王京麗 程洪民 趙登利

(山東中車風電有限公司風電裝備研究所，山東 濟南 250000)

風電機組的主軸承采用脂潤滑的方式來保證軸承的使用壽命和機組運行的可靠性。為防止油脂外泄，主軸承需設(shè)置密封裝置。而在運行機組中存在從主軸承密封處泄漏油脂的情況，一旦因泄漏使主軸承缺脂，將形成干摩擦，對軸承內(nèi)部件損害極大[1]，極易導致軸承故障引發(fā)機組停機。主軸軸承作為核心零部件，故障維護費用較大。若潤滑不良迫使軸承更換，將產(chǎn)生幾倍于軸承價格的高額費用。因此，風電機組主軸承必須配置可靠的軸承密封方案。

1 密封的原理及類型

1.1 密封工作原理

風電機組的主軸承密封采用旋轉(zhuǎn)唇形油封，靠密封唇與主軸的輕度過盈配合起密封作用。主軸轉(zhuǎn)動時，油封密封唇實際上并沒有與主軸直接接觸，而是作用在密封唇與主軸間約1 μm的油膜上。主軸開始旋轉(zhuǎn)后，在毛細作用下會產(chǎn)生這層油膜，這層油膜與空氣接觸端在液體表面張力作用下形成一個彎月面，實現(xiàn)了主軸承的脂密封[2]。

1.2 密封類型

旋轉(zhuǎn)唇形油封分骨架油封和夾布油封兩類[3]。骨架油封由金屬骨架作為支撐，只可做成整體式。夾布油封除整體式外，還有開口式和現(xiàn)場粘接式，可滿足風機20年壽命周期內(nèi)現(xiàn)場更換密封的需求。另外，根據(jù)唇口數(shù)量旋轉(zhuǎn)唇形油封還可分為三種形式：單唇油封、帶防塵唇的主副唇油封及雙唇油封。

2 主軸軸承密封的應用現(xiàn)狀及特點

2.1 密封方案的應用

(1)單唇油封

該密封方案只采用一道單唇油封，適用于空氣質(zhì)量比較好的無沙塵風場。另外，為保護唇口，防止顆粒雜質(zhì)進入，溝槽設(shè)計時盡量將“開口”尺寸設(shè)計成小口，見圖1(a)。

(2)V圈+單唇油封

該方案在溝槽外增加了一道V圈與單唇油封組合使用，如圖1(b)所示。V圈起端面密封和防塵作用，適用于處在沙塵含量多、空氣質(zhì)量較差的風場。但需要注意，V圈的密封機理與油封不同[4]，不能單獨使用在風電機組的主軸上，并且當主軸旋轉(zhuǎn)速度大于15 m/s時，在離心力作用下，V圈的唇部會與配合面分開，此時不宜采用V圈。

(3)帶防塵唇的主副唇油封

該密封方案是在單唇油封的結(jié)構(gòu)上增加防塵唇，如圖1(c)所示。在功能定義上與防塵圈+單唇油封的密封系統(tǒng)一致，即采用副唇取代V圈，節(jié)約成本，達到只采用一道密封同時實現(xiàn)防塵和防漏的效果[5]。

但是在有些應用中，防塵唇和密封唇之間的腔室會形成“負壓”，油脂被吸入腔室后吸附灰塵，導致污垢在兩密封唇間聚集，隨著主軸的轉(zhuǎn)動，使用該型密封反而比使用無防塵唇的密封更快地在軸上產(chǎn)生劃痕和漏脂。

(a)單唇油封密封(b)V圈+單唇油封密封(c)主副唇油封密封(d)雙唇油封密封

(e)組合油封密封1—導油孔 2—注油孔 3—環(huán)形槽圖1 油封密封方案示意圖Figure 1 Schematic diagram of oil seal sealing scheme

(4)雙唇油封

雙唇油封具有兩個密封唇，如圖1(d)所示，可以同時起到防塵和防油的作用，經(jīng)過特殊設(shè)計的“腰部”使油封的抗軸竄和偏心能力大大提高。因此，此結(jié)構(gòu)型式的油封尤其適用于三點式雙饋機組。但因腰部結(jié)構(gòu)薄、軟，開口式和現(xiàn)場粘接式的雙唇油封要保證內(nèi)外、兩唇口的精準對接，其操作具有一定的難度。

(5)組合密封

隨著風力發(fā)電機組單機容量的不斷增加[6]，機組部件趨向于大型化，密封內(nèi)徑尺寸變得越來越大。為適應大兆瓦機組油封的需求，風機主軸密封內(nèi)徑可以達到3 m及以上。部件大型化的同時，密封問題的重要性也凸顯出來。為更好地實現(xiàn)主軸密封，在某些場合，如海上風電場，引進兩道密封組合使用的方式，見圖1(e)。位于外部的密封需要潤滑，以避免唇口產(chǎn)生干摩擦，因此，在溝槽部件上設(shè)有潤滑脂通道和環(huán)形槽，油封上帶有徑向?qū)в涂凇?/p>

2.2 密封材料

選擇密封材料時主要考慮因素：耐磨性好，耐低溫，耐高溫，耐臭氧老化，耐紫外線老化，耐機械和熱沖擊的能力，摩擦系數(shù)小，油脂耐腐蝕性能，易加工，成本低。

在風機主軸軸承密封應用中，應根據(jù)機組使用環(huán)境和密封要求，有所側(cè)重地選擇密封材料。比如，低溫型機組材料耐低溫性能要求高；高原型機組耐臭氧、紫外線性能和耐高溫性能要求高；沙塵區(qū)域機組的耐磨性能要求高；海上機組則要求綜合性能最優(yōu)，保證密封的可靠性和較長的使用壽命。

橡膠是密封的主材料，風電機組主軸承密封常用的材料主要有：丁腈橡膠、氟橡膠和輕化丁腈橡膠，性能參數(shù)見表1。

表1 密封材料的性能參數(shù)表Table 1 Performance parameters of seal materials

3 漏脂原因分析及問題處理

運行中風電機組主軸軸承密封的密封效果和使用壽命相差很大，造成這種現(xiàn)象的影響因素很多，主要集中在顆粒雜質(zhì)、溫度、偏心量、唇口損傷等方面[7]，產(chǎn)生這些影響因素的原因主要有：

(1)油封設(shè)計偏心度不足。偏心度與機型、軸承游隙和軸徑有關(guān)，風電機組主軸由一組或兩組主軸承支撐，用時前端連接風輪承受風載，加之主軸軸承本身存在徑向游隙，在主軸旋轉(zhuǎn)時不可避免地出現(xiàn)徑向跳動。若密封設(shè)計偏心不足，在慣性作用下部分密封唇無法緊貼軸頸而造成泄漏，另一部分密封唇因偏心接觸加快了唇口磨損，降低了使用壽命[8]。實際上，受裝配、加工等不可控因素的影響，偏心度無法精確量化，因此，準確地匹配密封處的偏心度具有一定難度?？筛鶕?jù)油封本身結(jié)構(gòu)特點，盡量改善油封腰部結(jié)構(gòu)，以提高油封偏心度，例如雙唇油封薄、軟的腰部結(jié)構(gòu)。同時，可采取措施降低主軸系統(tǒng)的偏心度，選擇精度等級較高的主軸承，油封溝槽的位置盡可能靠近軸承，見圖2。

圖2 油封溝槽Figure 2 Oil seal groove

(2)主軸上唇口配合面處粗糙度、硬度和表面處理不合格，造成密封唇磨損[9]。過多的唇口磨損不僅縮短了使用壽命，還會產(chǎn)生額外的采購和更換成本及油脂泄漏成本。安裝槽唇口配合面應無任何破損、刮痕、開裂、銹蝕或毛刺。根據(jù)標準ISO 4288中要求，配合面的粗糙度值Ra應≤0.8 μm，表面硬度為40～50HRC。另外，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向，唇口配合面上的方向性可能導致密封件泄漏，首選使用橫磨以減小密封配合端面上的方向性，保證在0°±0.05°范圍內(nèi)。

(3)油封軸向加持設(shè)計不足，導致唇口竄動。蓋板厚度偏小、固定螺栓規(guī)格偏小或數(shù)量偏少都會引起油封軸向加持力不足，隨著主軸旋轉(zhuǎn)，油脂泄漏通道極易被打開。為保證密封的軸向加持，相鄰兩螺栓的設(shè)計安裝距離建議不超過300 mm。標準截面尺寸的油封推薦采用蓋板尺寸及固定螺栓規(guī)格見表2。

(4)暴力裝配或裝配不當[10]使軸體和唇口劃傷、翻唇，引起漏脂。在密封區(qū)域，即使出現(xiàn)只有25 μm的軸向劃痕，也會破壞“彎月面”，造成漏油。因此，要注意清潔，小心安裝。如若油封為主副唇或雙唇結(jié)構(gòu)，應在兩唇之間的間隙中涂抹潤滑脂，防止干磨。

表2 蓋板尺寸及固定螺栓規(guī)格推薦參數(shù)表Table 2 Recommended parameters of cover plate sizeand fixed bolt specification

4 結(jié)語

針對風電機組主軸軸承密封的應用現(xiàn)狀及特點，進行漏脂原因分析，從油封設(shè)計、溝槽設(shè)計、加工和裝配等方面提出了一些改進措施，在主軸密封設(shè)計時，須結(jié)合機型、環(huán)境、成本等工作因素，經(jīng)多種方案對比、綜合分析、計算后最終確定方案。正確合理地選擇密封方案、材料和設(shè)計溝槽對提高密封效果和延長使用壽命具有重要意義。