王書勇， 王岳峰

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

引言

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高、不占用土地、不消耗水資源和適宜大規(guī)模開發(fā)的特點(diǎn)[1]。同時(shí)海運(yùn)適合大噸位和大尺寸部件的運(yùn)輸，因此海上風(fēng)機(jī)的容量有大型化的發(fā)展趨勢(shì)。但是海上風(fēng)機(jī)需要考慮鹽霧腐蝕、臺(tái)風(fēng)破壞等不利影響。由于海上風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)離岸邊，給后期的運(yùn)行維護(hù)工作增添了很大的難度。因此對(duì)海上風(fēng)機(jī)各零部件及系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定及長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)提出了更高的要求。集中潤(rùn)滑系統(tǒng)保證風(fēng)機(jī)各零部件運(yùn)動(dòng)能夠長(zhǎng)久可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。一套可靠的集中潤(rùn)滑系統(tǒng)可以降低摩擦阻力和能源消耗，減少表面磨損，延長(zhǎng)零部件的使用壽命，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低后期維護(hù)工作的難度和危險(xiǎn)性。因此集中潤(rùn)滑系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)設(shè)備中的重要組成部分。本文以海上高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中潤(rùn)滑系統(tǒng)為例進(jìn)行研究。

1 集中潤(rùn)滑系統(tǒng)

1.1 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要潤(rùn)滑的零部件（見表1）

1.2 系統(tǒng)要求

1）海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備昂貴，現(xiàn)場(chǎng)不便對(duì)主要部位進(jìn)行拆卸維修；

2）工作環(huán)境惡劣，經(jīng)受高低溫和鹽霧腐蝕、臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)；3）必須確保可靠穩(wěn)定的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，具有冗余設(shè)計(jì)；4）要注重對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平時(shí)的維護(hù)，而不是維修。

2 集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)軸承、變槳軸承、主軸軸承、偏航軸承潤(rùn)滑均屬于脂潤(rùn)滑。本文僅以齒輪箱集中潤(rùn)滑系統(tǒng)和變漿軸承集中潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例簡(jiǎn)述海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]。

2.1 選擇潤(rùn)滑方案

2.1.1 齒輪箱集中潤(rùn)滑系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器屬于大型的封閉齒輪箱，齒輪傳動(dòng)的齒面會(huì)產(chǎn)生高溫和較大接觸應(yīng)力，若潤(rùn)滑不良很可能會(huì)在其運(yùn)轉(zhuǎn)初期齒面出現(xiàn)一些微點(diǎn)蝕麻點(diǎn)，進(jìn)而使噪音增大，引起毀壞性的膠合與點(diǎn)蝕失效。潤(rùn)滑可以減小齒輪的摩擦、磨損，同時(shí)也可以起到冷卻、防銹、降低噪聲、改善齒輪的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)齒輪的使用壽命等作用。

齒輪箱失效的形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。針對(duì)以上工況，齒輪箱采用機(jī)械泵+電機(jī)泵相結(jié)合的潤(rùn)滑方式，對(duì)齒輪箱中所有的齒輪、軸承均采用強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑；采用兩套電機(jī)泵，在一臺(tái)泵損壞時(shí)風(fēng)機(jī)仍能降功率運(yùn)行，等風(fēng)速小的時(shí)候進(jìn)行維修或更換；采用水冷卻方式對(duì)齒輪箱中的潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻；齒輪箱安裝旁路精濾裝置，獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)，持續(xù)過濾齒輪箱中的潤(rùn)滑油，改善潤(rùn)滑油清潔度水平，延長(zhǎng)潤(rùn)滑油使用壽命。在齒輪箱箱體外壁上安裝黏度傳感器，在主油路上安裝金屬/非金屬磨粒傳感器，在過濾器進(jìn)出油口并聯(lián)安裝油液清潔度水分傳感器，通過這些傳感器對(duì)齒輪箱的潤(rùn)滑油狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而監(jiān)測(cè)齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)[3]。

在介質(zhì)壓力及溫度不同的情況下,設(shè)備運(yùn)行的工況也不同，具體如下：

1）當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速＜200 r/min時(shí)，同時(shí)齒輪箱油壓≥0.05 MPa時(shí)，齒輪箱可以啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；若油壓＜0.05 MPa時(shí)，報(bào)警，停機(jī)檢查。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速＞500 r/min時(shí)，同時(shí)油壓＜0.12 MPa時(shí)，報(bào)警，持續(xù)30 min后停機(jī)。

2）當(dāng)齒輪箱油溫＜-15℃時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不運(yùn)行。

3）當(dāng)齒輪箱油溫在-15～10℃之間時(shí)，齒輪箱內(nèi)的電加熱器工作，油泵間歇啟動(dòng)。油液沖開組合過濾器旁通閥,通過粗過濾后，直接回齒輪箱。

4）當(dāng)齒輪箱油溫≥20℃時(shí)，油泵啟動(dòng)，關(guān)閉加熱器。

5）當(dāng)齒輪箱油溫≤45℃時(shí)，忽略從過濾器堵塞指示器發(fā)出的信號(hào)（因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)過濾器元件周圍較高的油黏度和與之有關(guān)的較高的壓差，會(huì)錯(cuò)誤發(fā)出實(shí)際上未發(fā)生的過濾器污染指示）。

6）當(dāng)油溫≥45℃時(shí)，過濾器堵塞指示器才進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果在這個(gè)溫度條件下，堵塞指示器發(fā)出報(bào)警信號(hào)（濾芯內(nèi)外壓差≥0.3 MPa），說明濾芯已堵塞，應(yīng)及時(shí)更換維護(hù)。

7）當(dāng)齒輪箱油溫＜45℃，油液不經(jīng)過油水換熱器直接進(jìn)入分配器進(jìn)行潤(rùn)滑。

8）當(dāng)齒輪箱油溫≥45℃，溫控閥(安裝于油路塊內(nèi))開始切換，隨著溫度升高逐漸加大油液進(jìn)入換熱器的比例；直至油溫達(dá)到60℃，油液完全經(jīng)過油水換熱器進(jìn)入分配器進(jìn)行潤(rùn)滑。

9）當(dāng)齒輪箱油溫≥80℃時(shí)，風(fēng)機(jī)立即停機(jī)報(bào)故障。

10）旁路精過濾油泵出口與過濾器進(jìn)口之間的壓力開關(guān)發(fā)訊，壓力≥0.2 MPa時(shí)，需檢查更換過濾器濾芯。

2.1.2 變漿軸承集中潤(rùn)滑系統(tǒng)

變槳軸承及軸承內(nèi)齒圈潤(rùn)滑，潤(rùn)滑泵安裝于輪轂內(nèi)部，隨葉輪一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為0～12 r/min。變槳裝置一共有三套變槳軸承，每個(gè)軸承有16個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，還有1個(gè)潤(rùn)滑小齒輪對(duì)軸承內(nèi)齒圈進(jìn)行潤(rùn)滑。

一般風(fēng)機(jī)變槳軸承及軸承內(nèi)齒圈潤(rùn)滑有兩種潤(rùn)滑方式：遞進(jìn)式和單線式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)。遞進(jìn)式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)是通過潤(rùn)滑泵依次連接各級(jí)分配器，將潤(rùn)滑脂提供送到各潤(rùn)滑點(diǎn)。在主分配器上設(shè)置柱塞探測(cè)器，用來監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。單線式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)采用全并聯(lián)結(jié)構(gòu)，任一點(diǎn)的故障不影響其他潤(rùn)滑點(diǎn)的正常工作，還可單獨(dú)調(diào)整每個(gè)點(diǎn)的供油量，每個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)都可設(shè)置指示桿，可直接找到故障點(diǎn)，維修方便，維護(hù)成本低，只需單獨(dú)更換故障點(diǎn)，無需整組更換分配器組，擴(kuò)展容易，不易堵塞，可方便實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)[4]。

針對(duì)海上風(fēng)機(jī)變槳潤(rùn)滑系統(tǒng)工況，采用單線式集中潤(rùn)滑系統(tǒng)。工作時(shí)，主機(jī)PLC控制油脂泵接通24 V DC電源，此時(shí)電磁閥接通電源，油脂泵開始工作，壓力潤(rùn)滑脂通過電磁閥進(jìn)入主管路，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，主管路壓力升高直至設(shè)定壓力，所有注油閥完成一次定量注脂，此時(shí)壓力開關(guān)反饋信號(hào)至主機(jī)PLC，延遲一定時(shí)間后，PLC控制將油脂泵電源斷開，主管路壓力油脂泄壓回油箱。變槳軸承內(nèi)齒圈潤(rùn)滑通過潤(rùn)滑小齒輪把潤(rùn)滑脂傳遞到變槳驅(qū)動(dòng)齒輪，最后傳遞到內(nèi)齒圈。潤(rùn)滑小齒輪不同的齒上鉆有不同角度的出油孔，從而保證了潤(rùn)滑脂被均勻地涂到需潤(rùn)滑的齒面上[5]。

2.2 選擇潤(rùn)滑泵

2.2.1 油泵流量的計(jì)算

齒輪箱潤(rùn)滑采用的是油潤(rùn)滑，排量根據(jù)軸承及齒輪數(shù)量、位置，齒輪箱散熱等因素確定油泵流量?？蓞⒖枷率酱_定：

式中：Q為潤(rùn)滑泵的流量，L/min；K為考慮系統(tǒng)漏油、泵的磨損及計(jì)算誤差的系數(shù)，一般取1.05～1.5，根據(jù)設(shè)備類型而定為各潤(rùn)滑點(diǎn)需油量總和，可參照有關(guān)零部件的需油量計(jì)算，L/min。

2.2.2 脂潤(rùn)滑泵選擇和計(jì)算

變漿軸承潤(rùn)滑泵需要旋轉(zhuǎn)，因此潤(rùn)滑泵選擇油箱和潤(rùn)滑泵一體式，油箱內(nèi)置壓油盤和刮臂，潤(rùn)滑泵可以在任意方向安裝，也可以在旋轉(zhuǎn)部件上安裝。安裝在旋轉(zhuǎn)部件上時(shí)，它的功能通過離心力作用來實(shí)現(xiàn)。

滾動(dòng)軸承生產(chǎn)廠家推薦了定期添加軸承潤(rùn)滑脂量的估算式：

式中：m為潤(rùn)滑脂量，g；D為軸承外徑，mm；B為軸承寬度，mm；X為再潤(rùn)滑周期系數(shù)，X在0.000 6～0.005之間取值，與潤(rùn)滑間隔有關(guān)，環(huán)境條件不好時(shí)，系數(shù)適當(dāng)增大。

潤(rùn)滑脂泵的最小流量可按下式估算：

式中：Q1為全部分配器給脂量的總和，mL；Q2為損失油脂量的總和，mL；Q3為系統(tǒng)管路內(nèi)油脂的壓縮量，mL；T為潤(rùn)滑泵的工作時(shí)間，min，一般取5～8min為宜[6]。

2.3 確定潤(rùn)滑系統(tǒng)工作制

齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)根據(jù)介質(zhì)壓力及溫度不同處于不同工作狀態(tài)，主要通過壓力傳感器和溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況以及軸承需脂量計(jì)算，油脂潤(rùn)滑采用以下工作制：變槳軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)每天啟動(dòng)8次；主軸軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)每天啟動(dòng)20次；偏航軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)每天啟動(dòng)3次。

2.4 繪制集中潤(rùn)滑系統(tǒng)的原理圖（見圖1、圖2）

圖1 齒輪箱集中潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖

2.5 廢油回收及處理

齒輪箱潤(rùn)滑油換油不得遲于齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)36個(gè)月，除非油樣經(jīng)過測(cè)試可以繼續(xù)使用。

脂潤(rùn)滑采用集油瓶和接油盤進(jìn)行廢脂收集，運(yùn)維人員定期清理。

2.6 潤(rùn)滑油脂的選擇

齒輪箱潤(rùn)滑油選用Mobil SHC XMP 320工業(yè)齒輪油，它具有很好的極壓抗磨性能、良好的冷卻性能和清洗性能、良好的熱氧化穩(wěn)定性、良好的水解安定性、抗乳化性能、很好的黏溫性能和低溫性能、較長(zhǎng)的使用壽命、較低的摩擦系數(shù)，能降低齒輪傳動(dòng)中的功率損耗。

圖2 變槳軸承集中潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖

脂潤(rùn)滑選用風(fēng)電軸承專用潤(rùn)滑油美孚SHC潤(rùn)滑脂460WT。它作業(yè)溫度范圍-30～+150℃，具有出色的低溫泵送性能和很低的啟動(dòng)及運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩，它還具有出色的黏附性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗水性，在高溫和低溫條件下提供出色的防磨損、防銹和防腐蝕保護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用集中潤(rùn)滑方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、集中化、遠(yuǎn)程報(bào)警和控制，提高了系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。經(jīng)過長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，潤(rùn)滑效果良好，為今后海上風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了很好的驗(yàn)證平臺(tái)。