風電集中潤滑系統(tǒng)應用對比分析

摘要：在大型風力發(fā)電機組中，保證軸承的良好潤滑對機組至關重要。介紹了遞進式集中潤滑系統(tǒng)及單線式集中潤滑系統(tǒng)的工作原理，并分別對其在風電機組中的應用現(xiàn)狀進行分析，總結存在的問題，在此基礎上提出了優(yōu)化的雙線集中潤滑系統(tǒng)解決方案，以提高風力發(fā)電機軸承潤滑的效率和可靠性。關鍵詞：風力發(fā)電機組；雙線集中潤滑系統(tǒng)；軸承潤滑；應用通常風場環(huán)境惡劣，風電機組處于高空，運維難度大、成本高，對于工作壽命為20年的風電機組，運維成本大約占風場收入的10%～15%；對于海上風電機組，運維成本更是高達20%～25%。高昂的運維費用直接降低風電的經(jīng)濟效益，因此，如何降低運維費用對于風電行業(yè)具有重要意義，是值得我們研究的課題。由于風場一般位置偏遠，傳統(tǒng)人工潤滑成本高、效果差，而集中潤滑系統(tǒng)可以在風機工作時，連續(xù)不斷地把潔凈的潤滑脂定時、定量輸送到全部傳動件的摩擦表面，以保證風電軸承的可靠潤滑。據(jù)國外資料，集中潤滑系統(tǒng)可以明顯降低軸承的故障率，使用集中潤滑6年時間，維護費減少23%，潤滑脂消耗減少15%。所以目前風電軸承已普遍采用了集中潤滑系統(tǒng)來代替手動潤滑，從而延長了風電機組的運轉周期，并可適當降低運維成本，具有良好的經(jīng)濟效益。本文作者通過對兩種常用的集中潤滑系統(tǒng)進行對比分析，進而提出優(yōu)化的雙線集中潤滑系統(tǒng)解決方案，以解決目前風電集中潤滑系統(tǒng)應用過程中的系統(tǒng)堵塞等常見問題。1風電集中潤滑系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀1.1風電行業(yè)對集中潤滑系統(tǒng)的要求1）耐溫性能好。風電機組一般安裝在高山、荒野、海灘等風口，需經(jīng)受嚴寒、酷暑，所處環(huán)境日夜溫差大，因此材料、潤滑脂都需要在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，一般運行溫度范圍為-40℃～70℃。2）壽命長。風電軸承的設計壽命為20年，所以要求集中潤滑系統(tǒng)的核心部件設計壽命也要達到20年。3）可靠性高。風電機組地處偏遠，且位于高空，維護不便、成本高，因此各部件均要滿足高可靠性、低故障率的需求，從而降低維護成本、提高收益率。1.2潤滑脂的流變性1）屈服應力屈服應力是指使交聯(lián)的稠化劑網(wǎng)狀纖維鏈結構受到一定的破壞并導致流動發(fā)生時所需要的剪切應力[5]。通常潤滑脂的屈服應力隨溫度升高而減小，如果在高溫下能保持適當?shù)那Γ瑒t潤滑脂不易滑落，適于高溫下使用。而在低溫使用時，要求潤滑脂在低溫下屈服應力不應過大，否則便會引起機械啟動困難或消耗過多的動力[3]。對于潤滑脂的輸送來說，屈服應力越大輸送越困難。2）剪切變稀剪切變稀是指潤滑脂的粘度隨著剪切速率的增加而減小的現(xiàn)象。在非常低的剪切速率下，潤滑脂的粘度很高；在剪切速率稍高時，粘度成數(shù)量級下降，出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象。對于潤滑脂的輸送來說，由于剪切變稀現(xiàn)象，剪切速率大比剪切速率小更容易輸送[3]。3）觸變性潤滑脂的觸變性是指在剪切應力下，潤滑脂的稠度逐漸變小，而剪切應力消失后結構逐漸恢復的過程[5]。潤滑脂的觸變性使得在機器不運轉時潤滑脂變稠，從而起到密封作用；在機器運轉時潤滑脂流動，從而起到潤滑作用。由于存在觸變行為，集中潤滑系統(tǒng)在啟動時所需的壓力變高，而連續(xù)循環(huán)供脂比間歇供脂的管道流動阻力要小，也使得潤滑脂在長管道中單位長度的阻力沿管長呈衰減趨勢[3]。1.3遞進式和單線式集中潤滑系統(tǒng)的原理及應用現(xiàn)狀目前風電行業(yè)用于主軸承、變槳軸承與偏航軸承的集中潤滑系統(tǒng)主要有：遞進式集中潤滑系統(tǒng)和單線式集中潤滑系統(tǒng)[4]。1）遞進式集中潤滑系統(tǒng)的原理及應用現(xiàn)狀遞進式集中潤滑系統(tǒng)：通過潤滑泵依次連接各級分配器，遞進式分配器工作時將潤滑脂按照順序單獨將每個柱塞計量部分的潤滑脂依次輸送到各個潤滑點，系統(tǒng)通常采用子母遞進的布置方法，系統(tǒng)原理如圖1。遞進式分配器通過各個柱塞按順序動作，以遞進方式逐個向潤滑點供脂。通過分配器上設置的指示桿可以觀察分配器的運行狀態(tài)，而通過分配器上安裝的傳感器可檢測整個分配器的運行狀況，分配器一旦發(fā)生堵塞，便可實時報警，遞進式分配器工作原理如圖2。圖1

遞進式集中潤滑系統(tǒng)原理圖

圖2遞進式分配器工作原理圖由于潤滑脂具有剪切變稀的流變特性，在遞進式分配器柱塞的反復剪切下，潤滑脂變稀，又因為注脂通道內(nèi)具有較高的背壓，會增加潤滑脂基礎油的析出，進而使?jié)櫥某矶仍黾?，屈服應力增大，導致潤滑脂輸送困難，故在遞進式集中潤滑系統(tǒng)中常見的故障即為遞進式分配器堵塞，康濤[4]描述了遞進式集中潤滑系統(tǒng)的故障現(xiàn)象，并對遞進式集中潤滑系統(tǒng)堵塞故障原因進行了分析，如圖3所示的一塊遞進式分配器，其注脂通道內(nèi)已被干結的潤滑脂填滿堵死，從而導致整個系統(tǒng)的癱瘓。圖3被干結潤滑脂堵塞的分配器2）單線式集中潤滑系統(tǒng)的原理及應用現(xiàn)狀單線式集中潤滑系統(tǒng)：單線分配器內(nèi)的活塞以固定位移量的方式對潤滑脂進行計量，工作時，幾乎同時將潤滑脂輸送到各潤滑點，系統(tǒng)原理及單線式分配器工作原理如圖4和5。圖4單線式集中潤滑系統(tǒng)原理圖圖5單線式分配器工作原理圖在單線式集中潤滑系統(tǒng)中，管路中的潤滑脂必須要經(jīng)過自然卸壓流回潤滑泵才能完成注脂過程，所以潤滑周期之間的間隔時間由供脂管線中的卸壓過程所決定，顯然該過程限制了潤滑系統(tǒng)的工作效率以及潤滑脂的輸送距離；另外由于分配器使用了彈性體作為密封件，增加了密封老化的風險。3）性能對比分析為了能更清晰的了解遞進式和單線式集中潤滑系統(tǒng)的特點，表1對遞進式集中潤滑系統(tǒng)與單線式集中潤滑系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行了對比分析。表1遞進式集中潤滑系統(tǒng)與單線式集中潤滑系統(tǒng)對比2雙線集中潤滑系統(tǒng)

通過上述對遞進式和單線式集中潤滑系統(tǒng)的對比，我們分析出了兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點，只有揚長避短，才能有效的解決風機軸承集中潤滑在應用過程中的問題，據(jù)此，本文提出了雙線集中潤滑系統(tǒng)的解決方案。2.1雙線集中潤滑系統(tǒng)的工作原理雙線集中潤滑系統(tǒng)的工作原理如圖6，接通電源，雙線潤滑泵工作，把潤滑脂輸送到換向閥內(nèi)，經(jīng)過換向閥進入潤滑系統(tǒng)主油路中，通過主油路A到達雙線分配器，分配器一端開始供脂，當分配器末端的壓力達到壓力開關設定值時，壓力開關發(fā)出信號促使雙線泵換向，A主油路壓力卸荷，B主油路開始供油，分配器另一端開始供脂，當分配器末端的壓力達到壓力開關設定值時，壓力開關發(fā)出信號促使雙線泵換向，B主油路壓力卸荷，隨后進入休止階段。雙線潤滑系統(tǒng)完成了一個完整的潤滑周期并進入下一個循環(huán)。圖6雙線集中潤滑系統(tǒng)原理圖2.2雙線分配器的工作原理為了實現(xiàn)其功能，雙線分配器需要兩條主管線，這些管線通過泵單元交替提供潤滑脂。在一條主管線增壓時，另一條主管線卸壓，一次完整的潤滑循環(huán)是兩條主管線都必須接連出現(xiàn)增壓和卸壓。每次潤滑循環(huán)中，分配器輸出潤滑脂的量是可以調節(jié)或預先設定好的。如圖7-1所示，由雙線潤滑泵壓送來的潤滑脂，經(jīng)供油管1a輸送至雙線分配器，進入控制活塞2左端加壓，將控制活塞2推向右側，此時右側與供油管1b連通卸荷。隨著控制活塞2的右移，使計量活塞3左腔室與控制活塞左腔室連通，計量活塞右腔與出油口連通，潤滑脂進入計量活塞左腔，推動計量活塞右移，將其右腔的潤滑脂經(jīng)排油管6b壓送到潤滑點，完成第一階段的供油工作。當潤滑泵切換至供油管1b供油時，工作原理圖如7-2所示，工作過程不再贅述。圖7-1雙線分配器工作原理圖1圖7-2雙線分配器工作原理圖22.3雙線集中潤滑系統(tǒng)的優(yōu)缺點1）優(yōu)點可以使用高稠度的潤滑脂；分配器結構簡單，內(nèi)部油道短，且各單元相互獨立，互不影響，解決了分配器堵塞的問題；與單線集中潤滑系統(tǒng)相比，潤滑脂的輸送距離更遠；注脂量調節(jié)方便，通過更換接頭，可實現(xiàn)10倍以上的油量配比，可以配置大量的潤滑點；雙線分配器布置靈活，與遞進式集中潤滑系統(tǒng)相比，能便捷的增加或減少潤滑點；采用壓力卸荷，供脂效率高；不存在容易磨損的彈性密封件。2）缺點需要兩條主管線和雙倍的配件和裝配硬件。2.4雙線集中潤滑系統(tǒng)高低溫性能測試在實驗室進行了雙線集中潤滑系統(tǒng)的可靠性試驗，在雙線集中潤滑系統(tǒng)工作1500小時后，測試各出脂口的出脂量變化。測試系統(tǒng)連接圖如圖8所示，主油管采用內(nèi)徑Φ10的單層鋼絲高壓膠管編織管，支油管采用4.0*8.6高壓樹脂管，實驗用潤滑脂采用長城2#極壓鋰基脂,管路末端增加1Mpa的負載。圖8雙線集中潤滑系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)連接圖雙線分配器編號以泵出脂口開始依次為1#、2#、3#，出脂量分別1#為G11、G12；2#為G21、G22；3#為G31、G32表示，測試結果如表2。表2雙線集中潤滑系統(tǒng)出脂量測試表從上表可看出，在管路長度為18.5米，管路末端施加1Mpa負載的條件下，不同的環(huán)境溫度對雙線集中潤滑系統(tǒng)的出脂量影響不大，出脂量能達到標稱值；在-20℃的溫度下，潤滑脂的密度變大，屈服應力增加，流動性變差，在8Mpa的換向壓力下，出脂口的出脂量減少，但在10Mpa的換向壓力下，出脂量恢復正常，這與潤滑脂的低溫性能有關。3總結1）通過對遞進式集中潤滑系統(tǒng)、單線集中潤滑系統(tǒng)原理和結構的對比分析，找出了目前風電集中潤滑系統(tǒng)在應用中存在的問題，提出了雙線集中潤滑系統(tǒng)的解決方案；2）通過對雙線集中潤滑系統(tǒng)的運行原理及雙線分配器的結構原理的分析，得出雙線集中潤滑系統(tǒng)的如下優(yōu)勢：A、雙線集中潤滑系統(tǒng)結構簡單，雙線分配器內(nèi)部油路短，無困油區(qū)，能有效解決遞進式分配器易堵塞的問題；B、雙線集中潤滑系統(tǒng)布置靈活，潤滑脂量可調節(jié)，可增加潤滑點，有效解決遞進式集中潤滑系統(tǒng)安裝后難以改變潤滑點數(shù)量和潤