海洋环境新能源利用中的摩擦学研究进展

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The Tribological Research Progress in New Energy Utilization underM arine EnvironmentZhang Xuan ， Bai Xiuqin 。 Zhang Yan ， Yuan Chengqing ， Yan Xinping ·(1.Reliability Engineering Institute，School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430063，China；2.Key Laboratory of Marine Power Engineering&Technology (Ministry ofCommunications)，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430063，China)Abstract-The development and utilization of marine new energy has become the research hot spot recently，which in-volves a lot of tribological problem.Thus the tribology workers are provided with new opportunities and challenges.Thetribological research about the new energy utilization in marine environment in the recent years was reviewed.The contentinvolves research achievements about friction and wear failure and poor lubrication of ocean new energy mechanical devicekey components；the influence of vibration and cavitation to the transition components；the sealing and lubrication in themarine environment.The prospect of future work was given。

Keywords：marine environment；new energy ；friction and wear；marine fouling随着石化能源的 日益枯竭和节能环保法规的日趋严格，广泛应用清洁可再生能源已经成为全球发展的共识。在此背景之下，海洋新能源的研究和开发应用成为研究的重点和热点。海洋新能源利用包括 ：海上风能、太阳能、波浪能、潮汐能、海流能等。这些新能源开发利用的核心部件无-例外都是发电装置及其配套机械设备。由于海洋环境的苛刻，新能源发电装置在海洋环境条件下易发生材料的腐蚀、磨损、气蚀、生物污损，同时还存在机械部件之间固有的摩擦$基金项 目：武汉市青年科技晨光计划项 目 (201050231043)；中央高校基本科研业务费专项资金项目 (2012-II-018)。

收稿 日期 ：20t2-10-12作者简介：白秀琴 (197l-)，女，博士，副教授，主要研究方向为摩擦 学与表面工程 、船舶动力系统可靠性与绿色技术 。

磨损 ，这给新能源发电装置的可靠性带来了很大的影响。因此海洋新能源利用中的摩擦学问题-直是摩擦学工作者研究的重点和热点。

1 新能源发电装置关键部件的摩擦学研究海上新能源发电装置主要包括能量俘获装置、能量转换装置、能量储存及输送装置，这些装置中的-些关键部件涉及到很多摩擦学问题，如风力发电机、潮汐能发电机、波浪能发电机等涡轮机械装置中的轴承、齿轮箱、转子叶片的摩擦磨损，海上太阳能设备的光伏组件系统受到的侵蚀等。

1.1 轴承在海上风力发电机、潮汐能发电机、波浪能发电机等涡轮发电机中轴承的受力情况较为复杂，其中涉及到很多的摩擦磨损问题。轴承的失效是海洋新能源设备设计者最为关注的问题。根据海洋涡轮机设备制2013年第3期 张 璇等：海洋环境新能源利用中的摩擦学研究进展 107造商的统计数据 ，每年 60% ～85% 的涡轮机机械故障是由于轴承失效，因此对涡轮机的轴承失效形式及机制进行研究是海洋新能源设备摩擦学 的研究热点。

以海上风力发电机为例，海上风力发电机相比陆上风力发电机在工作环境方面有着明显的不同：(1)海上风的强度大 ，风速快 ，平均风速比陆上平原沿岸高20%以上，这对海上风力发电机带来了更大的冲击载荷，而剧期相比陆上要短。 (2)海上风 的湍流强度相比陆上要低 ，具有稳定的主导风向，海上风电机组承受的疲劳负荷较陆上要校 (3)由于海上对噪声要求比较低，传动转速比陆上风电高。这些工作环境方面的不同给海上风电机组尤其是轴承的可靠性提出了很高的要求。

美国GEARTECH公司的Erichelo及其合作者对风力发电机不转动时 (剧期)产生压痕和微动磨损机制以及两者之间的区别进行了研究，研究表明限制风机系统调距和偏航系统可靠性的主要是轴承滚动体和滚道之间发生的微动磨损损伤 J。风力发电机的变桨轴承在外部振动冲击载荷作用下，滚动体和内外圈接触处的润滑油不能对滚动体的转动进行补充 ，导致金属和金属直接接触，变桨轴承的滚动体和内外套圈就容易受到微动磨损，并能萌生疲劳裂纹，降低局部疲劳强度，使构件的疲劳寿命大大降低，如图1所示 。由于海上风力发电机会受到波浪 ，潮流等大振动冲击载荷，因此微动磨损将更加严重。

图 1 风机滚动轴承的微动磨损Fig 1 Freeing weal"of roling bearing of wind generator由于滚球轴承能够调整主轴和轴承座的对中，因此成为了海上涡轮机设备中支撑主轴的首眩海上风力发电机主轴是低速轴，通常转速只有25-35 r/min。

润滑剂的黏度不足以建立有效的润滑膜，滚球轴承的润滑条件很差。相关研究表明，影响主轴轴承使用寿命的并不是传统的接触疲劳，而是损害极大的微点磨损 ，微点磨损主要是由轨道和滚球、硬质颗粒的相互作用而在局部产生很大的应力而引起的。Timken公司的 Ionescu和 pontius对风机主轴轴承的载荷进行了研究 ，研究表明风机在上风区时主轴轴承载荷基本为0，处于下风区时主轴轴承则是全负荷运转，油膜厚度很薄，这增加了微点蚀的风险∩以通过使用预加载圆锥滚子轴承消除滚球和轨道的相对滑动，从而减少微点蚀 。

对于海上风力发电机而言，获取工作轴承的负荷分布对轴承使用寿命的估计具有重要的工程价值。西班牙 GAMESA Innovation and Technology公司的 Gonza。

1ez及其合作者研究了风力发电机四点接触球轴承的负荷分布对整个轴承摩擦扭矩的影响以及摩擦扭矩和润滑之间的关系。他们根据滚动轴承模型和伦德伯格、赫兹等的经典轴承疲劳累积损伤理论，提出了轴承的疲劳和摩擦估计方法 ，这种方法能模拟出支撑球与滚道的接触应力 ，评估滚动轴承在接触应力和摩擦力矩共同作用下的疲劳寿命 。

上海斐赛轴承有限公司的赵联春及其合作者的研究表明桨叶的振动使变桨轴承承受很大的振动冲击负荷，而变桨轴承又经常处于静止不动或处于低速摆动。这时轴承将发生2种破环：-种就是滚珠和滚道的塑性变形 ，在这种情况下 ，就必须校验所选轴承的额定静负荷；另-种就是滚动体和滚道之间由于桨叶振动而产生的微动损伤，并同时受到气温变化引起的冷凝水分、海水的蒸发水分、海风中盐分和润滑剂酸化等介质的侵袭，将形成微小压痕并很快发展成为点蚀 ，从而导致变桨轴承的微动磨损失效和锈蚀失效往往先于疲劳剥落发生 ，变桨轴承将很快地损坏 ，并导致轴承卡死，这成为制约变桨轴承运行可靠度和工作寿命的重要因素 J。

由于海洋环境的复杂多变，对于在海洋环境下运行的发电设备的轴承，将不会仅仅是遭受单-的损伤模式，而是微动、疲劳、点蚀等的协同作用，因此，失效的模式更复杂，失效的概率也将更大。

1.2 齿轮 和齿轮 箱齿轮箱摩擦学研究的热点问题主要集中在齿轮箱中润滑剂的污染。齿轮箱中的温度是常规温度，大多是油润滑，采用拈化设计，陆上风力发电机齿轮箱中主要的污染物是轴承和齿轮上的磨粒，海上风力发电机则有更多的污染物进人了齿轮箱，比如海水等。

海上风力发电机齿轮箱中由于摩擦磨损产生的硬质磨粒会对接触部件造成损害，从而减少使用寿命。

由于海上风速更大、传动转速比更高，因而将会加剧这-现象。齿轮箱轴承里面进入磨粒会导致微点蚀或是疲劳裂纹，最终导致齿轮箱轴承失效。The Timken108 润滑与密封 第 38卷Company的Sheng及其合作者的研究表明，齿轮箱齿轮在过大的接触剪应力和应力循环次数作用下 ，轮齿表面或其表层下面产生疲劳裂纹并会进-步扩展而造成齿面损伤，其表现形式主要是破坏性点蚀、早期点蚀、齿面剥落等 。破坏性点蚀经常会在齿轮啮合线部位出现，并且不断扩展 ，使齿面严重损伤，磨损加大，最终导致断齿失效。同时齿轮里面的磨粒会导致齿轮间隙增大，降低传动效率。

Devlin，Mark及其合作者研究了海水对齿轮箱部件的影响，研究表明，海水进入齿轮箱后改变了润滑剂的黏度，使油膜难以形成，海水还会破坏酯类抗磨损添加剂的结构，使润滑剂失效，导致部件的摩擦与磨损，严重降低转子部件的使用寿命川 。Needleman及其合作者对齿轮箱中如何消除水分对部件的摩擦性能的影响进行了实验研究，研究表明可以在润滑油底壳使用干燥空气毯和使用可再生性干燥滤器来除掉水分，使用这些干燥系统可以使齿轮箱中的水分质量分数由4×10-～5×10 降到 1.75×10左右 。因此在制造和运输装配新能源发电装置的过程中，需要严格确保制造环境的清洁和干净，使用密封技术隔绝潮湿空气中的水分。若密封不佳，导致腐蚀性海水的进入，不仅会使润滑油的性能大大降低，而