PDF《风力发电机转盘轴承润滑脂的研制》

合成润滑材料SYNTHETIC LUBRICANTS

2018 年第

45 卷第

1 期0引言 微动磨损(Fretting Wear)是由外界振动引起的 接触表面相对位移的微动(通常位移幅度为微米量 级)造成的磨损.

微动磨损是一种广泛存在的现象, 其发生部位大致可以分两大类,一类是原设计时接 触面是相对静止的,后由环境振动或者接触面之一 受到交变应力引起微动,其危害是使接触部位产生 裂纹,降低构件的疲劳强度,造成配合面松动;

另一 类是运动副停止运转时,由于环境振动而引起的微 动. 还有一种特殊情况就是接触面处于微动状态, 这种情况会使接触表面变粗糙,磨屑聚集,运动阻 力增大或振动增强[1] .微动对局部材料反复作用,造 成接触面摩擦磨损,引发疲劳裂纹,降低局部疲劳 强度,使构件疲劳寿命降低.微动磨损兼具有粘着 磨损、磨料磨损、氧化磨损和疲劳磨损等四种磨损 机理[2] . 风力发电机组的转盘轴承主要有偏航轴承和 变桨轴承,变桨轴承安装于叶片和轮毂之间,叶片 相对其轴线旋转进行变桨,根据风速对叶片进行调 整,使风力发电机组在额定功率点以上输出功率平 稳.偏航轴承安装于机舱底部,用于准确适时对准 迎风角度.风力发电机转盘轴承结构一般采用单列 四点接触球转盘轴承和双列四点接触球转盘轴承, 少数采用交叉滚子轴承(包括无齿型、内齿型和外 齿型等)[3] . 风力发电机组在工作过程中,偏航轴承和变桨 轴承处于相对静止或者缓慢摆动状态,其载荷随迎 风角度、 风力等级以及叶片的旋转呈周期性变化. 风力发电机组在低于切入风速或者高于切出风速 停机时,轴承仍然受到因气流作用到叶片而产生的 振动力[4] . 交变或振动载荷使转盘轴承的滚动体和滚道 接触部位以及轮齿接触部位产生微小的相对运动, 当接触处不能形成正常的润滑油膜而使金属直接 接触时,转盘轴承就容易发生微动磨损[5] .风力发电 机组大多位于气候恶劣的野外,处于复杂多变的大 气环境中,受到环境中的水分、海水中的盐分、酸雨 和腐蚀性气体等的腐蚀,导致微动磨损,并伴随有 微动腐蚀(这将加剧转盘轴承的微动磨损),因此微 动磨损是风电转盘轴承的主要失效模式. 由于风力发电机组地处偏远,环境恶劣,且转盘 轴承体积较大以及高空作业的特殊性, 使得风机转 盘轴承拆装困难,因此要求风机转盘轴承的使用寿 命长、可靠性高且运转灵活,从而对风力发电机转盘 轴承润滑脂的性能要求极其苛刻. 风力发电机转盘 轴承润滑脂不仅要满足高低温性能和抗腐蚀性能, 更要求具备有突出的抗微动磨损性能,为此开发了 适用于风力发电机转盘轴承的高效能润滑脂.

1 风力发电机转盘轴承润滑脂性能要求 转盘轴承是风机正常运行的关键零部件,其在 风机中的位置见图 1(见下页). DOI:10.3969/j.issn.1672-4364.2018.01.001 风力发电机转盘轴承润滑脂的研制 李栋,张军,刘亚春,张广辽 (中国石化润滑油有限公司润滑脂研究院,天津 300480) 摘要:微动磨损是风力发电机转盘轴承的主要失效模式,研制了抗微动磨损性能良好的风力发电机转盘轴承润滑 脂.经过配方考察,风力发电机转盘轴承润滑脂的基础油为合成酯与聚 α-烯烃调合油,40 ℃运动黏度 135.0 mm2 /s~ 145.0 mm2 /s,稠化剂为复合锂皂,添加有 3.0%的磷系和钼盐复配的抗磨极压剂,0.5%的石油磺酸盐防锈剂,0.5%的羧酸 及其衍生物抗腐蚀剂,0.5%的胺抗氧剂及 0.5%的酚抗氧剂. 研制的润滑脂工作锥入度

330 单位,滴点

305 ℃,铜片腐蚀 1b,EMCOR 防锈试验(1.0%盐水)0 级,氧化压力降

23 kPa,-40 ℃启动转矩 0.175 N・ m,-40 ℃运转转矩 0.036 N・ m,烧结 负荷

3089 N,微动磨损为

0 mg,FE9 轴承寿命试验为 192.86 h. 研制的润滑脂抗微动磨损性能优良,达到了研制目的. 关键词:风力发电机转盘轴承 合成润滑脂 微动磨损 中图分类号:TE 626.4 文献标志码:A 文章编号:1672-4364(2018)01-0001-05 收稿日期:2018-01-29 著者简介:李栋(1984―),男(汉族),内蒙古乌兰察布市人,硕士,中 级研究员.

2011 年毕业于太原理工大学,现就职于中国石化润滑油 有限公司天津分公司,主要从事润滑脂的研发工作. 已发表论文

5 篇, 授权专利

1 篇.

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1 期 风力发电机 组地处野外,环 境恶劣,维 护成本高,针对风力发电机转盘轴承的典型工况特点, 对风 力发电机转 盘轴承润滑 脂的性能 提出了如下要求: (1) 较宽的高低温适应性 由于风电机组地处 野外,工作环境温差大.在寒冷的北方,冬天可以达 到-40 ℃;

而在夏季的南方,气温可高达

40 ℃以上, 这就要求润滑脂必须满足高温条件下结构变化小, 不易流失泄漏,同时又要有良好的低温启动性能. (2) 优良的抗氧化性能和防腐蚀性能 风电场 通常都建在荒漠、戈壁滩或者海上,因此必须保证 润滑脂在潮湿、粉尘环境下的防锈性能及对接触部 件的防腐蚀性能,且补加润滑脂的周期较长,因此 要求润滑脂具有良好的氧化安定性能,确保润滑脂 有长的使用寿命. (3) 优良的抗磨极压性能 风力发电机转盘轴 承低速、重载、启停频繁,同时具有滚动和滑动,且 滑动的方向和速度变化较快.由于转盘轴承特有的 运行工况,其润滑是断续的,每次启停都需要重新 建立油膜,属于边界润滑和混合润滑状态.转盘轴 承长期处于高负荷工作状态,使得轴承的摩擦部位 很容易磨损, 如果润滑脂没有良好的抗磨极压性 能,极易造成轴承过早失效. (4) 优良的自我修复性能和分油性能 随着循 环次数的增加,润滑脂逐渐被排出接触区,润滑效 果变差, 转盘轴承的微动区域呈现出干摩擦状态. 由于润滑脂为半固体,流动性差,同时轴承套圈和 滚动体有一定的密合度,润滑脂很难进入接触表 面,为此需要润滑脂具有优良的自我修复性能和分 油性能,保证润滑脂长期保持在接触面上,形成油 膜,起到润滑保护作用[6] . (5) 优良的抗微动磨损性能 转盘轴承大部分 时间处于相对静止状态或者缓慢摆动状态.风机的 交变和/或振动载荷将使处于静止或缓慢摆动状态 的转盘轴承的滚动体和套圈产生微小的相对往复 运动,使润滑脂从接触面间被挤压出去.接触表面 之间的相互位移很小, 润滑脂从新分布较为困难;

同时钢表面的氧化膜也被清除,使金属和金属直接 接触,引起表面粘着.风机处于复杂多变的大气环 境中,受水,盐雾,酸雨、腐蚀性气体和酸性介质等 的侵袭,会产生微动腐蚀,加剧了转盘轴承的微动 磨损.转盘轴承的微动磨损失效和锈蚀失效往往先 于疲劳剥落发生,在滚道形成伪布氏压痕.严重的 微动磨损会引发轴承微动裂纹扩展和断裂,成为制 约转盘轴承运行可靠度和工作寿命的首要因素,因 此润滑脂需要具备良好的抗微动磨损性能[7] .

2 风力发电机转盘轴承润滑脂研制指标 根据风力发电机转盘轴承的工况和对润滑脂 的性能要求,制定了拟研制的风力发电机转盘轴承 润滑脂的研制指标,见表 1. 项目 研制指标 方法 工作锥入度(以0.1 mm 为单位)/单位 320~350 GB/T269

10 万次延长工作锥入度(以0.1 mm 为单位)/单位 ≤45 GB/T269 滴点/℃ >

260 GB/T3498 水淋流失量(38 ℃,1 h),% ≤10 SH/T0109 T2 铜片腐蚀(100 ℃,24 h)/级≤2b GB/T7326 抗腐蚀性能(52 ℃,48 h) 合格 GB/T5018 EMCOR 防锈试验(1.0%质量分数的盐水)/级≤1 ASTM D6138 氧化压力降(99 ℃,780 kPa,100 h)/kPa ≤35 SH/T0325 低温启动转矩(-40 ℃)/(N ・ m) ≤0.8 SH/T0338 低温运转转矩(-40 ℃)/(N ・ m) ≤0.4 SH/T0338 梯姆肯 OK 值/N ≥200 SH/T0203 四球烧结负荷/N ≥2452 GB/T12583 四球磨痕直径(392 N,60 min)/mm ≤0.5 SH/T0204 抗微动磨损性能/mg ≤10 ASTM D4170 FE8 轴承测试(7.5 r ・ min-1 ,80 ℃,

80 kN,斜角接触球轴承) DIN

51819 滚动体/mg ≤20 保持架/mg ≤20 FE9 轴承寿命试验(A 法,1500 N,6000 r ・ min-1 ,140 ℃,L50)/h ≥150 DIN

51821 表1风力发电机转盘轴承润滑脂研制指标 图1风力发电机转盘轴承位置示意

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1 期 从表

2 可以看到,3.0%质量分数的磷系抗磨极 压剂与钼盐抗磨极压剂组合可以改善风力发电机 转盘轴承润滑脂的抗磨极压性能, 摩擦因数小,抗 微动磨损性能良好,能满足研制指标的要求. 3.3.2 防锈剂和抗腐蚀剂 选择了 0.5%质量分数的石油磺酸盐防锈剂和 0.5%质量分数的羧酸及其衍生物抗腐蚀剂来提高 风力发电机转盘轴承润滑脂的防锈抗腐蚀性能,考 察结果见表 3(见下页). 从表

3 的考察结果可以看到, 加入 0.5%质量 分数的石油磺酸盐防锈剂和 0.5%质量分数的羧酸 及其衍生物抗腐蚀剂后,润滑脂的 T2 铜片腐蚀从 李栋,等.风力发电机转盘轴承润滑脂的研制

3 风力发电机转盘轴承润滑脂的研制 3.1 基础油的选择 基础油是润滑脂的主要成分,通常占润滑脂质 量分数的 80.0%~95.0%,润滑脂的性能主要取决于 基础油.基础油一般分为矿物油和合成油,矿物油 润滑性能好,黏度范围宽,成本低,可以满足一般条 件的润滑要求;

合成基础油的高低温性能好,可根 据性能需求定制产品,其中使用最多的合成油是聚 α-烯烃(PAO)和合成酯.PAO 合成油具有优良的高 低温性能,使用温度范围宽,与多数矿物油相容;

合 成酯具有良好的润滑性能和高低温性能,并且对添 加剂具有良好的感受性. 风力发电机转盘轴承润滑脂对基础油的低温 性能、氧化安定性和润滑性能都有较高的要求,因 此选择合成油作为风力发电机转盘轴承润滑脂的 基础油更为合理. 运动黏度是选择基础油的关键指标,基础油的 运动黏度过小,油膜强度低,会造成设备磨损,缩短 设备的使用寿命;

基础油黏度过大,则会增大设备 运转阻力,且影响低温性能,造成能耗增加,影响风 机在低温环境下的启动和运转. 根据风力发电机转盘轴承的特殊工况,结合基 础油的特点, 选用合成酯与不同运动黏度的 PAO 进 行调配,得到合成酯与 PAO 调合的合成基础油.调合 的合成基础油的

40 ℃运动黏度控制在 135.0 mm2 /s~ 145.0 mm2 /s 之间. 3.2 稠化剂的选择 稠化剂通常占润滑脂质量分数的5.0% ~ 20.0%,在润滑脂中形成网络结构,决定着润滑脂的 高温性能、机械安定性和胶体安定性等.常见的润 滑脂稠化剂包括钙基稠化剂,锂基稠化剂,复合锂 基稠化剂及聚脲稠化剂等[8] . 复合锂皂稠化剂在润滑脂中具有良好的网络 结构,复合锂基润滑脂的滴点高达

260 ℃以上,在较 高温度下使用,可保持润滑脂结构稳定,不易变稀 流失,又具有良好的机械安定性和抗水性能.为了 使风力发电机转盘轴承润滑脂具有良好的机械安 定性和抗水性能,故选择复合锂皂作为风力发电机 转盘轴承润滑脂的稠化剂. 3.3 添加剂的选择 3.3.1 复配抗磨极压剂 抗磨极压性能是风力发电机转盘轴承润滑脂 的重要性能,抗磨极压剂的筛选至关重要.风力发 电机转盘轴承加工精度高, 摩擦面之间的间隙很 小.为减小冲击振动,提高承载能力,并在振动的情 况下减小轴承的微动磨损,风力发电机转盘轴承的 轴向游隙小于零,采用一定的负游隙.同时频繁的 启停,不固定的运行模式导致风力发电机转盘轴承 承受多变的极压工况,多种类型的混合摩擦,要求 润滑脂必须具有良好的抗磨极压性能. 常见的抗磨极压剂有硫系抗磨极压剂、磷系抗 磨极压剂、 锌盐抗磨极压剂和钼盐抗磨极压剂,不 同类型的抗磨极压剂复配使用可以产生协同作用, 提高润滑脂的抗磨极压性能.选择了几种不同类型 的抗磨极压剂,以总量 3.0%质量分数进行复配.用SRV 试验机来测定润滑脂的摩擦因数;

用四球试验 机来测定润滑脂的烧结负荷 PD 值, 最大无卡咬负荷 PB 值和磨斑直径、用润滑脂抗微动磨损试验来测定 润滑脂的微动磨损量,考察复配抗磨极压剂的效 果,考察结果见表 2. 表2风力发电机转盘轴承润滑脂复合抗磨极压剂的考察 项目 3.0%(硫化合物+锌盐) 3.0% (硫化合物+钼盐) 3.0% (磷化合物+锌盐) 3.0% (磷化合物+钼盐) 磨斑直径/mm 0.60 0.55 0.48 0.40 PB 值/N

618 618

1098 785 PD 值/N

1569 2452

2452 3089 摩擦因数 0.11 0.12 0.10 0.06 微动磨损量/mg 32.0 32.0 15.0

0 3 合成润滑材料SYNTHETIC LUBRICANTS

2018 年第

45 卷第

1 期3c 提高到 1b,防锈试验从

2 级提高到

0 级,抗腐蚀 性能........