王大偉 任丹丹
（大唐三（sān）門峽風力發電有限（xiàn）公司，河南省三門峽市（shì） 472000）
摘 要：針對雙饋式風電機組主軸承潤滑脂泄漏汙染（rǎn）機艙環境，存在（zài）安全隱患，從而影響設備的穩定運行，介紹（shào）了剖分（fèn）式主軸（zhóu）承密封的工作原理，分析了溫升、振動（dòng）、軸向竄動和徑向跳動對（duì）密封性能的影響，提出實（shí）用性密封（fēng）解決方案，改善密封性能，提高（gāo）主軸承運行穩（wěn）定性，有效保障風電（diàn）機組的安全（quán）運行，減少機艙環境汙（wū）染。
關鍵詞：風力發電機組；主軸承；剖分式密封；失效；泄漏
引言
風力發電機（jī）組主軸承是傳動係統的關鍵支撐部件，普遍存在密封泄漏現象，汙染風電機組的機艙環境，存在嚴重的安全隱患。針對主軸承密（mì）封（fēng）介質-潤滑脂的粘度大和承受脈衝力及（jí）其低PV值的工況特點，選擇剖分式（shì）密封結構，避免密封過量滲漏，保證軸承良好潤滑的所需潤滑脂，達（dá）到控製由於泄漏（lòu）引起的機艙汙染，促進主軸承潤（rùn）滑良（liáng）好延長其使用壽命（mìng），降低運維成本（běn），提高風（fēng）電機組的穩定運行與盈利能力等目（mù）的（de）。
針對主軸承密封泄漏問題，王琦、尹佐明等提出帶有彈（dàn）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（jiāng）躍等設計（jì）了一種迷宮密封加油（yóu）封的組合密封結構，降低密封的泄（xiè）漏量，王慶（qìng）、胡清誌等開發了一種雙主唇加布油（yóu）封，有（yǒu）效提高了密封（fēng）壓力，極大降低了密封的滲（shèn）漏量，吉銀輝研發了一種用於風力發電機組的主軸（zhóu）承密（mì）封係統（tǒng），有效（xiào）提升了密（mì）封的跟隨性，解決了主軸軸向（xiàng）竄動與徑向（xiàng）跳動引起的密封（fēng）不良。
關於（yú）主軸承密封研究均（jun1）集中在提升密封能力即提高（gāo）密封壓力方向，在不影響（xiǎng）潤滑效果的情況下，降低主軸（zhóu）承內潤滑脂壓力，方便維護的密封結構（gòu）研（yán）究較少。針對此情況，提出一種有效保證軸承潤滑（huá）狀態良好的工（gōng）況下，主動降低軸承內壓力剖分式主（zhǔ）軸承密封係統。
一、密封原理
通過主軸承密（mì）封密封唇口與軸承外徑有一定過盈，在兩者徑向方向產生徑向壓力，使密封唇口與主軸表麵貼合，確保接觸麵產生的壓力在圓周上分（fèn）布均勻，產生軸向摩擦力（lì）不小於密封介質產生（shēng）的壓力（lì），阻止其泄漏，達到密封（fēng）作用。
在主軸承密封與主軸（zhóu）承定位（wèi）套之間存在一個唇口控製的動壓油膜，其有足夠的（de）剛度使油膜與空氣端在油膜表麵張力的作用下形成一個彎月麵，阻止潤滑脂泄漏，形（xíng）成主軸定位套與主軸承密封之間的密封。
當風電機（jī）組主軸帶動主軸定位套旋轉時（shí），主軸承（chéng）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（de）作用，其厚度直接決定密（mì）封能力。動壓油膜的厚度由（yóu）潤（rùn）滑脂粘度，主軸定位套（tào）表麵粗（cū）糙度，密封材料的耐磨性，主軸（zhóu）承密封的徑向預緊力，主軸徑（jìng）向竄動量和主（zhǔ）軸承密封結構參數等影響。主軸定位套與密封唇口形成的密封帶（dài）寬度為0.2毫米到（dào）1毫米左右，動壓油膜厚度為0.2微米到1微米左右。在風力發電機組運行時，受到主軸承內潤滑脂壓力變化的影響，密封（fēng）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（dào）25%的變化（huà）。
二、密封失效的原因
風電機組主軸承密封（fēng）出（chū）現泄漏不良出現的時間分布為（wéi）幾天（tiān）到2年不等，具有很大的（de）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（zēng）加，影（yǐng）響運維工作的統籌安排。因此，分析（xī）密封失（shī）效原因，有效控製密封狀態成為緊迫任務。
2.1密封（fēng）材質的影響
主軸承密（mì）封材料主（zhǔ）要有聚氨酯橡膠、丁（dīng）晴橡膠和氫化（huà）丁晴橡膠等材料。由於（yú）聚氨酯橡膠耐水和耐溫性較差，丁晴橡膠耐高（gāo）低溫性能（néng）一般（bān），氫化丁（dīng）晴（qíng）橡膠各項性能（néng）適（shì）應性Z好。所以密封材料（liào）優先選（xuǎn）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（suǒ）在（zài）這方麵積累（lèi）了很好的應用經驗，被終端用戶逐步（bù）接受，獲得很好的應用效果（guǒ）。
2.2密封結構的影響
主軸承密封設計結構主要有迷宮密（mì）封與V型水封組合密（mì）封、迷宮密封與雙V型水封組合密封迷（mí）宮（gōng）密封與油封組合式密封等。
迷宮密封與V型水封組合密（mì）封（fēng）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（zhóu）承（chéng）端蓋分離，潤滑脂泄漏現象非常普遍。
密封宮密封與雙V型水封（fēng）組合密封對裝配要求和主軸的竄動（dòng）量和徑向跳（tiào）動要求較（jiào）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（mí）宮密封與油封組合式密封的密封能力（lì）Z高，達（dá）到（dào）0.3MPa，降（jiàng）低了裝配精度要求和（hé）主（zhǔ）軸的竄動量（liàng）和徑向跳動的要求，延長密封使用壽命。
2.3密封配（pèi）合（hé）麵粗（cū）糙度的影響
主軸承定位套表麵粗糙度對密封件（jiàn）的性能與（yǔ）使用壽命影（yǐng）響（xiǎng）非常大，如（rú）果表（biǎo）麵粗糙度過小，動（dòng）壓油膜變薄甚至（zhì）破損，密封（fēng）件唇口與軸套處於幹摩擦狀態，導致密封唇口發熱，嚴重會出（chū）現燒結現象；如果表麵粗糙度過大，軸套會刮傷密封件唇口，增加摩擦力矩（jǔ），密封（fēng）唇口快速磨損，導致泄漏。因此（cǐ），主軸承定位套的表麵粗糙度選（xuǎn）擇（zé）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，轉速17rpm，密封介質為2#極壓鋰基脂條件下運行240小時，經實驗測得主軸承定位套（tào）與密封件唇口磨損量關係圖圖下：
由上圖可（kě）以看出，密封配合麵粗糙度在0.4微米到（dào）0.8微米時，密封效果Z佳。由於加工成本和工藝可行（háng）性考慮，一般密封配合麵在0.4到1.6微米之間，材料硬度為HRC35到52，密封件性（xìng）能基（jī）本滿足設計（jì）要求。
2.4密封件結構設計的影響
密封件腰部（bù）厚度決定密封唇口對（duì）軸的跟隨（suí）性，並提供（gòng）50%的（de）徑向預緊力（lì），是密（mì）封性能的重要參數。密封（fēng）件腰部提供的徑向預緊力Fr與唇口過盈（yíng）量和腰部厚度成正比，與腰部長度成反比，計算公式如下：
密封件唇口與旋轉軸存在動壓油膜，油膜厚度0.3微米左右，其剛（gāng）度（dù）在（zài）油膜（mó）與空氣接觸端麵在油膜表麵張力作用下形成，有效（xiào）阻止密封介質的泄漏。因此密封件的（de）密封能力取決於動壓（yā）油膜的厚度。如果厚（hòu）度過大，剛度（dù）在油膜（mó）與空氣接觸端麵在油膜表麵張力作用（yòng）下形成，有（yǒu）效阻止密封介質（zhì）的泄漏。因此密封件的（de）密封能力（lì）取決於動壓油膜的（de）厚度（dù）。如果厚（hòu）度（dù）過大（dà），剛度減小，動壓油膜處會形（xíng）成泄漏通道，密封失效;如果動壓油（yóu）膜厚度過小，易形（xíng）成幹摩擦，導致密封件（jiàn）過早失效，出現潤滑（huá）脂泄漏。動壓油膜（mó）厚（hòu）度δ按下列公式求（qiú）得：
三、改善主軸承密封的措施
某（mǒu）風場主軸承密封出現滲漏，經多次更換密封件（jiàn），改善效果不明顯。根據現場情況分析為如下原因：
1、主軸承（chéng）軸向竄動較大（dà），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（rùn）滑脂滲漏；
2、主軸承（chéng）內廢舊油脂太多，無法由排油口排除，導致軸承內（nèi）壓力增大，潤滑（huá）脂的傳遞的（de）壓力大於密封件的密封（fēng）壓力；
3、廢舊潤滑脂由密封處排出廢舊油（yóu）脂未及時清理，導致部分潤滑（huá）脂皂化，破壞了軸承端蓋密封配合表麵粗糙度，引起密封滲漏。
針對（duì）以上原因，密（mì）封改造（zào）采取如下（xià）措（cuò）施：
1、增大密封件補償能力，主軸承定位套密封配合麵軸向尺寸增加8毫米，軸向（xiàng）密封變更為徑向密封，減少（shǎo）軸（zhóu）向竄動對密封性（xìng）能的影響；
2、在排油口處增（zēng）加廢油排（pái）除裝（zhuāng）置，定（dìng）時定點定量排除（chú）廢油，降低軸承（chéng）端蓋內壓（yā）力，減（jiǎn）小密封（fēng）件所受壓力（lì）；
3、定期清理密（mì）封件周圍廢舊油脂，保持密封件與軸（zhóu）承定位套配合部（bù）位周圍環境清潔，避（bì）免環境汙（wū）染對密封性能的影（yǐng）響。
四、密（mì）封係統驗證
某風（fēng）場1.5MW風機，主軸承（chéng）為雙列圓柱滾子（zǐ）軸承，密封結構為V型水封與迷宮密封組合密封，潤滑脂滲漏嚴重，廢舊油（yóu）脂對周圍環境汙染嚴重。改進密封結構為（wéi）密（mì）封件與其固定裝置均采用剖分裝置（zhì），結構如下圖所示。進行密（mì）封改善時，隻需拆除原有密封件，加裝新的密（mì）封固定裝置即可。
4.1密封係統形式的選擇
密封係統由剖分式密封件及其（qí）固定裝置組成，匹配廢油收集裝置降低軸承內壓力，密封件與軸承定位套（tào）配合部位廢油，每三個月清理一次。
4.2密（mì）封件材料選（xuǎn）擇
密封件采用（yòng）氫化丁晴橡膠，密封固定裝置采用鋁合金材料（liào），表麵處理采用防護（hù）漆噴塗處理，達到輕（qīng）質、固定可靠的技術要求。
4.3軸承（chéng）內潤滑脂壓力控製
安裝廢油收（shōu）集係統（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（dāng）傳（chuán）感器每10分鍾檢測一次軸承底（dǐ）端油脂壓力，如果壓力值低於設定值，廢油收集係統停止工作，如果壓力值高於設定值，廢（fèi）收集係統（tǒng）開始工（gōng）作，30分鍾後停止工作，10分鍾後檢測（cè）軸承（chéng）內油脂壓力，如（rú）壓力為降到設定值，將繼續運（yùn）行，重複上個步驟。直到油脂壓力達到設定值為止。監控器將記錄本次工作廢油裝置運行次數與本次初始油脂壓力。當（dāng）軸承內壓力達到本次壓力或類似（sì）於本次壓（yā）力值時（shí），廢油收集裝置將直（zhí）接運（yùn）行相同次數後檢測軸承內（nèi）潤滑脂壓力。
4.5密封配合麵表麵質量改善
由於（yú）原來與密封安裝結構（gòu）配合麵的強（qiáng）度（dù）和表麵粗糙度不能滿足新型密封件的要求，故在軸承定位套上（shàng）增加耐磨（mó）套，以提高密封配合麵表麵質（zhì）量與（yǔ）硬度，保護密封的（de）可靠性，避免軸套磨損，降低維護（hù）成本，延長（zhǎng）軸套使用壽命。
該密（mì）封係統2016年11月20日開始運行，經曆（lì）7個月後，主軸承（chéng）溫升基本無變化，密封處無過量潤滑脂（zhī）滲出。在未對主軸（zhóu）承（chéng）密封配合零部件（jiàn）進行二次加（jiā）工的情況（kuàng）下，徹底解決了（le）密（mì）封滲漏問題，達到預期目的。
五、結論（lùn）
1、設計了一種迷宮密封加油封的組合（hé）密封結構，在迷宮密封對潤滑脂進行節（jiē）流的基礎（chǔ）上，采用油封進一步提（tí）高（gāo）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（mì）封可靠性；
3、采用（yòng）剖分（fèn）式密封結構，使（shǐ）密封維護操作（zuò）簡（jiǎn）單，成本降（jiàng）低（dī），減少工人勞動強度；
4、采用耐磨襯（chèn）套結構和氫化丁晴橡膠材料，增強了密封耐候性（xìng），降低密封件磨損，提高（gāo）使用壽（shòu）命；
5、設計了（le）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
