風電場物理特性對風電機組軸承動態潤滑影響的因素分析

■ 楊小品 寇桂岳 趙志英

(1.南昌工程學院 2.北京航空航天大學)

0 引言

目前，風能作為重要的可再生能源類型已成為我國主要的發電能源，全國已有數萬臺風電機組在運行。風電場一般建在戈壁荒灘、山谷曠野或海上等工作環境惡劣之地，維修保養不易，加之風電機組設備比較昂貴，所以維持風電機組設備連續正常運行的潤滑系統顯得尤為重要。良好的潤滑不僅可以保證風電機組運行的安全和穩定，還可以節約潤滑油脂，并降低電力成本。軸承是風電機組設備中非常重要的零部件，風電機組中需要潤滑的軸承有很多，主要集中在主軸、偏槳、剎車等系統中。由于風能的隨機性與不穩定性，風電機組運行中軸承潤滑需求與負荷強度、運行時長、環境、溫度等方面有極大的關系。傳統人工注脂和定時定量的自動注脂潤滑方式較易造成欠潤滑和過潤滑，已不能滿足潤滑需求。應根據風電機組功率輸出、相關環境影響等因素，綜合考慮具體運行工況下的潤滑需求，才能為風電機組提供合理的潤滑方案[1]。若要選取適當的潤滑方案，必須對影響潤滑的一些重要因素進行分析，才能在確定潤滑方案時進行針對性處理。因此，本文從影響潤滑性能的各種內、外部因素出發，重點分析各因素對潤滑效果的影響，為動態潤滑控制策略提供理論支持。

1 風電機組壽命與潤滑關系的分析

一般而言，風電機組需要潤滑的部位超過80個，主要潤滑部位大致可分為軸承潤滑和齒輪潤滑兩類。在實際使用中，有70%的齒輪和軸承達不到預定壽命，影響軸承壽命的因素有很多[2-3]。

在GB/T 6391-2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》(即國際化標準ISO 281-2007)[4]中，軸承的壽命公式為：

式中，Lnm為修正額定壽命；L10為基本額定壽命；a1為可靠度修正系數；aISO為軸承壽命修正系數。

公式(1)中只有aISO為可變系數，可表示為：

aISO是與污染系數eC、疲勞載荷極限Cu、當量動載荷P及黏度比κ有關的函數。它將軸承在動態運行過程中材料的疲勞極限，潤滑的有效程度、污染程度和軸承當量動載荷等因素綜合考慮后對L10進行修正。因此，為了延長軸承使用壽命，可以通過調節aISO使軸承的修正額定壽命Lnm達到預期目標。

根據GB/T 6391-2010中向心滾子軸承的壽命修正系數圖可以看出：Cu/P一定時，aISO的最大和最小值范圍可在0.3～50之間，相差數百倍，從式(1)可以看出，aISO對Lnm影響很大。在惡劣條件下，aISO極小時，軸承壽命急劇下降；而在潤滑和清潔良好的極端條件下，aISO可達50，幾乎可使軸承擁有無限壽命。因此，研究與aISO相關的參數具有非常重要的實際意義。

根據制造商回收到的失效軸承的統計數據，得到了軸承失效形式的發生頻率，如圖1所示。 其中，43%的直接失效原因來自潤滑不當，而密封缺陷和次表面疲勞也可間接引起潤滑不當。

圖1 軸承失效原因占比情況

結合式(1)、式(2)和圖1可知，若要提高風電機組的軸承壽命，必須避免污染、提供良好的潤滑。恰當有效的潤滑方式和合適的潤滑量是提高軸承壽命、延長風電機組服役年限最有效的方式。良好的潤滑與環境條件和潤滑油自身均有較大關系[5]。風電機組載荷和軸承轉速與風速、風向及地理環境有關[6]，潤滑油品質量與溫度和濕度及污染有關，因此，在對風電機組制定潤滑方案時，必須對上述主要影響因素進行重點分析和處理。

1.1 溫度影響

外部溫度的影響主要是對密封部件的影響和對潤滑油脂的影響，其中對潤滑油脂的影響尤為嚴重。潤滑油脂的性能直接關系到潤滑效果，因此，溫度對潤滑效果的影響不可忽略。

良好的潤滑首先要能保證在兩個接觸面之間形成可以隔離摩擦面的潤滑油膜。潤滑油膜的充分形成依賴于潤滑劑的黏度，而黏度對于溫度的變化高度敏感。溫度每下降5 ℃，油脂表現的黏度即會翻倍。風力發電機全部裸露于室外環境中，在冬天，北方最冷月份的氣溫常低于-25 ℃，極端情況下甚至低于-40 ℃，風電機組停機后迅速冷卻，潤滑油會變得很黏稠，造成下次啟動困難；重啟時對潤滑油進行加熱形成最小油膜亦有時間上的影響。在夏天，風電機組處于太陽的暴曬之下，機艙溫度較高。溫度升高會導致潤滑黏度顯著下降，使潤滑油膜承載能力降低，最小油膜容易失效或者不易形成。最小油膜厚度大約是潤滑劑黏度的0.7次冪的函數。因此，對于工作環境溫度來說，超過合適溫度的±5 ℃，就需要考慮溫度變化的影響。溫度在70 ℃以上時，每升高15 ℃，潤滑脂的補充和更換周期要縮短1/2。在潤滑控制方案中要充分體現溫度變化這一因素的影響作用，油品的選擇、及時更換或改變補給周期是很有必要的。

受氣溫變化及低溫的影響，橡膠密封件更易老化。橡膠密封件老化后密封性能的下降則會導致潤滑污染的發生，比如，空氣中塵土泥沙等固態顆粒的入侵、雨雪水分的滲入，潤滑油脂的泄露等。嚴重的污染對于軸承的正常運行有致命性打擊。

1.2 顆粒污染影響

在潤滑污染中，顆粒污染引起的后果比較嚴重，能導致軸承迅速失效。顆粒污染包括外部環境中顆粒入侵和部件剝落微粒等。某些采用自動潤滑裝置的風電機組，潤滑部件設有開放性注油孔，因此更容易受到潤滑污染。硬顆粒侵入密封圈或者防塵蓋后進入到潤滑油和軸承內部空間，并在滾動體和滾道之間積聚，當大于油膜厚度的固體顆粒被帶入接觸區時，顆粒被碾壓碎裂與潤滑油發生反應會降低潤滑油的性能。若顆粒因應力作用嵌到滾動面形成凸起，軸承運轉時會在凸起處形成高溫；若顆粒在兩滾動面中間摩擦則會形成較深的壓痕，當壓痕深度達到幾微米時，潤滑油膜可能會破裂而形成負壓，在負壓周圍形成很高的壓力峰。滾動面凸起處同樣也會出現油膜壓力峰，這樣的高壓對滾動體和滾道材料表面和次表面壓力有極大的影響，成為疲勞失效的起始點，這些局部的初始疲勞會導致軸承迅速失效。

顆粒入侵會造成軸承的潤滑不良，影響使用壽命。根據污染物顆粒的不同尺寸可以判斷受何種雜質影響，來定量地評價污染對軸承疲勞壽命的影響。所以，在風沙較大的風電場，對軸承進行油浴清洗、改變潤滑油補給周期是很有必要的。

1.3 濕度影響

濕度屬于潤滑中的水分污染。在氣候潮濕的地區，如環湖風電場、海上風電場，則必須考慮空氣濕度的影響，因為水分不僅會對潤滑劑產生破壞作用，對機械部件也會產生不良反應，比如部件工作表面生銹等。水汽或雨水、雪水的入侵會影響潤滑劑中的水分含量，潤滑劑中水的含量是影響潤滑性能的重要因素，最大水分含量應控制在4×10-5。水分的污染將引起金屬部件腐蝕，破壞邊界潤滑保護層。水分通過物理和化學作用使潤滑劑性能劣化或失效，縮短油品使用壽命。油脂中的水分能使接觸表明產生銹蝕。若摩擦面有剝落下來的細微顆粒，環境中濕氣和潮氣會與這些顆粒的氧化物發生水合反應，還會導致所謂的微動磨損腐蝕或摩擦氧化現象，從而對軸承壽命產生不利影響。因此，對于保持潤滑劑干燥方面，潤滑油脂加注時的防塵防潮要做好充分的保護設施，在條件允許時，可設立油脂的在線監測系統，以分析油脂中水分及雜質含量并進行凈化處理。

1.4 地理位置的影響

地理位置主要影響風電機組的運行工況，而風電機組運行工況決定著自身機械部件的磨損，各部件潤滑時間間隔和潤滑劑量的選取以抗磨損為主要依據。

風電機組在風電場的分布較分散，因此，整體上具有非常大的空間差異，而這些空間差異導致了風電機組之間工作情況的差異。由于地形及空氣動力學的影響，風電機組位置和迎風點決定了風電機組的出力，在主風向區域，風電機組出力較多，而在風向不明顯的區域，風電機組出力較少。處于同一風電場的各風電機組運轉情況也不盡相同。

在風電機組的機艙中，主要軸承潤滑部件有葉片軸承、主軸、發電機軸承、偏航系統和剎車系統等。葉片為風能捕獲部件，葉片帶動主軸和發電機轉動，將機械能轉換為電能。主軸和發電機的工況不僅與風速有關，還與其載荷有關[7-8]。在葉片轉動和需要變槳時，其運行工況與風速和風向參數有關。偏航系統要保持機艙與風向一致，運行工況與風向有關。剎車系統則主要與切入風速、切出風速及系統故障有關。工況不同，各部件的機械磨損均不同，因此，同一風電機組中，不同的部件對潤滑的需求也不同；而軸承的連續正常運轉取決于潤滑的方式和劑量，因此，必須根據風電機組的實際運行工況確定合適的潤滑方案，才能保證軸承的正常運行。

地理位置因素和風能特性的結合對風電機組潤滑方案有決定性作用，應根據風電機組狀態反饋數據及風場現場采集的數據進行綜合分析決策。

1.5 風電機組啟停的影響

因并網和保護風電機組的原因，風電機組要在一定風速范圍內才可以工作，當出現工作風速范圍以外的切出風速時需要及時停機。當出現風速超快、振動過大、電機溫度過高等故障時，需通過液動制動裝置的動作來實現緊急停機。

風電機組主軸承受的載荷有徑向載荷和軸向載荷，在啟停機過程中主軸受力不均勻，在頻繁陣風啟停時會把潤滑油從受力較大的部分接觸面中擠出，不利于啟動時的油膜形成[9]。在正常運行中，風力不穩定時，由于載荷引起振動偏高也會把潤滑油從摩擦中擠出，從而破壞最小油膜的完整性。因此，風電機組切入切出的頻率必須要作為擾動量加以考慮；而風電機組載荷則作為隨動量在最小油膜形成及作用過程中加以處理。另外，在寒冷時節，風電機組啟動時還應考慮潤滑油的加熱問題[10]。

2 結語

優良的潤滑系統既能延長風電設備壽命，又能降低發電成本、節約能源、提高風力發電機的盈利能力[11]。風電機組潤滑點眾多，影響風電機組潤滑的因素亦很多，本文重點分析了外界環境的影響因素，在實際應用中，應充分考慮潤滑點各種相關情況來選取合適的潤滑劑，并采取恰當的潤滑方案。對于給定的軸承應用，應當保持恰當的安裝技術，盡量避免各種污染，在選擇合適的潤滑劑的基礎上，用調整潤滑油脂的供給方式來優化軸承壽命修正系數aISO，使軸承壽命盡可能的延長，能達到甚至超過設計壽命。

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