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。