華能新能源股份有限公司遼寧分公司 楊家興 提 威 齊春祥

截至2020年年底，我國風電裝機容量達到2.81億kWh，是全球風電大國。在國內(nèi)已投產(chǎn)的風電機組中，雙饋式風機占比超過70%。齒輪箱作為雙饋式風機的主要傳動部件，其運行工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率高，一旦出現(xiàn)故障下架檢修，將會產(chǎn)生不菲的維修費用和發(fā)電量損失。在所有齒輪箱故障中，因設(shè)計、制造、裝配引起的故障占比約40%，因維護不當造成的故障占比約43%，另有17%的故障是因為相鄰條件（如發(fā)電機、聯(lián)軸器）的故障引起的。

而在運維不當產(chǎn)生的齒輪箱故障中，因為潤滑原因占比超過80%。由此可見，要想降低齒輪箱的故障率、延長齒輪箱壽命，一方面需要改進設(shè)計、提高制造工藝和裝配水平；另一方面，根據(jù)“木桶短板”理論，在機組投產(chǎn)后，設(shè)計、制造、裝配等因素均已確定的狀況下，通過補齊潤滑管理這塊“短板”，將其成為提高齒輪箱運行可靠性的有效途徑。

本文分析了風機齒輪油污染物的主要來源和危害，以長期不被重視的油品清潔度問題作為切入點，通過加裝離線過濾裝置改善潤滑并輔以相關(guān)管理手段，顯著提高齒輪箱潤滑油的清潔度，為延長齒輪箱壽命、指導(dǎo)齒輪箱的維護提供了一定依據(jù)和有益的工作建議。

1 齒輪油主要污染物來源和危害

1.1 齒輪油污染來源

外部污染。齒輪箱在制造（如機加工、研磨、熱處理、噴漆等）、運輸、裝配過程中都會引入一定的污染物。尤其是在裝配環(huán)節(jié)，由于重視程度不夠、作業(yè)標準不高，產(chǎn)生的污染是機組投產(chǎn)前外部污染的主要來源。機組投運后，由于運行操作和維護不當，也會帶入污染物，比如換油不規(guī)范、空濾更換不及時或者密封不嚴等。

內(nèi)部污染。風機在磨合期以及日常運行中，不可避免會產(chǎn)生磨損、點蝕等，這些碎屑如果不能及時去除，會進入齒輪和軸承的油膜間隙，進一步加劇磨損，從而產(chǎn)生更多顆粒物。另外油品長期使用后，也會氧化降解產(chǎn)生污染[1]。

1.2 齒輪油污染物的危害

水分。水是機械失效的主要原因之一，水會明顯降低油的潤滑性能。當水分出現(xiàn)在高壓處，比如齒輪和軸承，水滴破裂（爆裂）會導(dǎo)致金屬表面的點蝕，更可能在水蒸汽暫時趕走油的時候出現(xiàn)金屬和金屬的直接接觸，水中游離的氫離子會加劇這一現(xiàn)象。水還會導(dǎo)致腐蝕，進一步造成金屬表面的損壞。此外，水會成為油品降解的催化劑，加速油品氧化和產(chǎn)生清漆和油泥。

顆粒物。固體顆粒物是油系統(tǒng)失效的最主要原因。尺寸相近或者略大于齒輪間容差的顆粒物危害較大，這種尺寸的顆粒物會對油膜造成破壞，初期會導(dǎo)致系統(tǒng)表面的微裂，進一步發(fā)展會使內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)退化，從而影響齒輪箱的使用壽命。另外，大量的顆粒物會對油品中的各種添加劑造成擠壓，如果顆粒物的污染問題得不到快速有效解決，油品中的添加劑特別是清潔劑和分散劑將會加速耗盡。

圖1 油品中的顆粒物對齒輪面造成的早期磨損

氧化降解產(chǎn)物。由于風機齒輪油較為惡劣的運行環(huán)境，加之受到的各種污染，不可避免會出現(xiàn)油品氧化，產(chǎn)生酸、油泥和清漆。酸會腐蝕設(shè)備，油泥和清漆會在關(guān)鍵元器件表面產(chǎn)生沉積形成漆膜并難以去除。

氧化物的危害主要有：吸附顆粒物，加速輪齒件磨損；黏附于換熱器表面，降低熱交換效率，增加超溫風險；堵塞過濾器、細油管和噴油嘴等，使油量不足造成潤滑失效；加速油的變質(zhì)，增加維護成本。

1.3 齒輪油清潔度標準

國際標準《液壓傳動油液固體顆粒污染等級代號法》（ISO4406-1999）所規(guī)定的風機齒輪箱潤滑油清潔度見表1。國家標準《風力發(fā)電機組齒輪箱設(shè)計要求》（GB/T 19073-2018）和上述國際標準一致，并提出潤滑油清潔度需要風機制造商、齒輪箱制造商以及軸承制造商達成一致，在連續(xù)運行時齒輪箱穩(wěn)定的清潔度不得低于-/17/14（ISO4406）。而根據(jù)國內(nèi)知名齒輪箱制造廠家的建議，齒輪箱清潔度標準不應(yīng)低于-/15/12（ISO4406）。

表1 齒輪箱潤滑油清潔度

表1中清潔度的3個數(shù)據(jù)分別代表不同顆粒計數(shù)級別：第1個數(shù)值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于4μm 的雜質(zhì)數(shù)量級別；第2個數(shù)值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于6μm 的雜質(zhì)數(shù)量級別；第3個數(shù)值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于14μm 的雜質(zhì)數(shù)量級別[2]。

從已有公開資料查詢，國內(nèi)很多風機在換油兩年或更短時間內(nèi)，顆粒物污染就已基本達到或超過21/19/16（ISO4406），齒輪箱潤滑油清潔度不容樂觀。主要原因是齒輪箱潤滑油在線過濾裝置精度一般為10μm 以上，對于水和低于10μm 的顆粒物無法過濾，也無法過濾油泥等氧化物，因此油品清潔度得不到可靠保障。歐洲和北美的一些主要OEM 廠商在十幾年前就開始在齒輪箱加裝離線精濾系統(tǒng)，以保證顆粒物污染控制在17/15/12（ISO4406）的水平，盡可能提高油品清潔度，以延長齒輪箱壽命。

TNA 總酸值代表油品老化程度。從表2可以看出，金屬顆粒和水分的同時存在對酸值上升（即油品老化）有十分明顯的加速作用。因此，既要防止水進入油中，同時也要及時濾除油系統(tǒng)中存在的金屬顆粒物，以延緩油品老化速度，保障潤滑效果。

表2 污染物對油品老化程度的影響（來源：Noria 公司）

圖2 主齒輪箱潤滑油異常情況因素統(tǒng)計分析

國內(nèi)某油品檢測機構(gòu)通過對近5年來上萬臺風機大數(shù)據(jù)分析，主齒輪箱潤滑油檢測樣品的主要問題就是磨損、油品污染超標。污染物主要為水和固體顆粒等，齒輪箱的磨損主要是鋼質(zhì)部件的磨損。

2 對某風電公司風機齒輪箱潤滑油的跟蹤研究

2.1 初始油品情況

對某風電公司下屬風場的8臺齒輪箱潤滑油進行檢測，其油品污染情況不容樂觀（1、2、5號風機齒輪箱近1年內(nèi)進行過部分換油，其他機組齒輪油均超過5年未換油）。具體見表3。

表3 某風電公司8臺齒輪箱油品檢測情況

2.1.1 黏度分析

黏度是齒輪箱潤滑油最重要的指標，對于設(shè)備的安全運行起著至關(guān)重要的作用。該風電公司齒輪箱潤滑油均選擇運動黏度為320mm2/S 的齒輪油。通常規(guī)定齒輪油的運行黏度變化不應(yīng)超過15%，黏度變化過大意味著齒輪油發(fā)生了較為嚴重的衰變。通過檢測可知，該8臺齒輪箱潤滑油黏度與基準值相比變化不大。

2.1.2 酸值分析

齒輪箱潤滑油在運行過程中長期受空氣、水分、溫度以及污染物等影響，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生產(chǎn)一系列酸性氧化物，導(dǎo)致油品酸值增加。酸值含量過高會影響油品的潤滑性能，同時對齒輪箱造成一定程度的腐蝕。酸值一般不允許比新油高+0.5AN，如果酸值增加到1AN 則需要立即采取措施。（例如：如果新油是0.5AN，那么1.0AN 就需要警惕，1.5AN 就是警報）[3-4]。從表3來看，共有5臺齒輪油酸值超過1AN，說明齒輪油的酸值污染比較嚴重，應(yīng)該采取措施（如加強過濾、清洗系統(tǒng)、換油等）來降低酸值，以減少腐蝕和潤滑性能降低等帶來的不利影響。

2.1.3 水分分析

水進入齒輪油的危害較大，該8臺齒輪油的水分含量均低于100ppm，遠低于300ppm 的報警線，處于一個良好的水平，說明齒輪箱上部安裝的呼吸器工作情況良好，使水分進入呼吸器后被其內(nèi)部的濾膜吸附，無法進入齒輪箱，從而達到控制油中水分的目的。

2.1.4 顆粒物分析

從表3可知，1、2、5號風機一年內(nèi)進行過部分換油，其齒輪油顆粒物污染情況盡管相對較好，但也達到了換油標準。其他風機齒輪油清潔度全部嚴重超標，3、4、6、7號風機超過國標標準4個等級以上，這樣長期運行下去對齒輪箱的傷害是可想而知的。

數(shù)據(jù)表明，在齒輪箱潤滑油系統(tǒng)中，尺寸在1～5μm 的顆粒物約占70%～80%。因為齒輪油系統(tǒng)間容差十分精細（微米級），危害最大的就是尺寸相近或者略大于油系統(tǒng)齒輪間容差的顆粒物。當微小的磨料顆粒如沙粒和塵埃進入到油系統(tǒng)當中，隨著油進入到系統(tǒng)關(guān)鍵部件當中，擠入精密間隙比如滾動接觸區(qū)時，會導(dǎo)致系統(tǒng)表面的微裂，使表面產(chǎn)生凹坑，容易引發(fā)材料的磨損，產(chǎn)生并釋放更大尺寸的碎片[5]，從而影響齒輪箱壽命。

2.2 加裝離線過濾裝置提高油品清潔度

鑒于齒輪箱在線過濾系統(tǒng)不能有效地過濾掉潤滑油中的污染物，越來越多的風電企業(yè)開始加裝離線過濾裝置。齒輪箱離線精濾系統(tǒng)過濾精度一般為3～5μm，實際運行中，98.7%粒徑大于3μm 的固體顆粒會被過濾掉，能使齒輪箱潤滑油清潔度提高到17/15/12（ISO4406）。根據(jù)已有研究，將過濾精度由10μm 提高到3μm，軸承的壽命會增加50%。但過濾精度并不是越細越好，過于精細可能會過濾掉潤滑油中的添加劑成分。

2.2.1 齒輪箱離線濾油裝置的選擇

齒輪箱離線濾油裝置的選擇應(yīng)遵循以下原則：離線過濾器的精度應(yīng)達到3μm（β3≥200）的水平；濾芯應(yīng)具有較大的納污能力，并保證更換周期不低于1年；要能吸收潤滑油中的自由水分；過濾器的尺寸應(yīng)合理設(shè)計并且采用與潤滑油化學(xué)相容的材料制造，確保不會過濾掉油中的有效添加劑；該離線過濾裝置是一個獨立回路，不受系統(tǒng)是否啟停的影響均可運行，且不會對油系統(tǒng)造成任何不良影響；要有一個自動開啟的旁路。

2.2.2 齒輪箱離線濾油裝置的試用

2021年4月底，對該批8臺機組加裝了離線濾油裝置，經(jīng)過45天的運行后，對齒輪油進行取樣化驗，結(jié)果見表4。

表4 加裝離線濾油裝置45天后油品檢測情況

對比表3和表4，根據(jù)油樣檢測結(jié)果可知：從黏度來看，變化幅度較小，且絕大部分機組（只有4號機組齒輪油黏度從326變?yōu)?28）都是向320靠近，說明該離線濾油裝置對黏度指標有積極作用，其原因是離線濾油裝置吸附了齒輪油中的部分氧化物，使其黏度指標向好；從酸值來看，和黏度類似，變化幅度很小且大部分是向好變化；從水分來看，是在一個很低的污染水平的基礎(chǔ)上有所浮動，總體來說幾乎沒有變化；從顆粒物來看，1、2、5號風機齒輪油顆粒物含量得到一定改善，大致提高1～2個等級左右，這3臺機組齒輪油初始情況良好，因此其變化幅度并不明顯。3、4、7號機組齒輪油顆粒物含量大幅降低，污染情況得到大幅改善，污染物清潔等級大致提高了4～6個等級，可謂十分明顯。6號和8號機組在離線過濾裝置運行45天后的油品檢測結(jié)果沒有達到預(yù)期，分析可能是取樣不規(guī)范引起的，經(jīng)過再次取樣檢測后其顆粒物污染物也得到了比較明顯的改善，大致提高了4個等級。

需要指出的是，為了關(guān)注油品清潔度變化趨勢，特別對1號和6號風機齒輪油進行每周取樣檢測。從檢測結(jié)果來看，其污染物降低并不是呈直線下降趨勢，而是曲折下降，中間有過反彈現(xiàn)象（見圖3、圖4）。一般來說，如果齒輪油使用時間較久，且僅依靠齒輪箱自帶過濾系統(tǒng)，如新安裝離線過濾后油品質(zhì)量出現(xiàn)反彈是一個正?，F(xiàn)象。這是因為在過濾初期，油品質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，隨著持續(xù)過濾，較干凈的油會逐漸和隨機帶走（沖刷）原來黏結(jié)在齒輪箱、油管、油箱內(nèi)壁和底角等處的污染物，從而導(dǎo)致油品污染度反彈。只有當系統(tǒng)元件和整個油系統(tǒng)徹底清潔后，油品才會真正好轉(zhuǎn)并保持穩(wěn)定。這需要一定的時間，且和油品污染程度、風機是否運轉(zhuǎn)、過濾裝置流量、添加劑消耗情況等因素密切相關(guān)。

圖3 1號風機油品清潔度變化趨勢（每周取樣）

圖4 6號風機油品清潔度變化趨勢（每周取樣）

2.2.3 油品清潔度與齒輪箱壽命的相關(guān)研究

當前，齒輪箱油品的清潔度已經(jīng)受到越來越多的重視。根據(jù)潤滑領(lǐng)域國際著名研究機構(gòu)Noria 公司的研究成果表明：齒輪箱使用壽命和潤滑油清潔度密切相關(guān)，通過提高油品清潔度，可以顯著延長齒輪箱壽命。一些風機制造商認為，當控制齒輪箱中潤滑油的污染程度不大于14/12/10（ISO4406）時，齒輪箱壽命可以達到20年。但實踐發(fā)現(xiàn)，許多齒輪箱在運行3～5年后就開始頻出故障，運行8～10年后則故障多發(fā)，甚至需要更換齒輪箱，這是因為在只有在線過濾系統(tǒng)的情況下，風機齒輪箱潤滑油清潔度難以得到保證。

從圖5可知，如果齒輪油清潔度等級從24/22/19（ISO4406，左側(cè)第一列第2行）提高到17/15/12（ISO4406，左側(cè)第六列）后，齒輪箱壽命可以延長3倍（不考慮齒輪箱原始制造工藝、材料、安裝問題，投用后油品清潔度對其壽命的影響，下同）。剔除最近1年換過油的1、2、5號風機，可以看出：3號風機油品清潔度從24/22/19（ISO4406）提高到18/15/11（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長3倍；4號風機油品清潔度從24/22/20（ISO4406）提高到20/18/16（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.7倍；6號風機油品清潔度從24/22/18（ISO4406）提高到20/18/14（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.7倍；7號風機油品清潔度從24/22/13（ISO4406） 提高到21/18/16（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.3倍；8號風機油品清潔度從23/19/14（ISO4406）提高到19/16/11（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.5倍。

圖5 油品清潔度等級和設(shè)備壽命對應(yīng)關(guān)系

值得注意的是，油中的自由水分對設(shè)備壽命的影響更為突出。SKF 等公司的研究表明，當油中的溶解水含量達到500ppm 時（0.05%），齒輪箱軸承的壽命下降約58%。因此，還要盡可能控制油中水分含量。本次用于研究的8臺齒輪箱因水污染控制較好，故不在本文討論范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

一是通過某風電公司8臺齒輪箱潤滑油的檢測結(jié)果顯示，在國內(nèi)普遍實行的5年的換油周期內(nèi)，僅通過在線過濾裝置，齒輪油清潔度難以達到國標（GB/T 19073-2018）要求。

二是一套質(zhì)量可靠的離線過濾裝置可以有效提高齒輪油清潔度。從試驗數(shù)據(jù)來看，雖然僅僅投入使用45天，但是8臺齒輪箱潤滑油的清潔度平均提高了2～4個等級，效果十分明顯，對于保障齒輪系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，離線濾油裝置是一個合適的選擇。

三是國內(nèi)、外齒輪油清潔度控制標準有差異，總體上國內(nèi)的控制標準低于國外主流控制標準2個等級以上。在條件允許的情況下，盡可能提高齒輪油清潔度，可以有效降低齒輪箱故障率，延長齒輪箱壽命，從而減少檢修費用和停機損失。

四是對于新建風電項目，在設(shè)計階段就應(yīng)該以國內(nèi)外通行的污染物控制目標或者齒輪箱制造廠家建議的控制目標為導(dǎo)向，考慮采用高效的污染控制方案，進而達到預(yù)防性維護的效果。