劉 欣 張亞平 劉玉成/沈陽鼓風(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、潤滑脂以及集中潤滑設(shè)備實(shí)行單獨(dú)采購，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)問題：集中潤滑設(shè)備供方對(duì)變槳軸承所需潤滑要求及所選配油脂的性能要求不甚了解，而潤滑脂供方又很難全面掌握軸承及集中潤滑設(shè)備的技術(shù)要求。更重要的是，整機(jī)廠商在潤滑設(shè)備采購的技術(shù)準(zhǔn)備過程中，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)沒有全面的了解，出現(xiàn)當(dāng)設(shè)備有問題時(shí)解決不利的情況。

本文就是在這種背景下，以變槳集中潤滑系統(tǒng)為例，從潤滑機(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)組變槳軸承潤滑一般選用集中潤滑系統(tǒng)。集中潤滑系統(tǒng)，可以做到定時(shí)定量給軸承及齒圈等部件提供潤滑脂，極大方便了風(fēng)場主對(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 變槳集中潤滑基本機(jī)理及作用簡介

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的條件首先是潤滑，主要因素是潤滑膜厚度。對(duì)于變槳軸承，潤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 變槳集中潤滑系統(tǒng)的選型

風(fēng)電機(jī)組變槳集中潤滑系統(tǒng)一般由潤滑泵、潤滑管線、一級(jí)分配器、二級(jí)分配器及潤滑小齒等組成。按照分配器結(jié)構(gòu)可將集中潤滑系統(tǒng)分為遞進(jìn)式集中潤滑系統(tǒng)和單線式集中潤滑系統(tǒng)。從目前的應(yīng)用來看，遞進(jìn)式集中潤滑系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛。單線式集中潤滑系統(tǒng)由于其分配器的原理，可以延長維護(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。而單線式的分配器，目前體積較大，成本較高。但隨著潤滑系統(tǒng)廠家工藝水平的發(fā)展以及對(duì)成本的控制，單線式集中潤滑系統(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)將從潤滑脂選取和潤滑設(shè)備組件選擇兩方面進(jìn)行論述。

2.1 潤滑脂的選擇

潤滑脂就是潤滑油加上稠化劑，使之形成一種半流體狀的潤滑劑。實(shí)際稠化劑并不參與潤滑，但它是潤滑油的承載體。潤滑脂內(nèi)的基礎(chǔ)油和添加劑是設(shè)備潤滑保護(hù)的關(guān)鍵。潤滑脂的選擇，在很大程度上影響到軸承潤滑的效果，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，使其長期處于微動(dòng)狀態(tài)。因此，微動(dòng)磨損測試對(duì)變槳軸承特別適用[3]。由于變槳軸承處于易微動(dòng)磨損的集中供脂場合，應(yīng)選用稠度等級(jí)為0#或1#的潤滑脂。

表1 風(fēng)電設(shè)備潤滑脂的測試表

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

2.1.2 潤滑脂選用原則

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

潤滑脂的基本適用范疇在油品的說明中都會(huì)提到，但選擇變槳軸承潤滑脂時(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?。ㄘ?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、外來異熱）。以下主要對(duì)應(yīng)力大小方面進(jìn)行說明。

潤滑脂與轉(zhuǎn)速及負(fù)荷的關(guān)系，首先根據(jù)轉(zhuǎn)速比n/ngf來估定，其中n是軸承的最高工作轉(zhuǎn)速，ngf則是脂潤滑軸承的極限轉(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滑脂。在斜線附近，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)。在這類工作條件下應(yīng)使用粘度較高的基礎(chǔ)油潤滑脂和加有高壓添加劑的潤滑脂或固體潤滑劑。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)要求潤滑劑摩擦以及軸承滑動(dòng)面的摩擦均應(yīng)小，同意潤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)潤滑脂選擇的影響在文獻(xiàn)[1]、[2]中均有詳細(xì)說明。

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

2.1.3 潤滑脂的用量

1）裝脂量

由于軸承潤滑脂填充量過大會(huì)因攪拌效應(yīng)造成軸承溫度過高，使脂喪失潤滑能力，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)軸承潤滑脂的填充量可稍微多一點(diǎn)，一般而言變槳潤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）再潤滑量

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

式中：m 為再潤滑量，g；D 為軸承外徑，mm；B 為軸承寬度，mm。

2.2 變槳集中脂潤滑系統(tǒng)部件的選型

1）潤滑泵的流量應(yīng)根據(jù)再潤滑量和供脂時(shí)間來確定。潤滑泵的工作壓力應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的壓力損失來決定，變槳脂潤滑系統(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)油間隔和再潤滑脂消耗速度來確定；

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）廢脂收集瓶用來收集軸承排出的廢脂；6）潤滑小齒輪應(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)該與選用的潤滑脂相兼容。

3 變槳集中脂潤滑系統(tǒng)故障診斷

目前市場上廣泛使用的主要幾種變槳潤滑設(shè)備，其系統(tǒng)原理大同小異，潤滑系統(tǒng)的故障排查也基本相同，本節(jié)對(duì)變槳軸承潤滑系統(tǒng)的故障診斷進(jìn)行一般性說明，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）檢查電源開關(guān)是否合上。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)潤滑泵開關(guān)斷開時(shí)，應(yīng)首先用萬用表測量潤滑泵電源開關(guān)輸出端有無電壓、有無短路或接地現(xiàn)象，確認(rèn)無上述問題后方可重新合上電源開關(guān)；

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

3）檢查電機(jī)電源插頭，有無松動(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)潤滑油泵內(nèi)潤滑脂低至1/3時(shí)，應(yīng)及時(shí)加脂。由于補(bǔ)油接頭帶有油脂過濾接頭，建議從加油嘴處補(bǔ)加；

2）當(dāng)潤滑油脂內(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滑泵強(qiáng)制啟動(dòng)按鈕，當(dāng)聽到油管內(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，拔下出油口若無油脂流出來時(shí)，應(yīng)檢查安全閥有無堵塞，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）油管路到各潤滑點(diǎn)無潤滑脂流出；

3）分配器內(nèi)部故障；

4）潤滑系統(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)格的潤滑脂以后，加油過程中應(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動(dòng)作，這個(gè)過程大概需要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油流出來判斷一級(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，通過手動(dòng)打壓觀察出油口有無潤滑脂流出來判斷是分配器堵塞或者是通往各潤滑脂的油管路堵塞，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）在潤滑泵出口加裝壓力表檢測出口壓力，如果其壓力過低，則需要更換潤滑泵。

4 結(jié)語

本文對(duì)變槳集中脂潤滑系統(tǒng)潤滑脂的選擇、集中潤滑系統(tǒng)部件的選擇以及集中潤滑系統(tǒng)故障分析與排查進(jìn)行了簡要的說明，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，在潤滑組件、潤滑脂肪及變槳軸承確定的情況下，不同的潤滑機(jī)制及潤滑系統(tǒng)排布，也會(huì)對(duì)潤滑效果產(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[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[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.