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基于剖分式結(jié)構(gòu)的風(fēng)電機(jī)組主軸承密封研究

2018-02-02

王大偉　任丹丹

（大唐三門峽風(fēng)力發(fā)電有限公司，河南省三門峽市　472000）

　　摘　要：針對(duì)雙饋式風(fēng)電機(jī)組主軸承潤滑脂泄漏污染機(jī)艙環(huán)境，存在安全隱患，從而影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，介紹了剖分式主軸承密封的工作原理，分析了溫升、振動(dòng)、軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)對(duì)密封性能的影響，提出實(shí)用性密封解決方案，改善密封性能，提高主軸承運(yùn)行穩(wěn)定性，有效保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，減少機(jī)艙環(huán)境污染。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；主軸承；剖分式密封；失效；泄漏

　　引言

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸承是傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐部件，普遍存在密封泄漏現(xiàn)象，污染風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙環(huán)境，存在嚴(yán)重的安全隱患。針對(duì)主軸承密封介質(zhì)-潤滑脂的粘度大和承受脈沖力及其低PV值的工況特點(diǎn)，選擇剖分式密封結(jié)構(gòu)，避免密封過量滲漏，保證軸承良好潤滑的所需潤滑脂，達(dá)到控制由于泄漏引起的機(jī)艙污染，促進(jìn)主軸承潤滑良好延長其使用壽命，降低運(yùn)維成本，提高風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行與盈利能力等目的。

　　針對(duì)主軸承密封泄漏問題，王琦、尹佐明等提出帶有彈簧圈、密封唇和防塵唇的油封密封圈將有效改善密封性能，盧江躍等設(shè)計(jì)了一種迷宮密封加油封的組合密封結(jié)構(gòu)，降低密封的泄漏量，王慶、胡清志等開發(fā)了一種雙主唇加布油封，有效提高了密封壓力，極大降低了密封的滲漏量，吉銀輝研發(fā)了一種用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主軸承密封系統(tǒng)，有效提升了密封的跟隨性，解決了主軸軸向竄動(dòng)與徑向跳動(dòng)引起的密封不良。

　　關(guān)于主軸承密封研究均集中在提升密封能力即提高密封壓力方向，在不影響潤滑效果的情況下，降低主軸承內(nèi)潤滑脂壓力，方便維護(hù)的密封結(jié)構(gòu)研究較少。針對(duì)此情況，提出一種有效保證軸承潤滑狀態(tài)良好的工況下，主動(dòng)降低軸承內(nèi)壓力剖分式主軸承密封系統(tǒng)。

　　一、密封原理

　　通過主軸承密封密封唇口與軸承外徑有一定過盈，在兩者徑向方向產(chǎn)生徑向壓力，使密封唇口與主軸表面貼合，確保接觸面產(chǎn)生的壓力在圓周上分布均勻，產(chǎn)生軸向摩擦力不小于密封介質(zhì)產(chǎn)生的壓力，阻止其泄漏，達(dá)到密封作用。

　　在主軸承密封與主軸承定位套之間存在一個(gè)唇口控制的動(dòng)壓油膜，其有足夠的剛度使油膜與空氣端在油膜表面張力的作用下形成一個(gè)彎月面，阻止?jié)櫥孤?，形成主軸定位套與主軸承密封之間的密封。

　　當(dāng)風(fēng)電機(jī)組主軸帶動(dòng)主軸定位套旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸承密封唇口與主軸定位套被動(dòng)壓油膜隔開。動(dòng)壓油膜起到降低磨損的作用，其厚度直接決定密封能力。動(dòng)壓油膜的厚度由潤滑脂粘度，主軸定位套表面粗糙度，密封材料的耐磨性，主軸承密封的徑向預(yù)緊力，主軸徑向竄動(dòng)量和主軸承密封結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響。主軸定位套與密封唇口形成的密封帶寬度為0.2毫米到1毫米左右，動(dòng)壓油膜厚度為0.2微米到1微米左右。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，受到主軸承內(nèi)潤滑脂壓力變化的影響，密封唇口會(huì)在軸承定位套沿軸向進(jìn)行蠕動(dòng)，動(dòng)壓油膜厚度會(huì)有20%到25%的變化。

　　二、密封失效的原因

　　風(fēng)電機(jī)組主軸承密封出現(xiàn)泄漏不良出現(xiàn)的時(shí)間分布為幾天到2年不等，具有很大的不確定性，無法做到計(jì)劃性維修或預(yù)測性維修，造成了維護(hù)成本增加，影響運(yùn)維工作的統(tǒng)籌安排。因此，分析密封失效原因，有效控制密封狀態(tài)成為緊迫任務(wù)。

　　2.1密封材質(zhì)的影響

　　主軸承密封材料主要有聚氨酯橡膠、丁晴橡膠和氫化丁晴橡膠等材料。由于聚氨酯橡膠耐水和耐溫性較差，丁晴橡膠耐高低溫性能一般，氫化丁晴橡膠各項(xiàng)性能適應(yīng)性Z好。所以密封材料優(yōu)先選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在這方面積累了很好的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，被終端用戶逐步接受，獲得很好的應(yīng)用效果。

　　2.2密封結(jié)構(gòu)的影響

　　主軸承密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要有迷宮密封與V型水封組合密封、迷宮密封與雙V型水封組合密封迷宮密封與油封組合式密封等。

　　迷宮密封與V型水封組合密封防塵防水效果良好，但密封的補(bǔ)償性和跟隨性不好，造成密封與軸承端蓋分離，潤滑脂泄漏現(xiàn)象非常普遍。

　　密封宮密封與雙V型水封組合密封對(duì)裝配要求和主軸的竄動(dòng)量和徑向跳動(dòng)要求較高，可維護(hù)性較差，但密封效果較好，使用壽命較長，性價(jià)比較高，密封效果有提升。

　　迷宮密封與油封組合式密封的密封能力Z高，達(dá)到0.3MPa，降低了裝配精度要求和主軸的竄動(dòng)量和徑向跳動(dòng)的要求，延長密封使用壽命。

　　2.3密封配合面粗糙度的影響

　　主軸承定位套表面粗糙度對(duì)密封件的性能與使用壽命影響非常大，如果表面粗糙度過小，動(dòng)壓油膜變薄甚至破損，密封件唇口與軸套處于干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致密封唇口發(fā)熱，嚴(yán)重會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象；如果表面粗糙度過大，軸套會(huì)刮傷密封件唇口，增加摩擦力矩，密封唇口快速磨損，導(dǎo)致泄漏。因此，主軸承定位套的表面粗糙度選擇對(duì)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(zhuǎn)速17rpm，密封介質(zhì)為2^#極壓鋰基脂條件下運(yùn)行240小時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得主軸承定位套與密封件唇口磨損量關(guān)系圖圖下：

　　由上圖可以看出，密封配合面粗糙度在0.4微米到0.8微米時(shí)，密封效果Z佳。由于加工成本和工藝可行性考慮，一般密封配合面在0.4到1.6微米之間，材料硬度為HRC35到52，密封件性能基本滿足設(shè)計(jì)要求。

　　2.4密封件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

　　密封件腰部厚度決定密封唇口對(duì)軸的跟隨性，并提供50%的徑向預(yù)緊力，是密封性能的重要參數(shù)。密封件腰部提供的徑向預(yù)緊力Fr與唇口過盈量和腰部厚度成正比，與腰部長度成反比，計(jì)算公式如下：

　　密封件唇口與旋轉(zhuǎn)軸存在動(dòng)壓油膜，油膜厚度0.3微米左右，其剛度在油膜與空氣接觸端面在油膜表面張力作用下形成，有效阻止密封介質(zhì)的泄漏。因此密封件的密封能力取決于動(dòng)壓油膜的厚度。如果厚度過大，剛度在油膜與空氣接觸端面在油膜表面張力作用下形成，有效阻止密封介質(zhì)的泄漏。因此密封件的密封能力取決于動(dòng)壓油膜的厚度。如果厚度過大，剛度減小，動(dòng)壓油膜處會(huì)形成泄漏通道，密封失效;如果動(dòng)壓油膜厚度過小，易形成干摩擦，導(dǎo)致密封件過早失效，出現(xiàn)潤滑脂泄漏。動(dòng)壓油膜厚度δ按下列公式求得：

　　三、改善主軸承密封的措施

　　某風(fēng)場主軸承密封出現(xiàn)滲漏，經(jīng)多次更換密封件，改善效果不明顯。根據(jù)現(xiàn)場情況分析為如下原因：

　　1、主軸承軸向竄動(dòng)較大，達(dá)到1.5到3毫米，導(dǎo)致密封件與軸承端蓋之間壓縮量達(dá)不到密封要求，引起廢舊潤滑脂滲漏；

　　2、主軸承內(nèi)廢舊油脂太多，無法由排油口排除，導(dǎo)致軸承內(nèi)壓力增大，潤滑脂的傳遞的壓力大于密封件的密封壓力；

　　3、廢舊潤滑脂由密封處排出廢舊油脂未及時(shí)清理，導(dǎo)致部分潤滑脂皂化，破壞了軸承端蓋密封配合表面粗糙度，引起密封滲漏。

　　針對(duì)以上原因，密封改造采取如下措施：

　　1、增大密封件補(bǔ)償能力，主軸承定位套密封配合面軸向尺寸增加8毫米，軸向密封變更為徑向密封，減少軸向竄動(dòng)對(duì)密封性能的影響；

　　2、在排油口處增加廢油排除裝置，定時(shí)定點(diǎn)定量排除廢油，降低軸承端蓋內(nèi)壓力，減小密封件所受壓力；

　　3、定期清理密封件周圍廢舊油脂，保持密封件與軸承定位套配合部位周圍環(huán)境清潔，避免環(huán)境污染對(duì)密封性能的影響。

　　四、密封系統(tǒng)驗(yàn)證

　　某風(fēng)場1.5MW風(fēng)機(jī)，主軸承為雙列圓柱滾子軸承，密封結(jié)構(gòu)為V型水封與迷宮密封組合密封，潤滑脂滲漏嚴(yán)重，廢舊油脂對(duì)周圍環(huán)境污染嚴(yán)重。改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)為密封件與其固定裝置均采用剖分裝置，結(jié)構(gòu)如下圖所示。進(jìn)行密封改善時(shí)，只需拆除原有密封件，加裝新的密封固定裝置即可。

　　4.1密封系統(tǒng)形式的選擇

　　密封系統(tǒng)由剖分式密封件及其固定裝置組成，匹配廢油收集裝置降低軸承內(nèi)壓力，密封件與軸承定位套配合部位廢油，每三個(gè)月清理一次。

　　4.2密封件材料選擇

　　密封件采用氫化丁晴橡膠，密封固定裝置采用鋁合金材料，表面處理采用防護(hù)漆噴涂處理，達(dá)到輕質(zhì)、固定可靠的技術(shù)要求。

　　4.3軸承內(nèi)潤滑脂壓力控制

　　安裝廢油收集系統(tǒng)，對(duì)稱安裝2個(gè)廢油回收裝置，工作時(shí)間設(shè)定為固定周期，檢測壓力設(shè)定為設(shè)定值，即當(dāng)傳感器每10分鐘檢測一次軸承底端油脂壓力，如果壓力值低于設(shè)定值，廢油收集系統(tǒng)停止工作，如果壓力值高于設(shè)定值，廢收集系統(tǒng)開始工作，30分鐘后停止工作，10分鐘后檢測軸承內(nèi)油脂壓力，如壓力為降到設(shè)定值，將繼續(xù)運(yùn)行，重復(fù)上個(gè)步驟。直到油脂壓力達(dá)到設(shè)定值為止。監(jiān)控器將記錄本次工作廢油裝置運(yùn)行次數(shù)與本次初始油脂壓力。當(dāng)軸承內(nèi)壓力達(dá)到本次壓力或類似于本次壓力值時(shí)，廢油收集裝置將直接運(yùn)行相同次數(shù)后檢測軸承內(nèi)潤滑脂壓力。

　　4.5密封配合面表面質(zhì)量改善

　　由于原來與密封安裝結(jié)構(gòu)配合面的強(qiáng)度和表面粗糙度不能滿足新型密封件的要求，故在軸承定位套上增加耐磨套，以提高密封配合面表面質(zhì)量與硬度，保護(hù)密封的可靠性，避免軸套磨損，降低維護(hù)成本，延長軸套使用壽命。

　　該密封系統(tǒng)2016年11月20日開始運(yùn)行，經(jīng)歷7個(gè)月后，主軸承溫升基本無變化，密封處無過量潤滑脂滲出。在未對(duì)主軸承密封配合零部件進(jìn)行二次加工的情況下，徹底解決了密封滲漏問題，達(dá)到預(yù)期目的。

　　五、結(jié)論

　　1、設(shè)計(jì)了一種迷宮密封加油封的組合密封結(jié)構(gòu)，在迷宮密封對(duì)潤滑脂進(jìn)行節(jié)流的基礎(chǔ)上，采用油封進(jìn)一步提高主軸承密封的性能，解決了密封滲漏的不良；

　　2、采用廢油排除技術(shù)降低軸承內(nèi)腔壓力，提升密封可靠性；

　　3、采用剖分式密封結(jié)構(gòu)，使密封維護(hù)操作簡單，成本降低，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度；

　　4、采用耐磨襯套結(jié)構(gòu)和氫化丁晴橡膠材料，增強(qiáng)了密封耐候性，降低密封件磨損，提高使用壽命；

　　5、設(shè)計(jì)了一種柔性油封，提高了密封的跟隨性和補(bǔ)償能力，延長了密封使用壽命。

來源：《風(fēng)電技術(shù)》2017年第六期