風電變槳軸承密封圈密封性的研究

林國福， 褚翠霞， 凌紅， 閆海濤

（洛陽LYC軸承有限公司航空精密軸承重點實驗室，河南洛陽471039）

0 引 言

近年來我國風力發電行業發展非常迅速，預計2020年風力發電累計并網裝機容量將達到2.1 億kW[1]。隨著風力發電裝機容量的不斷增加，風電變槳軸承[2]的市場需求量也越來越大。根據風電變槳系統的受力要求，在整機設計中風電變槳軸承一般選用四點接觸球軸承[3]，該結構可以承受軸向力和徑向力，同時承受較大的傾覆力矩，能夠滿足風機變槳的使用要求。

風電變槳軸承的潤滑方式一般采用固體潤滑脂，使用橡膠密封圈密封潤滑脂[4]。而變槳軸承在風場運行時潤滑脂會從密封圈處泄漏，目前風電變槳軸承的漏脂現象是行業內普遍存在的問題[5]，困擾著各風機制造商和風電業主。所以變槳軸承密封圈的密封性已不能滿足使用要求，急需研究和解決變槳軸承漏脂的問題。

1 風電變槳軸承密封結構

圖1 風電變槳軸承密封圈結構圖

目前國內大多數風電變槳軸承的密封圈的結構如圖1所示，選用雙唇密封圈，密封圈2安裝在外圈1的端面槽內，密封圈的兩個密封唇與內圈3外徑相配合，唇口的壓下量為1.5 mm，密封圈上唇的主要作用是防止外界大粒灰塵等雜物進入軸承內部，密封圈下唇的主要作用是防止內部的潤滑脂泄漏。

風電變槳軸承選用雙唇密封圈的通用性比較強，雙唇密封圈屬于成熟產品，在國內和國外均有生產，其采購成本相對較低，而且安裝和使用也比較方便，因此被大部分變槳軸承制造商優先選用。

2 變槳軸承漏脂的現象

變槳軸承在風場運行一段時間后，經常會出現潤滑油脂從軸承密封圈唇口處泄漏。特別是風機為自動潤滑系統，潤滑脂的注入量較大，漏脂的現象更為明顯。某風場現場使用不到2 a的2 MW變槳軸承漏脂情況如圖2所示，大量泄漏的潤滑脂堆積在密封圈處。從風場統計情況看，變槳軸承漏脂的部位相對比較固定，該區域是承受風力的槳葉對變槳軸承形成傾覆力矩的壓力位置。

變槳軸承均設計有注油孔和排油孔，注油孔連接注油管，為軸承注脂使用，確保軸承內部潤滑脂能夠得到及時填充；排油孔安裝有接油瓶，接油瓶主要回收軸承內部多余的潤滑脂。但風場運轉過程中，接油瓶內卻很少或沒有收集到軸承內部多余的潤滑脂（如圖3），潤滑脂是從密封圈唇口處泄漏。

圖2 變槳軸承密封唇口處漏脂圖

圖3 變槳軸承接油瓶

3 變槳軸承漏脂的分析

關于現有雙唇密封圈變槳軸承漏脂問題有很多分析，主要集中在密封圈的密封性、排油孔的尺寸、軸承內的注脂量、密封圈的老化等方面。而在密封圈的密封性分析中，密封圈的唇口的壓下量大小、密封圈的硬度、與密封圈唇口配合表面的粗糙度等都將影響密封圈的密封性。其中密封圈的唇口的壓下量大小對密封圈密封性的影響尤為明顯。

使用有限元分析某風機用四點接觸球變槳軸承，在受極限載荷（如表1）的作用下，對軸承端面內外圈相對偏移量進行分析。

當加載極限載荷情況下，軸承內外圈的徑向變形云圖如圖4所示。從變形云圖中可以看出內圈最大變形量為2.658 mm。

通過分析提取軸承輪轂側端面內外圈相對偏移量的坐標圖，其中第7粒鋼球的位置徑向相對偏移量可達1.4 mm，如圖5所示。而設計密封圈的唇口的壓下量僅為1.5 mm，在這種情況下密封圈將失去密封的作用，軸承內部與外界不存在壓力差，軸承內部的油脂也隨之泄漏。泄漏的油脂既污染環境，又會降低軸承的使用壽命。

表1 極限工況載荷（dlc1.6eba-4）

圖4 極限載荷下軸承徑向變形云圖

圖5 極限載荷下軸承輪轂側端面內外圈相對偏移量

為解決風電變槳軸承漏脂現象，根據風電變槳軸承結構的特點和使用工況，需要對風電變槳軸承密封圈的密封性進行研究，因此改進密封圈的設計、改變密封方式和增加密封槽設計，以達到密封圈能夠阻止軸承內部油脂向外泄漏。

4 變槳軸承密封圈密封性的改進

有限元分析變槳軸承在傾覆力矩作用下，內圈與外圈之間存在較大的徑向位移，針對變槳軸承的這一使用特點，為提高密封圈的徑向密封能力，增加一個徑向密封唇，滿足內外圈出現徑向偏移時密封圈的密封性。因此密封圈采用3個唇口設計，并在內圈密封圈唇口側增加相應的密封槽。改進設計后的密封圈結構如圖6所示。

設計中密封圈2的上唇與內圈3外徑配合，主要作用依然是防止外界灰塵、水霧等雜物進入軸承內部；密封圈的下唇同樣與內圈3外徑配合，主要作用是防止大量內部的潤滑脂泄漏；而增加設計密封圈中間唇與內圈3的密封槽軸向上表面配合，主要作用是阻止通過下唇泄漏的潤滑脂再次泄漏。而且變槳軸承在承載較大的傾覆力矩時，上唇和下唇的密封性就有所降低，而中間唇對內圈和外圈徑向位移的敏感性較小，密封圈的密封性不會降低，潤滑脂也不會大量泄漏。

改進后的變槳軸承密封圈需要重新采購，外圈密封圈安裝部位的設計與加工方法不變。內圈的徑向需增加密封槽，加工工藝易于實現，設計的內圈密封槽位置高于外圈端面，便于密封圈的中間唇的安裝。變槳軸承三密封結構能夠達到軸承在受傾覆力狀態下的密封要求，從而解決了風電變槳軸承的漏脂現象。

圖6 改進密封圈結構圖

5 改進前后耐氣壓試驗效果對比

變槳軸承裝配完成后，通過耐氣壓試驗對改進前后軸承的密封圈的密封性進行對比，如圖7所示。改進前的密封圈加壓至0.18 MPa，氣壓出現降低；改進后的密封圈加壓至0.28 MPa，保壓120 s，氣壓未下降，改進后的密封圈的密封性有明顯改善。

6 結 語

圖7 耐氣壓試驗圖

通過對風電變槳軸承密封圈密封性的研究，改變了密封圈的密封方式，增加內圈的密封槽，并設計使用三唇密封圈，將密封圈純徑向密封改進為徑向與軸向組合密封。即使在較大的傾覆力矩作用下風電變槳軸承內圈與外圈之間存在較大的徑向位移，三唇密封圈也能夠起到密封作用，防止軸承內部的潤滑脂大量泄漏，從而保證風電變槳軸承的使用壽命，滿足風電變槳軸承使用要求。