一種新型風力發電機組液壓變槳油缸密封圈組件的應用

王明輝，李 明，黃志星

（華電福新能源發展有限公司福清分公司，福建 福清 350300）

風電機組控制系統重要組成部分——變槳系統，對機組穩定、安全運行具有特別重要的作用。變槳系統主要分為兩大類：（1）電動變槳；（2）液壓變槳。對于液壓變槳系統的風機，其變槳油缸作為推動葉片的執行機構，運行過程中壓力高達兩百多巴甚至更高。因此，要求變槳油缸的密封組件要有較強的承壓、耐磨和耐溫能力。

根據華電歌美颯G87 風力發電機機型運維情況，液壓變槳的風電機組在運行三至五年后，開始頻繁發生液壓變槳系統泄漏故障，造成較大的發電量損失、人力、液壓油及備品備件的浪費。

1 液壓變槳系統中密封件的重要作用和意義

在液壓變槳系統和附屬系統中，密封組件用來防止內部介質的泄漏及外界粉塵和雜物的侵入。這當中起密封作用的器件，就是密封件。液壓系統外部滲漏會造成內部工作介質的額外損耗，污染設備和破壞環境，更嚴重的會引起機械操作失靈及工作人員人身事故。內部滲漏會引起液壓系統容積效率的下降，導致系統內部無法達到工作壓力。外部環境中細微的顆粒入侵液壓系統中，都會引起不同程度的液壓元件摩擦磨損，導致更加嚴重的泄漏。因此，液壓系統中密封組件和裝置是液壓系統中一個十分重要的組成部件。它在液壓系統中的可靠性和壽命，是用來衡量液壓系統質量的關鍵指標。除了間隙密封之外，其余都是使用密封件，讓工作元件兩個接觸表面的縫隙控制在需要密封的工作介質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

風力發電機組根據實時風速變化需調整槳葉角度，已追尋最佳的葉尖速比。在風速變化較大時，槳葉變槳頻率較高，缸體及密封組件承受壓力大，載荷高且時常液壓油中存有雜質。所以變槳油缸在頻繁變槳全過程中常會因為復雜的工況導致液壓密封圈組件磨壞，從而導致液壓油泄漏。因風力發電機輪轂處于幾十米高空且輪轂內空間狹小，故更換油缸密封圈工作異常耗時耗力。

2.1 動密封件表面光潔度對密封件的影響

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，但如果活塞桿的生產商能將表面光潔度達到0.1～0.3 μm Ra，就不會發生嚴重的后續問題。現場液壓系統的密封件表面光潔度還達不到要求，隨著運行年限的增加，表面光潔度越發粗糙。

2.2 溫度對液壓密封件材料的影響

液壓系統的密封件受到多種因素影響，其中包括熱態高溫工況下密封件的性能，和在冷態低溫工況下密封件的使用情況。密封件熱態高溫狀態下，當溫度達到一定值后密封件會開始慢慢變軟或化學性質發生一定程度變化。密封件在冷態抗低溫狀態下，密封件會在某個溫度點后材質開始硬化，讓液壓系統中密封件開始變脆甚至是開裂等物理變化。

2.3 液壓系統密封組件結構彈性性能

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

2.4 液壓系統密封材料的伸長性能

在一定溫度區間內橡膠材質的密封件伸長率指的是在應力的作用下，橡膠密封件發生變硬現象。其伸長的增量所占未形變前密封件長度的百分率。金屬材料的抗拉實驗，實驗樣品拉斷后，試驗品的斷面標距增加的尺度和原來初始長度的百分值，叫做伸長率。金屬制品的伸長率體現了金屬材料的可塑性，伸長率越大其金屬材質的可塑性越強。

2.5 液壓系統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。比如O 型密封圈的邵氏硬度范圍通常為60～90 的硬度單位。但是比較硬質的O 型密封圈擁有較好的抗擠出能力，普通O形圈的滑動摩擦性能相對較差。

2.6 液壓系統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，不同廠家出產的O 型密封圈的拉伸和壓縮量也不盡相同。密封圈在長時間運行中，不斷壓縮和拉伸便會出現應力松弛想象，隨著運行時間的增加這種現象會漸漸擴大，當密封圈性能降低到一定程度時即彈性不足就會導致系統滲漏，最直接且簡單的做法即增加密封圈的截面尺寸，但是也會讓密封圈在結構上變大。

2.7 液壓密封件材料永久變形性能

工作介質的壓力是引起液壓密封件永久變形的主要因素。現代液壓設備的工作壓力正日益提高。較長時間的液壓系統壓力下使得密封圈產生永久性的形變。所以設計相應產品時，應根據實際的系統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越高。

風力發電機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入液壓系統和密封系統，并能使液壓油返回潤滑系統而不滲漏到外面，有輔助密封的功效。一般材質為橡膠、橡膠復合材料RP 和氟膠FKM。工作溫度在-20～100℃之間，工作介質為液壓油、乳化液、水，運行速度≤1 m/s。（2）孔用格來圈GSF 在液壓系統經常被使用，尤其是往復運動，在壓力較高和高頻工況的重載雙向活塞密封場合。能夠較好地適用大量的流體和高溫環境，也可適合較大的活塞間隙。密封環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有較好的動靜密封性能；可允許較大的擠出間隙；摩擦較小，無爬行現象；溝槽簡單，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℃，運行速度≤5 m/s。（3）軸用格來圈GSI 適合液壓系統且往復運動的工況，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的場合，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。軸用格來圈的優點有較好動靜密封性能；摩擦力比較小，不會出現爬行等現象；溝槽簡單，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℃，運行速度≤5 m/s。

3 新型油缸密封圈組件的應用及優勢

從風場近年變槳油缸維護工作中汲取經驗，在設計油缸和密封圈過程中把握以下幾點，能夠有效避免密封件過早失效。

（1）定制活塞與導向套上的支撐環部分，以便其充分，均衡地承受油缸的側向壓力，假如支撐環的支撐面不充分，就會造成油缸活塞運動不在同一軸線上，活塞與導向套上的支撐環承受不足活塞桿的側向力，導致密封件的損壞。（2）安裝密封件前，要對密封件進行檢查，確認其無變形，損壞。（3）檢查密封組件的溝槽。清除金屬件的尖刺與尖邊，認真檢查在密封件安裝中密封件不經過孔和螺紋。（4）清掃密封件的溝槽，使其表面上的金屬顆粒和雜質全部清理干凈。檢測全部動、靜密封溝槽外表面粗糙程度滿足現場需求。（5）密封件安裝過程中要經過螺紋時，并且密封件內徑要小于螺紋外徑大時，建議使用硬質塑料作為軸套，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、類型、尺寸大小是否合格且正確。（7）密封件在安裝前，應當潤滑密封件與硬件。建議使用現場專用的工作介質來潤滑。（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，請徹底沖洗液壓系統。

通過優化變槳油缸密封結構，選用新型密封圈材料，優化密封圈套件配置。

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

（2）選用星型圈及X 型圈，油缸往復運動時，不會扭曲，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，由于磨具分型面設在兩個唇之間，因此飛邊不會影響密封作用，在動密封場合，具有壽命長和良好的密封效果。適用工作壓力≤30 MPa，往復運行速度≤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，其滑動材料為PTFE，擋圈材料為聚酰胺樹脂，支撐環材料為丁晴橡膠、氟橡膠。這種高壓操作使用的密封件，優化了SPG的刮油性能，擋圈材質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，因為單個的密封件擁有出色的雙向密封功能，因此節省了安裝空間。適用工作壓力≤50 MPa，往復運行速度≤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，材質主要為聚氨酯。硬度達93°ShA。其主要優勢是能夠確保良好的抗沖擊壓力峰值能力和低壓范圍內的低摩擦。不對稱的唇口是為了區分靜態和動態表面的唇口運行狀況而設計的，靜態唇口可塑性強，對壓力波動更敏感；動態唇口更加短更牢固，集中負擔對抗動態表面。其組成材料聚氨酯化合物能夠確保在耐磨損，延長使用壽命，耐擠出方面的卓越性能，且對結構撓度不敏感，安裝簡單。適用工作壓力≤50 MPa，往復運行速度≤0.5 m/s，工作溫度在-40～110℃之間。

（5）選用NOK HBY 緩沖環，密封件材料為PU，支撐環材料為聚酰胺樹脂。在滑動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之間的壓力，其與活塞桿密封件結合使用，以吸收高負荷下的沖擊和波動壓力，隔絕高溫流體，以提高密封件的耐用度。適用工作壓力≤400 bar，往復運行速度≤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

絕大多數的聚合物密封圈產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，在風場倉庫貯藏這些密封件時應注意以下幾點要求。

（1）溫度。貯藏溫度不要超過50℃。采用低溫貯藏產品在使用前要先加溫到約30℃。（2）濕度。最適合的濕度是65%，并且保存環境應適當通風。（3）照明。保護密封件不受到陽光和含有高紫外線成分的人工強光直射，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。因為臭氧熱會傷害橡膠，貯藏室中應避免有可能產生電火花和放電的設備。對于硫化橡膠之類的產品應用專用容器。（5）變形。在存放時要以橡膠密封圈自然狀態去存放，避免在橡膠品儲存時存在拉伸或壓縮等情況。（6）接觸液體及半固體物質。除非制造商的有意為之，橡膠密封件應盡量避免接觸液體、半固體物質，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。彈性密封件要盡量縮短存放時間，做到合理的庫存周轉。（9）清潔。有機溶劑如三氯乙烯，四氯化碳和石油是最有害的介質，肥皂，水和甲基化酒精對橡膠損害最小，所有產品在使用前，都要先在室溫下晾干。

5 結論

油缸密封結構改進嚴格依據運維標準，不僅有足夠的精度和合理的壓縮量，而且油口形式設計成斜口、平面及O 型圈等多種密封形式以防止漏油。具體改進方案如下：第一，更改并優化油缸缸頭密封導向套和密封環結構，解決活塞和驅動軸密封件上的側向力影響，解決密封組因另一側變形導致的磨損失效，防止出現拉缸現象；第二，對油缸活塞密封結構進行優化，選用SPGW 型活塞密封組合密封組件，根據新流體動力效應，在密封件的摩擦界面上，開設流體動力螺旋槽，避免滲漏且具有儲油能力強、摩擦力小、運轉平穩和密封能力強等特點；第三，對缸頭的外螺塞和軸向定位套做分體獨立加工，提高分體獨立產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。

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、防護罩和橡膠套，防止環境中的塵埃和雜質進入系統。密封材料整體性能及耐磨度提高了50%以上。