關(guān)鍵詞：自動潤滑系統(tǒng)、堵塞、可靠性、離析

　　引言

　　目前風電行業(yè)用于主軸承、變槳軸承與偏航軸承的自動潤滑系統(tǒng)的技術(shù)路線包含以下三個：遞進式潤滑系統(tǒng)、單線式潤滑系統(tǒng)與單點自動注脂方式。表1從不同維度對這三種技術(shù)路線進行對比。

表1　潤滑系統(tǒng)方案對比

　　由于海上風機的人員與物料運送成本高，為降低潤滑系統(tǒng)堵塞故障的維修成本，整機廠通常采用單線式潤滑系統(tǒng)。但在當前風電行業(yè)競爭激烈的環(huán)境下，單線式潤滑系統(tǒng)高昂的采購成本成為該技術(shù)路線的一大弊病。在軸承潤滑領(lǐng)域，遞進式潤滑系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用更為廣泛，并且結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)成熟度更高。因此，如何在控制系統(tǒng)成本的條件下，對遞進式潤滑系統(tǒng)進行優(yōu)化，降低系統(tǒng)堵塞故障率，并實現(xiàn)堵塞故障的早期預(yù)警，是當前風電行業(yè)軸承潤滑系統(tǒng)開發(fā)的一個方向。

　　01　堵塞故障現(xiàn)象描述
　　新疆某項目在并網(wǎng)運行一定時間后，多臺機組的自動潤滑系統(tǒng)報出堵塞故障，當時正值冬季，環(huán)境溫度很低；在對潤滑系統(tǒng)中的分配器進行加熱后，故障現(xiàn)象消除。機組繼續(xù)運行一定時間后，在夏季再次出現(xiàn)多臺機組報出堵塞故障。冬季的堵塞故障全部集中于變槳潤滑系統(tǒng)，而夏季的堵塞故障則在主軸潤滑系統(tǒng)與變槳潤滑系統(tǒng)中均有發(fā)生。現(xiàn)場處理過程中發(fā)現(xiàn)，真正發(fā)生系統(tǒng)堵塞的都是變槳潤滑系統(tǒng)的二級分配器，將導致故障的二級分配器進行拆解后，發(fā)現(xiàn)分配器內(nèi)的通道已被干結(jié)的潤滑脂堵死，如圖1所示。

圖1　導致堵塞故障的分配器

　　02　堵塞故障原因分析
　　首先介紹潤滑系統(tǒng)堵塞故障的觸發(fā)機理。圖2是分配器的示意圖，分配器將潤滑脂等量輸送到各個潤滑點，是通過分配器內(nèi)部的柱塞左右移動而推動潤滑脂實現(xiàn)的。分配器的工作機理決定了分配器任何一個出脂口發(fā)生堵塞，則所有柱塞都將無法再移動，因此通過堵塞傳感器（接近開關(guān)）的探頭，監(jiān)測分配器的任一柱塞是否能夠在一定時間間隔內(nèi)激發(fā)堵塞傳感器的脈沖信號響應(yīng)，來實現(xiàn)對分配器是否發(fā)生堵塞故障的判定。

圖2　分配器示意圖

　　其次，介紹發(fā)生堵塞故障的變槳潤滑系統(tǒng)與主軸潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。二者的系統(tǒng)原理圖分別如圖3與圖4所示，兩者的主要區(qū)別是變槳潤滑系統(tǒng)采用的是潤滑脂兩級輸送結(jié)構(gòu)，主軸潤滑系統(tǒng)采用的是潤滑脂一級輸送結(jié)構(gòu)。

 

圖3　變槳潤滑系統(tǒng)原理圖

 

圖4　主軸潤滑系統(tǒng)原理圖

　　接著，基于遞進式潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，對造成系統(tǒng)堵塞故障的可能原因進行梳理，構(gòu)建該故障的故障樹，如圖5所示。

 

圖5　潤滑系統(tǒng)堵塞故障樹

　　根據(jù)遞進式潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，和風電機組主控系統(tǒng)的設(shè)置，堵塞故障的觸發(fā)原因分為系統(tǒng)阻力過大、潤滑泵運行但不出脂與傳感器信號失真兩大類。系統(tǒng)阻力過大是指潤滑泵提供的壓力動力，低于潤滑系統(tǒng)下游的總阻力，導致分配器內(nèi)部的無法正常工作，從而觸發(fā)堵塞故障。潤滑系統(tǒng)下游阻力包括潤滑管路中的沿程阻力，與分配器或管路某個位置的局部阻力。影響沿程阻力的因素主要是潤滑脂的稠度。低溫環(huán)境下的潤滑脂稠度相對常溫環(huán)境增加很多，使?jié)櫥c管路內(nèi)壁之間的摩擦力大幅增加，導致沿程阻力增大很多。影響局部阻力的因素包括潤滑脂中的雜質(zhì)與潤滑脂的離析，其中大顆粒度的固體雜質(zhì)會使?jié)櫥诠苈分械耐ㄟ^面積減小，導致管路中的沿程阻力上升，造成堵塞故障；潤滑脂離析是指在高溫高壓條件下，潤滑脂中的基礎(chǔ)油與稠化劑分離，使稠化劑在潤滑系統(tǒng)的管路末端或分配器內(nèi)部固化，導致系統(tǒng)的局部壓力大幅上升，進而使系統(tǒng)總壓力上升，最終造成堵塞故障。

　　潤滑泵運行而不出脂，主要是由于潤滑泵自身內(nèi)部的元件失效，和潤滑脂中混入空氣導致。潤滑泵內(nèi)部的傳動元件因為加工精度等原因，無法在潤滑泵上電運行后，正常推動泵芯運動，進而潤滑脂不能推動分配器中的柱塞運動，使堵塞傳感器無法檢測到柱塞運動的脈沖信號，報出堵塞故障。潤滑脂中的空氣腔容積較大時，潤滑泵泵出的潤滑脂流量銳減，分配器中柱塞每個行程的周期大大增加，當周期超過堵塞故障觸發(fā)時間條件時，便會激發(fā)堵塞故障。

　　堵塞傳感器信號失真的影響因素主要有三點：傳感器探頭安裝不到位、傳感器失效與傳感器接線松動。探頭安裝不到位，使分配器的柱塞移動到位時，探頭與柱塞端面距離太遠，無法感應(yīng)，從而導致故障誤報。傳感器失效與接線松動均會導致在分配器柱塞正常工作條件下，傳感器向主控系統(tǒng)發(fā)出錯誤信號，造成故障誤報。

　　上述引起潤滑系統(tǒng)堵塞故障的因素中，潤滑脂至混入雜質(zhì)、傳感器信號失真與潤滑泵無法正常出脂造成的堵塞均會在系統(tǒng)運行初期，或補充潤滑脂后短期內(nèi)發(fā)生，受外部環(huán)境條件的影響不大，因此不屬于可靠性問題范疇。潤滑脂稠度因環(huán)境溫度下降而增大，導致的堵塞故障，也是在冬季的短期時間內(nèi)出現(xiàn)，隨著氣溫升高會得到緩解，等氣溫再次下降時又會出現(xiàn)，如此往復，也不屬于可靠性問題范疇。因此，堵塞故障的影響因素中與可靠性相關(guān)的方面，主要集中于潤滑脂離析問題。

　　潤滑脂的離析特性，又稱膠體安定性。膠體安定性是指潤滑脂在一定溫度與壓力下保持膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止?jié)櫥停椿A(chǔ)油）由潤滑脂中析出的性能，通常把潤滑脂析出油的數(shù)量換算為質(zhì)量百分數(shù)表示^【1】。影響潤滑脂離析特性的因素除了上述的溫度與壓力，還包含時間因素，即潤滑脂在一定溫度與壓力下析出基礎(chǔ)油的質(zhì)量隨時間推移而增加，這也恰恰體現(xiàn)了潤滑脂離析特性屬于可靠性的研究范疇。胡明華使用離心分油試驗方法測試的潤滑脂分油率/質(zhì)量損失率與潤滑脂老化時間關(guān)系的試驗結(jié)果顯示，潤滑脂的質(zhì)量損失率幾乎保持線性增長，350小時后增長率也未出現(xiàn)顯著下降，如圖6所示^【2】。如果將離心試驗時間與變槳潤滑系統(tǒng)的實際運行時間（每天僅工作幾分鐘）進行簡易對照，350小時相當于5年多的變槳潤滑系統(tǒng)運行時間；考慮離心試驗的環(huán)境溫度（120℃）顯著高于變槳潤滑系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度，實際的潤滑脂質(zhì)量損失率不會達到離心試驗結(jié)果那么高。

 

圖6　分油率/質(zhì)量損失率與熱老化時間的關(guān)系曲線^【2】

　　故障描述中反映的堵塞部位集中于變槳潤滑系統(tǒng)的二級分配器現(xiàn)象，需要從潤滑泵/分配器的結(jié)構(gòu)特點，與變槳潤滑系統(tǒng)的兩級潤滑脂輸送結(jié)構(gòu)兩個方面進行分析。潤滑泵的出口設(shè)置有單向閥，使?jié)櫥荒芟霛櫥孟掠螁蜗蛄鲃?；而潤滑管路?nèi)壁與分配器對潤滑脂的摩擦阻力使?jié)櫥猛Ｖ惯\行時，潤滑泵下游的潤滑脂無法卸壓，導致潤滑泵不運行時，潤滑系統(tǒng)管路與分配器中會保持一定的背壓。該背壓相對潤滑系統(tǒng)運行時相同部位的壓力較小，但是卻在潤滑系統(tǒng)運行間歇長時間作用于潤滑脂，加速潤滑脂的離析，使?jié)櫥矶仍龃?，進而使?jié)櫥到y(tǒng)阻力增大，最終造成堵塞故障。潤滑系統(tǒng)運行時，潤滑泵下游的潤滑脂流動阻力主要來自于分配器，因此變槳潤滑系統(tǒng)的潤滑泵出口壓力（包含運行與不運行兩種狀態(tài)）高于主軸潤滑系統(tǒng)與偏航潤滑系統(tǒng)（這兩種潤滑系統(tǒng)都是一級潤滑脂輸送結(jié)構(gòu)）。相應(yīng)的變槳潤滑系統(tǒng)背壓比主軸潤滑系統(tǒng)與偏航潤滑系統(tǒng)更大，所以前者的基礎(chǔ)油質(zhì)量損失比后兩者更大，也就更易發(fā)生堵塞故障。由于分配器產(chǎn)生的阻力比管路產(chǎn)生的阻力更大，因而潤滑脂的離析更易在分配器處發(fā)生。變槳潤滑系統(tǒng)不運行時，一級分配器的阻力與二級分配器相當；但是系統(tǒng)運行時，一級分配器內(nèi)柱塞的動作頻率是二級分配器的4倍，潤滑脂作為非牛頓流體，柱塞的動作頻率增大使?jié)櫥矶葴p?。永P(guān)系曲線如圖7所示），而潤滑脂的稠度減小較少則會導致二級分配器的阻力比一級分配器更大。因此，就不難理解為什么變槳潤滑系統(tǒng)的堵塞部位都在二級分配器。

 

圖7　某鋰基潤滑脂的粘剪曲線^【3】

　　由于潤滑脂的離析是一個隨時間推移的漸變過程，所以在出現(xiàn)堵塞故障趨勢之初，體現(xiàn)為潤滑系統(tǒng)管路局部壓力上升。圖8是對變槳潤滑系統(tǒng)堵塞過程壓力數(shù)據(jù)的局部截取，泵出口壓力也可視為一級分配器入口壓力（兩者之間的管路壓力可忽略不計），二級分配器壓力指二級分配器入口壓力。由圖8可見，堵塞趨勢發(fā)生前，泵出口壓力在潤滑泵運行與不運行兩種工況下，都高于二級分配器入口壓力。當由于潤滑脂離析，開始出現(xiàn)堵塞趨勢時，潤滑泵不運行工況下二級分配器入口壓力逐步上升，并超過泵出口壓力（分配器出脂口都設(shè)置有單向閥，使得一級分配器出脂口壓力高于進脂口壓力時，潤滑脂也不能向上游流動）；潤滑泵運行工況下，潤滑泵電機提供更大的壓力（泵出口壓力）以克服一級分配器與二級分配器之間的壓力（二級分配器入口壓力），實現(xiàn)潤滑脂的輸送。堵塞趨勢一旦出現(xiàn)，二級分配器入口壓力的不斷上升，使二級分配器產(chǎn)生的阻力上升，導致二級分配器內(nèi)潤滑脂的離析加劇，隨著潤滑系統(tǒng)運行次數(shù)的累加，最終使?jié)櫥秒姍C需要克服的阻力超過自身上限，造成堵塞故障。

 

圖8　壓力演化趨勢圖

　　03　基于可靠性的方案探討
　　針對以上故障原因的分析和測試數(shù)據(jù)的支撐，從可靠性角度研究故障解決方案，就需要聚焦于故障元件（分配器）的可靠性指標，即常規(guī)工況下二級分配器在潤滑系統(tǒng)運行多少次時出現(xiàn)堵塞故障的概率會超過風電機組正常運行許可的程度。

　　上述分配器的可靠性指標，可通過變槳潤滑系統(tǒng)臺架試驗，對一定樣本量的分配器進行可靠性測試來獲取。變槳潤滑系統(tǒng)的實際運行情況是每天運行幾分鐘，如果按照該頻率進行可靠性測試，顯然無法承受其時間成本，所以必須進行等效的加速可靠性測試，具體測試周期可以根據(jù)試驗臺條件與實際需求進行設(shè)定。可靠性測試完成后，通過梳理試驗數(shù)據(jù)，形成可量化的對風電機組運行可靠性指標的影響程度數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2　分配器可靠性試驗數(shù)據(jù)表（數(shù)據(jù)僅供參考）

　　后續(xù)可以根據(jù)表2梳理出的分配器與機組可靠性數(shù)據(jù)，制定二級分配器的更換策略，將現(xiàn)行的事后維修轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄆ诰S護，從而降低機組發(fā)電量損失，并減少突發(fā)性運維工作量。

　　04　結(jié)語
　　本文從可靠性角度，對風電機組潤滑系統(tǒng)堵塞故障的原因通過搭建故障樹的方式進行了梳理，并在此基礎(chǔ)上篩選出其中與可靠性相關(guān)的故障原因；進而提出基于可靠性方法的故障解決方案。

　　通過可靠性方法解決堵塞故障可行，但是從試驗與運維成本的維度來看，可靠性方法的費效比偏高。因此，從潤滑系統(tǒng)智能化開發(fā)的維度，實現(xiàn)潤滑系統(tǒng)的預(yù)防性維護，將是下一步工作方向之一。

　　參考文獻

　　[1].汪德濤.潤滑技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：305.

　　[2].胡明華等．靜態(tài)熱老化對鋰-鈣基潤滑脂膠體性能的影響[J]．潤滑與密封，2008，33（10）：55-60.

　　[3].王曉雪．鋰基潤滑脂流變特性與工作性能相關(guān)性研究[D]．哈爾濱工業(yè)大學，2015.

來源：《第六屆中國風電后市場交流合作大會論文集》