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一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組液壓變槳油缸密封圈組件的應(yīng)用

2022-02-18 17:12:36王明輝黃志星
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年3期
關(guān)鍵詞:變槳密封件密封圈

王明輝,李 明,黃志星

(華電福新能源發(fā)展有限公司福清分公司,福建 福清 350300)

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)重要組成部分——變槳系統(tǒng),對(duì)機(jī)組穩(wěn)定、安全運(yùn)行具有特別重要的作用。變槳系統(tǒng)主要分為兩大類:(1)電動(dòng)變槳;(2)液壓變槳。對(duì)于液壓變槳系統(tǒng)的風(fēng)機(jī),其變槳油缸作為推動(dòng)葉片的執(zhí)行機(jī)構(gòu),運(yùn)行過程中壓力高達(dá)兩百多巴甚至更高。因此,要求變槳油缸的密封組件要有較強(qiáng)的承壓、耐磨和耐溫能力。

根據(jù)華電歌美颯G87 風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型運(yùn)維情況,液壓變槳的風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行三至五年后,開始頻繁發(fā)生液壓變槳系統(tǒng)泄漏故障,造成較大的發(fā)電量損失、人力、液壓油及備品備件的浪費(fèi)。

1 液壓變槳系統(tǒng)中密封件的重要作用和意義

在液壓變槳系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)中,密封組件用來防止內(nèi)部介質(zhì)的泄漏及外界粉塵和雜物的侵入。這當(dāng)中起密封作用的器件,就是密封件。液壓系統(tǒng)外部滲漏會(huì)造成內(nèi)部工作介質(zhì)的額外損耗,污染設(shè)備和破壞環(huán)境,更嚴(yán)重的會(huì)引起機(jī)械操作失靈及工作人員人身事故。內(nèi)部滲漏會(huì)引起液壓系統(tǒng)容積效率的下降,導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部無法達(dá)到工作壓力。外部環(huán)境中細(xì)微的顆粒入侵液壓系統(tǒng)中,都會(huì)引起不同程度的液壓元件摩擦磨損,導(dǎo)致更加嚴(yán)重的泄漏。因此,液壓系統(tǒng)中密封組件和裝置是液壓系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的組成部件。它在液壓系統(tǒng)中的可靠性和壽命,是用來衡量液壓系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。除了間隙密封之外,其余都是使用密封件,讓工作元件兩個(gè)接觸表面的縫隙控制在需要密封的工作介質(zhì)能通過的最小間隙之下。在接觸式密封中,分為自封式壓緊型密封和自封式自緊型密封。

2 舊款變槳油缸密封套件存在的問題

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速變化需調(diào)整槳葉角度,已追尋最佳的葉尖速比。在風(fēng)速變化較大時(shí),槳葉變槳頻率較高,缸體及密封組件承受壓力大,載荷高且時(shí)常液壓油中存有雜質(zhì)。所以變槳油缸在頻繁變槳全過程中常會(huì)因?yàn)閺?fù)雜的工況導(dǎo)致液壓密封圈組件磨壞,從而導(dǎo)致液壓油泄漏。因風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂處于幾十米高空且輪轂內(nèi)空間狹小,故更換油缸密封圈工作異常耗時(shí)耗力。

2.1 動(dòng)密封件表面光潔度對(duì)密封件的影響

活塞桿表面需要鍍硬鉻,表面硬度至少為67 洛氏C。摩擦表面極好,雖然最佳的表面光潔度,可能取決于密封件的材質(zhì),但如果活塞桿的生產(chǎn)商能將表面光潔度達(dá)到0.1~0.3 μm Ra,就不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的后續(xù)問題?,F(xiàn)場(chǎng)液壓系統(tǒng)的密封件表面光潔度還達(dá)不到要求,隨著運(yùn)行年限的增加,表面光潔度越發(fā)粗糙。

2.2 溫度對(duì)液壓密封件材料的影響

液壓系統(tǒng)的密封件受到多種因素影響,其中包括熱態(tài)高溫工況下密封件的性能,和在冷態(tài)低溫工況下密封件的使用情況。密封件熱態(tài)高溫狀態(tài)下,當(dāng)溫度達(dá)到一定值后密封件會(huì)開始慢慢變軟或化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一定程度變化。密封件在冷態(tài)抗低溫狀態(tài)下,密封件會(huì)在某個(gè)溫度點(diǎn)后材質(zhì)開始硬化,讓液壓系統(tǒng)中密封件開始變脆甚至是開裂等物理變化。

2.3 液壓系統(tǒng)密封組件結(jié)構(gòu)彈性性能

彈性體密封件的抗拉強(qiáng)度普遍不如其他密封材質(zhì)。一旦密封件的抗拉強(qiáng)度開始降低時(shí),由于工作環(huán)境的不利影響,密封件的組對(duì)不正確而低于規(guī)定值的,從而彈性體的密封件就遭到破壞。

2.4 液壓系統(tǒng)密封材料的伸長(zhǎng)性能

在一定溫度區(qū)間內(nèi)橡膠材質(zhì)的密封件伸長(zhǎng)率指的是在應(yīng)力的作用下,橡膠密封件發(fā)生變硬現(xiàn)象。其伸長(zhǎng)的增量所占未形變前密封件長(zhǎng)度的百分率。金屬材料的抗拉實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)樣品拉斷后,試驗(yàn)品的斷面標(biāo)距增加的尺度和原來初始長(zhǎng)度的百分值,叫做伸長(zhǎng)率。金屬制品的伸長(zhǎng)率體現(xiàn)了金屬材料的可塑性,伸長(zhǎng)率越大其金屬材質(zhì)的可塑性越強(qiáng)。

2.5 液壓系統(tǒng)密封件的抗硬度性能

彈性體橡膠密封材料擁有不同的硬度點(diǎn)。比如O 型密封圈的邵氏硬度范圍通常為60~90 的硬度單位。但是比較硬質(zhì)的O 型密封圈擁有較好的抗擠出能力,普通O形圈的滑動(dòng)摩擦性能相對(duì)較差。

2.6 液壓系統(tǒng)密封件的壓縮和拉伸量

橡膠密封圈的材料存在差異,O 型密封圈的膠料組成也不相同,不同廠家出產(chǎn)的O 型密封圈的拉伸和壓縮量也不盡相同。密封圈在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中,不斷壓縮和拉伸便會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛想象,隨著運(yùn)行時(shí)間的增加這種現(xiàn)象會(huì)漸漸擴(kuò)大,當(dāng)密封圈性能降低到一定程度時(shí)即彈性不足就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)滲漏,最直接且簡(jiǎn)單的做法即增加密封圈的截面尺寸,但是也會(huì)讓密封圈在結(jié)構(gòu)上變大。

2.7 液壓密封件材料永久變形性能

工作介質(zhì)的壓力是引起液壓密封件永久變形的主要因素?,F(xiàn)代液壓設(shè)備的工作壓力正日益提高。較長(zhǎng)時(shí)間的液壓系統(tǒng)壓力下使得密封圈產(chǎn)生永久性的形變。所以設(shè)計(jì)相應(yīng)產(chǎn)品時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)壓力選取合適的橡膠耐壓材料。工作壓力越高,所用材料的硬度和耐高壓性能也應(yīng)越高。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳油缸密封圈組件的組成:(1)防塵圈GSM 用于防止外界污染物進(jìn)入液壓系統(tǒng)和密封系統(tǒng),并能使液壓油返回潤滑系統(tǒng)而不滲漏到外面,有輔助密封的功效。一般材質(zhì)為橡膠、橡膠復(fù)合材料RP 和氟膠FKM。工作溫度在-20~100℃之間,工作介質(zhì)為液壓油、乳化液、水,運(yùn)行速度≤1 m/s。(2)孔用格來圈GSF 在液壓系統(tǒng)經(jīng)常被使用,尤其是往復(fù)運(yùn)動(dòng),在壓力較高和高頻工況的重載雙向活塞密封場(chǎng)合。能夠較好地適用大量的流體和高溫環(huán)境,也可適合較大的活塞間隙。密封環(huán)的材料通常有聚四氟乙烯,O 形圈材料通常為丁腈橡膠和氟橡膠??子酶駚砣μ攸c(diǎn)有較好的動(dòng)靜密封性能;可允許較大的擠出間隙;摩擦較小,無爬行現(xiàn)象;溝槽簡(jiǎn)單,可用于整體式活塞。能夠承受的壓力范圍0~30 MPa,工作溫度范圍-20~120℃,運(yùn)行速度≤5 m/s。(3)軸用格來圈GSI 適合液壓系統(tǒng)且往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工況,可以在高、中、低壓及載荷較重、頻率較高的工況下活塞桿密封情況。GSI 型軸用格來圈更合適活塞行程長(zhǎng)的場(chǎng)合,且范圍較廣的流體和高溫情況,也可以適用于間隙較大的活塞桿。軸用格來圈的優(yōu)點(diǎn)有較好動(dòng)靜密封性能;摩擦力比較小,不會(huì)出現(xiàn)爬行等現(xiàn)象;溝槽簡(jiǎn)單,可用于整體式活塞。能夠承受的壓力范圍0~40 MPa,工作溫度范圍-20~120℃,運(yùn)行速度≤5 m/s。

3 新型油缸密封圈組件的應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)

從風(fēng)場(chǎng)近年變槳油缸維護(hù)工作中汲取經(jīng)驗(yàn),在設(shè)計(jì)油缸和密封圈過程中把握以下幾點(diǎn),能夠有效避免密封件過早失效。

(1)定制活塞與導(dǎo)向套上的支撐環(huán)部分,以便其充分,均衡地承受油缸的側(cè)向壓力,假如支撐環(huán)的支撐面不充分,就會(huì)造成油缸活塞運(yùn)動(dòng)不在同一軸線上,活塞與導(dǎo)向套上的支撐環(huán)承受不足活塞桿的側(cè)向力,導(dǎo)致密封件的損壞。(2)安裝密封件前,要對(duì)密封件進(jìn)行檢查,確認(rèn)其無變形,損壞。(3)檢查密封組件的溝槽。清除金屬件的尖刺與尖邊,認(rèn)真檢查在密封件安裝中密封件不經(jīng)過孔和螺紋。(4)清掃密封件的溝槽,使其表面上的金屬顆粒和雜質(zhì)全部清理干凈。檢測(cè)全部動(dòng)、靜密封溝槽外表面粗糙程度滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。(5)密封件安裝過程中要經(jīng)過螺紋時(shí),并且密封件內(nèi)徑要小于螺紋外徑大時(shí),建議使用硬質(zhì)塑料作為軸套,安裝密封件前先將軸套安裝在螺紋外,以避免密封件的損傷。(6)檢查密封件的材質(zhì)、類型、尺寸大小是否合格且正確。(7)密封件在安裝前,應(yīng)當(dāng)潤滑密封件與硬件。建議使用現(xiàn)場(chǎng)專用的工作介質(zhì)來潤滑。(8)活塞一類的安裝,要使得密封件同心,沒有其他因素導(dǎo)致密封件局部變形。(9)密封件安裝中盡量不用金屬桿來輔助,如果一定要用到,就要確保金屬桿外表面光滑,無細(xì)微尖刺。使用過程中要確保密封件與金屬桿接觸部分無損傷。(10)在連接到油缸前,請(qǐng)徹底沖洗液壓系統(tǒng)。

通過優(yōu)化變槳油缸密封結(jié)構(gòu),選用新型密封圈材料,優(yōu)化密封圈套件配置。

(1)選用定制特殊角度的斜切口導(dǎo)向環(huán),材料由聚四氯乙酸、尼龍、聚甲醛、酚醛夾布。適用于油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓元件,以高性能液壓油為工作介質(zhì),具有低摩擦、非常耐磨耐熱和耐化學(xué)性。速度可達(dá)15 m/s,工作溫度在-60~150℃之間,最大承載Pr:25℃時(shí)最高15 N/mm2,80℃時(shí)最高12 N/mm2。

(2)選用星型圈及X 型圈,油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),不會(huì)扭曲,由于所需的徑向頂壓力縮小,故而接觸壓力小,摩擦力也小,由于接觸壓力均勻,故而泄漏小,由于磨具分型面設(shè)在兩個(gè)唇之間,因此飛邊不會(huì)影響密封作用,在動(dòng)密封場(chǎng)合,具有壽命長(zhǎng)和良好的密封效果。適用工作壓力≤30 MPa,往復(fù)運(yùn)行速度≤0.5 m/s,工作溫度在-80~200℃之間。

(3)選用NOK SPGW 活塞專用密封件,其滑動(dòng)材料為PTFE,擋圈材料為聚酰胺樹脂,支撐環(huán)材料為丁晴橡膠、氟橡膠。這種高壓操作使用的密封件,優(yōu)化了SPG的刮油性能,擋圈材質(zhì)聚酰胺樹脂的耐用性得到很大提升,有較低的摩擦阻力,避免了爬行,因?yàn)閱蝹€(gè)的密封件擁有出色的雙向密封功能,因此節(jié)省了安裝空間。適用工作壓力≤50 MPa,往復(fù)運(yùn)行速度≤1.5 m/s,工作溫度在-40~100℃之間。

(4)選用TECNOLAN TTI 活塞桿專用密封件,材質(zhì)主要為聚氨酯。硬度達(dá)93°ShA。其主要優(yōu)勢(shì)是能夠確保良好的抗沖擊壓力峰值能力和低壓范圍內(nèi)的低摩擦。不對(duì)稱的唇口是為了區(qū)分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)表面的唇口運(yùn)行狀況而設(shè)計(jì)的,靜態(tài)唇口可塑性強(qiáng),對(duì)壓力波動(dòng)更敏感;動(dòng)態(tài)唇口更加短更牢固,集中負(fù)擔(dān)對(duì)抗動(dòng)態(tài)表面。其組成材料聚氨酯化合物能夠確保在耐磨損,延長(zhǎng)使用壽命,耐擠出方面的卓越性能,且對(duì)結(jié)構(gòu)撓度不敏感,安裝簡(jiǎn)單。適用工作壓力≤50 MPa,往復(fù)運(yùn)行速度≤0.5 m/s,工作溫度在-40~110℃之間。

(5)選用NOK HBY 緩沖環(huán),密封件材料為PU,支撐環(huán)材料為聚酰胺樹脂。在滑動(dòng)唇口上可泄放背壓的特殊形狀的縫槽能消除活塞桿密封件和緩沖環(huán)之間的壓力,其與活塞桿密封件結(jié)合使用,以吸收高負(fù)荷下的沖擊和波動(dòng)壓力,隔絕高溫流體,以提高密封件的耐用度。適用工作壓力≤400 bar,往復(fù)運(yùn)行速度≤1.0 m/s,工作溫度在-50~100℃之間。

4 變槳油缸密封組件的貯藏

絕大多數(shù)的聚合物密封圈產(chǎn)品在貯藏期間趨于性能的改變,甚至可能變得無法使用。這些變化包括變硬、軟化、破裂、龜裂和其他退化。這些可能是由于氧化、臭氧、燈光、熱或者潮濕。因此,在風(fēng)場(chǎng)倉庫貯藏這些密封件時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求。

(1)溫度。貯藏溫度不要超過50℃。采用低溫貯藏產(chǎn)品在使用前要先加溫到約30℃。(2)濕度。最適合的濕度是65%,并且保存環(huán)境應(yīng)適當(dāng)通風(fēng)。(3)照明。保護(hù)密封件不受到陽光和含有高紫外線成分的人工強(qiáng)光直射,除非密封件包裝在不透明的容器中,使用紅色或橙色的玻璃或涂層玻璃是最佳選擇。(4)氧和臭氧。因?yàn)槌粞鯚釙?huì)傷害橡膠,貯藏室中應(yīng)避免有可能產(chǎn)生電火花和放電的設(shè)備。對(duì)于硫化橡膠之類的產(chǎn)品應(yīng)用專用容器。(5)變形。在存放時(shí)要以橡膠密封圈自然狀態(tài)去存放,避免在橡膠品儲(chǔ)存時(shí)存在拉伸或壓縮等情況。(6)接觸液體及半固體物質(zhì)。除非制造商的有意為之,橡膠密封件應(yīng)盡量避免接觸液體、半固體物質(zhì),特別是溶劑,例如油或者油脂。(7)接觸金屬。金屬如錳、鑄鐵和銅或者銅合金會(huì)損害橡膠。需用一層紙、聚乙烯或者玻璃紙就能夠隔離金屬和密封件。(8)存貨周轉(zhuǎn)。彈性密封件要盡量縮短存放時(shí)間,做到合理的庫存周轉(zhuǎn)。(9)清潔。有機(jī)溶劑如三氯乙烯,四氯化碳和石油是最有害的介質(zhì),肥皂,水和甲基化酒精對(duì)橡膠損害最小,所有產(chǎn)品在使用前,都要先在室溫下晾干。

5 結(jié)論

油缸密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)嚴(yán)格依據(jù)運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn),不僅有足夠的精度和合理的壓縮量,而且油口形式設(shè)計(jì)成斜口、平面及O 型圈等多種密封形式以防止漏油。具體改進(jìn)方案如下:第一,更改并優(yōu)化油缸缸頭密封導(dǎo)向套和密封環(huán)結(jié)構(gòu),解決活塞和驅(qū)動(dòng)軸密封件上的側(cè)向力影響,解決密封組因另一側(cè)變形導(dǎo)致的磨損失效,防止出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象;第二,對(duì)油缸活塞密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,選用SPGW 型活塞密封組合密封組件,根據(jù)新流體動(dòng)力效應(yīng),在密封件的摩擦界面上,開設(shè)流體動(dòng)力螺旋槽,避免滲漏且具有儲(chǔ)油能力強(qiáng)、摩擦力小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和密封能力強(qiáng)等特點(diǎn);第三,對(duì)缸頭的外螺塞和軸向定位套做分體獨(dú)立加工,提高分體獨(dú)立產(chǎn)品加工配合間隙和變槳油缸的整體配合精度,且便于后期拆裝及維護(hù)。

通過選用合理的密封材料,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,并選用材料更為合理的防塵圈、防護(hù)罩和橡膠套,防止環(huán)境中的塵埃和雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)。密封材料整體性能及耐磨度提高了50%以上。

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