風力發電機組變槳軸承不出油問題原因分析及改進措施

孫樂樂

（國電聯合動力技術有限公司，北京100039）

0 引言

近年來，隨著能源和環境問題日趨緊張，新能源越來越受到國家重視，其中風電就是迅猛發展的新能源之一。

風力發電機組所用軸承根據用途大致分為三類[1-3]，即主軸承、偏航軸承、變槳軸承。變槳軸承是風力發電機組的關鍵部件之一，槳葉通過變槳軸承安裝在輪轂上。對于變槳軸承，由于其影響變槳的連貫性和穩定性，往往要求其能夠可靠運行20年。

變槳軸承所處的環境往往比較惡劣，加上低速運轉和擺動等工況特點，個別風場存在變槳軸承集油瓶采集不到油的現象。基于此，有必要對變槳軸承不出油問題進行分析并提出改進措施。

1 變槳軸承不出油的影響因素

在風力發電機組中，變槳軸承采用的結構形式通常為內圈帶齒或無齒雙排四點接觸球軸承。對于個別風場出現的變槳軸承集油瓶收集不到油的現象，其影響因素大致有三個方面，具體如下：

1.1 注油量及注油頻率

變槳軸承運行前需填充一定量的潤滑油脂，通常初潤滑時，注油脂量一般為軸承內部有效空間體積的60%～80%[4]。

潤滑方式分為手動潤滑和自動潤滑。風機維護時，隨著新油脂注入，溝道內舊油脂便會從排油孔中排出，收集在集油瓶中。手動潤滑時，注油周期需根據變槳軸承的運行情況、工作環境、潤滑脂的壽命等因素來確定，通常注油的周期是半年[5]。對于自動潤滑，其注油頻率與外界環境因素、潤滑系統性能有關，潤滑油脂的黏度受溫度影響特別大（溫度每下降5℃，油脂表現的黏度即會翻倍），低溫時黏度大，難泵送，要求的打油頻率高；高溫時黏度小，易泵送，要求的打油頻率低。

1.2 密封及密封過盈量

變槳軸承密封系統由軸承內外圈端面密封槽、密封圓臺結構及專用密封圈三部分構成。密封圈固定在軸承套圈的端面密封槽內，密封圈唇口與密封圓臺徑向采取過盈配合[6]。過盈量需合理制定，否則受載時將影響密封使用性能。

密封一般采用雙唇密封，如圖1所示，盡量避免使用單唇密封。雙唇密封的優點在于外面的密封唇用來阻止外面的粉塵進入軸承；里面的密封唇用來阻止軸承里面的潤滑脂泄漏，同時保持腔內工作壓力。

密封圈材料通常采用耐油的丁腈橡膠，密封圈的密封過盈量要能滿足以下要求：在使用壽命中，軸承的腔內工作壓力保持在0.2 MPa，腔內極限壓力達到0.25 MPa；且密封圈與接觸面要有足夠高的粗糙度，以減少摩擦，減小啟動摩擦力矩[6]。

圖1 密封系統示意圖

1.3 載荷及位移關系

變槳軸承的結構形式為雙排4點接觸球軸承，鋼球和內外滾道形成4對接觸點，受力情況如圖2所示。圖中，Fa為軸承承受的軸向載荷，Fr為軸承承受的徑向載荷，M為軸承承受的傾覆力矩，dm為軸承節圓直徑，dc為兩排鋼球之間的中心距[7-8]。

圖2 變槳軸承受力圖

假設變槳軸承外圈固定，在軸向力Fa、徑向力Fr和傾覆力Mθ矩聯合作用下，軸承的內、外套圈產生軸向相對位移δα、徑向相對位移δr和相對轉角位移θ。

Fa、Fr和Mθ已知，和δa、δr和θ的關系是關于此三個未知量的三元非線性方程組，運用Newton-Raphson非線性方程組的數值解法可解得δa、δr和θ[9]。

載荷的大小將影響內外圈的相對位移，同時也將影響密封的實際使用能力，如果密封的能力不足以抵消內外圈的相對位移，將導致油脂從密封處泄漏，從而集油瓶采集不到油。

2 變槳軸承不出油的原因分析

2.1 注油量分析

變槳軸承中，潤滑油脂為半固體，流動性較差，并且軸承套圈和滾珠有一定的密合度。對于不出油的軸承，首先需要辨明兩種情況：是軸承未注滿導致的集油瓶未采到油還是密封漏油導致的集油瓶未采到油。

第一種情況，需檢查初始注脂量和維護時注油的記錄，從而辨別注脂總量是否達到軸承內部有效空間體積。

第二種情況，若現場采用的是手動潤滑，由于一次性注入的油量太大，為避免造成變槳軸承內部局部壓力過大而頂開軸承密封圈，需要分次注入，每次注意變槳一定的角度，以便使潤滑油脂盡量分散均勻。若采用自動潤滑，其注油頻率及每次注脂量需合理制定。

2.2 密封分析

由于變槳軸承處于惡劣的運行環境中，易出現密封失效現象，從而導致實際應用中局部密封部位承壓能力下降，油脂突破密封內唇，從唇口處溢出。對于不出油的風機，需對軸承密封進行詳細的分析，主要分為以下兩種情況：

（1）軸承密封圈自身物理性能差。軸承密封圈材質不良，其耐低溫、耐油壓、耐鹽霧侵蝕及耐磨損性能差。

（2）軸承密封圈粘接和安裝質量差。密封圈分整體或粘接兩種形式，需合理計算實際需要的密封圈長度，軸承密封圈長度不合理、軸承密封圈粘接不牢固和軸承密封圈安裝方式不合理均將影響密封的實際應用性能。

2.3 載荷和密封過盈量分析

為保持密封的良好效果，應保證變槳軸承受載后密封唇與套圈之間仍有一定的過盈量。具體體現在：密封安裝處內外圈最大徑向相對位移量應保證變形后不脫離套圈的凸緣；密封安裝處內外圈最大軸向相對位移量應保證變形后不接觸到套圈的凸緣。

在軸向力Fa、徑向力Fr和傾覆力Mθ矩聯合作用下，軸承的內、外套圈產生軸向相對位移δα、徑向相對位移δr和相對轉角位移θ。

對于載荷和密封過盈量的關系，主要分為三類：

在第一類極限工況中，密封的過盈量大于變槳軸承在此極限工況下的變形，滿足使用要求，油從集油瓶處排出。

在第二類極限工況中，密封的過盈量略大于變槳軸承在此極限工況下的變形，此時，排油口處的油壓約等于集油瓶出口壓力，油從集油瓶處和密封出，部分集油瓶采集不到油，出現不出油現象。

在第三類極限工況中，密封的過盈量小于變槳軸承在此極限工況下的變形，不滿足使用要求，油從密封處漏出，集油瓶采集不到油，出現不出油現象。

3 變槳軸承不出油問題的改進措施

上面分析了變槳軸承不出油的原因，針對這些原因采取的改進措施有：

（1）嚴格按照規范注油脂。初始注脂時需嚴格按照規定的軸承內部有效空間體積60%～80%進行加注，此外，維護時要嚴格控制注脂量，同時要進行變槳以確保注脂均勻性。

（2）選用綜合性能較好的密封，并注意安裝方式。

首先，需選擇低溫性能好、耐磨性好且使用壽命較長的密封。密封的性能需進行相應試驗，比如常規的拉伸強度、低溫測試以及老化試驗，以確定是否適合風電軸承的工況。

其次，安裝時，對于剪裁型密封，首先要由設計人員計算軸承所用密封的長度，裝配人員按照計算出的長度剪裁出對應的密封，用專用的黏合劑粘接。在密封槽中選擇8個等分點，將密封圈置入這8個點內，按順時針或逆時針方向檢驗密封件整圈是否壓實，有無不平整或凸、凹等缺陷。整體型密封件安裝方式與長條剪裁型一樣，也是采用8點進行安裝[10]。

（3）合理設置密封件的過盈量。根據極限工況的載荷，按照工程算法亦或是有限元分析，使密封的過盈量大于軸承內外圈的偏移量。

4 結語

變槳軸承是變槳系統中一個重要的零件，本文對軸承不出油的原因做出了分析并給出了解決措施，給風力發電場技術維修提供了故障診斷幫助，同時也給軸承制造和安裝部門提供了研究依據。

[1]孫立明，陳原，宋麗.風力發電機組關鍵軸承設計技術[J].軸承，2008（特刊）：49-54.

[2]陳龍，杜宏武，武建柯，等.風力發電機用軸承簡述[J].軸承，2008（12）：45-50.

[3]李媛媛，葉亞飛.風力發電機專用軸承[J].軸承，2004（2）：48-49.

[4]滾動軸承 風力發電機組偏航、變槳軸承：GB/T 29717—2013[S].

[5]胡雪松.風力發電機變槳軸承潤滑解決方案[J].價值工程，2011，30（13）：35-36.

[6]李智.風電轉盤軸承密封圈粘接及安裝工藝分析[J].金屬加工（冷加工），2014（15）：30-31.

[7]張宏偉，邢振平，劉河，等.兆瓦級風電機組變槳軸承設計與技術要求[J].風能，2010（11）：46-49.

[8]王燕霜，袁倩倩.負游隙對特大型雙排四點接觸球軸承載荷分布的影響[J].機械工程學報，2012，48（21）：110-115.

[9]王思明，羅繼偉，許明恒.風力發電機變槳軸承力學分析[J].中國工程機械學報，2011，9（1）：73-76.

[10]戴天任，趙雁，蘇兆力，等.風電轉盤軸承常用密封件的選型與安裝[J].軸承，2012（8）：56-58.