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基于剖分式结构的风电机组主轴承密封研究

2018-02-02

王大伟　任丹丹

（大唐三门峡风力发电有限公司，河南省三门峡市　472000）

　　摘　要：针对双馈式风电机组主轴承润滑脂泄漏污染机舱环境，存在安全隐患，从而影响设备的稳定运行，介绍了剖分式主轴承密封的工作原理，分析了温升、振动、轴向窜动和径向跳动对密封性能的影响，提出实用性密封解决方案，改善密封性能，提高主轴承运行稳定性，有效保障风电机组的安全运行，减少机舱环境污染。

　　关键词：风力发电机组；主轴承；剖分式密封；失效；泄漏

　　引言

　　风力发电机组主轴承是传动系统的关键支撑部件，普遍存在密封泄漏现象，污染风电机组的机舱环境，存在严重的安全隐患。针对主轴承密封介质-润滑脂的粘度大和承受脉冲力及其低PV值的工况特点，选择剖分式密封结构，避免密封过量渗漏，保证轴承良好润滑的所需润滑脂，达到控制由于泄漏引起的机舱污染，促进主轴承润滑良好延长其使用寿命，降低运维成本，提高风电机组的稳定运行与盈利能力等目的。

　　针对主轴承密封泄漏问题，王琦、尹佐明等提出带有弹簧圈、密封唇和防尘唇的油封密封圈将有效改善密封性能，卢江跃等设计了一种迷宫密封加油封的组合密封结构，降低密封的泄漏量，王庆、胡清志等开发了一种双主唇加布油封，有效提高了密封压力，极大降低了密封的渗漏量，吉银辉研发了一种用于风力发电机组的主轴承密封系统，有效提升了密封的跟随性，解决了主轴轴向窜动与径向跳动引起的密封不良。

　　关于主轴承密封研究均集中在提升密封能力即提高密封压力方向，在不影响润滑效果的情况下，降低主轴承内润滑脂压力，方便维护的密封结构研究较少。针对此情况，提出一种有效保证轴承润滑状态良好的工况下，主动降低轴承内压力剖分式主轴承密封系统。

　　一、密封原理

　　通过主轴承密封密封唇口与轴承外径有一定过盈，在两者径向方向产生径向压力，使密封唇口与主轴表面贴合，确保接触面产生的压力在圆周上分布均匀，产生轴向摩擦力不小于密封介质产生的压力，阻止其泄漏，达到密封作用。

　　在主轴承密封与主轴承定位套之间存在一个唇口控制的动压油膜，其有足够的刚度使油膜与空气端在油膜表面张力的作用下形成一个弯月面，阻止润滑脂泄漏，形成主轴定位套与主轴承密封之间的密封。

　　当风电机组主轴带动主轴定位套旋转时，主轴承密封唇口与主轴定位套被动压油膜隔开。动压油膜起到降低磨损的作用，其厚度直接决定密封能力。动压油膜的厚度由润滑脂粘度，主轴定位套表面粗糙度，密封材料的耐磨性，主轴承密封的径向预紧力，主轴径向窜动量和主轴承密封结构参数等影响。主轴定位套与密封唇口形成的密封带宽度为0.2毫米到1毫米左右，动压油膜厚度为0.2微米到1微米左右。在风力发电机组运行时，受到主轴承内润滑脂压力变化的影响，密封唇口会在轴承定位套沿轴向进行蠕动，动压油膜厚度会有20%到25%的变化。

　　二、密封失效的原因

　　风电机组主轴承密封出现泄漏不良出现的时间分布为几天到2年不等，具有很大的不确定性，无法做到计划性维修或预测性维修，造成了维护成本增加，影响运维工作的统筹安排。因此，分析密封失效原因，有效控制密封状态成为紧迫任务。

　　2.1密封材质的影响

　　主轴承密封材料主要有聚氨酯橡胶、丁晴橡胶和氢化丁晴橡胶等材料。由于聚氨酯橡胶耐水和耐温性较差，丁晴橡胶耐高低温性能一般，氢化丁晴橡胶各项性能适应性Z好。所以密封材料优先选氢化丁晴橡胶作为密封材料，铁岭五星橡胶油膜密封研究所在这方面积累了很好的应用经验，被终端用户逐步接受，获得很好的应用效果。

　　2.2密封结构的影响

　　主轴承密封设计结构主要有迷宫密封与V型水封组合密封、迷宫密封与双V型水封组合密封迷宫密封与油封组合式密封等。

　　迷宫密封与V型水封组合密封防尘防水效果良好，但密封的补偿性和跟随性不好，造成密封与轴承端盖分离，润滑脂泄漏现象非常普遍。

　　密封宫密封与双V型水封组合密封对装配要求和主轴的窜动量和径向跳动要求较高，可维护性较差，但密封效果较好，使用寿命较长，性价比较高，密封效果有提升。

　　迷宫密封与油封组合式密封的密封能力Z高，达到0.3MPa，降低了装配精度要求和主轴的窜动量和径向跳动的要求，延长密封使用寿命。

　　2.3密封配合面粗糙度的影响

　　主轴承定位套表面粗糙度对密封件的性能与使用寿命影响非常大，如果表面粗糙度过小，动压油膜变薄甚至破损，密封件唇口与轴套处于干摩擦状态，导致密封唇口发热，严重会出现烧结现象；如果表面粗糙度过大，轴套会刮伤密封件唇口，增加摩擦力矩，密封唇口快速磨损，导致泄漏。因此，主轴承定位套的表面粗糙度选择对密封件的性能与使用寿命非常重要。

　　在密封压力为0.3MPa，轴径800毫米，转速17rpm，密封介质为2^#极压锂基脂条件下运行240小时，经实验测得主轴承定位套与密封件唇口磨损量关系图图下：

　　由上图可以看出，密封配合面粗糙度在0.4微米到0.8微米时，密封效果Z佳。由于加工成本和工艺可行性考虑，一般密封配合面在0.4到1.6微米之间，材料硬度为HRC35到52，密封件性能基本满足设计要求。

　　2.4密封件结构设计的影响

　　密封件腰部厚度决定密封唇口对轴的跟随性，并提供50%的径向预紧力，是密封性能的重要参数。密封件腰部提供的径向预紧力Fr与唇口过盈量和腰部厚度成正比，与腰部长度成反比，计算公式如下：

　　密封件唇口与旋转轴存在动压油膜，油膜厚度0.3微米左右，其刚度在油膜与空气接触端面在油膜表面张力作用下形成，有效阻止密封介质的泄漏。因此密封件的密封能力取决于动压油膜的厚度。如果厚度过大，刚度在油膜与空气接触端面在油膜表面张力作用下形成，有效阻止密封介质的泄漏。因此密封件的密封能力取决于动压油膜的厚度。如果厚度过大，刚度减小，动压油膜处会形成泄漏通道，密封失效;如果动压油膜厚度过小，易形成干摩擦，导致密封件过早失效，出现润滑脂泄漏。动压油膜厚度δ按下列公式求得：

　　三、改善主轴承密封的措施

　　某风场主轴承密封出现渗漏，经多次更换密封件，改善效果不明显。根据现场情况分析为如下原因：

　　1、主轴承轴向窜动较大，达到1.5到3毫米，导致密封件与轴承端盖之间压缩量达不到密封要求，引起废旧润滑脂渗漏；

　　2、主轴承内废旧油脂太多，无法由排油口排除，导致轴承内压力增大，润滑脂的传递的压力大于密封件的密封压力；

　　3、废旧润滑脂由密封处排出废旧油脂未及时清理，导致部分润滑脂皂化，破坏了轴承端盖密封配合表面粗糙度，引起密封渗漏。

　　针对以上原因，密封改造采取如下措施：

　　1、增大密封件补偿能力，主轴承定位套密封配合面轴向尺寸增加8毫米，轴向密封变更为径向密封，减少轴向窜动对密封性能的影响；

　　2、在排油口处增加废油排除装置，定时定点定量排除废油，降低轴承端盖内压力，减小密封件所受压力；

　　3、定期清理密封件周围废旧油脂，保持密封件与轴承定位套配合部位周围环境清洁，避免环境污染对密封性能的影响。

　　四、密封系统验证

　　某风场1.5MW风机，主轴承为双列圆柱滚子轴承，密封结构为V型水封与迷宫密封组合密封，润滑脂渗漏严重，废旧油脂对周围环境污染严重。改进密封结构为密封件与其固定装置均采用剖分装置，结构如下图所示。进行密封改善时，只需拆除原有密封件，加装新的密封固定装置即可。

　　4.1密封系统形式的选择

　　密封系统由剖分式密封件及其固定装置组成，匹配废油收集装置降低轴承内压力，密封件与轴承定位套配合部位废油，每三个月清理一次。

　　4.2密封件材料选择

　　密封件采用氢化丁晴橡胶，密封固定装置采用铝合金材料，表面处理采用防护漆喷涂处理，达到轻质、固定可靠的技术要求。

　　4.3轴承内润滑脂压力控制

　　安装废油收集系统，对称安装2个废油回收装置，工作时间设定为固定周期，检测压力设定为设定值，即当传感器每10分钟检测一次轴承底端油脂压力，如果压力值低于设定值，废油收集系统停止工作，如果压力值高于设定值，废收集系统开始工作，30分钟后停止工作，10分钟后检测轴承内油脂压力，如压力为降到设定值，将继续运行，重复上个步骤。直到油脂压力达到设定值为止。监控器将记录本次工作废油装置运行次数与本次初始油脂压力。当轴承内压力达到本次压力或类似于本次压力值时，废油收集装置将直接运行相同次数后检测轴承内润滑脂压力。

　　4.5密封配合面表面质量改善

　　由于原来与密封安装结构配合面的强度和表面粗糙度不能满足新型密封件的要求，故在轴承定位套上增加耐磨套，以提高密封配合面表面质量与硬度，保护密封的可靠性，避免轴套磨损，降低维护成本，延长轴套使用寿命。

　　该密封系统2016年11月20日开始运行，经历7个月后，主轴承温升基本无变化，密封处无过量润滑脂渗出。在未对主轴承密封配合零部件进行二次加工的情况下，彻底解决了密封渗漏问题，达到预期目的。