风电集中润滑系统应用对比分析

摘要：在大型风力发电机组中，保证轴承的良好润滑对机组至关重要。介绍了递进式集中润滑系统及单线式集中润滑系统的工作原理，并分别对其在风电机组中的应用现状进行分析，总结存在的问题，在此基础上提出了优化的双线集中润滑系统解决方案，以提高风力发电机轴承润滑的效率和可靠性。关键词：风力发电机组；双线集中润滑系统；轴承润滑；应用通常风场环境恶劣，风电机组处于高空，运维难度大、成本高，对于工作寿命为20年的风电机组，运维成本大约占风场收入的10%～15%；对于海上风电机组，运维成本更是高达20%～25%。高昂的运维费用直接降低风电的经济效益，因此，如何降低运维费用对于风电行业具有重要意义，是值得我们研究的课题。由于风场一般位置偏远，传统人工润滑成本高、效果差，而集中润滑系统可以在风机工作时，连续不断地把洁净的润滑脂定时、定量输送到全部传动件的摩擦表面，以保证风电轴承的可靠润滑。据国外资料，集中润滑系统可以明显降低轴承的故障率，使用集中润滑6年时间，维护费减少23%，润滑脂消耗减少15%。所以目前风电轴承已普遍采用了集中润滑系统来代替手动润滑，从而延长了风电机组的运转周期，并可适当降低运维成本，具有良好的经济效益。本文作者通过对两种常用的集中润滑系统进行对比分析，进而提出优化的双线集中润滑系统解决方案，以解决目前风电集中润滑系统应用过程中的系统堵塞等常见问题。1风电集中润滑系统的应用现状1.1风电行业对集中润滑系统的要求1）耐温性能好。风电机组一般安装在高山、荒野、海滩等风口，需经受严寒、酷暑，所处环境日夜温差大，因此材料、润滑脂都需要在很宽的温度范围内工作，一般运行温度范围为-40℃～70℃。2）寿命长。风电轴承的设计寿命为20年，所以要求集中润滑系统的核心部件设计寿命也要达到20年。3）可靠性高。风电机组地处偏远，且位于高空，维护不便、成本高，因此各部件均要满足高可靠性、低故障率的需求，从而降低维护成本、提高收益率。1.2润滑脂的流变性1）屈服应力屈服应力是指使交联的稠化剂网状纤维链结构受到一定的破坏并导致流动发生时所需要的剪切应力[5]。通常润滑脂的屈服应力随温度升高而减小，如果在高温下能保持适当的屈服应力，则润滑脂不易滑落，适于高温下使用。而在低温使用时，要求润滑脂在低温下屈服应力不应过大，否则便会引起机械启动困难或消耗过多的动力[3]。对于润滑脂的输送来说，屈服应力越大输送越困难。2）剪切变稀剪切变稀是指润滑脂的粘度随着剪切速率的增加而减小的现象。在非常低的剪切速率下，润滑脂的粘度很高；在剪切速率稍高时，粘度成数量级下降，出现剪切变稀现象。对于润滑脂的输送来说，由于剪切变稀现象，剪切速率大比剪切速率小更容易输送[3]。3）触变性润滑脂的触变性是指在剪切应力下，润滑脂的稠度逐渐变小，而剪切应力消失后结构逐渐恢复的过程[5]。润滑脂的触变性使得在机器不运转时润滑脂变稠，从而起到密封作用；在机器运转时润滑脂流动，从而起到润滑作用。由于存在触变行为，集中润滑系统在启动时所需的压力变高，而连续循环供脂比间歇供脂的管道流动阻力要小，也使得润滑脂在长管道中单位长度的阻力沿管长呈衰减趋势[3]。1.3递进式和单线式集中润滑系统的原理及应用现状目前风电行业用于主轴承、变桨轴承与偏航轴承的集中润滑系统主要有：递进式集中润滑系统和单线式集中润滑系统[4]。1）递进式集中润滑系统的原理及应用现状递进式集中润滑系统：通过润滑泵依次连接各级分配器，递进式分配器工作时将润滑脂按照顺序单独将每个柱塞计量部分的润滑脂依次输送到各个润滑点，系统通常采用子母递进的布置方法，系统原理如图1。递进式分配器通过各个柱塞按顺序动作，以递进方式逐个向润滑点供脂。通过分配器上设置的指示杆可以观察分配器的运行状态，而通过分配器上安装的传感器可检测整个分配器的运行状况，分配器一旦发生堵塞，便可实时报警，递进式分配器工作原理如图2。图1

递进式集中润滑系统原理图

图2递进式分配器工作原理图由于润滑脂具有剪切变稀的流变特性，在递进式分配器柱塞的反复剪切下，润滑脂变稀，又因为注脂通道内具有较高的背压，会增加润滑脂基础油的析出，进而使润滑脂的稠度增加，屈服应力增大，导致润滑脂输送困难，故在递进式集中润滑系统中常见的故障即为递进式分配器堵塞，康涛[4]描述了递进式集中润滑系统的故障现象，并对递进式集中润滑系统堵塞故障原因进行了分析，如图3所示的一块递进式分配器，其注脂通道内已被干结的润滑脂填满堵死，从而导致整个系统的瘫痪。图3被干结润滑脂堵塞的分配器2）单线式集中润滑系统的原理及应用现状单线式集中润滑系统：单线分配器内的活塞以固定位移量的方式对润滑脂进行计量，工作时，几乎同时将润滑脂输送到各润滑点，系统原理及单线式分配器工作原理如图4和5。图4单线式集中润滑系统原理图图5单线式分配器工作原理图在单线式集中润滑系统中，管路中的润滑脂必须要经过自然卸压流回润滑泵才能完成注脂过程，所以润滑周期之间的间隔时间由供脂管线中的卸压过程所决定，显然该过程限制了润滑系统的工作效率以及润滑脂的输送距离；另外由于分配器使用了弹性体作为密封件，增加了密封老化的风险。3）性能对比分析为了能更清晰的了解递进式和单线式集中润滑系统的特点，表1对递进式集中润滑系统与单线式集中润滑系统的优缺点进行了对比分析。表1递进式集中润滑系统与单线式集中润滑系统对比2双线集中润滑系统

通过上述对递进式和单线式集中润滑系统的对比，我们分析出了两种系统的优缺点，只有扬长避短，才能有效的解决风机轴承集中润滑在应用过程中的问题，据此，本文提出了双线集中润滑系统的解决方案。2.1双线集中润滑系统的工作原理双线集中润滑系统的工作原理如图6，接通电源，双线润滑泵工作，把润滑脂输送到换向阀内，经过换向阀进入润滑系统主油路中，通过主油路A到达双线分配器，分配器一端开始供脂，当分配器末端的压力达到压力开关设定值时，压力开关发出信号促使双线泵换向，A主油路压力卸荷，B主油路开始供油，分配器另一端开始供脂，当分配器末端的压力达到压力开关设定值时，压力开关发出信号促使双线泵换向，B主油路压力卸荷，随后进入休止阶段。双线润滑系统完成了一个完整的润滑周期并进入下一个循环。图6双线集中润滑系统原理图2.2双线分配器的工作原理为了实现其功能，双线分配器需要两条主管线，这些管线通过泵单元交替提供润滑脂。在一条主管线增压时，另一条主管线卸压，一次完整的润滑循环是两条主管线都必须接连出现增压和卸压。每次润滑循环中，分配器输出润滑脂的量是可以调节或预先设定好的。如图7-1所示，由双线润滑泵压送来的润滑脂，经供油管1a输送至双线分配器，进入控制活塞2左端加压，将控制活塞2推向右侧，此时右侧与供油管1b连通卸荷。随着控制活塞2的右移，使计量活塞3左腔室与控制活塞左腔室连通，计量活塞右腔与出油口连通，润滑脂进入计量活塞左腔，推动计量活塞右移，将其右腔的润滑脂经排油管6b压送到润滑点，完成第一阶段的供油工作。当润滑泵切换至供油管1b供油时，工作原理图如7-2所示，工作过程不再赘述。图7-1双线分配器工作原理图1图7-2双线分配器工作原理图22.3双线集中润滑系统的优缺点1）优点可以使用高稠度的润滑脂；分配器结构简单，内部油道短，且各单元相互独立，互不影响，解决了分配器堵塞的问题；与单线集中润滑系统相比，润滑脂的输送距离更远；注脂量调节方便，通过更换接头，可实现10倍以上的油量配比，可以配置大量的润滑点；双线分配器布置灵活，与递进式集中润滑系统相比，能便捷的增加或减少润滑点；采用压力卸荷，供脂效率高；不存在容易磨损的弹性密封件。2）缺点需要两条主管线和双倍的配件和装配硬件。2.4双线集中润滑系统高低温性能测试在实验室进行了双线集中润滑系统的可靠性试验，在双线集中润滑系统工作1500小时后，测试各出脂口的出脂量变化。测试系统连接图如图8所示，主油管采用内径Φ10的单层钢丝高压胶管编织管，支油管采用4.0*8.6高压树脂管，实验用润滑脂采用长城2#极压锂基脂,管路末端增加1Mpa的负载。图8双线集中润滑系统性能测试系统连接图双线分配器编号以泵出脂口开始依次为1#、2#、3#，出脂量分别1#为G11、G12；2#为G21、G22；3#为G31、G32表示，测试结果如表2。表2双线集中润滑系统出脂量测试表从上表可看出，在管路长度为18.5米，管路末端施加1Mpa负载的条件下，不同的环境温度对双线集中润滑系统的出脂量影响不大，出脂量能达到标称值；在-20℃的温度下，润滑脂的密度变大，屈服应力增加，流动性变差，在8Mpa的换向压力下，出脂口的出脂量减少，但在10Mpa的换向压力下，出脂量恢复正常，这与润滑脂的低温性能有关。3总结1）通过对递进式集中润滑系统、单线集中润滑系统原理和结构的对比分析，找出了目前风电集中润滑系统在应用中存在的问题，提出了双线集中润滑系统的解决方案；2）通过对双线集中润滑系统的运行原理及双线分配器的结构原理的分析，得出双线集中润滑系统的如下优势：A、双线集中润滑系统结构简单，双线分配器内部油路短，无困油区，能有效解决递进式分配器易堵塞的问题；B、双线集中润滑系统布置灵活，润滑脂量可调节，可增加润滑点，有效解决递进式集中润滑系统安装后难以改变润滑点数量和润