關(guān)于風電變槳軸承排脂收集的研究

文 | 陳景新

隨著風電行業(yè)的發(fā)展和裝機規(guī)模的不斷擴大，風電機組運行和維護所呈現(xiàn)的現(xiàn)場問題也日益引起人們的關(guān)注。變槳軸承聯(lián)接槳葉與輪轂，是實現(xiàn)槳葉順槳角度可調(diào)的關(guān)鍵部件。目前，風電機組變槳軸承普遍采用稠度近于NLGI 1.5#的油脂進行潤滑，軸承的內(nèi)外圈之間設(shè)有密封圈。軸承的外圈設(shè)有排脂孔，上面裝有集脂瓶，對排出的廢舊油脂進行收集。然而，風電機組現(xiàn)場運行后，變槳軸承滾道所排出的廢舊潤滑脂并不能有效進入集脂瓶，而往往在軸承的密封圈處被直接擠出。在密封圈處被擠出的廢舊潤滑脂常常還混有大量的新加注進去的新脂，這些新加注的潤滑脂還未充分發(fā)揮潤滑作用就被直接擠出，不僅造成油脂的大量浪費，也很容易導致變槳軸承因潤滑不足而出現(xiàn)故障。另外，軸承密封圈處被擠出的潤滑脂在風輪的旋轉(zhuǎn)下，有的甩到了輪轂里，有的甚至甩到了機組的外面，也嚴重污染機組的運行環(huán)境。

為防止從軸承密封圈處擠出的潤滑脂污染機組運行環(huán)境，目前的主要辦法是在變槳軸承兩個密封圈的外面，直接罩上一圈環(huán)形的廢脂收集盒。然而，收集盒固定在軸承的外圈端面上，由于軸承內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)，收集盒與軸承的內(nèi)圈必須要留有一定的間隙。這就使得加裝的廢脂收集盒并不能有效阻止軸承內(nèi)潤滑脂的過度流失。而且輪轂旋轉(zhuǎn)時，收集盒收集到的潤滑脂有一部分仍會從此間隙處流出，繼續(xù)污染機組。另外，環(huán)形的廢脂收集盒雖然已設(shè)計為由幾段組成，但安裝在槳葉側(cè)的廢脂收集盒，仍然難于拆卸清理。所以，在軸承密封圈外面加裝油脂收集盒并非理想方案。從阻止軸承內(nèi)潤滑脂的過度流失以及廢脂收集裝置便于現(xiàn)場拆裝角度考慮，在軸承外圈的外緣安裝廢脂收集器應(yīng)該是較為合適的方案，但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方案存在潤滑脂無法有效進入集脂器的問題。

本文結(jié)合有關(guān)學者的研究結(jié)論，以某行業(yè)常用潤滑脂為例，對其固有特性和受孔道結(jié)構(gòu)的影響進行分析，解析了潤滑脂無法進入集脂瓶的原因，并在保證軸承內(nèi)油脂不會過度流失的同時提出了提升潤滑脂排出效率的改進方案。

潤滑脂無法進入集脂瓶的原因分析

潤滑脂是由稠化劑、添加劑和基礎(chǔ)油組成，是一種結(jié)構(gòu)分散體系，屬于非牛頓流體。潤滑脂在輸送管道中的流動狀態(tài)主要受潤滑脂本身的流變特性和外部輸送條件的影響。潤滑脂流變參數(shù)主要有屈服應(yīng)力τ0、稠度系數(shù)k和剪切變稀指數(shù)n，這些參數(shù)不隨輸送系統(tǒng)參數(shù)變化而變化，只隨溫度變化而變化，在一定溫度下為定值，屬于潤滑脂本身固有特性，是潤滑脂流變特性的主要表征參數(shù)。輸送系統(tǒng)參數(shù)是管路的結(jié)構(gòu)參數(shù)和動力參數(shù)（R，孔道內(nèi)徑；?p/?z，壓力梯度），是通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和設(shè)備選型來確定的。為找出潤滑脂無法有效進入孔道的原因，本文分別對潤滑脂流變參數(shù)和孔道輸送參數(shù)兩個影響因素予以分析。

一、溫度對潤滑脂流變特性的影響

潤滑脂的組成結(jié)構(gòu)決定了它具有粘稠度和觸變性，只有在足夠外力的作用下才能產(chǎn)生變形和流動，具有非常復雜的流變特性。

圖1 剪切應(yīng)力變化曲線

根據(jù)NLGI 3鋰基脂在各種溫度條件下的剪切試驗，圖1給出了NLGI 3鋰基脂在各種溫度條件下，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化規(guī)律?？梢钥闯觯屑羟袘?yīng)力變化曲線隨剪切速率增大總體上升，但均存在拐點，即潤滑脂存在剪切屈服現(xiàn)象，該點的應(yīng)力為屈服剪應(yīng)力。屈服拐點之前的區(qū)域為彈性變形區(qū)域，而屈服拐點之后的區(qū)域為粘性流動區(qū)域，該曲線總體符合冪律流體函數(shù)關(guān)系。另外，隨著溫度升高潤滑脂的剪切應(yīng)力下降，剪切屈服所對應(yīng)的剪切速率變大，潤滑脂的流動性變好，更易于輸送。潤滑脂具有明顯的黏溫特性，這是因為潤滑脂在溫度較低時，微觀纖維結(jié)構(gòu)高度纏結(jié)在一起，流動時需要足夠的外力來克服這種纏結(jié)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的阻力，潤滑脂表現(xiàn)出明顯固體特性。隨著溫度升高纏結(jié)強度變?nèi)?，固體特性開始減弱，流動所需要克服的阻力也下降，承受的剪切應(yīng)力變小。潤滑脂這種纏結(jié)結(jié)構(gòu)隨溫度的變化規(guī)律，對潤滑脂流動過程中的剪切應(yīng)力產(chǎn)生了重要影響。潤滑脂的粘度和微觀纖維結(jié)構(gòu)屬潤滑脂本身固有屬性，但受外部溫度條件的影響?；谀撤N溫度，潤滑脂的粘度和微觀纖維結(jié)構(gòu)是基本不變的。潤滑脂的流變特性集中體現(xiàn)了潤滑脂粘度和微觀纖維結(jié)構(gòu)對其流動的影響，每種潤滑脂本身都具有特有的流變特性。潤滑脂的流變特性也主要受溫度條件影響，這對潤滑脂的流動將產(chǎn)生復雜的影響。

二、孔道對潤滑脂流動狀態(tài)的影響

為了研究潤滑脂在圓形孔道內(nèi)的流動狀態(tài)，設(shè)輸送孔道內(nèi)徑為R，選取長度為 L，在圓孔內(nèi)建立截面坐標系（r，z）。潤滑脂沿 z 方向流動，在不同半徑 r處潤滑脂的流速u不等（如圖2）。r方向為潤滑脂速度梯度方向，r0為流核半徑。潤滑脂在半徑小于r0的區(qū)域內(nèi)，流速為定值，該區(qū)域稱為流核區(qū)，流核區(qū)實際是孔道內(nèi)以r0為半徑且與孔道軸心相同的圓柱形區(qū)域，潤滑脂在該區(qū)域內(nèi)流速相等，且流速為最大。在半徑大于r0的區(qū)域內(nèi)，隨著半徑增大，流速逐漸減小，至管壁處速度為最小。該區(qū)域流動形態(tài)類似于牛頓流體的層流，該區(qū)域稱為粘性流動區(qū)域。

潤滑脂在流核區(qū)域內(nèi)無相對運動，剪切速率為零。在粘性流動區(qū)域內(nèi)隨著半徑的增大，潤滑脂剪切速率也增大，并在管壁處達到一個最大值。潤滑脂剪切速率的變化規(guī)律如圖3所示。

圖2 潤滑脂流動狀態(tài)

圖3 圓形孔道內(nèi)截面剪切速率的變化規(guī)律

潤滑脂在圓形孔道內(nèi)的剪切速率分布如公式（1）所示。

根據(jù)圖3和公式（1），流核半徑r0也是圓形孔道內(nèi)剪切速率為零的臨界半徑。根據(jù)公式（1）和流體剪切應(yīng)力與剪切速率的對應(yīng)關(guān)系，潤滑脂在圓形孔道內(nèi)剪切應(yīng)力τ分布也分為兩個區(qū)域：流核區(qū)域和粘性流動區(qū)域。在流核區(qū)域內(nèi)（r≤r0），剪切應(yīng)力為零；在粘性流動區(qū)域內(nèi)（r≥r0），剪切應(yīng)力隨壓力梯度和剪切半徑變化而呈線性變化規(guī)律，剪切應(yīng)力是剪切半徑r的函數(shù)，斜率為系統(tǒng)的壓力梯度。參見圖4和公式（2）。

根據(jù)圖4可知，剪切應(yīng)力只有在達到一定半徑才出現(xiàn)，此處剪切應(yīng)力對應(yīng)潤滑脂的屈服應(yīng)力τ0，此半徑即為潤滑脂在該輸送條件下的流核半徑r0。根據(jù)前面敘述，屈服應(yīng)力τ0是潤滑脂流變特性的重要表征參數(shù)，由潤滑脂本身特性決定，在一定溫度下為定值。假設(shè)潤滑脂均勻流動，壓力梯度?p/?z在泵送壓力和流道長度都確定的條件下，基本是固定的。那么根據(jù)公式（2），在一定壓力梯度?p/?z下，屈服應(yīng)力τ0所對應(yīng)的流核半徑r0也是固定的，它不隨流道半徑R變化而變化。根據(jù)圖4，潤滑脂在壓力梯度作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)力隨剪切半徑增大呈線性增大，在圓形孔道壁面處，剪切應(yīng)力將達到最大值，如果圓形孔道內(nèi)的潤滑脂在一定壓力梯度作用下，在壁面處所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力不足以克服潤滑脂本身固有的屈服應(yīng)力τ0，那么圓形孔道內(nèi)的潤滑脂就無法流動。換句話說，潤滑脂在一定的壓力梯度作用下，實際圓形孔道半徑r小于潤滑脂本身的流核半徑r0時，潤滑脂就無法流動。

流變參數(shù)測量和孔道輸送參數(shù)計算

本文選取風電變槳軸承常用NLGI 1.5的Mobil SHC Grease 460WT潤滑脂進行研究，根據(jù)風電機組運行環(huán)境溫度為-30℃，機艙內(nèi)外溫差一般在5℃左右，所以，取機組運行艙內(nèi)最低環(huán)境溫度-25℃，并以Mobil SHC Grease 460WT變槳軸承潤滑脂為研究對象，測量其流變參數(shù)。實驗根據(jù)Herschel-Bulkley 流變模型：

式中，τ為潤滑脂的剪切應(yīng)力；τ0為潤滑脂的屈服應(yīng)力；k為稠度系數(shù)；n為剪切變稀指數(shù)；為剪切速率。

本實驗采用測量相對容易實現(xiàn)的恒溫旋轉(zhuǎn)流變儀進行測試，實驗中轉(zhuǎn)子對實驗樣品施加剪切速率的范圍為10-2～102s-1，根據(jù)式（3）Herschel-Bulkley流變模型，通過實驗數(shù)據(jù)擬合的辦法，得出該潤滑脂在-25℃時的τ0＝2616Pa、k＝69Pa.sn和n＝0.64。

設(shè)計上變槳軸承溢出的廢舊潤滑脂經(jīng)軸承排脂孔排出，經(jīng)集脂瓶裝置的圓形孔道進入集脂瓶內(nèi)，各段孔道長度分別為L1、L2、L3，如圖5所示。

以某款變槳軸承排脂孔道為例，L1＝69mm，L2＝73mm，L3＝30mm。進入集脂瓶的流道總長度L＝ L1＋L2＋L3＝172mm。根據(jù)了解，早期的變槳軸承密封圈背壓設(shè)計往往不足0.3MPa，取現(xiàn)場運行磨損或受力變形后的變槳軸承進行測試，其密封圈的背壓往往不足0.2MPa。這里以0.2MPa計算，并忽略壓力損失，則整個流道的平均壓力梯度?p/?z＝Δp/L＝1163 Pa/mm。將變槳軸承潤滑脂的屈服應(yīng)力τ0和壓力梯度分別代入式（2），求得變槳軸承集脂瓶流道的流核半徑r0＝4.5mm。但目前集脂瓶進脂圓形孔道半徑R僅為3mm，R＜r0，所以，廢舊油脂在環(huán)境溫度-25℃時很難進入集脂瓶。

圖4 圓形孔道內(nèi)截面應(yīng)力分布變化規(guī)律

圖5 變槳軸承排脂孔道圖

潤滑脂收集器改進方案

根據(jù)上文對軸承排脂孔和集脂瓶流道半徑的分析結(jié)果，如果將最小流道半徑調(diào)至4.5mm以上，雖然可以改善潤滑脂在低溫狀態(tài)下的流動狀態(tài)，使廢舊油脂也更容易進入集脂瓶。但在常溫狀態(tài)下，這時的潤滑脂τ0又非常小，擴大排脂孔道將使進入集脂瓶的油脂成倍增加，這其中包括很多剛剛加進去的新油脂，不僅造成大量油脂的浪費，也很容易造成軸承油脂的過度流失，使軸承因欠潤滑出現(xiàn)故障?？梢圆捎梦鞫〞r定量收集廢舊油脂。吸脂器代替集脂瓶安裝在軸承排脂孔上，基本原理如圖6所示。吸脂器由雙作用油缸和柱塞泵構(gòu)成，雙作用油缸的活塞兩端分別接有動力油管；動力油管接通系統(tǒng)壓力，通過閥的換向推動柱塞往復運動。柱塞泵吸脂口接在軸承排脂孔上，與軸承內(nèi)腔接通，在柱塞泵右端設(shè)置有排脂單向閥，通過柱塞的往復運動，將吸入吸脂器內(nèi)的廢舊油脂及時排出，排油管與廢舊油脂收集盒接通。

吸脂器真空吸力可以達到-0.5bar以上。而吸脂器排脂口的壓力可以達到40bar以上，使進入吸脂器內(nèi)的廢舊油脂很容易排入油脂收集盒。下面計算變槳軸承在吸脂器作用下的廢舊油脂排出流量。安裝吸脂器后的變槳軸承如圖7所示。

潤滑脂在層流狀態(tài)下的名義剪切速率公式如下：

式中，4v/R為總流名義剪切速率；τW為軸承孔道壁面切應(yīng)力，τW＝RΔp/2L（ Δp為軸承孔道為L上的阻力）；（u為瞬時速度）。

圖6 吸脂器原理圖

圖7 變槳軸承安裝吸脂器示意圖

安裝吸脂器將改變排脂孔流道計算長度，同時也能保證軸承內(nèi)的潤滑脂在常溫狀態(tài)下不會從排脂孔流道過度流失，所以排脂孔流道內(nèi)徑可以適當加大。這里L＝70mm，R＝6mm，?p/?z＝Δp/L＝3571Pa/mm。將式（1）代入式（4），可得在吸脂器作用下，每個排脂孔的潤滑脂平均流速v≈0.11mm/s。則每個排脂孔所排出的廢舊油脂流量Q≈0.19mL/min。只要軸承排出油脂流量不高于吸脂器吸脂流量，基本可以保證潤滑脂不會從軸承密封圈的位置溢出，且可以保證油脂按吸脂器量程定時定量吸脂，使軸承油脂不至于過度流失。由于吸脂器在吸脂時內(nèi)部會出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，實際占空比比較低，這里選吸脂流量為0.4 mL/min吸脂器。

結(jié)論

本文重點研究潤滑脂在低溫狀態(tài)下的流動性問題，忽略潤滑脂壁滑移特性和流道邊緣端口效應(yīng)對流動性的影響。另外，潤滑脂使用后纖維分子結(jié)構(gòu)被剪切對潤滑脂的流動性也有一定影響。這都將使研究變得更為復雜，這些因素對潤滑脂流動性的影響還需進一步研究。本文研究得出的主要結(jié)論如下：

（1）潤滑脂是一種結(jié)構(gòu)分散體系，屬于非牛頓流體，具有非常復雜的流變特性。潤滑脂的流動不僅與潤滑脂的輸送特性有關(guān)，還與潤滑脂自身的流變特性有關(guān)。溫度是影響潤滑脂流變特性的主要因素，隨著溫度升高潤滑脂的剪切應(yīng)力下降，潤滑脂的表觀粘度減小，流動性變好，更易于輸送。

（2）潤滑脂的屈服應(yīng)力τ0及所對應(yīng)的流核半徑r0將圓形孔道分為兩個區(qū)域：在流核區(qū)域外，隨著半徑增大，流速減小，剪切速率增大，剪切應(yīng)力呈線性增大；在流核區(qū)域內(nèi)，潤滑脂無相對運動，流速相等且為最大，剪切速率和剪切應(yīng)力都為零。

（3）圓形孔道半徑小于油脂本身固有的流核半徑，即R＜r0，是潤滑脂低溫狀態(tài)下無法進入集脂瓶的根本原因。在軸承排脂孔上安裝吸脂器，定時定量吸取軸承內(nèi)廢舊油脂，既能有效解決低溫時廢舊油脂無法排出的問題，又能避免擴大排脂孔道后，常溫時軸承內(nèi)油脂的過度流失。