风力发电机组轴承润滑系统故障分析与改进

彭启明，傅彩明，毛文贵

（湖南工程学院 机械工程学院，湘潭 411104）

0 引言

对风力发电机组轴承润滑系统进行研究，开发新的润滑系统具有迫切的现实需要.

风力发电机组通过风轮转换风力发电，风轮和发电机连接转动的核心部件是轴承，作为转动部件，轴承的润滑要求很高，需要定期加注油脂润滑.目前主要使用自动加脂泵对轴承进行自动注脂润滑，但这种简单的润滑方式可靠性不高，特别是冬季气温低时，不能有效地对轴承进行油脂加注，影响了轴承部件的润滑，加速了轴承部件的磨损，降低了风力发电机组整机的可靠性.我国几大风机厂家的风机均出现过油脂堵塞问题，油脂被堵在管道及阀体中，引起轴承润滑不良甚至引发故障.因此，

1 风力发电组自动润滑系统的组成

在国内2 MW风机风电机组上，风机的自动轴承润滑系统组成是相似的，其轴承自动润滑系统主要由偏航轴承润滑系统、主轴承润滑系统和变桨轴承润滑系统三个系统组成［2］，每一个系统都是由油脂泵、油管、溢流阀、压力传感器和油脂分配阀组成.本文以湘电XE93型风力发电机的轴承自动润滑系统单线式润滑系统为例展开研究，如图1所示.

图1 轴承自动润滑系统单线式润滑系统工作原理

该系统主要由油脂泵、油脂管路、油脂分配阀和控制板组成，通过PLC控制油脂泵电机的启停来控制油脂的加注，加注的油脂通过主管道到分配阀，再通过分配阀分配到支管路去，然后通过支管路到达轴承上的各个润滑点，如图2所示.

图2 轴承自动润滑系统原理

由于风机运行环境在野外，南方和北方夏冬温度差异较大，往往适合在南方的设计到北方运行却会出现问题.该系统在夏季能运行良好，因为气温高时油脂粘度较低，油脂泵流量正常，保证油脂能顺利输送到轴承各润滑点，轴承润滑良好.但该系统在冬季可能会出现问题，尤其在冬季气温降低至零下十度左右时，油脂泵流量降低，系统不能保证油脂能顺利输送到轴承各润滑点，因而经常会发生轴承润滑不良甚至缺油的现象，根据现场经验表明，造成这类故障的原因是油脂温度太低导致油脂粘度过高，油脂被堵在油脂分配器中难以流动，甚至完全堵塞.

2 温度对油脂粘度的影响

紧贴管壁运动的油脂会粘在管壁上，油脂是有粘度的，根据牛顿定理，在流体中运动，阻滞剪切变形的粘性力F与流体的速度梯度和接触面积成正比，并且与流体的性质有关，其数学表达式为：

式中dv/dy为垂直与速度方向的速度变化率，A为接触面积，μ表征流体粘度的比例系速，称为动力粘度或简称为粘度，单位为N·s/m2，即Pa·s，其量纲为M/（L·T）.

运动黏度即流体的动力粘度与同温度下该流体密度ρ之比，单位为（m2）/s，用小写字母v表示，即：

H·Noureddine等［3］提出，流体粘度与温度密切相关，对于油品，由于温度升高时其内聚力减小，对大多数油品来说，在正常沸点以下，油品粘度与温度的函数关系如方程：

式中，μ为油品粘度，T为测试温度，A、B、C均为常数.

可见油品粘度与温度成反比例关系.

3 温度对油脂粘度影响试验

试验条件：在恒温恒湿的试验室中，保持温度不变、湿度不变、测量不同温度下油脂的粘度.

试验器材：数显粘度测量仪、温度计.

试验介质：美孚MOBIL SHC GREASE 460 WT.

表1 温度与运动粘度之间的关系

对数据进行处理，从美孚公司提供的MOBIL SHC GREASE 460 WT编号MSDS_668809安全技术说明书可知油脂的相对密度为0.9，由式（2）可得油脂的粘度等于0.9倍的运动粘度.

用MATLAB计算方程（3）A，B，C的值.

图3 求A，B，C的程序框图

解得A＝7.92，B＝164.6，C＝-131.9

式（3）为：

画出方程 lnμ＝7.92+164.6/（T-131.9）与表 1散点的图形.

图4 温度与运动粘度之间的关系

从图4可知油脂运动粘度随温度下降而增大，所以气温越低油脂粘度越高，在油脂管道及油脂分配阀中运动阻力越大，越容易发生油脂管及油脂分配阀堵塞故障.

4 温度对油脂泵出脂量的影响试验

试验条件：在恒温恒湿试验机中，保持温度、湿度不变，观察油脂的出脂量.

试验器材：恒温恒湿试验机、自动润滑系统、计时器、电子秤.

试验介质：美孚MOBIL SHC GREASE 460 WT.

表2 温度与排脂量的关系

图5 温度与一级分配器出油量之间的关系

从图5可知润滑系统在工作时间一定的条件下一级分配阀出油量随温度的变化而变化，温度低时一级分配阀出油量少，温度升高时一级分配阀出油量增多，温度与一级分配阀出油量之间成近似二次开口向下单调增区间函数关系，温度越高一级分配阀出油脂越容易.

图6 温度与二级分配器出油量之间的关系

从图6可知润滑系统在工作时间一定的条件下二级分配阀出油量随温度的变化而变化，温度低时二级分配阀出油量少，温度高时二级分配阀出油量多，温度与二级分配阀出油量之间成近似一次正比例函数关系，温度与二级分配阀出油量成正相关性.

5 新型轴承润滑系统的设计

由于冬天温度比较低，风机机舱内温在-30～0℃之间，油脂粘度大，油脂从油脂泵注入到分配阀，而分配阀是金属材质组成，如图6所示.阀体温度很低，油脂在低温条件下很容易在分配阀之中堵塞，时间一长油脂氧化在分配阀之中，造成分配阀永久性堵塞.现在的风机润滑脂加注系统没有考虑到低温的影响，导致油脂在分配阀中凝固，这样新的油脂进不来，废油脂排不出，轴承润滑不好加剧了轴承的磨损。根据现场的经验，大部分油脂润滑系统堵塞，都是油脂分配阀堵塞造成的，因此需要设计一种新型的轴承润滑系统，具备温度加热与控制的功能，能够对分配阀的温度进行控制，改善油脂在轴承润滑系统中的流动性，保证油脂在寒冷低温的环境下也能够注入到轴承当中去，如图7所示.

图7 油脂分配阀

该轴承润滑系统是一种自带加热器的系统，由润滑泵、溢流阀、油管、过滤器、主分配阀、压力传感器、温度开关、加热器、导线、端子排和电源组成，如图8所示.系统开始工作前会采集分配阀的温度值，当温度很低时，会预先对分配阀进行加热，当加热到系统温度的设定值时，系统开始工作.系统工作时，首先启动油脂泵，将油脂泵放至主分配阀，然后主分配阀再把油脂均匀分配到次级分配阀，最后次级分配阀将油脂均匀分配到各轴承润滑点.在此过程中，如果分配阀温度过高，加热器将停止加热，使温度下降；如果分配阀温度过低，系统将自动启动加热器加热.当系统在PLC设定的工作周期之外进行间隙调整时，加热器不加热，如图9所示.

图8 新型轴承润滑系统

图9 新型轴承润滑系统原理

加热器由零线、火线、温控开关和四个加热电阻组成，当温控开关接受到PLC的开始指令后，加热器开始工作；接受到停止指令后，加热器停止工作；当温度超过设定值70℃时，不管PLC有没有停止指令，温控开关自动断开，加热器停止加热.加热器的工作原理如图10所示.

图10 自动加热系统电路图

加热器上开有安装孔，其安装板、外壳、接线头和内部电热丝的结构形式如图11所示.

图11 加热器

6 结语

本文对风机变桨轴承自动润滑系统在工作过程中常出现的问题进行了分析，并就温度对油脂泵出脂量和温度对油脂粘度的影响进行了试验研究，同时结合风机的现场运行状况进行了分析，研究表明温度对润滑系统有着重要的影响，油脂分配阀在冬天最容易堵塞的主要原因是，油脂在低温时粘度较高，流动性很差，使得油脂滞留在分配阀中并发生氧化反应，长时间的氧化会造成分配阀永久性堵塞.通过在油脂分配阀上设计加装一个自动温控加热装置，使得低温天气里分配阀的温度恒定，可显著改善油脂的流动性能，能完全避免油脂凝固，进而避免现有风机轴承润滑系统经常发生的油脂润滑不足和无润滑的故障，从而保障风机轴承始终工作在润滑条件良好的状态.