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摘要：风电机组主轴轴承损坏是常见的颠覆性故障，主轴承损坏需要下塔维修，而维修涉及的工程量巨大，需要高空拆解，下塔维修更换，再重新吊装。维修需耗费大量的人力、物力、财力成本，且严重影响风机的发电量。本文在充分阐述研究背景和国内外研究现状的基础上，详细说明了所设计的一套主轴轴承油脂智能循环过滤系统的组成及特点，对有效解决行业痛点和技术革新有着重要意义。

关键词：风机主轴 油脂过滤 智能控制 远程

0引言

主轴轴承是风力发电机组的重要组成部件，在实际运行过程中，主轴轴承损坏是常见的颠覆性的故障，维修时需要将轴承拆卸下塔，往往维修成本高，维修周期长，并存在一定的安全隐患，对风力发电机组的发电量产生严重影响。

1 研究背景

1.1 主轴运行常见问题

1.1.1 颠覆性故障

风机主轴轴承是主要的受力部件，润滑方式为闭式油脂润滑。主轴承损坏的根本原因在于润滑量不足和润滑环境不良。叶轮端的阵风载荷使主轴在一定范围内往复摆动，前列轴承空腔内润滑脂经反复挤压，进入后列轴承腔体，进而从密封端渗漏，造成前列轴承长时间缺脂，辊子和辊道间压力大于油脂的承压能力，即出现干摩擦而损坏。解决此问题可避免巨大的经济损失，大幅延长主轴轴承的使用寿命。

1.1.2油脂渗漏问题

除颠覆性故障外，油脂渗漏是风机主轴密封普遍存在的问题，并非密封结构不合理，而是叶轮端的阵风载荷，造成空腔体积反复变化而形成的压力作用，将油脂挤压出密封腔外部。

1.1.3油脂清洁度极差的问题

由于主轴轴承座内的油脂更新频率较低，传动部件磨损的金属颗粒、外部灰尘及非金属颗粒长期堆积，无法及时排出，造成轴承各零件长期处于润滑条件差的环境下运行，必然增大轴承的磨损速度，如果有大颗粒进入辊道，将严重损伤内外圈辊道及滚动体，进而出现积屑瘤等损伤，也是轴承损伤的早期故障来源。

1.1.4安全隐患

泄露的油脂掉落于作业面，使作业面更加滑润，对于高空作业人员的人身安全，造成巨大安全隐患。

1.1.5现有技术的瓶颈问题

目前主轴轴承润滑加注量靠操作人员根据泄漏量判断，手动加脂通常每半年加注一次，不断的渗漏，就需定期的补充润滑脂，补脂效率非常低，增加的大量的人工和材料成本，渗漏的油脂并非失效也只能作为废脂处理，为环境保护增加负担。

现有的集中润滑技术和产品只提供定期的注脂，且产品程序预设的注脂周期固定，无法根据实际工况，做智能化的调整，且经常出现堵塞。主轴轴承作为主要的承载部件，一旦轴承缺脂，将带来超温，轴承损坏等故障，下塔维修成本非常高昂。

通过主轴轴承油脂智能循环过滤系统研究成果的使用，可以使主轴轴承运行达到一个良好的工作到状态，智能化控制油脂的循环流通、循环过滤，使集脂和注脂达到有效平衡，实时自动调整油脂量，并将所有监控数据实时远程传输、存储和显示，大幅降低轴承损坏的风险，避免轴承因润滑不良导致的颠覆性故障，经济效益非常显著。

1.2 国内外研究现状和发展趋势

目前，风力发电机主轴轴承座加脂或补脂的方式分为两种，如下所示：

（1）依靠手动注脂泵，每补充一次润滑脂，时间需要4-8小时（取决于缺脂量或空腔容量大小）；

（2）自动注脂泵，按照预先设定频率，定期向轴承座腔内注脂，风机运转时，油脂会不定量的从密封圈处渗漏。

针对主轴轴承的使用工况，手动和自动加脂均无法解决前列轴承缺脂、油脂清洁度、渗漏油脂及油脂加注量与排出量的平衡问题。

为避免轴承损坏，需保证轴承运行时，轴承座腔内始终有充足的润滑脂，而目前并没有相关产品和技术可以满足此运行条件。油脂的循环过滤一直是行业内未能突破的技术难题，目前国内、国际上均无此类技术和产品的研究。

在国内无类似产品和技术的前提下，要有效解决行业痛点，要求本研究需要具备更强的创造性和开拓性，同时要求设计方案与生产实际息息相关。要积极响应国家智能化制造进程的要求，通过可靠的方式降低主轴密封腔内压力，使润滑脂通过吸脂装置收集并过滤，重新注入注脂装置。根据总脂量指标，智能控制注脂装置为主轴轴承补充油脂，形成一个润滑脂流通的闭环控制系统。不但保证轴承所需脂量充足和油脂的清洁度，又避免了润滑脂泄露所带来资源浪费和环保问题。

2 研究内容

2.1 系统组成

研发一套主轴轴承油脂智能循环过滤系统，不受风速变化、载荷变化、倾角变化、温度变化等外部因素的影响，可自动调节油脂流通的智能系统。包括数据分析与控制模块、智能集脂泵驱动模块、油脂高强离心式过滤模块、智能注脂模块、数据采集与远程监控系统，如图1所示。

集脂部位位于主轴轴承座端盖处，为降低主轴后轴承座空腔内的压力，减少漏脂量和漏脂风险，采用优化设计的油脂出口和入口，多点位有效收集，使润滑脂流通顺畅。同时整个油脂流通路径均为密闭，采用除湿呼吸器用以保证内外部压力平衡，避免外部灰尘和水分进入油脂中。

整套润滑系统，包括以下部分：1-智能控制系统，2-集脂装置，3-注脂装置，4-过滤装置，5-集脂管，6-注脂管路，如图2所示。

风机主轴轴承进行打孔连通，即在风机主轴轴承的外壁位置处的适宜位置进行打孔，以形成集脂孔，集脂装置则通过集脂管路与成型于主轴轴承外壁处的集脂孔相连通；在集脂装置的作用下，风机主轴轴承处的润滑脂可以集中流向集脂孔位置处，进而通过集脂管路，顺利进入集脂装置中；

注脂装置与风机主轴轴承进行打孔连通，即在风机主轴轴承的外壁位置处的适宜位置进行打孔，以形成注脂孔，而注脂装置内部收集的润滑脂则会在注脂装置的控制下，通过注脂管路经由注脂孔流入至风机主轴轴承部分，实现润滑脂的循环，而注脂装置则会通过智能控制的方式对诸如润滑脂的量进行模拟控制，达到整个润滑体系的动态平衡；

过滤装置位于所述集脂装置和注脂装置的中间部分，主要是对收集的润滑脂进行过滤，所述过滤装置分别通过过滤进脂管路和过滤出脂管路与集脂装置和注脂装置相连通，进而实现过滤后润滑脂的循环输送。

将集脂孔设置于位于主轴轴承座端盖处，为降低主轴后轴承座空腔内的压力，减少漏脂量和漏脂风险，采用优化设计的油脂出口和入口，多点位有效收集，使润滑脂流通顺畅。同时整个油脂流通路径均为密闭，采用除湿呼吸器用以保证内外部压力平衡，避免外部灰尘和水分进入油脂中。

2.2 数据分析与控制模块

该智能循环系统根据数据分析与控制模块所采集的主轴轴承温度和转速数据，智能化调节集脂泵驱动模块的收集速度和智能注脂模块的加脂速度，并结合各处监测环节数据，使集脂量、注脂量、主轴现有脂量三者达到有效的平衡，使轴承座内的润滑脂量始终保持在最优状态，进而保证主轴轴承得到充分的润滑。 控制模块具备远程操控功能，可接收远程控制指令，使设备独立运行及停止，在风机长周期停机时，保持油脂的使用性能，提高设备的应急性能。结合常规计算方法、试验数据、风场运行数据和行业经验，形成一套适用于风电机组主轴轴承工况评估及计算分析的算法，并将算法程序化。根据主轴轴承和端盖处的工作状态，历史数据，快速评估齿轮箱的磨损情况，自动计算分析边界条件，进而计算系统油脂集脂和注脂数据，控制系统通过自动获取的油脂量、温度、压力、流量等数据，控制执行部件工作，目前市场上尚无此类软件控制系统。

2.3 智能集脂泵驱动模块

鉴于油脂的流动性能不足和集脂部位流量的不稳定性，采用特殊研制的变频集脂泵驱动模块，依据分析系统的工作指令，变频调节集脂泵的工作频率，避免出现油脂堆积造成的漏脂现象和频率过大造成的缺脂现象，油脂在集脂泵工作时的强制负压、重力、轴承座空腔内部压力三重作用下，从多点位的油脂出口进入集脂泵中，进而实现稳定、有效收集。

如图3所示，智能集脂模块由以下部件组成：

201-电机，202-减速器，203-集脂缸体，204-单向阀，205-活塞杆，206-单向阀，207-连杆，208-曲柄，209-进脂口，210-出脂口，211-底座

风机主轴轴承油脂智能循环过滤系统，集脂装置包括安装底座，以及设置于安装底座上的驱动电机，以及分别与驱动电机连接的活塞杆；驱动电机连接有减速器，驱动电机与活塞杆之间连接有驱动连杆和驱动曲柄。

活塞杆伸入集脂缸内部的集脂空间，并在驱动电机的驱动下进行往复运动，进而引起集脂缸内部空间的压力呈现往复性变化，并在压力变化的驱动下使得主轴轴承的油脂吸入集脂缸。

风机主轴轴承油脂智能循环过滤系统，集脂缸成型有进脂口和出脂口，分别与集脂管路和过滤进脂管路相连通。

进脂口和出脂口处分别设置有进口单向阀和出口单向阀。其中，进口单向阀直接设置于进脂口的进口处，而出口单向阀则采用插接式单向阀，设置于集脂缸的侧壁位置且与出脂口形成可供润滑脂流动的通道。

集脂装置在运行时，驱动电机带动活塞杆进行往复性运动，当活塞杆向外运动时，进口单向阀开启，由驱动电机及活塞杆带动的动力源会使得所述润滑脂进入到集脂缸中，而随着活塞杆的向内运动，进口单向阀关闭，此时出口单向阀则开启，使得出脂口呈现开启状态，而收集至集脂缸中的润滑脂则在压力驱动下经出脂口流入过滤进脂管路，进而进入过滤装置进行润滑脂的过滤。

2.4 高精高强的离心式过滤模块

由于油脂表面张力非常大，为实现有效的过滤，不产生堵塞和过滤器损坏，系统配置一套高精高强的离心式过滤模块，使油脂在离心力和集脂模块压力的双重作用力下，将油脂从过滤器特种滤芯的内部，强制排至另一侧，实现循环强制过滤。同时过滤器设计锥体环形导流槽，经过过滤的油脂在旋转轴向力的作用下，保持一定的压力和速度进入锥形出脂口，进而通过液压管路进入智能注脂模块。采用离心工作原理与强制施压相结合，使油脂可顺利通过过滤器；并在过滤器内部腔体内，设计利于油脂导流的锥体环形导流槽，及优化设计的进出脂接口，使油脂可带压带速通过出脂口，进入下一环节。该过滤模块采用特制金属滤器，具有高的耐压强度和高的过滤精度，有效突破油脂内部张力，实现油脂快速流通。

该离心式过滤模块可有效去除油脂中的金属和非金属颗粒，大幅提高油脂的清洁度等级，使油脂满足循环使用技术要求。

2.5 智能注脂模块

智能注脂模块将过滤后的清洁油脂收集、存储，配置多处限位开关、压力传感器和流量控制器，根据控制系统发送的注脂频率、注脂速度、注脂周期等指令，自动实时调整注脂量的大小，始终保证轴承座内油脂量平衡。

为提高整套系统的安全性和准确性，设置多处报警环节，包括驱动状态监测、油脂液位监测、流量监测、压力监测、温度检测，部分关键监测点采用一备一用，提高设备的可靠性。

作为集脂端的驱动调节执行机构，将变频驱动装置、集脂泵、流量和压力传感器做集成化、智能化；管路布置和进出脂接口型式的优化研究，实现可靠连接，喷口结构型式与集脂系统负压力的合理匹配，以达到优化的循环过滤效果。适用于目前所有主机厂主轴轴承座和轴承布置型式，根据主轴轴承油脂的集脂量，智能化调整补脂量。

2.6 数据采集与远程监控系统

远程调试系统可监测系统运行的实时数据，查看运行的历史数据，并可根据主轴轴承的运行情况，调整基础参数设定值，使设备达到更佳的运行状态。

当风机长时间停机维护时，可通过远程监控系统，手动单独启动，使油脂智能循环过滤系统独立运行，避免长时间停机造成的油脂固化及板结问题。

用户可通过时间查询界面选定需要查询的时间段后，然后点击“导入数据”按钮，就可以在主界面上看到这段时间内所有的历史数据信息。例如选择4月7号零点零分零秒到4月7号11点41分15秒，显示如图4所示。

用户可以通过时间点的设置查询任意时间段内的历史数据。如果用户只需要查看这段时间内停机信息记录，可以点击右下方的“查询停机事件”就可以过滤出停机事件数据。如下图所示：

对于长周期停机的风机，因为其内部油脂固化板结，所以执行手动操作界面，实现手动油脂循环过滤的功能，来保持油脂的有效性。

用户点击进入查询管理中的<手动操作界面>按钮后，首先弹出一个界面，需要用户选择所属风机的主轴轴承油脂智能循环过滤系统信息，当用户从下拉列表中选择风机设备（例如1#风机设备）后，点击提交，进入如下界面：

3 预期目标

本研究将实现以下目标：

（1）对于运行多年的风电机组主轴轴承，传动零部件之间的摩擦间隙逐渐增大，风机运行时，由于传动链的倾角、温度变化，轴承座前部空腔对后空腔造成的内部压力也将增加。此科研项目研发成功后，通过智能化控制系统，使油脂循环流通形成一个可靠的闭环，充分保证总脂量的平衡，大幅降低或避免油脂渗漏。

（2）控制部分和机械液压执行装置均为模块化设计，模块化安装。针对不同制造商的主轴轴承设计，仅需根据主轴的轴承形式和轴承端盖结构变动接口型式和安装布置，采用独特设计的专用工装、工具，4小时之内完成设备安装调试。通过合理的数据分析和控制逻辑，实时调整集脂和注脂频率和数量，使主轴轴承处于良好的运行环境。利用离心原理，有效解决目前主轴轴承因润滑不良和油脂清洁度差的问题，避免寿命期内颠覆性故障的发生。

（3）保证润滑充分的同时，为轴承提供清洁油脂，让油脂可以循环使用，优化轴承的运行环境，提升润滑油油膜强度和零部件抗磨损性能，降低了颠覆性故障损坏或下塔维修的几率，延长了轴承的使用寿命，节省了大量运维所产生的人工和材料成本。

（4）此油脂智能循环控制系统，无需更改主控系统程序，可自动分析缺失流量大小，自动控制执行部件工作，根据主轴轴承实际的运行状态，自动实时调整流量，将系统油脂平衡调节到最佳状态。通过远程监控模块随时随地监控系统的工作状态，从根本上解决主轴轴承缺脂、油脂渗漏严重、长期在脏脂的环境运行、及油脂渗漏所带来的操作安全等技术问题，大大降低主轴轴承损坏的几率。

（5）提升应急响应机制的完善，长时间停机时，远程即可启动设备，依然可以使油脂保持有效性。

4 结论

主轴轴承油脂智能循环过滤系统，涉及机械结构、控制系统、网络平台搭建等多学科交互，通过对行业痛点的深入分析，找到解决问题的根本方法。不仅有效解决生产中的实际问题，而且对于跨学科多领域交互研发，有很好的示范和启示作用。本次设计方案充分考虑了二次开发以及技术拓展的需要，在未来可集成更多实用模块，对设备进行监控和整改。

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