風電機組變槳軸承漏脂分析及改進措施

劉二恩，張楚翔，蘇鳳宇，劉曉輝，劉大恩

(1.許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000；2.河南江河機械有限責任公司，河南 平頂山 467337)

變槳軸承是風力發電機組(下文簡稱風電機組)的關鍵部件，使用環境惡劣，維修成本高[1]，受力情況比較復雜，并且直接影響整個變槳動作的連貫性、穩定性以及準確度[2]，為保證變槳軸承壽命的可靠性，需要對變槳軸承進行良好的密封及潤滑。隨著風電機組運行時間的增加，變槳軸承的密封圈逐漸老化，潤滑脂逐漸變質，廢脂外排不暢和變槳軸承不完全回轉造成內部壓力不均等會導致變槳軸承密封圈處出現不同程度的漏脂，若不及時處理可能會造成變槳軸承潤滑不良，從而影響變槳軸承及風電機組的使用壽命。變槳軸承漏脂的原因較多，由于跟蹤觀察及驗證周期長，密封試驗臺難以模擬變槳軸承實際工況等原因，對其研究不夠系統、深入，因此有必要對變槳軸承漏脂的原因進行分析和總結。

1 變槳軸承漏脂的原因

1.1 密封不良

1.1.1 密封圈老化與磨損

變槳軸承大多采用丁晴橡膠密封圈[3]，長時間使用會發生老化，其老化速度與丁腈橡膠中丙烯腈含量、配方含膠率、防老劑以及使用環境等因素有關，一般情況下丁晴橡膠密封圈使用壽命為5～10年。變槳軸承采用接觸式密封，在運行過程中密封圈與密封摩擦面接觸，隨著運行時間的增加，密封圈會逐漸磨損導致密封性能下降和密封圈承壓不足，潤滑脂可能會從密封圈處泄漏。

1.1.2 密封圈結構設計不合理

變槳軸承一般采用雙唇密封圈，其外唇可阻擋水分、灰塵及其他有害物質侵入軸承內部，內唇可防止漏脂。若密封圈結構設計不合理，安裝后會影響密封效果，并且變槳軸承運行后可能會導致密封圈變形，使密封能力不足或密封失效，潤滑脂容易泄漏。

1.1.3 密封圈安裝與維護不當

不按照工藝安裝或維護時會導致密封圈受力不均勻，安裝密封圈時接口黏接不良會導致密封圈接口斷裂，后續變槳軸承注脂運行后密封圈容易出現鼓包、翹曲(圖1)和斷裂現象，從而使潤滑脂從密封圈縫隙、翹曲及破損處溢出。

圖1 變槳軸承密封圈翹曲Fig.1 Warping of sealing ring for pitch bearing

1.1.4 密封圈擠壓損壞

風場風電機組的葉片安裝或維護時需要使用液壓拉伸器對葉片與變槳軸承的連接螺栓施加力矩，連接螺栓與密封圈的距離較近，且液壓拉伸器的拉伸頭外形尺寸較大，拉伸頭易壓到密封圈使密封圈嚴重破損，如圖2所示。變槳軸承后續運行時可能會導致密封圈變形和撕裂，造成潤滑脂大量泄漏。

圖2 變槳軸承密封圈擠壓破損Fig.2 Squeeze damage of sealing ring for pitch bearing

1.2 變槳軸承內部結構設計不合理

1.2.1 溝道結構

變槳軸承溝道設計影響潤滑脂在軸承內部溝槽的流動性。正常情況下，變槳軸承從注脂孔加注潤滑脂，從排脂孔排廢脂需要的壓力差值小于密封圈所能承受的壓力值，同時大于潤滑脂流動的阻力值，則密封圈處不會漏脂。所需的壓力差值與潤滑脂流動的阻力密切相關，阻力小需要的壓力差值就小，阻力大需要的壓力差就大。若變槳軸承內部溝道設計不合理，潤滑脂流動阻力就大，不利于潤滑脂與內部壓力的均勻分布，潤滑脂無法順利進入排脂孔而造成排脂不暢，導致密封圈處潤滑脂溢出。

1.2.2 脂孔尺寸與分布

變槳軸承的注脂孔和排脂孔需合理間隔分布，保證軸承能順利注入新脂并排出廢脂。相鄰注脂孔與排脂孔的距離要適中，若距離太短，加脂時注脂孔壓力較大而排脂孔壓力較小，新加的潤滑脂易從排脂孔排出；若距離太長，加脂時密封圈承受的局部壓力較大，易導致漏脂。另外排脂孔截面直徑過小，與排脂孔相連接的集脂瓶口直徑過小，軸承上2個排脂孔的間距過大，也會增加潤滑脂排出的阻力，造成排脂不暢，使變槳軸承內部壓力過大導致漏脂。

1.3 潤滑脂選擇不當或潤滑系統設置不合理

1.3.1 潤滑脂選擇不當

潤滑脂的選擇通常要參考變槳軸承的實際工況，同時還需考慮潤滑脂的稠度和添加劑種類等。潤滑脂的稠度與周圍環境溫度密切相關，環境溫度每下降5 ℃，稠度會增加1倍，潤滑脂流動性將會變差，如果潤滑脂的稠度不合適或抗壓性能不足，后續使用易發生固化現象而堵塞脂路系統，導致潤滑脂無法正常排出而從密封圈處泄漏，如圖3所示。

圖3 變槳軸承排脂孔處的固化潤滑脂Fig.3 Grease solidification in grease discharge hole of pitch bearing

1.3.2 注脂量及集中潤滑系統設置不合理

變槳軸承在運行前需填充一定量的潤滑脂，填充量約為變槳軸承內部空間的60%～80%[4]，一般選擇的填充量約為70%，也有個別變槳軸承供應商為了保證充分潤滑選擇80%的填充量。

國內外風電機組大多采用集中潤滑系統對變槳軸承加注潤滑脂，部分風電機組制造商為進一步降低變槳軸承的維護成本采用人工定期加注潤滑脂。這2種加注潤滑脂的方式均存在不足:人工定期加注潤滑脂的注脂量及注脂周期往往為經驗數據，與變槳軸承實際所需潤滑脂存在較大偏差，注脂量通常情況下會偏多且不均勻，無法保證變槳軸承的潤滑時間，再加上變槳軸承出廠前可能加注了約80%的潤滑脂，極易造成變槳軸承溝道內局部潤滑脂大量堆積；集中潤滑系統采用自動注脂方式，使軸承潤滑更加充分[5]，雖然保證了變槳軸承的潤滑時間和注脂量的均勻性，但在變槳軸承不運行或機組長時間停機狀態下，集中潤滑系統仍按其預設好的固定程序繼續注脂，同樣容易造成變槳軸承溝道內局部潤滑脂大量堆積。

正常情況下變槳軸承密封圈的密封壓力約為2.8×105Pa，變槳軸承靜止不工作時所需注脂壓力約為(2.5～2.8)×105Pa，變槳軸承運行時所需注脂壓力僅為0.6×105Pa左右。因變槳軸承所采用的潤滑脂本身流動性較差，上述2種注脂方式導致的潤滑脂大量堆積會增大變槳軸承溝道內潤滑脂通道的壓力，從而增加注脂時所需的注脂壓力。當注脂壓力大于變槳軸承密封圈的密封壓力時，潤滑脂會在注脂推力的作用下從變槳軸承密封圈處大量泄漏。

另外，如果集中潤滑系統的壓力泵或輸脂管中的空氣未完全排空，空氣將隨著潤滑脂進入變槳軸承溝道，造成溝道內局部壓力過大，當該壓力大于變槳軸承密封圈的密封壓力時會撐開密封圈，造成嚴重漏脂現象[5]。

1.3.3 廢脂收集方法不當

目前風電機組變槳軸承廢脂收集普遍采用在軸承圓周上分布的數個廢脂排出小孔分別安裝集脂瓶的方式，加入新脂時，新脂把廢脂從軸承內腔擠壓進廢脂排出小孔，排入集脂瓶，需定期清理。實際上，隨著變槳軸承運行時間的增加，廢脂收集效果不好，容易漏脂。

2 解決措施

2.1 密封圈

2.1.1 選擇質量可靠的密封圈材料

國內密封圈的抗老化、抗磨損等關鍵性能與國外還有一定差距，當前大多風電機組制造商采用成本較高的進口密封圈材料。

2.1.2 改善密封圈的結構

目前國內大部分變槳軸承密封圈采用類似雙唇的結構，如圖4所示，結構簡單，防止內部漏脂的能力有限，因此在原有結構基礎上進行優化，將雙唇結構改為多唇結構(圖5)，同時增加2道直密封唇加強防泄漏效果，其安裝示意圖如圖6所示。

圖4 變槳軸承原密封結構Fig.4 Original structure of sealing for pitch bearing

1—凸臺；2—主密封體；3—防塵唇；4—第3道封油唇；5—第2道封油唇；6—第1道封油唇；7—第1道直密封唇；8—第4道封油唇；9—第2道直密封唇圖5 新型防泄漏密封圈截面示意圖Fig.5 Section diagram of new leakproof sealing ring

圖6 新型防泄漏密封安裝示意圖Fig.6 Installation diagram of new leakproof seal

第1道封油唇前端與變槳軸承內圈的外圓表面緊密接觸，末端與外圈的內圓表面緊密接觸，其外側凸起的弧面有利于抵消變槳軸承內部的潤滑脂壓力，可防止潤滑脂從第1道封油唇與內外圈之間的間隙泄漏。

第2道、第3道封油唇外形呈魚尾狀，其與內圈外圓表面上的密封槽接觸，兩者之間存在微小的間隙，丁晴橡膠密封圈具有一定的彈性，既能保證變槳軸承正?；剞D，又能防止從第1道封油唇泄漏的潤滑脂繼續向外泄漏。

第4道封油唇與外圈的嵌槽接觸，可防止變槳軸承泄漏的潤滑脂繼續向外泄漏。

防塵唇外形呈魚鰭狀，末端與內圈的外圓表面緊密抵靠,其外側面凸起的弧面不僅保證了防塵唇與內圈緊密抵靠，而且利于加工。防塵唇具有雙向防護的特點，既能防止泄漏的潤滑脂繼續向外部泄漏，又能防止空氣中的灰塵、雜質或其他有害物質進入到變槳軸承內部導致溝道磨損或發熱卡死，造成風電機組無法正常工作，甚至還會出現重大事故[6]。

第1道、第2道直密封唇與外圈表面接觸，可防止泄漏的潤滑脂繼續向外泄漏。

凸臺位于主密封體上，上表面為平面，同時與防塵唇之間預留了安裝工具操作空間，可使用帶滾輪結構的操作工具沿凸臺上表面前后滾壓，將密封圈壓實，從而保證密封圈的密封效果。

新型防泄漏密封圈整體外形呈魚骨形，采用1道防塵唇、4道封油唇、2道直密封唇，可有效杜絕軸承內部潤滑脂向外泄漏。

2.1.3 合理維護并及時更換損壞或老化的密封圈

必須嚴格按規定的工藝安裝或維護密封圈，避免密封圈安裝不合格或密封圈損壞的情況。對漏脂變槳軸承密封圈進行檢查，如發現密封圈存在老化、磨損嚴重、破損、翹曲變形等情況，需及時清理漏脂，并按工藝要求更換新密封圈。

2.1.4 縮小液壓拉伸器拉伸頭尺寸

與液壓拉伸器供應商進行技術溝通，縮小拉伸頭外形尺寸，避免液壓拉伸器現場作業時擠壓損壞密封圈；進一步規范現場安裝工藝，增加一項“液壓拉伸器現場作業時，檢測拉伸頭與密封圈距離”的工序。

2.2 改善變槳軸承內部結構

2.2.1 溝道底部溝槽

變槳軸承溝道結構設計不僅影響潤滑脂在軸承內部溝道的流動性，也影響與溝道相連接的一段排脂孔的直徑。潤滑脂的流動性與其流經的截面形狀及面積有關，截面越小，流動性越差。

某供應商設計的變槳軸承溝道內部結構如圖7a所示，溝底全部為圓弧過渡，經風場實際驗證這種溝道截面形狀不利于潤滑脂在溝底的流動。改進后的溝道截面形狀如圖7b所示，溝底增加了矩形溝槽，從而增加了潤滑脂的流動性。試驗結果表明，溝道截面形狀改進后潤滑脂可從排脂孔順暢排出，且密封圈無鼓包、漏脂現象。

圖7 某變槳軸承溝道結構Fig.7 Structure of pitch bearing raceway

2.2.2 改善軸承脂孔尺寸與分布結構

GB/T 29717—2013《滾動軸承 風力發電機組偏航、變槳軸承》規定變槳軸承注脂螺紋孔規格一般為M10 mm×1 mm，排脂螺紋孔規格為M14 mm×1.5 mm，當有特殊要求時排脂孔數量、位置和規格由軸承制造商與風電機組制造商協商確定。注脂孔與排脂孔結構如圖8所示。

圖8 注脂孔和排脂孔結構示意圖Fig.8 Structure diagram of grease injection hole and grease discharge hole

由圖8可知，整個排脂通道為階梯結構，分為軸承外側與集脂瓶相接的螺紋孔部分和靠近軸承內側與溝道相連接的光孔部分。潤滑脂流經的截面面積越小，排出時阻力越大，因此，在軸承結構允許的情況下，適量增加軸承排脂孔外側連接螺紋孔的直徑和深度，盡量使排脂螺紋孔接近溝道，以減小潤滑脂排出的阻力。排脂孔靠近溝道的光孔部分由于受溝底設計槽寬限制，一般直徑為9～12 mm，若改善軸承溝底結構，增大槽寬，可考慮增加排脂孔靠近溝道的光孔部分的直徑，有利于排脂。

變槳軸承排脂孔與注脂孔一般均為間隔分布，排脂孔軸向位置處于溝道中心。

2.3 合理選擇潤滑脂及集中潤滑系統設置

2.3.1 選擇合適的潤滑脂

根據變槳軸承的實際工況、潤滑脂的稠度及其與密封圈的兼容性等選擇合適的潤滑脂。潤滑脂使用溫度為-40～150 ℃，應具備抗微動磨損性、極壓性、抗水性、防腐性和泵送性良好等性能。

2.3.2 選擇合適的注脂量及潤滑系統控制策略

強制要求變槳軸承最多只能加注70%的填充量，且使用集中潤滑系統，不建議采用人工注脂的方式。

考慮到變槳軸承不運行或機組長時間停機狀態時集中潤滑系統仍按其預設好的固定程序繼續注脂，因此需對集中潤滑系統的控制策略進行優化，更改注脂控制方式為變槳軸承運行時注脂(此時所需注脂壓力遠小于密封圈的密封壓力)，不運行時不注脂。同時參考變槳軸承變槳的角度、速度、時間及累計變槳時間等因素設計控制策略，確定注脂的頻率、時間等各項指標。另外，集中潤滑系統應根據現場的外界溫度進行調整，低溫時潤滑脂的稠度大，泵送性較差，此時需要提高注脂頻率；高溫時潤滑脂的稠度小，泵送性較好，此時需要降低注脂頻率。

針對集中潤滑系統的壓力泵或輸脂管中的空氣未完全排空造成漏脂的問題，可以在集中潤滑系統安裝完成后，與變槳系統進行聯合調試，通過實際運行集中潤滑系統檢驗變槳軸承溝道中是否有殘存空氣并進行充分排除。

2.3.3 增加廢脂清除系統

如圖9所示，廢脂清除系統的工作原理為：啟動液壓泵，壓力油通過動力管A驅動廢油吸排脂器將軸承內的廢油吸入吸排脂器內腔，然后分控箱啟動二位四通閥，系統換向，壓力油通過動力管B驅動廢油吸排脂器將排脂內腔中收集到的廢脂通過集廢油管集中收集到集油箱。

1—動力管B；2—集油箱;3—液壓泵；4—廢油吸排脂器；5—分控箱；6—動力管A；7—集廢油管圖9 廢潤滑脂清除系統結構原理圖Fig.9 Structural schematic diagram of waste grease removal system

另外可采用真空袋代替集脂瓶來收集廢脂，或者縮短廢脂排出管路，增大集脂瓶管口直徑等方法來改善廢脂不易排出的情況。

3 結束語

變槳軸承密封圈處漏脂的主要原因：1)變槳軸承密封不良導致密封圈承壓不足，引起漏脂；2)變槳軸承內部結構設計不合理導致潤滑脂在軸承內部流動性差，廢脂無法順利從排脂孔排出，從而導致軸承內部壓力過大，潤滑脂從密封圈處溢出；3)潤滑脂選擇或填充量不合適導致潤滑脂稠度過小或注脂過量，潤滑脂從密封圈處擠出。

經實踐證明，通過改進密封圈，優化溝道底部溝槽結構，改善脂孔尺寸與分布結構，合理選擇潤滑脂，改善潤滑系統控制策略，增加廢脂清除系統等措施，基本上可杜絕變槳軸承漏脂問題，從而避免因漏脂造成的風電機組故障停機，提高了變槳軸承使用壽命及風電機組可利用小時數，從而提高了發電量和經濟效益。