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基于剖分式結(jié)構(gòu)的風電機組主軸承密封研究

2018-02-02

王大偉　任丹丹

（大唐三門峽風力發(fā)電有限公司，河南省三門峽市　472000）

　　摘　要：針對雙饋式風電機組主軸承潤滑脂泄漏污染機艙環(huán)境，存在安全隱患，從而影響設備的穩(wěn)定運行，介紹了剖分式主軸承密封的工作原理，分析了溫升、振動、軸向竄動和徑向跳動對密封性能的影響，提出實用性密封解決方案，改善密封性能，提高主軸承運行穩(wěn)定性，有效保障風電機組的安全運行，減少機艙環(huán)境污染。

　　關鍵詞：風力發(fā)電機組；主軸承；剖分式密封；失效；泄漏

　　引言

　　風力發(fā)電機組主軸承是傳動系統(tǒng)的關鍵支撐部件，普遍存在密封泄漏現(xiàn)象，污染風電機組的機艙環(huán)境，存在嚴重的安全隱患。針對主軸承密封介質(zhì)-潤滑脂的粘度大和承受脈沖力及其低PV值的工況特點，選擇剖分式密封結(jié)構(gòu)，避免密封過量滲漏，保證軸承良好潤滑的所需潤滑脂，達到控制由于泄漏引起的機艙污染，促進主軸承潤滑良好延長其使用壽命，降低運維成本，提高風電機組的穩(wěn)定運行與盈利能力等目的。

　　針對主軸承密封泄漏問題，王琦、尹佐明等提出帶有彈簧圈、密封唇和防塵唇的油封密封圈將有效改善密封性能，盧江躍等設計了一種迷宮密封加油封的組合密封結(jié)構(gòu)，降低密封的泄漏量，王慶、胡清志等開發(fā)了一種雙主唇加布油封，有效提高了密封壓力，極大降低了密封的滲漏量，吉銀輝研發(fā)了一種用于風力發(fā)電機組的主軸承密封系統(tǒng)，有效提升了密封的跟隨性，解決了主軸軸向竄動與徑向跳動引起的密封不良。

　　關于主軸承密封研究均集中在提升密封能力即提高密封壓力方向，在不影響潤滑效果的情況下，降低主軸承內(nèi)潤滑脂壓力，方便維護的密封結(jié)構(gòu)研究較少。針對此情況，提出一種有效保證軸承潤滑狀態(tài)良好的工況下，主動降低軸承內(nèi)壓力剖分式主軸承密封系統(tǒng)。

　　一、密封原理

　　通過主軸承密封密封唇口與軸承外徑有一定過盈，在兩者徑向方向產(chǎn)生徑向壓力，使密封唇口與主軸表面貼合，確保接觸面產(chǎn)生的壓力在圓周上分布均勻，產(chǎn)生軸向摩擦力不小于密封介質(zhì)產(chǎn)生的壓力，阻止其泄漏，達到密封作用。

　　在主軸承密封與主軸承定位套之間存在一個唇口控制的動壓油膜，其有足夠的剛度使油膜與空氣端在油膜表面張力的作用下形成一個彎月面，阻止?jié)櫥孤?，形成主軸定位套與主軸承密封之間的密封。

　　當風電機組主軸帶動主軸定位套旋轉(zhuǎn)時，主軸承密封唇口與主軸定位套被動壓油膜隔開。動壓油膜起到降低磨損的作用，其厚度直接決定密封能力。動壓油膜的厚度由潤滑脂粘度，主軸定位套表面粗糙度，密封材料的耐磨性，主軸承密封的徑向預緊力，主軸徑向竄動量和主軸承密封結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響。主軸定位套與密封唇口形成的密封帶寬度為0.2毫米到1毫米左右，動壓油膜厚度為0.2微米到1微米左右。在風力發(fā)電機組運行時，受到主軸承內(nèi)潤滑脂壓力變化的影響，密封唇口會在軸承定位套沿軸向進行蠕動，動壓油膜厚度會有20%到25%的變化。

　　二、密封失效的原因

　　風電機組主軸承密封出現(xiàn)泄漏不良出現(xiàn)的時間分布為幾天到2年不等，具有很大的不確定性，無法做到計劃性維修或預測性維修，造成了維護成本增加，影響運維工作的統(tǒng)籌安排。因此，分析密封失效原因，有效控制密封狀態(tài)成為緊迫任務。

　　2.1密封材質(zhì)的影響

　　主軸承密封材料主要有聚氨酯橡膠、丁晴橡膠和氫化丁晴橡膠等材料。由于聚氨酯橡膠耐水和耐溫性較差，丁晴橡膠耐高低溫性能一般，氫化丁晴橡膠各項性能適應性Z好。所以密封材料優(yōu)先選氫化丁晴橡膠作為密封材料，鐵嶺五星橡膠油膜密封研究所在這方面積累了很好的應用經(jīng)驗，被終端用戶逐步接受，獲得很好的應用效果。

　　2.2密封結(jié)構(gòu)的影響

　　主軸承密封設計結(jié)構(gòu)主要有迷宮密封與V型水封組合密封、迷宮密封與雙V型水封組合密封迷宮密封與油封組合式密封等。

　　迷宮密封與V型水封組合密封防塵防水效果良好，但密封的補償性和跟隨性不好，造成密封與軸承端蓋分離，潤滑脂泄漏現(xiàn)象非常普遍。

　　密封宮密封與雙V型水封組合密封對裝配要求和主軸的竄動量和徑向跳動要求較高，可維護性較差，但密封效果較好，使用壽命較長，性價比較高，密封效果有提升。

　　迷宮密封與油封組合式密封的密封能力Z高，達到0.3MPa，降低了裝配精度要求和主軸的竄動量和徑向跳動的要求，延長密封使用壽命。

　　2.3密封配合面粗糙度的影響

　　主軸承定位套表面粗糙度對密封件的性能與使用壽命影響非常大，如果表面粗糙度過小，動壓油膜變薄甚至破損，密封件唇口與軸套處于干摩擦狀態(tài)，導致密封唇口發(fā)熱，嚴重會出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象；如果表面粗糙度過大，軸套會刮傷密封件唇口，增加摩擦力矩，密封唇口快速磨損，導致泄漏。因此，主軸承定位套的表面粗糙度選擇對密封件的性能與使用壽命非常重要。

　　在密封壓力為0.3MPa，軸徑800毫米，轉(zhuǎn)速17rpm，密封介質(zhì)為2^#極壓鋰基脂條件下運行240小時，經(jīng)實驗測得主軸承定位套與密封件唇口磨損量關系圖圖下：

　　由上圖可以看出，密封配合面粗糙度在0.4微米到0.8微米時，密封效果Z佳。由于加工成本和工藝可行性考慮，一般密封配合面在0.4到1.6微米之間，材料硬度為HRC35到52，密封件性能基本滿足設計要求。

　　2.4密封件結(jié)構(gòu)設計的影響

　　密封件腰部厚度決定密封唇口對軸的跟隨性，并提供50%的徑向預緊力，是密封性能的重要參數(shù)。密封件腰部提供的徑向預緊力Fr與唇口過盈量和腰部厚度成正比，與腰部長度成反比，計算公式如下：

　　密封件唇口與旋轉(zhuǎn)軸存在動壓油膜，油膜厚度0.3微米左右，其剛度在油膜與空氣接觸端面在油膜表面張力作用下形成，有效阻止密封介質(zhì)的泄漏。因此密封件的密封能力取決于動壓油膜的厚度。如果厚度過大，剛度在油膜與空氣接觸端面在油膜表面張力作用下形成，有效阻止密封介質(zhì)的泄漏。因此密封件的密封能力取決于動壓油膜的厚度。如果厚度過大，剛度減小，動壓油膜處會形成泄漏通道，密封失效;如果動壓油膜厚度過小，易形成干摩擦，導致密封件過早失效，出現(xiàn)潤滑脂泄漏。動壓油膜厚度δ按下列公式求得：

　　三、改善主軸承密封的措施

　　某風場主軸承密封出現(xiàn)滲漏，經(jīng)多次更換密封件，改善效果不明顯。根據(jù)現(xiàn)場情況分析為如下原因：

　　1、主軸承軸向竄動較大，達到1.5到3毫米，導致密封件與軸承端蓋之間壓縮量達不到密封要求，引起廢舊潤滑脂滲漏；

　　2、主軸承內(nèi)廢舊油脂太多，無法由排油口排除，導致軸承內(nèi)壓力增大，潤滑脂的傳遞的壓力大于密封件的密封壓力；

　　3、廢舊潤滑脂由密封處排出廢舊油脂未及時清理，導致部分潤滑脂皂化，破壞了軸承端蓋密封配合表面粗糙度，引起密封滲漏。

　　針對以上原因，密封改造采取如下措施：

　　1、增大密封件補償能力，主軸承定位套密封配合面軸向尺寸增加8毫米，軸向密封變更為徑向密封，減少軸向竄動對密封性能的影響；

　　2、在排油口處增加廢油排除裝置，定時定點定量排除廢油，降低軸承端蓋內(nèi)壓力，減小密封件所受壓力；

　　3、定期清理密封件周圍廢舊油脂，保持密封件與軸承定位套配合部位周圍環(huán)境清潔，避免環(huán)境污染對密封性能的影響。

　　四、密封系統(tǒng)驗證

　　某風場1.5MW風機，主軸承為雙列圓柱滾子軸承，密封結(jié)構(gòu)為V型水封與迷宮密封組合密封，潤滑脂滲漏嚴重，廢舊油脂對周圍環(huán)境污染嚴重。改進密封結(jié)構(gòu)為密封件與其固定裝置均采用剖分裝置，結(jié)構(gòu)如下圖所示。進行密封改善時，只需拆除原有密封件，加裝新的密封固定裝置即可。

　　4.1密封系統(tǒng)形式的選擇

　　密封系統(tǒng)由剖分式密封件及其固定裝置組成，匹配廢油收集裝置降低軸承內(nèi)壓力，密封件與軸承定位套配合部位廢油，每三個月清理一次。

　　4.2密封件材料選擇

　　密封件采用氫化丁晴橡膠，密封固定裝置采用鋁合金材料，表面處理采用防護漆噴涂處理，達到輕質(zhì)、固定可靠的技術要求。

　　4.3軸承內(nèi)潤滑脂壓力控制

　　安裝廢油收集系統(tǒng)，對稱安裝2個廢油回收裝置，工作時間設定為固定周期，檢測壓力設定為設定值，即當傳感器每10分鐘檢測一次軸承底端油脂壓力，如果壓力值低于設定值，廢油收集系統(tǒng)停止工作，如果壓力值高于設定值，廢收集系統(tǒng)開始工作，30分鐘后停止工作，10分鐘后檢測軸承內(nèi)油脂壓力，如壓力為降到設定值，將繼續(xù)運行，重復上個步驟。直到油脂壓力達到設定值為止。監(jiān)控器將記錄本次工作廢油裝置運行次數(shù)與本次初始油脂壓力。當軸承內(nèi)壓力達到本次壓力或類似于本次壓力值時，廢油收集裝置將直接運行相同次數(shù)后檢測軸承內(nèi)潤滑脂壓力。

　　4.5密封配合面表面質(zhì)量改善

　　由于原來與密封安裝結(jié)構(gòu)配合面的強度和表面粗糙度不能滿足新型密封件的要求，故在軸承定位套上增加耐磨套，以提高密封配合面表面質(zhì)量與硬度，保護密封的可靠性，避免軸套磨損，降低維護成本，延長軸套使用壽命。

　　該密封系統(tǒng)2016年11月20日開始運行，經(jīng)歷7個月后，主軸承溫升基本無變化，密封處無過量潤滑脂滲出。在未對主軸承密封配合零部件進行二次加工的情況下，徹底解決了密封滲漏問題，達到預期目的。

　　五、結(jié)論

　　1、設計了一種迷宮密封加油封的組合密封結(jié)構(gòu)，在迷宮密封對潤滑脂進行節(jié)流的基礎上，采用油封進一步提高主軸承密封的性能，解決了密封滲漏的不良；

　　2、采用廢油排除技術降低軸承內(nèi)腔壓力，提升密封可靠性；

　　3、采用剖分式密封結(jié)構(gòu)，使密封維護操作簡單，成本降低，減少工人勞動強度；

　　4、采用耐磨襯套結(jié)構(gòu)和氫化丁晴橡膠材料，增強了密封耐候性，降低密封件磨損，提高使用壽命；

　　5、設計了一種柔性油封，提高了密封的跟隨性和補償能力，延長了密封使用壽命。

來源：《風電技術》2017年第六期