关键词：自动润滑系统、堵塞、可靠性、离析

　　引言

　　目前风电行业用于主轴承、变桨轴承与偏航轴承的自动润滑系统的技术路线包含以下三个：递进式润滑系统、单线式润滑系统与单点自动注脂方式。表1从不同维度对这三种技术路线进行对比。

表1　润滑系统方案对比

　　由于海上风机的人员与物料运送成本高，为降低润滑系统堵塞故障的维修成本，整机厂通常采用单线式润滑系统。但在当前风电行业竞争激烈的环境下，单线式润滑系统高昂的采购成本成为该技术路线的一大弊病。在轴承润滑领域，递进式润滑系统在各行业的应用更为广泛，并且结构相对简单，技术成熟度更高。因此，如何在控制系统成本的条件下，对递进式润滑系统进行优化，降低系统堵塞故障率，并实现堵塞故障的早期预警，是当前风电行业轴承润滑系统开发的一个方向。

　　01　堵塞故障现象描述
　　新疆某项目在并网运行一定时间后，多台机组的自动润滑系统报出堵塞故障，当时正值冬季，环境温度很低；在对润滑系统中的分配器进行加热后，故障现象消除。机组继续运行一定时间后，在夏季再次出现多台机组报出堵塞故障。冬季的堵塞故障全部集中于变桨润滑系统，而夏季的堵塞故障则在主轴润滑系统与变桨润滑系统中均有发生。现场处理过程中发现，真正发生系统堵塞的都是变桨润滑系统的二级分配器，将导致故障的二级分配器进行拆解后，发现分配器内的通道已被干结的润滑脂堵死，如图1所示。

图1　导致堵塞故障的分配器

　　02　堵塞故障原因分析
　　首先介绍润滑系统堵塞故障的触发机理。图2是分配器的示意图，分配器将润滑脂等量输送到各个润滑点，是通过分配器内部的柱塞左右移动而推动润滑脂实现的。分配器的工作机理决定了分配器任何一个出脂口发生堵塞，则所有柱塞都将无法再移动，因此通过堵塞传感器（接近开关）的探头，监测分配器的任一柱塞是否能够在一定时间间隔内激发堵塞传感器的脉冲信号响应，来实现对分配器是否发生堵塞故障的判定。

图2　分配器示意图

　　其次，介绍发生堵塞故障的变桨润滑系统与主轴润滑系统结构。二者的系统原理图分别如图3与图4所示，两者的主要区别是变桨润滑系统采用的是润滑脂两级输送结构，主轴润滑系统采用的是润滑脂一级输送结构。

 

图3　变桨润滑系统原理图

 

图4　主轴润滑系统原理图

　　接着，基于递进式润滑系统的结构特点，对造成系统堵塞故障的可能原因进行梳理，构建该故障的故障树，如图5所示。

 

图5　润滑系统堵塞故障树

　　根据递进式润滑系统的结构特点，和风电机组主控系统的设置，堵塞故障的触发原因分为系统阻力过大、润滑泵运行但不出脂与传感器信号失真两大类。系统阻力过大是指润滑泵提供的压力动力，低于润滑系统下游的总阻力，导致分配器内部的无法正常工作，从而触发堵塞故障。润滑系统下游阻力包括润滑管路中的沿程阻力，与分配器或管路某个位置的局部阻力。影响沿程阻力的因素主要是润滑脂的稠度。低温环境下的润滑脂稠度相对常温环境增加很多，使润滑脂与管路内壁之间的摩擦力大幅增加，导致沿程阻力增大很多。影响局部阻力的因素包括润滑脂中的杂质与润滑脂的离析，其中大颗粒度的固体杂质会使润滑脂在管路中的通过面积减小，导致管路中的沿程阻力上升，造成堵塞故障；润滑脂离析是指在高温高压条件下，润滑脂中的基础油与稠化剂分离，使稠化剂在润滑系统的管路末端或分配器内部固化，导致系统的局部压力大幅上升，进而使系统总压力上升，Z终造成堵塞故障。

　　润滑泵运行而不出脂，主要是由于润滑泵自身内部的元件失效，和润滑脂中混入空气导致。润滑泵内部的传动元件因为加工精度等原因，无法在润滑泵上电运行后，正常推动泵芯运动，进而润滑脂不能推动分配器中的柱塞运动，使堵塞传感器无法检测到柱塞运动的脉冲信号，报出堵塞故障。润滑脂中的空气腔容积较大时，润滑泵泵出的润滑脂流量锐减，分配器中柱塞每个行程的周期大大增加，当周期超过堵塞故障触发时间条件时，便会激发堵塞故障。

　　堵塞传感器信号失真的影响因素主要有三点：传感器探头安装不到位、传感器失效与传感器接线松动。探头安装不到位，使分配器的柱塞移动到位时，探头与柱塞端面距离太远，无法感应，从而导致故障误报。传感器失效与接线松动均会导致在分配器柱塞正常工作条件下，传感器向主控系统发出错误信号，造成故障误报。

　　上述引起润滑系统堵塞故障的因素中，润滑脂至混入杂质、传感器信号失真与润滑泵无法正常出脂造成的堵塞均会在系统运行初期，或补充润滑脂后短期内发生，受外部环境条件的影响不大，因此不属于可靠性问题范畴。润滑脂稠度因环境温度下降而增大，导致的堵塞故障，也是在冬季的短期时间内出现，随着气温升高会得到缓解，等气温再次下降时又会出现，如此往复，也不属于可靠性问题范畴。因此，堵塞故障的影响因素中与可靠性相关的方面，主要集中于润滑脂离析问题。

　　润滑脂的离析特性，又称胶体安定性。胶体安定性是指润滑脂在一定温度与压力下保持胶体结构稳定，防止润滑油（即基础油）由润滑脂中析出的性能，通常把润滑脂析出油的数量换算为质量百分数表示^【1】。影响润滑脂离析特性的因素除了上述的温度与压力，还包含时间因素，即润滑脂在一定温度与压力下析出基础油的质量随时间推移而增加，这也恰恰体现了润滑脂离析特性属于可靠性的研究范畴。胡明华使用离心分油试验方法测试的润滑脂分油率/质量损失率与润滑脂老化时间关系的试验结果显示，润滑脂的质量损失率几乎保持线性增长，350小时后增长率也未出现显著下降，如图6所示^【2】。如果将离心试验时间与变桨润滑系统的实际运行时间（每天仅工作几分钟）进行简易对照，350小时相当于5年多的变桨润滑系统运行时间；考虑离心试验的环境温度（120℃）显著高于变桨润滑系统所处的环境温度，实际的润滑脂质量损失率不会达到离心试验结果那么高。

 

图6　分油率/质量损失率与热老化时间的关系曲线^【2】

　　故障描述中反映的堵塞部位集中于变桨润滑系统的二级分配器现象，需要从润滑泵/分配器的结构特点，与变桨润滑系统的两级润滑脂输送结构两个方面进行分析。润滑泵的出口设置有单向阀，使润滑脂只能想润滑泵下游单向流动；而润滑管路内壁与分配器对润滑脂的摩擦阻力使润滑泵停止运行时，润滑泵下游的润滑脂无法卸压，导致润滑泵不运行时，润滑系统管路与分配器中会保持一定的背压。该背压相对润滑系统运行时相同部位的压力较小，但是却在润滑系统运行间歇长时间作用于润滑脂，加速润滑脂的离析，使润滑脂稠度增大，进而使润滑系统阻力增大，Z终造成堵塞故障。润滑系统运行时，润滑泵下游的润滑脂流动阻力主要来自于分配器，因此变桨润滑系统的润滑泵出口压力（包含运行与不运行两种状态）高于主轴润滑系统与偏航润滑系统（这两种润滑系统都是一级润滑脂输送结构）。相应的变桨润滑系统背压比主轴润滑系统与偏航润滑系统更大，所以前者的基础油质量损失比后两者更大，也就更易发生堵塞故障。由于分配器产生的阻力比管路产生的阻力更大，因而润滑脂的离析更易在分配器处发生。变桨润滑系统不运行时，一级分配器的阻力与二级分配器相当；但是系统运行时，一级分配器内柱塞的动作频率是二级分配器的4倍，润滑脂作为非牛顿流体，柱塞的动作频率增大使润滑脂稠度减小（样例关系曲线如图7所示），而润滑脂的稠度减小较少则会导致二级分配器的阻力比一级分配器更大。因此，就不难理解为什么变桨润滑系统的堵塞部位都在二级分配器。

 

图7　某锂基润滑脂的粘剪曲线^【3】

　　由于润滑脂的离析是一个随时间推移的渐变过程，所以在出现堵塞故障趋势之初，体现为润滑系统管路局部压力上升。图8是对变桨润滑系统堵塞过程压力数据的局部截取，泵出口压力也可视为一级分配器入口压力（两者之间的管路压力可忽略不计），二级分配器压力指二级分配器入口压力。由图8可见，堵塞趋势发生前，泵出口压力在润滑泵运行与不运行两种工况下，都高于二级分配器入口压力。当由于润滑脂离析，开始出现堵塞趋势时，润滑泵不运行工况下二级分配器入口压力逐步上升，并超过泵出口压力（分配器出脂口都设置有单向阀，使得一级分配器出脂口压力高于进脂口压力时，润滑脂也不能向上游流动）；润滑泵运行工况下，润滑泵电机提供更大的压力（泵出口压力）以克服一级分配器与二级分配器之间的压力（二级分配器入口压力），实现润滑脂的输送。堵塞趋势一旦出现，二级分配器入口压力的不断上升，使二级分配器产生的阻力上升，导致二级分配器内润滑脂的离析加剧，随着润滑系统运行次数的累加，Z终使润滑泵电机需要克服的阻力超过自身上限，造成堵塞故障。

 

图8　压力演化趋势图

　　03　基于可靠性的方案探讨
　　针对以上故障原因的分析和测试数据的支撑，从可靠性角度研究故障解决方案，就需要聚焦于故障元件（分配器）的可靠性指标，即常规工况下二级分配器在润滑系统运行多少次时出现堵塞故障的概率会超过风电机组正常运行许可的程度。

　　上述分配器的可靠性指标，可通过变桨润滑系统台架试验，对一定样本量的分配器进行可靠性测试来获取。变桨润滑系统的实际运行情况是每天运行几分钟，如果按照该频率进行可靠性测试，显然无法承受其时间成本，所以必须进行等效的加速可靠性测试，具体测试周期可以根据试验台条件与实际需求进行设定。可靠性测试完成后，通过梳理试验数据，形成可量化的对风电机组运行可靠性指标的影响程度数据，如表2所示。

表2　分配器可靠性试验数据表（数据仅供参考）

　　后续可以根据表2梳理出的分配器与机组可靠性数据，制定二级分配器的更换策略，将现行的事后维修转变为定期维护，从而降低机组发电量损失，并减少突发性运维工作量。

　　04　结语
　　本文从可靠性角度，对风电机组润滑系统堵塞故障的原因通过搭建故障树的方式进行了梳理，并在此基础上筛选出其中与可靠性相关的故障原因；进而提出基于可靠性方法的故障解决方案。

　　通过可靠性方法解决堵塞故障可行，但是从试验与运维成本的维度来看，可靠性方法的费效比偏高。因此，从润滑系统智能化开发的维度，实现润滑系统的预防性维护，将是下一步工作方向之一。

　　参考文献

　　[1].汪德涛.润滑技术手册[M].北京：机械工业出版社，1999：305.

　　[2].胡明华等．静态热老化对锂-钙基润滑脂胶体性能的影响[J]．润滑与密封，2008，33（10）：55-60.

　　[3].王晓雪．锂基润滑脂流变特性与工作性能相关性研究[D]．哈尔滨工业大学，2015.

来源：《第六届中国风电后市场交流合作大会论文集》