风电机组主轴轴承在机清洗工艺

文摘 2024-10-10 18:32 河南

《轴承》2024年第9期

引文格式：

姚鹏，高飞，孙立明，等.风电机组主轴轴承在机清洗工艺[J].轴承，2024（9）：68-72.

YAO Peng，GAO Fei，SUN Liming，et al.On-Machine Cleaning Process for Wind Turbine Main Shaft Bearings[J].Beairng,2024（9）：68-72.

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风电机组主轴轴承在机清洗工艺

姚鹏 ^1,²高飞 ^3,⁴孙立明 ³宋吉祥 ³张永辉 ^1,²

（1. 超滑科技（佛山）有限责任公司，广东佛山 528000；2. 大生科技（北京）有限公司，北京 100144；3. 国创（洛阳）轴承产业技术研究院有限公司，河南洛阳 471039；4. 洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039 ）

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.09.010

摘要主轴轴承传统运维采取定时、定量补脂的方式优化轴承润滑环境，传统运维不能将板结润滑脂或异物排出，当主轴轴承高速运行时，板结润滑脂或异物将使轴承出现高温或振动报警，长时间运行还会引起轴承卡滞、滚子破裂，严重时会发生机组自燃事故。为实现高效、可靠的运维，提出了一种在机清洗工艺，采取在机浸泡清洗和循环清洗对轴承内部润滑脂溶解、过滤排出，检查后注入新润滑脂，从而实现运行状态评估和环境优化。工程应用表明，该工艺可以优化主轴轴承运行环境，做到保养评估，有助于延长风机使用寿命。

关键词滚动轴承；风电轴承；主轴轴承；风力发电机组；润滑脂；在线清洗

风电轴承是风电机组的核心传动部件，主要分为主轴轴承、偏航轴承、变桨轴承、齿轮箱轴承和发电机轴承。相较于其他大型轴承，风电轴承对可靠性、免维护性的要求更高，同时还应满足在高低温、腐蚀等恶劣环境中稳定工作的需求^［1］。在风机大型化趋势下，风电轴承的单兆瓦价值量占比持续上升。同时，随着我国风力发电机装机容量的稳步提升，风电轴承的需求量逐渐增加，全球风能委员会测算，2025年我国主轴轴承、偏航和变桨轴承、齿轮箱轴承市场规模有望分别达到116，138，86亿元^［2］。

主轴轴承一旦出现故障，风场需要对其吊装、拆卸、保养、检查。一次吊装费用高达几十万元，吊装还受到采购、加工、运输、组装以及征地等多种不确定因素的影响，从拆卸、保养到安装至少需要几个月，周期长，成本高，且发电量损失巨大。

针对上述问题，本文提出了一种新型、高效的主轴轴承在机清洗工艺，无需吊装，可在机将废润滑脂溶解，通过过滤排出污染物，使主轴轴承运行环境清洁，以延长主轴轴承使用寿命和降低风场运维费用。

1 主轴轴承故障原因

在风电机组运行过程中，主轴轴承故障多为温度异常或出现异响。其原因是轴承运行环境发生异常后未及时有效改善，损坏了滚子与滚道的接触表面，增大了接触应力^［3］，导致风电机组主轴系统频繁故障，运行寿命无法达到设计值^［4］，严重时还将引起机舱自燃和风机烧毁等大型事故^［5］。主轴轴承出现运行环境异常原因主要包括以下3个方面。

1.1 密封失效

风电机组多建于戈壁、山地和海上，运行环境（腐蚀、沙尘、潮湿和低温）恶劣，维护不便，易出现轴承密封圈老化、断裂。密封圈失效后沙尘、水汽等外部污染物会侵入润滑脂内部，导致润滑系统失效^［6-7］，加快轴承损坏。

1.2 润滑脂老化

主轴轴承运转时润滑脂遭受交变载荷挤压，使稠化剂纤维碎裂变短（稠度稀释），降低维系润滑脂结构的能力，若稠度太小，润滑脂会从工作表面流失。主轴轴承运转时温度升高会使润滑脂老化变质，出现板结（图1），导致润滑能力下降^［8］，引起轴承卡滞。

图1 主轴轴承内部润滑脂老化Fig.1 Aging of grease inside main shaft bearing

1.3 疲劳失效

主轴轴承具有吸收叶轮气动载荷和传递功率的作用，在频繁、高速的交变载荷作用下，滚子与滚道间极易形成疲劳源。在循环应力作用下，疲劳源逐步向表面扩展，形成开放式的片状裂缝，进而裂纹处金属材料撕裂为片状颗粒从表面剥落。剥落的金属物无法自动排出，与润滑脂混合后持续存在于滚子与滚道的啮合位置，加速新疲劳源的形成和裂纹扩展，大大降低了主轴轴承寿命^［9］。

综上可知，当主轴轴承高速运行时，板结润滑脂或异物将引起轴承出现高温或振动报警，长时间运行还会引起轴承卡滞、滚子破裂，进而缩短轴承寿命。而传统清洗不能将板结润滑脂或异物排出，故有必要选择一种高效的清洗剂并确定一种新的清洗工艺。

2 清洗剂

2.1 选型

目前，国内较成熟的大型轴承清洗方法为将旧轴承拆卸返厂，采用煤油、汽油将轴承内部润滑脂溶解，通过传送带将其送至喷淋清洗机中，采用从上到下高压喷淋的方式将表面杂质冲洗干净，再经过控油、涂油、包装及组装完成轴承清洗^［10］。煤油无法与防锈油完全相溶，使轴承中的防锈油无法真正进入或吸附于轴承内部表面，致使防锈效果下降，影响轴承品质^［11］。

碳氢清洗剂的出现和清洗技术的发展弥补了传统清洗技术的不足^［12］。以碳氢清洗剂为主的清洗技术早已成为日本清洗行业的主流，欧美各国也早已在在精密和超精密机械产品中采用碳氢清洗技术^［13］。

基于高空作业环境和主轴轴承润滑脂的特性选用FD-01碳氢清洗剂（委托开发），与传统清洗剂相比，具有清洗效率高、闪点高和成本低等优点，成分和性能见表1和表2。

表1 FD-01碳氢清洗剂成分（质量分数）Tab.1 Composition of hydrocarbon cleaning agent FD-01

表2 FD-01碳氢清洗剂性能Tab.2 Performance of hydrocarbon cleaning agent FD-01

2.2 清洗效果

为验证FD-01碳氢清洗剂的清洗效果，选取常见风电轴承清洗剂（福斯MVS-7008溶剂型清洗剂和摩路CL-80风电清洗剂）进行对比试验：分别取4.82 g风电机组常用的老化美孚460WT润滑脂涂至金属试样表面；将金属试样放入超声清洗机中，加入100 mL的清洗剂超声清洗10 min，收集滤液并在滤纸上过滤、干燥，称干燥后润滑脂的质量，并与附着的润滑脂质量相除，即可得到清洗剂的清洗效率为

，

（1）

式中：m₀为试样质量；m₁为试样涂润滑脂后的质量；m₂为涂润滑脂试样清洗后的质量。

清洗剂FD-01，MVS-7008，CL-80的清洗效率分别为82.8%，73.4%和48.2%。清洗效果如图2所示，FD-01碳氢清洗剂具有较优异的润滑脂清洗性，满足用户对风电机组主轴轴承在机清洗的要求。

图2 清洗剂的清洗效果Fig.2 Cleaning effect of cleaning agent

3 在机清洗工艺流程

在机清洗工艺（图3）中浸泡清洗的目的是将板结润滑脂溶解后排出；循环清洗的目的是通过高压冲洗进一步将内部残余铁屑、铁渣等异物过滤清除。

图3 在机清洗工艺流程Fig.3 Flow of on-machine cleaning process

3.1 准备工作

拆除主轴防护罩。在主轴轴承下方加装收集装置，便于清洗剂集中收集，避免污染机舱、偏航平台。

3.2 密封圈更换

1）密封条粘接。旋绕主轴粘接新密封条，安装于轴承两侧密封圈位置，使用橡胶锤将其砸紧，避免清洗剂泄漏。

2）使用卡箍二次拉紧密封条，使轴承腔室形成密闭空间，确保清洗剂充分填满腔室，不泄漏，保证清洗效果，密封条及卡箍位置如图4所示。

图4 密封结构的截面Fig.4 Section of sealing structure

1—轴承端盖；2—压板；3—肩部；4—背部；5—腰部；6—弹簧；7—防尘唇；8—密封唇；9—旋转轴。

3.3 浸泡清洗

1）回路组装。使用液压油管将清洗剂储存箱、清洗机（注液）、主轴轴承一侧注脂口依次连接，打开清洗机（注液）开关，检查各连接端口密封情况，浸泡清洗回路示意图如图5所示。

图5 浸泡清洗回路示意图Fig.5 Diagram of immersion cleaning circuit

2）清洗剂注入。打开电源开关，缓慢注入清洗剂，注入位置如图6红圈所示，当对侧注脂口有清洗剂溢出时停止注液。注液参数：流量为5 ~ 10 L /min，压力为10 ~ 15 MPa，清洗剂温度为30 ~ 40 ℃。

图6 清洗剂注入端口Fig.6 Injection port of cleaning agent

3）浸泡溶解。松开叶轮锁及高速刹车，保持主轴轴承转速不高于2 r/min。为使轴承内部润滑脂与清洗剂充分混合，旋转5 min停止后浸泡10 min，重复该步骤1 h。

4）废液排出。锁定叶轮锁及高速刹车，打开主轴轴承出油口，排出清洗剂，回收废液过程中需使用过滤网对板结润滑脂、铁屑及铁渣等异物过滤处理，用于判断轴承内部运行情况。

5）重复浸泡。更换新清洗剂，重复步骤2，3直至清洗剂呈清澈状态。

3.4 循环清洗

1）回路组装。浸泡清洗结束后，按照图7重新连接回路。

图7 循环清洗回路示意图Fig.7 Diagram of circulation cleaning circuit

2）清洗剂注入。依次打开清洗机（注液）、清洗机（抽液），进入工作状态。循环清洗注液参数：流量为100 ~ 120 L/min，压力为25 ~ 30 MPa，清洗剂温度为30 ~ 40 ℃。

3）低速循环。松开高速刹车，保持叶轮转速为2 r/min进行循环清洗，清洗时长0.5 h。通过加压（0.1 ~ 0.5 MPa）循环清洗和循环过滤，将残余铁屑、铁渣等异物带出轴承内部。

4）降速循环。手动变桨，使叶轮转速降至1 r/min继续清洗，清洗时长0.5 h。降低叶轮转速是为了避免滚子、滚道因润滑脂减少而出现机械损伤。

5）静止循环。锁定高速刹车和叶轮开始精洗，当过滤系统内无明显异物排出时，清洗结束。

6）清洗过程中定时观察过滤系统，肉眼观察表面存在的铁屑数量，根据经验判断更换滤网，确保清洗效果，如图8所示。

图8 清洗剂的循环过滤Fig.8 Circulation and filtration of cleaning agent

3.5 残留清洗剂控制

1）清洗结束后打开主轴轴承端盖，利用顶丝将后端盖顶出。

2）使用高压气枪对整套轴承主体从上至下，从中间至两端进行吹扫，如图9所示。

图9 开盖吹扫Fig.9 Uncapping and purging

3）使用吸油纸放在滚子上静置3 s，取出观察若无明显油渍，结束吹扫。

3.6 轴承运行状态评估

1）通过观察窗目视检查滚子、滚道是否有明显缺陷，如图10所示。

图10 目视检查Fig.10 Visual inspection

2）使用内窥镜对轴承内部全面扫查，重点排查内外圈、保持架及滚子是否存在损伤、划痕、轨道偏离或异物等，如图11所示。

图11 内窥镜检查Fig.11 Endoscopy inspection

3.7 注脂试运行

1）依次回装主轴轴承各零件。

2）加注新润滑脂直至排油口排出新脂为止。

3）通过机舱控制面板进行转速测试。

3.8 废液处理

1）清洗结束后参照GB/T 35759—2017《金属清洗剂》对废液集中收集，储存至专用容器内，不允许泄漏和排入下水道和水源处。

2）在专用储存容器表面贴上危险品识别标签，并标明清洗剂和润滑油型号以及收集时间。

3）放置到专用房间或指定区域保存，避免阳光直射，杜绝与任何火源接触。

4）定期将废液运送至废液和废物处理机构。

4 工程应用

选取1个风场开展工程应用，共完成66台风电机组主轴轴承清洗检查工作，项目平均工时为2天/台，与吊装方案相比，大大缩短了清洗周期。

清洗一个月后，主轴轴承运行情况得到改善。以16^#机组为例，该机组满载荷运行状态（风电机组以其额定容量全速运转的状态）下的轴承温度、振动值均有所下降（表3），清洗前、后主轴轴承润滑脂的金属元素含量明显下降（表4），与轴承温度和振动值反馈的监测数据匹配。

表3 清洗前、后主轴轴承运行情况Tab.3 Operating condition of main shaft bearing before and after cleaning

表4 清洗前、后主轴轴承润滑脂的金属元素Tab.4 Metal element of grease inside main shaft bearing before and after cleaning

工程应用表明，采用本文清洗工艺效果好，周期短，可优化主轴轴承运行环境，保证风电机组健康运行。

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On-Machine Cleaning Process for Wind Turbine Main Shaft Bearings

YAO Peng ^1,²GAO Fei ^3,⁴SUN Liming ³SONG Jixiang ³ZHANG Yonghui ^1,²

（1. Super Lubricity Technology （Foshan） Co.， Ltd.，Foshan 528000， China；2. Dasheng Tsing Wind Power （Beijing） Technology Co.，Ltd. ，Beijing 100144， China；3. Guochuang （Luoyang） Bearing Industrial Technology Research Institute Co.， Ltd.， Luoyang 471039， China；4. Luoyang Bearing Research Institute Co. ，Ltd.， Luoyang 471039， China）

Abstract: The traditional operation and maintenance of main shaft bearings adopts a timed and quantitative grease replenishment method to optimize the lubrication environment of the bearings. The traditional operation and maintenance is unable to discharge the grease caking or foreign matter. When the main shaft bearings operate under high speed， the grease caking or foreign matter will cause high temperature or vibration alarm of the bearings. Long-term operation will also cause bearing jamming， roller fracture and serious spontaneous combustion accident of wind turbines. In order to achieve efficient and reliable operation and maintenance， an on-machine cleaning process is proposed. The grease inside the bearings is dissolved， filtered and discharged by on-machine immersion cleaning and circulation cleaning， and new grease is injected after inspection， so as to achieve operating state assessment and environmental optimization. The engineering applications show that the process can optimize the operating environment of the bearings， achieve the maintenance evaluation and help to extend the service life of wind turbines.

Keywords: rolling bearing；wind turbine bearing；main shaft bearing；wind turbines；grease；on-line cleaning

中图分类号： TH133.33

文章编号：1000-3762（2024）09-0068-05

文献标识码： B

收稿日期：2024-01-20

修回日期：2024-04-22

出版日期：2024-09-05

网刊发布日期：2024-09-02

本文编辑：侯万果

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风电机组主轴轴承在机清洗工艺

《轴承》2024年 第9期

姚鹏，高飞，孙立明，等.风电机组主轴轴承在机清洗工艺[J].轴承，2024（9）：68-72.

风电机组主轴轴承在机清洗工艺

1 主轴轴承故障原因

1.1 密封失效

1.2 润滑脂老化

1.3 疲劳失效

2 清洗剂

2.1 选型

2.2 清洗效果

3 在机清洗工艺流程

3.1 准备工作

3.2 密封圈更换

3.3 浸泡清洗

3.4 循环清洗

3.5 残留清洗剂控制

3.6 轴承运行状态评估

3.7 注脂试运行

3.8 废液处理

4 工程应用

On-Machine Cleaning Process for Wind Turbine Main Shaft Bearings

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