關鍵詞：自動潤滑係統、堵塞、可（kě）靠性、離析

　　引言

　　目前風電行業用於主軸承、變槳軸承與偏（piān）航軸承的自動潤滑係統的技術路線（xiàn）包（bāo）含以下三個：遞進（jìn）式潤滑係（xì）統、單線式潤滑係統與單點自動注脂方式（shì）。表1從不（bú）同維（wéi）度對這三種技術路線進行（háng）對比。

表1　潤滑係統方案對（duì）比（bǐ）

　　由於海上風機（jī）的人員與物料運送成本高，為降低潤滑係統堵塞故障的維修成本（běn），整機廠通常采用單線式潤滑係統。但（dàn）在當前風（fēng）電行業競爭激烈的環境下，單線式潤滑係統（tǒng）高昂的（de）采購成本成為該技術路線的一大弊病。在軸（zhóu）承（chéng）潤滑領域，遞進式潤滑係統在各行業的應用更為廣泛，並且結構相對簡單，技（jì）術成熟（shú）度更高。因此，如何在控製係統成本的條件下，對遞（dì）進（jìn）式潤滑係統進行優化，降低係統堵塞故障率，並（bìng）實現堵塞故障的早期預警，是（shì）當前風電行業軸承（chéng）潤滑係統開發的（de）一個方向。

　　01　堵塞故障現象描述
　　新疆某項目在並網運行一定時間後，多（duō）台機組的自動潤滑係統報出堵塞故障，當時（shí）正值冬季，環境（jìng）溫度很低；在對潤滑係統中的分配器進行加熱後，故障現象消（xiāo）除。機組繼（jì）續運行一定（dìng）時間後，在夏季再次（cì）出現多台機組報出堵塞故障。冬季的堵塞故障全部集中於變（biàn）槳（jiǎng）潤滑係統，而夏季的堵塞故（gù）障則在主軸潤滑係（xì）統與（yǔ）變槳潤滑係（xì）統中均有發生。現場處理過程中發現，真正發生係統堵（dǔ）塞的都是變槳潤滑係統的二級分配器，將導致故障的二級分配器進行拆解後（hòu），發現分配器內的通道已被幹結的潤滑脂堵死，如圖1所（suǒ）示。

圖1　導致堵塞故障（zhàng）的分配器

　　02　堵塞故障原因分析
　　首先介紹潤滑係統堵塞故（gù）障的觸發機理。圖2是分配器的（de）示意圖（tú），分配器將潤滑脂等量輸送（sòng）到各個潤滑點，是通過分配器內部的柱塞左右移動而推動潤滑脂實現的。分配器的工（gōng）作機理決定了分配器任何一（yī）個出（chū）脂口發生堵塞，則所有（yǒu）柱塞都（dōu）將無法再移動，因此通過堵塞傳（chuán）感器（qì）（接近開關）的探頭，監測分配器的（de）任一柱（zhù）塞是否能夠在（zài）一定時間間隔內（nèi）激發堵塞傳感器的脈衝信號響應，來實現（xiàn）對分配（pèi）器是否（fǒu）發生（shēng）堵塞故障的判定。

圖（tú）2　分配器（qì）示意圖

　　其次，介（jiè）紹發（fā）生堵塞故障的變槳潤（rùn）滑係統與主（zhǔ）軸潤滑（huá）係（xì）統結構。二者的係統（tǒng）原理圖分別如圖3與圖4所示（shì），兩者的主要區別（bié）是變槳潤滑係統采用（yòng）的是潤滑脂兩級輸送結構，主軸潤滑係統采用的是潤滑脂一級輸送結構。

 

圖3　變（biàn）槳潤滑係統原理圖

 

圖4　主軸潤滑係統原理（lǐ）圖

　　接著，基於遞進（jìn）式潤滑係統的結構特點，對造成係統堵塞故障的可（kě）能原因進行（háng）梳（shū）理，構建該故障的故障樹，如圖5所示。

 

圖5　潤滑係統堵塞故障樹

　　根據遞（dì）進式潤滑係統的（de）結構特（tè）點，和風電機組主控係統的設置，堵塞故障的觸發原因分為係統阻力過大、潤滑（huá）泵運行但不出脂與傳感器信號失真兩大類。係統（tǒng）阻力過大是（shì）指潤滑泵（bèng）提供（gòng）的壓力動力，低於潤滑係統下（xià）遊的總阻力（lì），導致分配器內部的無法正常工作，從而觸發堵塞故障。潤滑係統下遊阻力包括潤（rùn）滑管路中的沿程阻力，與分配器或管路某（mǒu）個位置的局部阻力。影（yǐng）響（xiǎng）沿程阻力的因（yīn）素主要是（shì）潤滑脂的稠度。低溫環境下的潤滑脂稠度相對（duì）常（cháng）溫環境增加很多，使潤滑脂（zhī）與管路內壁之間的摩擦力大幅增加，導（dǎo）致沿程阻力增（zēng）大很多。影響局部阻（zǔ）力的因素（sù）包括潤滑脂中的雜質與潤（rùn）滑脂的離析，其中大顆粒度的固體雜質會使潤滑脂在管路中的通過（guò）麵積減小，導致管（guǎn）路中的沿程阻力上升，造成堵（dǔ）塞（sāi）故障；潤滑脂離析是指在高溫高壓條件下，潤滑脂中的基礎油與稠化劑分（fèn）離，使稠化劑在潤（rùn）滑係統的管路末端或分配器內部固化，導致係統的局部壓力大幅上升，進而使係統總壓力上升，Z終造成（chéng）堵塞故障。

　　潤滑泵（bèng）運行而（ér）不出脂，主（zhǔ）要是由於潤滑泵自身內部的元件失效，和潤滑脂中混入（rù）空氣導（dǎo）致。潤滑泵（bèng）內部的傳動元件因（yīn）為加工精（jīng）度等原因，無法在潤滑泵上（shàng）電運行後，正常推動泵芯運動，進而潤滑脂（zhī）不能推動分配器中的柱塞（sāi）運動，使堵塞（sāi）傳感器無法檢測到柱塞運動的脈衝信號，報出堵塞故障。潤（rùn）滑脂中的（de）空氣腔容積（jī）較大時，潤滑（huá）泵泵出（chū）的潤滑脂流量銳減，分配（pèi）器中柱塞每個行（háng）程的周期大大（dà）增加，當周期超過堵（dǔ）塞故障觸發時間條件時，便會激（jī）發堵塞故障。

　　堵塞（sāi）傳感器信號失真的影響（xiǎng）因素（sù）主要有三點：傳感（gǎn）器探頭安裝不到位（wèi）、傳感（gǎn）器失效與傳感器接線鬆動。探頭安裝不到位，使分配器的柱塞（sāi）移動到位（wèi）時，探頭與柱（zhù）塞端麵距離太遠，無法感（gǎn）應，從（cóng）而（ér）導致故障誤報（bào）。傳感器失效（xiào）與接線鬆（sōng）動均會（huì）導致在分配器柱塞正常（cháng）工作條件下（xià），傳感器向主控係統發出錯誤信號，造成故障（zhàng）誤報。

　　上述引起潤滑（huá）係統堵塞（sāi）故障的因素中，潤滑脂至混入雜質、傳感器信號失真與（yǔ）潤（rùn）滑（huá）泵無法正常出脂造成的堵塞均會在係統運行初期（qī），或補充潤滑脂（zhī）後短期內發生，受外部環境條（tiáo）件的（de）影（yǐng）響不大，因此不屬於可（kě）靠性問題（tí）範疇。潤滑脂稠度因（yīn）環境溫度下降而增大，導致的堵塞故障，也是在冬季的短期時間內出現，隨著氣溫升高會（huì）得到緩（huǎn）解，等氣溫再次下降時又會出現（xiàn），如此往複，也不屬於可靠性問題範疇。因此，堵塞故障的（de）影響因素中與可靠性相關的方麵，主要集中於潤滑脂離析問題。

　　潤滑（huá）脂的離析（xī）特（tè）性，又稱膠體安（ān）定（dìng）性。膠體安定性是指潤滑脂在一定溫度與壓力下（xià）保（bǎo）持膠體結構穩定（dìng），防（fáng）止（zhǐ）潤滑油（即基礎油）由潤滑脂中析出的性能，通（tōng）常（cháng）把（bǎ）潤滑脂析出油（yóu）的數量換算為質量百分數表示^【1】。影響潤滑脂離析特性的因素除了上述的溫度與壓（yā）力，還包含時間因（yīn）素，即潤滑脂在一定溫度與壓力下析出基礎油的質量隨時（shí）間推移而增加，這也恰恰體現了潤滑脂離析特性屬於可靠性的研究範疇。胡（hú）明華使（shǐ）用離（lí）心分油試驗方法測試的潤（rùn）滑脂分油率/質量損失率與潤滑脂老化時間（jiān）關係（xì）的試驗結果顯（xiǎn）示，潤滑脂的質量損失率幾乎（hū）保持線性增長，350小時後增長率也未出現顯著下降（jiàng），如圖（tú）6所示^【2】。如果將離心試驗時間與變槳潤（rùn）滑係（xì）統（tǒng）的實際（jì）運行時間（每天（tiān）僅工作幾分鍾）進行簡易對照，350小時相（xiàng）當於5年多的變槳潤滑係統運行時間；考慮離心試驗的環境溫度（120℃）顯著高於變（biàn）槳潤滑係統所處（chù）的環境溫度，實際的潤滑脂質量損失率不會達到（dào）離心試驗結果那麽高。

 

圖6　分油率/質（zhì）量損失率與熱老化時間的關係曲線^【2】

　　故障描述（shù）中反映的堵塞部位集中於變槳（jiǎng）潤滑係統（tǒng）的二（èr）級分（fèn）配器現象，需要從（cóng）潤滑泵/分（fèn）配器的結構特點，與變槳潤滑係統的兩級潤滑（huá）脂輸送結構兩個方麵進行分析。潤滑泵的（de）出口設置有（yǒu）單向閥，使潤滑脂隻能想潤滑泵（bèng）下遊單向流動；而潤滑管路內壁與分配器對潤滑脂（zhī）的摩擦阻（zǔ）力使潤滑泵停止運行時，潤滑（huá）泵下遊的潤滑脂無法卸壓，導（dǎo）致潤滑泵不運行（háng）時，潤滑係統管路與分配器中會保持一定的背壓。該背壓相對潤滑係統運行時相同部位的壓力較小，但是卻（què）在潤滑係統運行間歇長時間作用（yòng）於潤滑脂（zhī），加速潤滑脂（zhī）的離析，使潤（rùn）滑脂（zhī）稠度增大，進而使潤滑（huá）係統阻力增大，Z終造成（chéng）堵塞（sāi）故障。潤滑係統運行時，潤滑泵下遊的潤滑脂流動阻力主要來自於分配器，因此變槳潤滑（huá）係統的潤滑泵出口（kǒu）壓力（包含運行與不運行兩種狀（zhuàng）態）高（gāo）於主軸潤滑係統與（yǔ）偏航潤滑係統（這兩種潤滑係統都是一級潤滑脂輸送結構）。相應的變（biàn）槳潤滑係統背壓（yā）比主軸潤滑係統與偏航潤滑係統（tǒng）更大，所以前（qián）者的基礎油質量損失比後兩者更大，也就更易發生堵塞故障。由於分配器（qì）產生的阻力比管路產生的阻力（lì）更大，因而潤滑脂的（de）離析更易在分配器處發生。變槳潤滑係統不運行時，一級分配器的阻力與二級分配器相當；但是係統運行時，一級分配（pèi）器內（nèi）柱（zhù）塞的（de）動作頻（pín）率是（shì）二級分配器（qì）的4倍，潤（rùn）滑脂作為（wéi）非牛頓流體，柱塞的（de）動（dòng）作頻率增大使潤滑脂稠度（dù）減（jiǎn）小（樣例關係曲線如圖7所示），而（ér）潤（rùn）滑脂的稠度減小較少則會導致（zhì）二級分配器的阻力比一級分配器更大。因此，就不難理（lǐ）解為什麽變槳潤滑係統的堵塞部位都（dōu）在二級分（fèn）配器。

 

圖（tú）7　某鋰基潤滑脂的粘剪曲線^【3】

　　由於潤滑（huá）脂的離析是一個隨時間推移的漸（jiàn）變過程，所（suǒ）以在出現堵塞故（gù）障趨勢之初，體現為（wéi）潤（rùn）滑係統管路局部壓力上升。圖8是對變槳潤滑係統堵塞（sāi）過程壓力數據的局部截取，泵出口壓力也可視為一級分配器入口壓力（兩者（zhě）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，堵塞趨勢發生前，泵出口壓力（lì）在潤滑泵運行與不運行兩種工況（kuàng）下，都高於二級分配器入口壓力。當由於潤滑脂離析，開始（shǐ）出（chū）現堵塞趨勢時，潤滑泵不運行工況下二級分配器入口壓力逐步上升（shēng），並超過泵出口壓力（分配器出脂口都（dōu）設置有單向閥，使得一級分配器出脂口壓（yā）力（lì）高於進脂口壓力（lì）時（shí），潤滑（huá）脂也不能向上遊流動）；潤滑泵運行工況下，潤滑泵電機提（tí）供更大的壓力（泵出口（kǒu）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（lì）），實現潤滑脂的輸送。堵塞趨勢（shì）一旦出現，二級分配器入口壓力的（de）不斷上升，使二級分配器產生的阻力上升，導致二級（jí）分配器內潤滑脂的離析加劇，隨（suí）著潤滑係統運行次數的累加，Z終使（shǐ）潤滑泵電機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　基於可靠性的方案探（tàn）討
　　針對以上故障原因的分析和測試數據的支撐，從可靠（kào）性角度研究故障解（jiě）決方案（àn），就（jiù）需要聚焦於故障元件（分（fèn）配器）的可靠性指標，即常規工況下二級分配器在潤（rùn）滑係統運行多少（shǎo）次時出現堵塞（sāi）故障的概率會超過風電機組正（zhèng）常運行許可的程度。

　　上述分配器的可靠性指標，可通過變槳潤滑係統台架試驗，對一定樣本量的分配器進（jìn）行（háng）可靠性測試（shì）來獲取（qǔ）。變槳（jiǎng）潤滑係統（tǒng）的實際運行情況是每天運行（háng）幾分鍾，如果按照該頻率進行可靠性測（cè）試，顯然（rán）無法承受其（qí）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試（shì）驗台條件與實際需求進行設定。可靠性測試完成後，通過（guò）梳理試驗數據，形成可量化的對風電機（jī）組運行可靠性指標的影響程度數據（jù），如表2所示。

表2　分配器可靠性試驗數據表（數（shù）據僅供參考）

　　後續可以根據表2梳理出的分配（pèi）器與機組可靠性數據，製定二級（jí）分配器的更換策略，將（jiāng）現（xiàn）行的事後（hòu）維修轉變為定期維護，從而降（jiàng）低機組發電量損失，並減少突發性運維（wéi）工作量。

　　04　結語
　　本（běn）文從可靠性角度，對風電機組潤滑係統堵塞故障的原因通過搭建故障樹（shù）的方式進行（háng）了梳理，並在此基礎上篩（shāi）選出其中與可靠性（xìng）相關的故障原因；進而提出基於可靠性（xìng）方法的故障解決方案。

　　通過可靠（kào）性（xìng）方法解決（jué）堵塞故（gù）障可行，但是從試驗與運維成（chéng）本的維度（dù）來看，可靠性方法的（de）費效比偏高。因此，從潤滑係統智能化開發的維度，實（shí）現潤滑係統的預（yù）防性維護，將是下一步工作方向之一（yī）。

　　參考文獻

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來源：《第六屆中國風電後市場（chǎng）交流合作大會論文集》