風電機組變槳軸承漏脂原因及改進措施

羅 敏

（國電電力湖南新能源開發有限公司，長沙 410000）

0 引言

在“雙碳”背景下，國內風電產業得到快速發展，風電機組的功率不斷提升，而功率的提升對風機的子系統提出了更高的要求。變槳系統是風電機組的重要組成部分，變槳軸承是變槳系統中的核心部件，對于變槳系統變槳動作的連貫性及穩定性有重要的影響。由于風電場運行環境惡劣，長期運行導致的軸承密封圈老化、潤滑脂變質，加上變槳軸承的受力不均、潤滑方式不當等因素會導致軸承密封圈處出現漏脂現象。如果不及時采取相應的措施，就會導致軸承內潤滑脂減少，出現軸承潤滑不良，影響變槳軸承的使用壽命。軸承出現故障后，不僅維修成本高，還有可能引發變槳系統的其它故障，進而影響機組運行。因此，對風電機組變槳軸承漏脂原因進行總結分析，并提出相應的改進措施，提高軸承的使用壽命，對于風電機組安全運行有重要的意義。

1 變槳軸承漏脂現象

變槳軸承是輪轂與葉片的重要連接部件，多采用雙排四點接觸球軸承，具有承載力強、回轉阻力小等特點，在兆瓦級的風電機組中應用比較廣泛。由于風電機組的運行環境惡劣，為保證軸承的潤滑穩定性，軸承密封圈多采用丁腈橡膠密封圈。該密封圈的耐磨性好，采購成本低，安裝方便，其內外雙唇結構能防止潤滑脂泄漏和外界大粒灰塵等異物進入到軸承內部，是軸承制造商優先選用的密封圈。變槳軸承設計有注脂孔和排脂孔，注脂孔和油管連接在一起，用于為軸承填充潤滑脂，排脂孔處安裝集脂瓶，用來收集多余的潤滑脂。在實際運行中，運轉多年的風電機組都存在不同程度的變槳軸承漏脂情況，根據其泄漏程度不同分為輕微滲脂和嚴重漏脂兩種。輕微滲脂是大部分被排出的潤滑脂都被收集到集脂瓶內，在密封圈周邊只有少量的潤滑脂，這種情況屬于正常現象，因為軸承內部的潤滑脂會隨著軸承的旋轉而出現溫升，同時加上潤滑脂本身的侵潤性，會導致密封圈有少量的潤滑脂滲出。嚴重漏脂現象是集脂瓶沒有收集到或只收集到少量的潤滑脂，大部分的潤滑脂在密封圈處溢出，這就說明密封圈損壞或潤滑系統不良等，需要進行認真排查，并采取相應的解決措施。

2 變槳軸承漏脂的主要原因

2.1 密封不良

密封不良的原因主要有密封圈老化磨損，密封圈結構設計不合理，密封圈安裝不當等[1]。風電機組變槳軸承通常用的是丁腈橡膠密封圈，該材質密封圈的使用壽命一般為6年～8年，但風電機組的運行環境惡劣，密封圈更換不及時就會出現老化現象，導致潤滑脂泄漏。另外，密封圈和密封摩擦面是接觸式密封，長時間運行密封圈會出現磨損，密封性能下降，出現由于密封圈承壓不足而導致潤滑脂泄漏情況。變槳軸承密封圈多為雙唇結構，內唇防止潤滑脂泄漏，外唇阻止外界灰塵、水分等進入到軸承內部。雖然這種雙唇結構的密封圈應用較多，但實際上這種密封圈的結構比較簡單，防滲漏能力差，變槳軸承運行時的載荷變化及外界因素影響會導致密封圈變形，出現漏脂。密封圈安裝不當主要是相關人員未按密封圈安裝要求進行安裝，導致密封圈出現受力不均，接口黏接不良等，注脂運行后易出現翹曲、鼓包等現象，潤滑脂在翹曲部位溢出。另外，在葉片安裝過程中，用到的液壓拉伸器易損壞密封圈，液壓拉伸器用來給變槳軸承的連接螺栓以及葉片施加壓力。由于連接螺栓和軸承密封圈間的距離較近，拉伸器容易壓到密封圈使其損壞，后續運行過程中密封圈的損壞處易出現漏脂。

2.2 軸承內部結構設計不合理

變槳軸承內部結構不合理主要表現在溝道設計不合理以及脂孔分布不合理兩個方面。變槳軸承的溝道設計對于潤滑脂的流動性有重要的影響，也影響密封圈承受的壓力值。正常運行工況下，注脂和排廢脂的壓力差要小于密封圈承受的壓力，這樣的話，密封圈就不會出現漏脂情況。如果變槳軸承的內部溝道設計不合理，就會導致潤滑脂的流動阻力加大，可能會由于內部壓力分布不均出現排脂不暢的情況，導致潤滑脂溢出。變槳軸承的注脂孔和排脂孔分布距離要合理，如果距離太短，注脂孔的壓力過大會導致新潤滑脂還未充分發揮潤滑作用就被排出，造成潤滑脂浪費；如果分布距離太長，加脂過程中，密封圈受到的局部壓力就會過大，從而出現漏脂情況。另外，排脂孔的間距過大也會增大排脂阻力，會導致軸承內部由于排脂不暢而出現漏脂情況。

2.3 潤滑脂選擇及注入量不當

變槳軸承潤滑脂的選擇要結合風電場的實際運行環境，同時要考慮潤滑脂的稠度、防腐蝕性以及抗氧化性等[2]。通常情況下，外部的環境溫度對于潤滑脂的稠度有較大影響，隨著外界溫度的下降，潤滑脂的稠度就會增加，流動性就會變差。如果潤滑脂選擇不當，就有可能會出現稠度增加，甚至出現固化現象，導致排脂孔堵塞，廢脂不能及時排出，使密封圈出現泄漏情況。變槳軸承在運行前需要加注適量的潤滑脂，注入量過少會導致軸承潤滑不足出現磨損的情況，但注入量過多可能會引發漏脂故障。潤滑脂的注入量過多，軸承溝道內部潤滑脂大量堆積，不僅會增加軸承的溫升，還增大其摩擦轉矩，在變槳軸承載荷不斷變化的情況下，密封圈會出現漏脂現象。

2.4 潤滑方式設計不合理

變槳軸承的潤滑方式一般采用人工潤滑和集中潤滑系統潤滑的方式。人工定期加注潤滑脂的方式雖然維護成本低，但是潤滑脂加注量與加注的周期一般根據軸承供應商提供的維護標準來設定。由于不同風電場的運行環境不同，加注量不能滿足軸承的實際所需。而且人工加注潤滑脂，為增加潤滑效果，往往加注量比較大，而且注脂量不均勻，加上軸承出廠前已加注的潤滑脂，導致軸承內部潤滑脂堆積，出現密封圈漏脂情況。集中潤滑系統潤滑的方式是自動加注潤滑脂，比起人工注脂方式，該潤滑方式的注脂量比較均勻，可根據變槳軸承的運行工況及時加注潤滑脂。但是在機組停機狀態下，集中潤滑系統仍按設定好的程序進行注脂，會導致軸承內部的潤滑脂堆積，同時軸承溝道內的通道壓力增加，注脂壓力也會相應增加，當注脂壓力超過密封圈的密封壓力時，就會導致密封圈周邊出現泄漏[3]。在實際運行中，輸脂管中未排空的空氣也會隨著潤滑脂進入到軸承內部，增加軸承溝道的壓力，導致密封圈被撐開，出現漏脂現象。此外，廢潤滑脂收集不當也容易導致出現漏脂情況。安裝在排脂孔周圍的集脂瓶會收集排出的廢潤滑脂，但隨著機組運行時間的增加，廢油脂收集效果不好。目前常用的在軸承密封圈外面安裝環形收集盒的方式也不能有效地防止潤滑脂流失，而且環形收集盒拆卸和清理起來比較困難，增加了維護難度。

3 減少風電機組變槳軸承漏脂的措施

3.1 密封圈的改善措施

變槳軸承密封圈要選擇抗磨損、抗老化的材料。定期檢查密封圈有無老化、破損、翹曲等情況，及時更換新的密封圈，在安裝過程中要嚴格按照安裝標準進行，防止出現安裝不當導致潤滑脂泄漏的情況。目前變槳軸承密封圈采用的雙唇結構，結構比較簡單，防滲漏能力較差，可將密封圈結構進行優化改進，改為一道防塵唇、三道封油唇的多唇結構，增加其潤滑脂防泄漏能力。防塵唇末端與內圈的外圓緊密結合，既防止外部雜質進入到軸承內部，又防止泄漏的潤滑脂繼續向外泄漏。第一道封油唇前端和軸承內圈外圓表面接觸，末端與軸承外圈內圓表面接觸，防止潤滑脂從內外圈與封油唇間的縫隙中滲漏。第二、三道封油唇與內圈外圓上的密封槽緊密接觸，防止第一道封油唇失效后泄漏的潤滑脂繼續向外泄漏[4]。優化改進后的密封圈雖然為多唇結構，但加工工藝易于實現，而且多唇結構密封圈能夠滿足變槳軸承多負荷狀態下的密封要求，密封效果好。針對液壓拉伸器對密封圈的損壞情況，可與供應商溝通后縮小拉伸器的拉伸頭，同時在機組葉片現場安裝時，要確保拉伸器與密封圈之間留有足夠的安全距離。

3.2 軸承的完善優化

軸承的完善優化主要從軸承溝道設計優化和脂孔尺寸優化兩個方面入手。軸承溝道的設計影響潤滑脂的流動性，通常變槳軸承溝道多為圓弧過渡，這種溝道設計不利于潤滑脂的流動。某風電場采用的變槳軸承的溝道為圓弧過渡式，經過實際驗證后發現潤滑脂的流動性不好，與軸承供應商溝通后，進行軸承溝道優化設計，在原來的圓弧過渡式的基礎上增加了矩形溝槽。經過試驗后表明，潤滑脂的流動性大大增強，潤滑脂可以順利地排出。對于軸承脂孔的優化設計，主要體現在排脂孔優化方面。潤滑脂是由稠化劑、添加劑以及基礎油組成的，具有一定的粘稠度，只有在足夠外力作用下才會流動，而且流經的截面面積越小，排出時的阻力就會越大。因此，要適當加大排脂孔外側與集脂瓶相連接的螺紋孔直徑，減少排脂壓力。GB/T29717-2013《滾動軸承 風力發電機組偏航、變槳軸承》規定，排脂螺紋孔的規格為M14mm×1.5mm，可根據風電場實際需要，在此基礎上增加排脂螺紋孔直徑[5]。在脂孔分布上，選用注脂孔和排脂孔間隔均勻分布的方式，降低排脂壓力。

3.3 合理選擇潤滑脂及注入量

潤滑脂的品質對于軸承的運行具有重要的作用，變槳軸承的工況具有高載荷、低轉速的特點，因此潤滑脂的選擇要考慮油脂的添加種類、黏度等，同時還要考慮其防銹性能、穩定性、耐磨性、抗水性以及泵送性等，確保其性能良好，使用溫度范圍在-40℃～150℃，能滿足軸承的潤滑要求[6]。變槳軸承在不同運行環境下要選擇不同添加劑的潤滑脂，通常海上風機要優先選擇鈣基脂，因為其不易溶于水，而在空氣干燥環境下運行的變槳軸承可選擇鈉基脂。變槳軸承潤滑脂的注入量要合適，根據實際的運行經驗得出，變槳軸承的潤滑脂最大注入量占軸承內部空間的60%～70%為宜。

3.4 優化潤滑系統控制方式

對于變槳軸承潤滑方式建議采用集中潤滑方式，盡可能減少或不采用人工注脂方式。對于集中潤滑系統的控制方式進行優化，將注脂方式改為軸承運行時注脂，機組停運或長時間停機時不注脂。這樣的話，軸承內部不會出現大量的潤滑脂累積，而且在軸承運行時注脂所需要的壓力（0.6×105Pa左右）遠遠小于密封圈的密封壓力（2.8×105Pa左右），不易發生密封圈漏脂情況[7]。對于注脂的頻率以及注脂量需要，根據變槳軸承的實際運行狀況（變槳角度、速度等）來確定。由于外界溫度對潤滑脂的稠度有較大影響，因而機組維護人員要根據外界溫度的變化來調整潤滑系統，外界溫度低時，潤滑脂比較稠，其泵送性也會變差，需要提高注脂頻率，確保軸承內潤滑脂充足，外界溫度高時，潤滑脂的泵送性好，需要降低注脂頻率。

4 結束語

在風電機組運行中，導致變槳軸承漏脂的原因較多，外界環境影響也是導致其漏脂的主要因素之一。因此，需要加強日常維護，根據風電場運行實際制定科學的維護措施，杜絕變槳軸承的嚴重漏脂現象。