劉勇，王興祖，趙登利

（山東中車風電有限公司 風電裝備研究所，濟南 250022）

隨著風電產業的迅猛發展，風電機組正朝著低風速、高功率的方向發展，在功率提升的同時，風機對各子系統均提出了更高的要求。偏航、變槳軸承作為風電機組的核心零部件，長期以來大多依賴國外進口，近年來國內大批優秀的軸承廠家在風電領域開始嶄露頭角，已具備兆瓦級風電軸承的設計、研發、制造以及測試能力［1］。

變槳軸承作為變槳系統的關鍵，直接影響整個變槳動作的連貫性、穩定性以及精準度。國內外廠家均逐年加大對變槳軸承設計研發的投入力度，然而軸承的漏油問題始終沒有得到很好解決，漏油現象依然頻繁出現。考慮到潤滑脂對軸承潤滑的重要性以及變槳軸承高昂的拆卸成本，故對變槳軸承漏油問題進行分析。

1 變槳軸承

變槳軸承作為連接輪轂與葉片的樞紐，主要選用雙排四點接觸球軸承，結構如圖1所示，其承載能力強、回轉阻力小、使用壽命長，對安裝基座的要求不高，廣泛運用于兆瓦級風電機組［2］。考慮到風機所處環境較為惡劣，變槳軸承多選用雙唇式丁腈橡膠密封件（圖2），其不僅低溫性能好、扯斷強力大、耐磨性能強，而且內唇可防止油脂溢出，外唇可抵擋異物侵入，密封座可起到定位作用［3］。潤滑劑常采用復合鋰基潤滑劑，其老化后為白色水狀，不會對球造成嚴重影響，而且潤滑效果良好。

圖1 雙排四點接觸球軸承Fig.1 Double row four point contact ball bearing

圖2 雙唇式密封件Fig.2 Double lip seal

2 漏油現象

通過對國內各大風場進行調研，發現運轉多年的風電機組不同程度的存在密封圈潤滑脂溢出的現象。根據漏油程度的不同，將其劃分為2種類型：

1）輕微漏油。集油瓶和密封圈處均有潤滑脂溢出，集油瓶收集到絕大部分潤滑脂，密封圈處僅有少許潤滑脂溢出（圖3）。

圖3 輕微漏油Fig.3 Minor oil leakage

2）嚴重漏油。集油瓶未收集到或僅收集到少許潤滑脂，而密封圈處有大量潤滑脂溢出（圖4）。

圖4 嚴重漏油Fig.4 Serious oil leakage

考慮到變槳軸承出廠前已注入空腔體積60%～90%的油脂，后期維護、保養又會注入新的油脂，軸承密封旋轉會增大內部油壓，再加上旋轉過程中油溫的升高以及油脂本身的侵潤性，密封件可能會有少許油脂滲出，因此輕微漏油屬于正?，F象。密封件自身具有一定的承壓和密封能力，是軸承內部和外界的有力屏障，如果發生嚴重漏油，說明整個潤滑脂的流通可能存在異常，需進行深入、詳細的研討。

3 理論分析

通過手動或自動的方式將潤滑脂從注油孔注入到變槳軸承溝道內，后續維修、保養時，隨著新油脂的注入，溝道內的舊油脂便會從排油孔中排出，由集油瓶回收。整個潤滑脂的流通主要受油脂容量、潤滑油路以及軸承密封3個因素影響。

3.1 填充量分析

為防止變槳軸承因缺少潤滑脂而造成金屬表面干摩擦，均會注入一定量的潤滑脂。潤滑脂填充量直接影響軸承的運行狀態，油脂填充量過多時，不僅會提高軸承的溫升，還會增大其摩擦轉矩，而且當填充量超過理論最大容脂量的2/3時，軸承會有漏脂的風險［4］，考慮到變槳軸承所承受的載荷普遍較大，漏脂現象將會更加嚴重。

3.2 油路分析

潤滑脂的油路可分為進油油路、工作油路以及排油油路，涵蓋注油孔、溝道、排油孔以及集油瓶管路。由于存在嚴重漏油現象的變槳軸承均表現為集油瓶未收集到或僅收集到少許潤滑脂，因此將研究重點放在排油油路方面，即排油孔和集油瓶管路對潤滑脂流通的影響。以某風場2MW機組變槳軸承為例，已知排油孔尺寸為M14 mm×1.5 mm×20 mm，內徑為9.8 mm，集油瓶管路內徑為6.5 mm，集油瓶管路與集油瓶存在一個直角彎，因此整個排油油路（圖5）不僅包括摩擦阻力，還包括2個收縮的局部阻力以及一個折彎的局部阻力。圖5中，l1為軸承外圈注油孔長度；l2為集中潤滑管接頭通徑長度；d1，d2分別為2段管路的直徑。

圖5 變槳軸承排油油路Fig.5 Oil discharge circuit of pitch bearing

已知鋰基潤滑脂是由基礎油和稠化劑形成的假塑性非Newton流體［5］，采用Herschel-Bulkley模型描述潤滑脂較為復雜的流變特性，其摩擦阻力和局部阻力分別為［6-7］

排油油路潤滑脂的阻力損失為

式中：ξ1，ξ2分別為l1，l2段管路收縮處綜合阻力系數；ξ3為l2段管路直角彎處綜合阻力系數。

已知所選潤滑脂的密度為1.076×103kg/m3，黏度為4.6×10-4m2/s（40℃），當l1=50 mm，d1=9.8 mm，l2=70 mm，d2=6.5 mm，v≈0.6 mm/s時，排油油路潤滑脂的阻力損失約0.05 MPa，小于溝道內潤滑脂的油壓0.2 MPa，排油油路滿足流通要求，潤滑脂可克服排油油路的阻力損失，由集油瓶管道中排出。

3.3 密封分析

密封件作為變槳軸承密封的關鍵，不僅能夠在-40～50℃溫度下繼續保持穩定的密封性能，還可有效防止輻射以及氧化氣體進入，使得軸承內部空間得到有效隔離，其密封效果主要影響因素有：1）密封件自身的承壓能力；2）軸承內、外圈的偏移量。

密封件自身的承壓能力由密封件的尺寸和形狀決定，雙唇式密封結構相對于單唇式具有更好的密封性能，已知變槳軸承溝道內潤滑脂的油壓約為0.2 MPa，雙唇式密封件完全可以滿足其承載要求。

雙唇式密封件的內唇、外唇具有較好的密封性能。當軸承內、外圈的偏移量增加，超過密封件內、外唇的允許范圍時，密封件的過盈量則會減小，甚至出現開口現象，此時，隨著密封件承壓能力的急速下降，油脂便會突破內唇的限制，并從唇口處溢出。

4 試驗

4.1 風場試驗

考慮到排油油路對潤滑脂流通的影響，針對存在嚴重漏油現象的變槳軸承做如下對比試驗。

4.1.1試驗1

1）選擇5臺（每臺3套）變槳軸承均存在嚴重漏油現象的風機，將各軸承依次進行編號；

2）將各軸承溢出的油脂擦拭干凈，并用膠木棒逐個按壓密封件，確保密封件已壓實；

3）依次注入1 kg潤滑脂，查看各軸承的漏油情況。

試驗發現，各軸承依然出現嚴重漏油現象，而且集油瓶中未有潤滑脂溢出。

4.1.2試驗2

1）將溢出的潤滑脂再次擦拭干凈，并用膠木棒依次按壓密封件，確保密封件已壓實；

2）拆除各軸承的集油瓶，并逐個注入潤滑脂，查看各軸承的漏油情況。

試驗發現，15套軸承中共有3套出現密封件和排油孔同時溢油，其余12套軸承的密封件不再漏油，而是從排油孔中溢出。

通過上述對比試驗可知，排油油路不暢嚴重影響潤滑脂的流通，盡管排油孔和集油瓶管路孔徑已滿足理論設計要求，考慮到老化的潤滑脂堆積以及密封件的磨損等問題，排油孔和集油瓶管路的孔徑以及長度仍需調整，以滿足潤滑脂的流通要求。

4.2 試驗臺試驗

由于風機的實際工況難以控制，以及變槳軸承拆卸和密封件更換的難度較大，故在試驗臺上進行靜載以及動載試驗［8］。

4.2.1 靜載試驗

1）選用2套2 MW變槳軸承裝配至試驗臺（圖6），初始注脂量均為4 kg，空載轉動試驗軸承（由于試驗臺結構自重，實為輕載，M≈700 kN·m，徑向載荷Fr≈200 kN，軸向載荷Fa=0），轉速為1.6 r/min。

圖6 變槳軸承試驗臺Fig.6 Test bed of pitch bearing

2）連續運行7 d，每天每套軸承分別注脂約0.5 kg，在距注脂孔約180°位置裝集油瓶，觀察軸承密封件和集油瓶的溢脂情況。

試驗發現，2套軸承的密封效果良好，排油油路暢通，油脂均從集油瓶中溢出，密封件無油脂溢出。

4.2.2 動載試驗

1）靜載試驗后，分別施加4 000，6 000 kN·m扭矩進行動載試驗，每個階段連續運行5 d；

2）將千分表表座置于軸承外圈，表針指向軸承內圈，加載完成后，查看軸承內、外圈相對偏移量；

3）每天每套軸承注脂0.5 kg，觀察軸承密封件和集油瓶的溢脂情況。

試驗發現，施加4 000 kN·m扭矩后，表針顯示2套軸承內、外圈相對偏移量分別為0.9，1.0 mm，集油瓶和密封件均有油脂溢出；施加6 000 kN·m扭矩后，表針顯示2套軸承內、外圈相對偏移量分別為1.5，1.6 mm，密封件溢出大量油脂，集油瓶不再有油脂溢出。

通過靜載和動載試驗可知，軸承排油油路暢通，雙唇式密封件在靜載情況下密封效果良好；動載情況下，隨著載荷的加大，軸承內、外圈相對偏移量也會相應增加，密封件內唇的過盈量對應減小，以至于造成油脂從唇口處溢出。

5 結論

通過對變槳軸承漏油問題進行理論分析，并結合試驗，得出漏油原因為：

1）潤滑脂填充量過多。過多的潤滑脂不僅會影響軸承的正常運行，還會導致軸承漏油。一般情況下，密封軸承應控制潤滑脂的填充量，最多不超過內部空間的50%［4］。

2）排油油路不暢。應盡量增大排油孔和集油瓶管路孔徑或減小集油瓶管路長度，并且在空間布局允許的情況下，避免管路折彎，采取直管形式連接集油瓶。

3）密封件不具備補償軸承內、外圈偏移量的能力。變槳軸承在極限載荷情況下，內、外圈偏移量超過2 mm，傳統雙唇式密封件無法滿足其密封要求。為此，要提高軸承加工精度、完善軸承制造工藝，減少軸承內、外圈的偏移量，并提高軸承內、外圈加載情況下抵抗偏移的能力；改進密封件結構，以減小軸承內、外圈偏移對密封件的影響，或使密封件具備補償2 mm及以上偏移量的能力。