王書勇， 王岳峰

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

引言

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時數(shù)高、不占用土地、不消耗水資源和適宜大規(guī)模開發(fā)的特點[1]。同時海運適合大噸位和大尺寸部件的運輸，因此海上風(fēng)機(jī)的容量有大型化的發(fā)展趨勢。但是海上風(fēng)機(jī)需要考慮鹽霧腐蝕、臺風(fēng)破壞等不利影響。由于海上風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)離岸邊，給后期的運行維護(hù)工作增添了很大的難度。因此對海上風(fēng)機(jī)各零部件及系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定及長期運轉(zhuǎn)提出了更高的要求。集中潤滑系統(tǒng)保證風(fēng)機(jī)各零部件運動能夠長久可靠運轉(zhuǎn)。一套可靠的集中潤滑系統(tǒng)可以降低摩擦阻力和能源消耗，減少表面磨損，延長零部件的使用壽命，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，降低后期維護(hù)工作的難度和危險性。因此集中潤滑系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)設(shè)備中的重要組成部分。本文以海上高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中潤滑系統(tǒng)為例進(jìn)行研究。

1 集中潤滑系統(tǒng)

1.1 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要潤滑的零部件（見表1）

1.2 系統(tǒng)要求

1）海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備昂貴，現(xiàn)場不便對主要部位進(jìn)行拆卸維修；

2）工作環(huán)境惡劣，經(jīng)受高低溫和鹽霧腐蝕、臺風(fēng)考驗；3）必須確?？煽糠€(wěn)定的長期運轉(zhuǎn)，具有冗余設(shè)計；4）要注重對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平時的維護(hù)，而不是維修。

2 集中潤滑系統(tǒng)的設(shè)計

發(fā)電機(jī)軸承、變槳軸承、主軸軸承、偏航軸承潤滑均屬于脂潤滑。本文僅以齒輪箱集中潤滑系統(tǒng)和變漿軸承集中潤滑系統(tǒng)設(shè)計為例簡述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中潤滑系統(tǒng)的設(shè)計[2]。

2.1 選擇潤滑方案

2.1.1 齒輪箱集中潤滑系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器屬于大型的封閉齒輪箱，齒輪傳動的齒面會產(chǎn)生高溫和較大接觸應(yīng)力，若潤滑不良很可能會在其運轉(zhuǎn)初期齒面出現(xiàn)一些微點蝕麻點，進(jìn)而使噪音增大，引起毀壞性的膠合與點蝕失效。潤滑可以減小齒輪的摩擦、磨損，同時也可以起到冷卻、防銹、降低噪聲、改善齒輪的工作狀態(tài)，延長齒輪的使用壽命等作用。

齒輪箱失效的形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。針對以上工況，齒輪箱采用機(jī)械泵+電機(jī)泵相結(jié)合的潤滑方式，對齒輪箱中所有的齒輪、軸承均采用強(qiáng)制噴油潤滑；采用兩套電機(jī)泵，在一臺泵損壞時風(fēng)機(jī)仍能降功率運行，等風(fēng)速小的時候進(jìn)行維修或更換；采用水冷卻方式對齒輪箱中的潤滑油進(jìn)行冷卻；齒輪箱安裝旁路精濾裝置，獨立循環(huán)系統(tǒng)，持續(xù)過濾齒輪箱中的潤滑油，改善潤滑油清潔度水平，延長潤滑油使用壽命。在齒輪箱箱體外壁上安裝黏度傳感器，在主油路上安裝金屬/非金屬磨粒傳感器，在過濾器進(jìn)出油口并聯(lián)安裝油液清潔度水分傳感器，通過這些傳感器對齒輪箱的潤滑油狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，從而監(jiān)測齒輪箱的運行狀態(tài)[3]。

在介質(zhì)壓力及溫度不同的情況下,設(shè)備運行的工況也不同，具體如下：

1）當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速＜200 r/min時，同時齒輪箱油壓≥0.05 MPa時，齒輪箱可以啟動運轉(zhuǎn)；若油壓＜0.05 MPa時，報警，停機(jī)檢查。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速＞500 r/min時，同時油壓＜0.12 MPa時，報警，持續(xù)30 min后停機(jī)。

2）當(dāng)齒輪箱油溫＜-15℃時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不運行。

3）當(dāng)齒輪箱油溫在-15～10℃之間時，齒輪箱內(nèi)的電加熱器工作，油泵間歇啟動。油液沖開組合過濾器旁通閥,通過粗過濾后，直接回齒輪箱。

4）當(dāng)齒輪箱油溫≥20℃時，油泵啟動，關(guān)閉加熱器。

5）當(dāng)齒輪箱油溫≤45℃時，忽略從過濾器堵塞指示器發(fā)出的信號（因為在低溫時過濾器元件周圍較高的油黏度和與之有關(guān)的較高的壓差，會錯誤發(fā)出實際上未發(fā)生的過濾器污染指示）。

6）當(dāng)油溫≥45℃時，過濾器堵塞指示器才進(jìn)行監(jiān)測。如果在這個溫度條件下，堵塞指示器發(fā)出報警信號（濾芯內(nèi)外壓差≥0.3 MPa），說明濾芯已堵塞，應(yīng)及時更換維護(hù)。

7）當(dāng)齒輪箱油溫＜45℃，油液不經(jīng)過油水換熱器直接進(jìn)入分配器進(jìn)行潤滑。

8）當(dāng)齒輪箱油溫≥45℃，溫控閥(安裝于油路塊內(nèi))開始切換，隨著溫度升高逐漸加大油液進(jìn)入換熱器的比例；直至油溫達(dá)到60℃，油液完全經(jīng)過油水換熱器進(jìn)入分配器進(jìn)行潤滑。

9）當(dāng)齒輪箱油溫≥80℃時，風(fēng)機(jī)立即停機(jī)報故障。

10）旁路精過濾油泵出口與過濾器進(jìn)口之間的壓力開關(guān)發(fā)訊，壓力≥0.2 MPa時，需檢查更換過濾器濾芯。

2.1.2 變漿軸承集中潤滑系統(tǒng)

變槳軸承及軸承內(nèi)齒圈潤滑，潤滑泵安裝于輪轂內(nèi)部，隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為0～12 r/min。變槳裝置一共有三套變槳軸承，每個軸承有16個潤滑點，還有1個潤滑小齒輪對軸承內(nèi)齒圈進(jìn)行潤滑。

一般風(fēng)機(jī)變槳軸承及軸承內(nèi)齒圈潤滑有兩種潤滑方式：遞進(jìn)式和單線式集中潤滑系統(tǒng)。遞進(jìn)式集中潤滑系統(tǒng)是通過潤滑泵依次連接各級分配器，將潤滑脂提供送到各潤滑點。在主分配器上設(shè)置柱塞探測器，用來監(jiān)控整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。單線式集中潤滑系統(tǒng)采用全并聯(lián)結(jié)構(gòu)，任一點的故障不影響其他潤滑點的正常工作，還可單獨調(diào)整每個點的供油量，每個潤滑點都可設(shè)置指示桿，可直接找到故障點，維修方便，維護(hù)成本低，只需單獨更換故障點，無需整組更換分配器組，擴(kuò)展容易，不易堵塞，可方便實現(xiàn)冗余設(shè)計[4]。

針對海上風(fēng)機(jī)變槳潤滑系統(tǒng)工況，采用單線式集中潤滑系統(tǒng)。工作時，主機(jī)PLC控制油脂泵接通24 V DC電源，此時電磁閥接通電源，油脂泵開始工作，壓力潤滑脂通過電磁閥進(jìn)入主管路，在設(shè)定的時間內(nèi)，主管路壓力升高直至設(shè)定壓力，所有注油閥完成一次定量注脂，此時壓力開關(guān)反饋信號至主機(jī)PLC，延遲一定時間后，PLC控制將油脂泵電源斷開，主管路壓力油脂泄壓回油箱。變槳軸承內(nèi)齒圈潤滑通過潤滑小齒輪把潤滑脂傳遞到變槳驅(qū)動齒輪，最后傳遞到內(nèi)齒圈。潤滑小齒輪不同的齒上鉆有不同角度的出油孔，從而保證了潤滑脂被均勻地涂到需潤滑的齒面上[5]。

2.2 選擇潤滑泵

2.2.1 油泵流量的計算

齒輪箱潤滑采用的是油潤滑，排量根據(jù)軸承及齒輪數(shù)量、位置，齒輪箱散熱等因素確定油泵流量?？蓞⒖枷率酱_定：

式中：Q為潤滑泵的流量，L/min；K為考慮系統(tǒng)漏油、泵的磨損及計算誤差的系數(shù)，一般取1.05～1.5，根據(jù)設(shè)備類型而定為各潤滑點需油量總和，可參照有關(guān)零部件的需油量計算，L/min。

2.2.2 脂潤滑泵選擇和計算

變漿軸承潤滑泵需要旋轉(zhuǎn)，因此潤滑泵選擇油箱和潤滑泵一體式，油箱內(nèi)置壓油盤和刮臂，潤滑泵可以在任意方向安裝，也可以在旋轉(zhuǎn)部件上安裝。安裝在旋轉(zhuǎn)部件上時，它的功能通過離心力作用來實現(xiàn)。

滾動軸承生產(chǎn)廠家推薦了定期添加軸承潤滑脂量的估算式：

式中：m為潤滑脂量，g；D為軸承外徑，mm；B為軸承寬度，mm；X為再潤滑周期系數(shù)，X在0.000 6～0.005之間取值，與潤滑間隔有關(guān)，環(huán)境條件不好時，系數(shù)適當(dāng)增大。

潤滑脂泵的最小流量可按下式估算：

式中：Q1為全部分配器給脂量的總和，mL；Q2為損失油脂量的總和，mL；Q3為系統(tǒng)管路內(nèi)油脂的壓縮量，mL；T為潤滑泵的工作時間，min，一般取5～8min為宜[6]。

2.3 確定潤滑系統(tǒng)工作制

齒輪箱潤滑系統(tǒng)根據(jù)介質(zhì)壓力及溫度不同處于不同工作狀態(tài)，主要通過壓力傳感器和溫度傳感器來實現(xiàn)。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行工況以及軸承需脂量計算，油脂潤滑采用以下工作制：變槳軸承潤滑系統(tǒng)每天啟動8次；主軸軸承潤滑系統(tǒng)每天啟動20次；偏航軸承潤滑系統(tǒng)每天啟動3次。

2.4 繪制集中潤滑系統(tǒng)的原理圖（見圖1、圖2）

圖1 齒輪箱集中潤滑系統(tǒng)原理圖

2.5 廢油回收及處理

齒輪箱潤滑油換油不得遲于齒輪箱運轉(zhuǎn)36個月，除非油樣經(jīng)過測試可以繼續(xù)使用。

脂潤滑采用集油瓶和接油盤進(jìn)行廢脂收集，運維人員定期清理。

2.6 潤滑油脂的選擇

齒輪箱潤滑油選用Mobil SHC XMP 320工業(yè)齒輪油，它具有很好的極壓抗磨性能、良好的冷卻性能和清洗性能、良好的熱氧化穩(wěn)定性、良好的水解安定性、抗乳化性能、很好的黏溫性能和低溫性能、較長的使用壽命、較低的摩擦系數(shù)，能降低齒輪傳動中的功率損耗。

圖2 變槳軸承集中潤滑系統(tǒng)原理圖

脂潤滑選用風(fēng)電軸承專用潤滑油美孚SHC潤滑脂460WT。它作業(yè)溫度范圍-30～+150℃，具有出色的低溫泵送性能和很低的啟動及運轉(zhuǎn)扭矩，它還具有出色的黏附性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗水性，在高溫和低溫條件下提供出色的防磨損、防銹和防腐蝕保護(hù)。

3 結(jié)語

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用集中潤滑方式，實現(xiàn)了自動化、集中化、遠(yuǎn)程報警和控制，提高了系統(tǒng)的冗余設(shè)計。經(jīng)過長期的運轉(zhuǎn)實踐證明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，潤滑效果良好，為今后海上風(fēng)機(jī)潤滑系統(tǒng)設(shè)計提供了很好的驗證平臺。