風力發電機組主軸軸承潤滑脂的研制及應用

高宇航，王佳，王慶日

(遼寧海華科技股份有限公司,遼寧 鞍山 114229)

0 引言

近20多年來，風電技術日趨成熟，應用規模越來越大，裝機容量持續增長。發展以風電為代表的可再生能源，已成為世界各國應對未來能源和氣候變化壓力的長期策略。我國從1986年在山東榮成建立了第一個風電場開始至今，風電累計裝機容量已位居世界第一(見圖1)。

2017年我國制定了風力發電機組專用潤滑劑系列國家標準，明確了我國風電潤滑油脂的性能要求[1]。在開啟中國風力發電機組用油規范化的同時，也為國內潤滑油脂生產企業打開一扇窗，逐漸增多的國產化替代已開始動搖進口油脂在風電潤滑領域的壟斷。但對于很多中國企業來說，對風電潤滑的相關經驗尚且不足，大多是根據經驗來判斷油脂潤滑狀況。本文介紹了風力發電機組主軸軸承潤滑脂的研制，研究人員采用FE8、FE9、SRV和SKF EMCOR等試驗測試了該產品各項性能，并用了三年時間跟蹤該產品在1.5 MW風力發電機上的應用情況。

1 風力發電機組主軸軸承的工況及潤滑要求

1.1 軸承工況條件

我國風力發電廠通常設在戈壁曠野、山區風口、海邊海島等人煙稀少的地區，交通不便。而且風力發電機組又通常固定于幾十到一百多米高的塔頂上，不易維護，因此對主軸軸承有著嚴格的要求。工況條件如下：

(1)國內風場遍布較廣，環境溫度約在-40～40 ℃之間，且經常頻繁停機和啟動。

(2)極易受沙塵、雨雪、海水鹽霧侵蝕等環境因素的影響。

(3)風速較高時，主軸上面所承受的來自葉輪的軸向力更大，致使后排軸承滾動體后移，導致其與內外圈間隙減小，摩擦增大，軸承溫度升高，此時若潤滑不充分則會造成嚴重的磨損[4]。

(4)風電設備昂貴，難以維修，設計使用壽命多為20年，要求具有很高的潤滑可靠性。

1.2 軸承潤滑性要求

主軸作為風力發電機組支撐旋轉的核心部件，因其較難的維護與保養，使得主軸軸承對潤滑劑的使用壽命和使用穩定性有著很高的要求。可以說確保主軸軸承的有效潤滑，在一定程度上可決定風機的壽命與性能[2-3]。主要性能要求如下：

(1)低溫性能：確保風力發電機組主軸軸承在低溫時可以啟動及運行，即低溫潤滑性。

(2)防護性能：可在苛刻的環境下(潮濕、鹽霧)保護設備軸承不被銹蝕。

(3)極壓抗磨性能：提高主軸軸承的承載和抗沖擊負荷能力，降低軸承溫升，并能改善軸承抗微動磨損性能。

(4)潤滑可靠性：超長使用壽命，無需頻繁更換，有效降低能耗。

2 風機主軸軸承潤滑脂的研制

為了適應風機主軸的工況和其他影響因素，把主軸軸承潤滑脂的高低溫性能、極壓抗磨性能、抗水性能和防銹性能作為重點關注指標，通過SRV抗微動磨損、軸承壽命(FE9)、軸承磨損(FE8)和防銹性(SKF EMCOR)臺架試驗，對風電主軸軸承潤滑脂進行了研究。

2.1 基礎油的選擇

基礎油作為潤滑脂中含量最高的組分，其性能對潤滑脂的性能有著直接影響。由于風機主軸具有低速重載、長壽命、低溫下頻繁啟停的工況條件，這就要求基礎油具備足夠的油膜厚度和優異的高、低溫性能。

顯然，合成油具備這種優異的理化性能，更符合主軸軸承潤滑脂的需求。對于低速重載工況下的軸承潤滑分析，為延長壽命，需要使潤滑脂更易達到彈性流體潤滑的條件，采用Dowson膜厚計算公式[5]，得到主軸軸承對油膜厚度的要求(基礎油黏度V40:460 mm2/s)，同時又考慮到抗水性和經濟性，最終確定了合成烴(PAO)作為其基礎油。

但PAO的極性低，對稠化劑和添加劑的溶解性較差，還會使密封件產生收縮等問題，因此必須加入酯類油來改善其溶解性和相容性[6]。

2.2 稠化劑的選擇

稠化劑作為潤滑脂中第二大組分，同樣對潤滑脂的性能有著決定作用。復合鋰皂在國內技術成熟，對各種類型的基礎油均有較強的稠化能力，并對添加劑感受性好，如變換不同的基礎油和添加劑，可明顯改善潤滑脂的抗氧化性、防銹性和極壓抗磨性等性能[7]。同時，復合鋰基潤滑脂可以滿足主軸軸承對高溫、長壽命等的要求，最終確定了復合鋰皂作為稠化劑。

2.3 添加劑的選擇

風力發電機組主軸軸承的工況要求潤滑脂具有極壓抗磨性、抗氧化性和防銹性，因此對添加劑的選擇進行了如下探索。

2.3.1 極壓抗磨性

潤滑脂的極壓抗磨性普遍來自于含硫、磷、鋅、鉬等元素的添加劑復配，不同類型的極壓劑在潤滑脂中提供了不同的性能。但一些硫/磷極壓劑可能會對軸承壽命產生負面影響[8]，所以需要在考慮壽命的前提下選擇添加劑。選擇四種樣品A1、B1、C1、D1，根據四球機法PB、PD值(SH/T 0202)和抗磨性能(SH/T 0204)來考察極壓抗磨劑的復配效果，測試結果見表1。

表1 極壓抗磨劑復配效果

由表1可見，硫、磷劑的復配可以明顯提高PD值，而含鉬劑的加入使潤滑脂PB值大幅度提高，磨斑明顯變小。將四者以合適的比例復配，使潤滑脂極壓抗磨性能達到最佳值。

2.3.2 抗氧化性

金屬皂與基礎油一樣，含有烴鏈容易被氧化，且相比于潤滑油，潤滑脂在軸承運行時形成油膜的比表面積更大，更易被氧化。因此，選用合適的抗氧劑可以有效提高潤滑脂的使用壽命，以解決風電設備不易維護的問題。選擇5種樣品A2、B2、C2、D2、E2，通過氧化安定性(SH/T 0325)和其蒸發損失(GB/T 7325)評價其抗氧化能力，結果見表2。

表2 抗氧劑在主軸軸承脂中的測試結果

由表2可見，樣品E2采用了胺、酚型抗氧劑混合，再復配ZDDP和金屬減活劑的方案，主軸軸承脂的抗氧化性能有了明顯提升，使稠化劑對基礎油具備更強的保持能力。

2.3.3 防銹性

海上風電由于其資源豐富、風速大、不與其他發展項目爭地、可以大規模開發等優勢，一直受到各國關注。但海上潮濕、鹽霧等苛刻的工況環境對裸露的主軸軸承的潤滑與防護提出了較高要求。

依據SH/T 0700，采用SKF EMCOR臺架試驗來考察其動態防銹性能；依據SH/T 0081，采用鹽霧箱試驗來考察其靜態防銹性能，試驗條件：35 ℃，濃度為5%的NaCl溶液，72 h。選擇5種樣品A3、B3、C3、D3、E3，詳細結果見表3。

表3 主軸軸承脂防銹性能考察

由表3數據可見，以鹽水為試驗條件的防銹性能最難解決，經過多種添加劑復配篩選，磺酸鹽與羧酸鹽的復配可以有效改善潤滑脂在鹽水中的防銹能力。

2.3.4 生產工藝

采用常壓釜兩步法工藝生產復合鋰基潤滑脂，100 ℃時十二羥基硬脂酸與氫氧化鋰水溶液開始一步皂化反應。升溫至140 ℃時，加入癸二酸和氫氧化鋰開始二步皂化反應。升溫至210 ℃煉制保溫，降溫至80 ℃時加入添加劑，均化處理并包裝。

3 風機主軸軸承潤滑脂的性能評價及對比

依據GB/T 33540.1-2017《風力發電機組專用潤滑劑 第一部分：軸承潤滑脂》中風力發電機組主軸偏航變槳距軸承潤滑脂技術要求和試驗方法，對產品進行全項分析，并與同類進口產品對比，詳細結果見表4。

表4 主軸軸承潤滑脂與進口同類產品性能對比

由表4可見，主軸軸承潤滑脂各項指標滿足國家標準要求，在安定性能方面與進口競品相比具有明顯優勢。為進一步考察該產品的壽命和摩擦磨損性能，采用FE9、FE8和SRV臺架試驗來進行全面評估。

4 臺架試驗

4.1 抗微動磨損性能測試

微動磨損是反映潤滑脂在周期性小振幅狀態下抗磨損能力的指標。風機在野外受無規律的強風影響，設備由此產生的顫動會直接作用于主軸軸承、偏航軸承和變槳軸承，因而主軸軸承潤滑脂需具備抗微動磨損能力。

測試設備：OPTIMOL的SRV第五代試驗機(如圖2)；試驗方法：ASTM D7594；試驗條件：100 N，50 ℃，0.3 mm，50 Hz，4 h；以試驗球對試驗盤進行往復試驗。詳細測試結果見圖3、圖4。

圖2SRV抗微動磨損測試設備

圖3 主軸軸承潤滑脂SRV摩擦系數

圖4 進口主軸軸承潤滑脂競品的SRV摩擦系數

由圖3、圖4對比可見，主軸軸承潤滑脂摩擦系數略高，但摩擦系數曲線更平穩，潤滑脂的摩擦磨損性能更穩定。

SRV測試得到的摩擦系數并不能直接用于判斷潤滑脂的摩擦磨損性能，同時還需參考頂球磨痕直徑和摩擦系數曲線的平穩程度。詳細數據見表5。

表5 主軸軸承潤滑脂與進口競品SRV摩擦系數及磨痕對比

注：f表示摩擦系數，W表示磨痕。

由表5對比數據可見，第15min、30min、45min、60min的摩擦系數對比顯示，主軸軸承潤滑脂的摩擦系數變化小，更穩定；而其摩擦系數雖然略高，但磨痕直徑卻更小，抗磨性能也更好。SRV測試中的摩擦系數并不是越小越好，往復式的微動磨損著重考察的是軸承滾動體對其內、外圈和保持架產生的滑動摩擦，所以過低的摩擦系數可能會導致軸承滾動體更易產生滑動運動，進而降低軸承使用壽命。

4.2 FE8軸承磨損性能測試

FE8軸承磨損試驗是考察潤滑脂對軸承的耐磨保護能力(見圖5)。通過查閱與收集，整理了我國風力發電機組中常用的國外多家同類產品FE8試驗條件，詳見表6(FE8因測試成本較高，研發產品已滿足FAG對軸承產品FE8的要求，故未做競品測試)。

圖5 FE8測試軸承

通過表6的調研結果，并結合我國實際情況，選擇了FE8的測試條件：536050軸承，80 kN，80 ℃，7.5 r/min，500 h；測試方法：DIN 51819。測試結果見圖6和表7。

圖6 FE8測試扭矩曲線

由圖6可見，測試扭矩無異常增大情況出現，且有穩定下降的趨勢。

表7 FE8磨損量測試結果 mg

由表7數據可見，測試軸承在測試周期內未失效，并且VWK50≤35 mg ，符合舍弗勒FAG產品標準要求，具有良好的抗磨損性能。

4.3 潤滑脂分油性能與FE9軸承壽命的關系

潤滑脂主要是依靠基礎油來潤滑軸承設備，因而其分油能力決定其長期持續地對潤滑表面供油，適當地分油對潤滑壽命會產生積極影響。FE9潤滑脂潤滑壽命是反映潤滑脂潤滑可靠度的指標，其壽命的長短體現出潤滑脂可靠性能的高低。

FE9試驗方法：DIN 51821；試驗條件：軸承安裝方式A，1500 N，6000 r/min，140 ℃。

油分離度試驗方法：IP 121；試驗條件：40 ℃，168 h。

表8考察了潤滑脂分油能力與FE9軸承壽命的關系，同時對比了進口同類產品。

表8 潤滑脂分油能力對FE9的影響及與進口競品對比

由表8可見，潤滑脂分油能力與FE9軸承壽命是有一定相關性的，過低或過高的分油均會導致壽命的下降，因而控制分油的速度可以延長使用壽命。主軸軸承脂B方案的測試結果好于進口同類競品。通過拆卸B方案的軸承(見圖7)可見，軸承內部仍有殘余的潤滑脂，外部未見大量基礎油析出的情況。

圖7主軸軸承脂B的FE9軸承壽命拆卸

5 風電主軸軸承脂在風力發電機上的應用與監測

5.1 產品上機應用

選取一臺運行狀態良好的金風1.5 MW風電機組，進行油脂更換(見圖8)，同時選取一臺狀態相同的1.5 MW風機作為參照。對比分析油脂更換后對機組運行、維護等方面產生的影響，為將來的國產化油品替代打下基礎。

圖8主軸軸承潤滑脂更換

5.2 跟蹤監測

監測取樣周期由密到疏，并根據運行脂樣品指標來不斷調整取樣周期，完成三年的產品及數據跟蹤監控。運行樣品詳細檢測數據見表9。

表9 主軸軸承脂運行三年監控數據統計

注：“+”為增加/提高，“-”為減少/降低，測得數據為多次取樣檢測平均值。

由表9可見，各項指標均無異常，錐入度與滴點隨取樣時間的延長而出現規律性的變化。通過三年的跟蹤監測，運行脂樣品各項指標均無異常，風力發電機運轉正常。

5.3 風力發電機性能曲線

每臺風機都有一條性能曲線，定義了功率相對于風速的變化情況。通過對該曲線的分析，可以對不同風速下風機性能作出評價，為風機主要部件的老化加速情況、風機出力的穩定性分析提供有力的數據[9]。

整理并分析了試驗風機與參照風機三年的各項數據，形成性能曲線圖，見圖9。

圖9 風力發電機性能曲線對比

由圖9可見，兩臺風機的性能曲線基本一致，運行三年性能穩定，可滿足風力發電機組主軸軸承的

正常使用。且在風速較低時(4～9 m/s)，試驗風機的功率略高。

6 結論

(1)復合鋰皂稠化聚α-烯烴油，輔以抗氧、防銹、極壓抗磨劑，可制得適合風力發電機組主軸軸承使用的潤滑脂。

(2)FE8、FE9測試結果顯示，主軸軸承潤滑脂具有良好的抗摩擦磨損性能和長壽命性能，可滿足風力發電機組主軸軸承的長效潤滑需求。

(3)控制潤滑脂的分油速度，可有助于提高潤滑壽命。

(4)SRV的摩擦系數不是越小越好，平穩的摩擦系數曲線和較低的磨損更能反映潤滑脂優異的抗微動磨損性能。

(5)通過三年上機應用，證明研制的主軸軸承潤滑脂可滿足風力發電機組主軸軸承的潤滑要求。