(rùn)滑脂或固體潤(rùn)滑劑。其錐入度與Ⅰ區(qū)的脂相同。

Ⅲ區(qū)則是高轉(zhuǎn)速與低負(fù)荷區(qū)。此區(qū)要求潤(rùn)滑劑摩擦以及軸承滑動(dòng)面的摩擦均應(yīng)小，同意潤(rùn)滑脂必須具有足夠的粘附性。否則轉(zhuǎn)速高時(shí)會(huì)被甩掉。因此用鋰皂、復(fù)合鋇皂或有機(jī)合成凝結(jié)劑與粘度低的合成基礎(chǔ)油組成的潤(rùn)滑脂特別好。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承的計(jì)算結(jié)果一般落在Ⅰ、Ⅱ區(qū)，可由此進(jìn)行選擇。

其它因素對(duì)潤(rùn)滑脂選擇的影響在文獻(xiàn)[1]、[2]中均有詳細(xì)說(shuō)明。

另外，目前各油品供應(yīng)商也開(kāi)發(fā)出了不同部位的風(fēng)電機(jī)組專(zhuān)用潤(rùn)滑脂，在選型時(shí)也可按照油品供應(yīng)商的說(shuō)明進(jìn)行選擇。

2.1.3 潤(rùn)滑脂的用量

1）裝脂量

由于軸承潤(rùn)滑脂填充量過(guò)大會(huì)因攪拌效應(yīng)造成軸承溫度過(guò)高，使脂喪失潤(rùn)滑能力，從而對(duì)軸承造成損壞。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳軸承屬于低速重載工況，對(duì)軸承潤(rùn)滑脂的填充量可稍微多一點(diǎn)，一般而言變槳潤(rùn)滑軸承的裝脂量為軸承空間凈容積的1/2到2/3，或由軸承供應(yīng)商進(jìn)行確定。

2）再潤(rùn)滑量

集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑周期小于1天，按文獻(xiàn)[2]中所給再潤(rùn)滑量的計(jì)算公式為：

式中：m 為再潤(rùn)滑量，g；D 為軸承外徑，mm；B 為軸承寬度，mm。

2.2 變槳集中脂潤(rùn)滑系統(tǒng)部件的選型

1）潤(rùn)滑泵的流量應(yīng)根據(jù)再潤(rùn)滑量和供脂時(shí)間來(lái)確定。潤(rùn)滑泵的工作壓力應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的壓力損失來(lái)決定，變槳脂潤(rùn)滑系統(tǒng)的壓力損失分為沿程阻力損失和局部阻力損失。其中沿程損失主要為管路的沿程損失，局部損失為接頭、分配器以及被潤(rùn)滑的軸承部件處損失之和。壓力損失的計(jì)算在很多流體力學(xué)類(lèi)的著述中都有敘述，本文不再累述。其中，軸承內(nèi)腔滾道的油脂阻力損失計(jì)算為難點(diǎn)，一般需要軸承供方配合完成。在實(shí)際工程應(yīng)用中，在確定了布線(xiàn)方案后，也可由元器件供應(yīng)商提供壓力損失等數(shù)據(jù)，根據(jù)壓力損失選用合適的潤(rùn)滑泵；

2）安全閥的設(shè)定值要小于泵的最大允許工作值，但應(yīng)該大于最嚴(yán)苛工作狀態(tài)下的壓力損失；

3）儲(chǔ)脂罐容量根據(jù)補(bǔ)油間隔和再潤(rùn)滑脂消耗速度來(lái)確定；

4）管路的爆裂壓力應(yīng)大于系統(tǒng)工作的最大壓力，風(fēng)電行業(yè)要求一般不低于600bar；5）廢脂收集瓶用來(lái)收集軸承排出的廢脂；6）潤(rùn)滑小齒輪應(yīng)根據(jù)變槳齒輪箱的齒輪數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。

另外，所有的系統(tǒng)部件的材料都應(yīng)該與選用的潤(rùn)滑脂相兼容。

3 變槳集中脂潤(rùn)滑系統(tǒng)故障診斷

目前市場(chǎng)上廣泛使用的主要幾種變槳潤(rùn)滑設(shè)備，其系統(tǒng)原理大同小異，潤(rùn)滑系統(tǒng)的故障排查也基本相同，本節(jié)對(duì)變槳軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)的故障診斷進(jìn)行一般性說(shuō)明，以期對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)作用。

一般而言，變槳集中脂潤(rùn)滑系統(tǒng)的主要故障現(xiàn)象有以下幾種：電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)、泵打不出油、分配器堵塞。

3.1 電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)

導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因可能是以下幾個(gè)：

1）電源未接通；

2）電機(jī)故障。

應(yīng)按照以下步驟進(jìn)行檢查：

1）檢查電源開(kāi)關(guān)是否合上。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑泵開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，應(yīng)首先用萬(wàn)用表測(cè)量潤(rùn)滑泵電源開(kāi)關(guān)輸出端有無(wú)電壓、有無(wú)短路或接地現(xiàn)象，確認(rèn)無(wú)上述問(wèn)題后方可重新合上電源開(kāi)關(guān)；

2）檢查潤(rùn)滑泵電源線(xiàn)有無(wú)短路或接地、斷路現(xiàn)象，需要時(shí)更換輪轂潤(rùn)滑泵電源線(xiàn)；

3）檢查電機(jī)電源插頭，有無(wú)松動(dòng)或脫落。必要時(shí)更換電機(jī)。

3.2 泵打不出油脂

導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能有以下幾個(gè)：

1）油箱油脂已排空；

2）潤(rùn)滑脂中有氣泡；

3）使用了不適當(dāng)?shù)挠椭?/p>

4）泵芯的吸油口被堵死；

5）泵芯磨損；

6）泵芯的止回閥損壞或卡死。

按照以下步驟進(jìn)行排查：

1）當(dāng)潤(rùn)滑油泵內(nèi)潤(rùn)滑脂低至1/3時(shí)，應(yīng)及時(shí)加脂。由于補(bǔ)油接頭帶有油脂過(guò)濾接頭，建議從加油嘴處補(bǔ)加；

2）當(dāng)潤(rùn)滑油脂內(nèi)或油管存有大量空氣時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不出脂，這就需要拔下一級(jí)分配器輸入油管快插頭并按下潤(rùn)滑泵強(qiáng)制啟動(dòng)按鈕，當(dāng)聽(tīng)到油管內(nèi)有啪啪的聲音時(shí)為系統(tǒng)在排空氣，直至油管內(nèi)有大量潤(rùn)滑脂流出時(shí)方可重新插上油管；

3）由泵內(nèi)刮油板觀察泵工作是否正常，拔下出油口若無(wú)油脂流出來(lái)時(shí)，應(yīng)檢查安全閥有無(wú)堵塞，需要時(shí)更換安全閥或更換新泵。

3.3 一級(jí)分配器或二級(jí)分配器堵塞

導(dǎo)致此故障現(xiàn)象的原因可能有以下幾個(gè)：

1）油脂內(nèi)有臟物導(dǎo)致出油口堵塞；

2）油管路到各潤(rùn)滑點(diǎn)無(wú)潤(rùn)滑脂流出；

3）分配器內(nèi)部故障；

4）潤(rùn)滑系統(tǒng)內(nèi)壓力不夠或達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)定壓力值。

按照以下步驟進(jìn)行排查：

1）在選擇符合規(guī)格的潤(rùn)滑脂以后，加油過(guò)程中應(yīng)盡量避免臟物進(jìn)入油泵中。必要時(shí)清理臟物或重新加注潤(rùn)滑油脂；

2）拔下一級(jí)分配器的輸入端快插頭，用油槍手動(dòng)打壓，查看一級(jí)分配器壓力指示器有無(wú)動(dòng)作，這個(gè)過(guò)程大概需要1～2分鐘。如果手動(dòng)打壓時(shí)，壓力指示器未動(dòng)作，則需要依次拔下一級(jí)分配器上的輸出快插頭，根據(jù)被拔出快插頭的輸出口有無(wú)油流出來(lái)判斷一級(jí)分配器的好壞(當(dāng)出油量少時(shí)，可以用細(xì)鐵絲慢慢通出油口，以防出油口堵塞)；同時(shí)可以通過(guò)手動(dòng)打壓時(shí)一級(jí)分配器壓力指示器的動(dòng)作情況來(lái)判斷是哪個(gè)二級(jí)分配器堵了。當(dāng)確認(rèn)后，拔出該二級(jí)分配器的輸入快插頭，將油脂槍嘴放入該插頭內(nèi)，并依次拔下分配器出油口快插頭，通過(guò)手動(dòng)打壓觀察出油口有無(wú)潤(rùn)滑脂流出來(lái)判斷是分配器堵塞或者是通往各潤(rùn)滑脂的油管路堵塞，分配器堵塞時(shí)更換分配器，油管路堵塞可用油槍直接接到堵塞油管路上打壓，如果不能打通，則需要更換新的油管路；

3）在潤(rùn)滑泵出口加裝壓力表檢測(cè)出口壓力，如果其壓力過(guò)低，則需要更換潤(rùn)滑泵。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)變槳集中脂潤(rùn)滑系統(tǒng)潤(rùn)滑脂的選擇、集中潤(rùn)滑系統(tǒng)部件的選擇以及集中潤(rùn)滑系統(tǒng)故障分析與排查進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用起到一定的指導(dǎo)作用。實(shí)踐也證明，在潤(rùn)滑組件、潤(rùn)滑脂肪及變槳軸承確定的情況下，不同的潤(rùn)滑機(jī)制及潤(rùn)滑系統(tǒng)排布，也會(huì)對(duì)潤(rùn)滑效果產(chǎn)生較大影響。受軸承內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)差異以及油脂流動(dòng)阻力試驗(yàn)條件不具備的影響，本文未能給出變槳軸承滾道油脂阻力經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值，這將是下一步工作需要解決的問(wèn)題。

[1]埃斯曼，哈斯馬要韋根特.滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)[M].劉家文，譯.華中工學(xué)院出版社，1985.

[2]卜炎.實(shí)用軸承技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.