陜西龍源新能源有限公司 頡小龍 宋德喜 毛青峰 王秋思 李 樂

雙饋風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱是風(fēng)機大部件中價格最高、檢修難度最大的設(shè)備。齒輪箱的運行壽命和維護費用是風(fēng)電機組長期運行的關(guān)鍵條件，風(fēng)機齒輪箱故障的案例越來越多，造成大量的齒輪箱提前報廢和帶病運行。齒輪箱的制造質(zhì)量、運行載荷、潤滑系統(tǒng)的工作品質(zhì)，決定了齒輪箱運行的狀態(tài)是否穩(wěn)定高效。齒輪箱潤滑系統(tǒng)穩(wěn)定工作和潤滑油的品質(zhì)是齒輪箱運行的必要條件，潤滑系統(tǒng)的有效運行直接關(guān)系到齒輪箱的運行狀態(tài)。本文以某公司為例，對風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱潤滑油清潔度狀態(tài)和齒輪箱故障的相關(guān)性進行分析。

1 齒輪油中污染物和齒輪箱故障的關(guān)系

1.1 齒輪箱潤滑系統(tǒng)的設(shè)計條件和特點

風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱潤滑系統(tǒng)的基本特點是油箱容積較小，如1.5MW風(fēng)機的齒輪箱油液容積一般為450～550L，2.0MW的齒輪箱潤滑油裝油量一般為350～550L。潤滑油輸送泵入口在油箱的側(cè)下方，油箱的容積約為60～100L左右。油泵的設(shè)計輸送量為105～200L/min，設(shè)計循環(huán)倍率為8～15倍，潤滑油在齒輪箱油箱中理論的循環(huán)間歇時間為3～4min，從這個指標(biāo)能夠判斷，齒輪箱潤滑系統(tǒng)是一個高循環(huán)倍率的系統(tǒng)，這樣的設(shè)計就對潤滑油的品質(zhì)和系統(tǒng)維護提出了極高的要求。

齒輪箱中有多組齒輪副，由轉(zhuǎn)速幾轉(zhuǎn)/每分鐘到兩千轉(zhuǎn)/每分鐘的不同運轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，不同軸承運行的線速度相差較大，這種運轉(zhuǎn)方式對潤滑的穩(wěn)定性提出較高的要求，同時也是風(fēng)機齒輪箱運行故障率高的一個重要因素。齒輪箱潤滑系統(tǒng)是強制潤滑和噴濺潤滑結(jié)合的設(shè)計，軸承和齒輪共用一個潤滑系統(tǒng)和油液，這就要求油液有很適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)性能和潤滑特性，才能同時滿足極低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的不同運轉(zhuǎn)體的潤滑要求[1]。

潤滑系統(tǒng)的設(shè)計管道流速為1.5～2.5m/s，屬于高流速系統(tǒng)。齒輪箱的潤滑系統(tǒng)油液必須適應(yīng)高低速工況和頻繁變載工況的運行特征，設(shè)計的過濾裝置必須適應(yīng)油液的黏度波動和溫度波動。目前，齒輪箱基本配備了一套過濾裝置，安裝了一個纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯，這種濾芯采用濾棉制造，利用濾棉形成的網(wǎng)篦層形成一個阻隔作用，齒輪油穿過濾棉層進入到凈油側(cè)，金屬雜質(zhì)和氧化雜質(zhì)被濾棉阻隔濾除，濾芯被雜質(zhì)污染后形成較高的壓差，需要適時更換新的濾芯。

1.2 齒輪油中污染物的形成原因和危害

目前，風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱使用的齒輪油是一種全合成齒輪油，特點是黏度指數(shù)高，黏溫特性穩(wěn)定，抗熱氧化能力強，潤滑特性優(yōu)良，價格昂貴，按照理化指標(biāo)和生產(chǎn)工藝，這種齒輪油具有相當(dāng)長的設(shè)計運行壽命。齒輪油為了獲得穩(wěn)定的潤滑性能和良好的熱穩(wěn)定性，添加了多種添加劑，絕大多數(shù)添加劑都是酸性物質(zhì)，本身具有活躍的特性，容易和活躍金屬和水分形成化合作用[2]。齒輪油中污染物主要分為兩種，一種是運行過程中不斷產(chǎn)生的金屬磨粒，一種是潤滑油的氧化生成物。

金屬磨粒會隨著油流被油泵重新吸入進入下一個循環(huán)潤滑流程，一部分金屬磨粒會隨著油液沉淀在齒輪箱下部形成污染物沉積。磨粒絕大多數(shù)是齒面、軸承輥道脫落的硬質(zhì)顆粒物，硬度一般能達到HRC50左右甚至更高，金屬磨粒始終在循環(huán)系統(tǒng)中參與潤滑，這種硬度的金屬磨粒隨著潤滑油參與到齒面嚙合和軸承潤滑過程中能加速齒面和軸承的磨損，形成不可逆的磨損損傷。這種金屬磨粒同時也是潤滑油的氧化催化劑，能夠極大地加速油液的氧化作用，造成潤滑油黏溫指數(shù)偏差和熱穩(wěn)定性惡化，最終導(dǎo)致油液報廢淘汰。

氧化生成物形成的主要原因是齒輪油在運行過程中，受熱形成的氧化催化作用后形成的生成物，這部分生成物中有添加劑的化合作用，也有熱影響促進作用。形成的氧化生成物往往是黑色的泥狀物，一般俗稱為油泥，具有沉積特性和附著特性，還有一部分氧化生成物成為團狀軟質(zhì)顆粒。氧化生成物對風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱這種重載齒輪箱的潤滑沒有極端危害，但是這種生成物會影響油膜的穩(wěn)定性和覆蓋度，會造成油液顏色發(fā)黑和渾濁，同時還會造成纖維質(zhì)的濾芯堵塞和污染，齒輪油氧化后會出現(xiàn)泡沫增加和酸值升高的特征，抗泡劑大量流失極容易產(chǎn)生大量的泡沫，這種泡沫對于油膜形成極為不利，并且也不利于熱傳導(dǎo)效果，進而導(dǎo)致齒面點蝕發(fā)生和擴展，同時容易出現(xiàn)油溫超溫導(dǎo)致的各類故障頻發(fā)。

輪轂輸入的扭矩是周期性波動的，齒輪箱的運行特點是載荷交變頻繁且滿載、重載、沖擊、驅(qū)動軸翹動受力，傳動機構(gòu)齒面循環(huán)偏載、高溫、潤滑系統(tǒng)簡單且不穩(wěn)定，由此導(dǎo)致的傳動部件疲勞、超載現(xiàn)象頻繁發(fā)生，這種特征會使得運行磨損和潤滑油氧化機質(zhì)更加顯著，不利因素疊加又會進一步產(chǎn)生更多的金屬磨粒和氧化生成物，導(dǎo)致齒輪箱故障增加和油液的老化報廢。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱潤滑油清潔度的現(xiàn)狀分析

國標(biāo)中對齒輪箱潤滑油的要求標(biāo)準(zhǔn)：依據(jù)GBT 33540.3-2017風(fēng)力發(fā)電機組專用潤滑劑第3部分：變速箱齒輪油標(biāo)準(zhǔn)中第4條要求和試驗方法中，明確要求齒輪油的清潔度等級≯8級，試驗方法DL/432。此要求的含義是新加入及運行在役的齒輪箱潤滑油清潔度應(yīng)該達到NAS8級；目前，風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱在運的潤滑油油清潔度等級：風(fēng)機齒輪箱投運以后，按照制造廠的維護說明進行有效的維護和保養(yǎng)，但齒輪油的實際清潔度往往是明顯超標(biāo)的，有些油樣的清潔度超過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)十倍甚至更高。為了達到一個適當(dāng)?shù)木S護成本和工作量的綜合平衡，不得不降低清潔度的標(biāo)準(zhǔn)維持日常的運行。

1.4 齒輪箱潤滑油清潔度和齒輪箱壽命及故障的關(guān)系分析

根據(jù)潤滑油壽命延長因子的對應(yīng)關(guān)系，如果目前運行齒輪油的清潔度指標(biāo)是ISO4406 23/20，那么將齒輪油的清潔度提升到19/16的標(biāo)準(zhǔn)，軸承可以延長2倍的壽命，如果將齒輪油的清潔度提升到17/14的標(biāo)準(zhǔn)，軸承可以延長3倍的壽命，如果將齒輪油的清潔度提升到15/12的標(biāo)準(zhǔn)，軸承可以延長4倍的壽命。以此類推，清潔度指標(biāo)非常高的潤滑油可以極長的延續(xù)軸承運行壽命，進而保證齒輪箱的運行壽命，實現(xiàn)理想的運行工況（見表1）。

表1 滾動軸承新的油液潔凈度

依據(jù)GBT 33540.3-2017風(fēng)力發(fā)電機組專用潤滑劑第3部分的標(biāo)準(zhǔn)，可以得到結(jié)論：標(biāo)準(zhǔn)要求的齒輪油的清潔度指標(biāo)是NAS8級（對應(yīng)19/17/14），目前實際運行中的齒輪油的清潔度指標(biāo)如果是ISO4406 22/20/17（對應(yīng)NAS11級），那么軸承的壽命將減少2/3。如潤滑油的清潔度進一步惡化，則軸承壽命進一步縮短。眾所周知，風(fēng)機齒輪箱中有十幾個各種規(guī)格的軸承，軸承起到定位和承載的功能，如果軸承發(fā)生了磨損，齒輪軸無法保證共線運轉(zhuǎn)，必然導(dǎo)致偏載和沖擊，齒輪軸壽命大幅度縮短，那么齒輪箱的壽命則進一步指數(shù)級縮短。

圖1橫坐標(biāo)＞2μm金屬顆粒物/mL含量，縱坐標(biāo)為壽命時間。根據(jù)軸承相對壽命關(guān)系圖可知，如果每毫升中大于2μm的金屬顆粒物小于10個時，軸承壽命超過40年，而每毫升潤滑油中大于2μm的金屬顆粒物達到1萬個時，軸承的壽命只有2年。可以得到結(jié)論：潤滑油中金屬顆粒物的數(shù)量直接關(guān)系到軸承的壽命，進而指數(shù)級影響齒輪箱的壽命和故障率，潤滑油中的金屬顆粒物數(shù)量是直接導(dǎo)致齒輪箱故障和報廢的關(guān)鍵因素。

圖1 軸承相對壽命關(guān)系曲線

2 齒輪油清潔度指標(biāo)提高的辦法

現(xiàn)在風(fēng)場設(shè)備管理人開始認(rèn)識到齒輪箱的故障和齒輪油污染度之間存在的強相關(guān)性，希望找到最有效且低成本的方法保持齒輪油的清潔度，目前可采用以下方法來凈化齒輪油。

齒輪箱運行幾年更換齒輪油。風(fēng)場目前會定期更換齒輪油，更換的周期一般是5～7年，風(fēng)機理論服役期內(nèi)大致需要更換三次齒輪油，每次換油都會造成大量的費用支出和停機損失。設(shè)備管理者寄希望于更換了齒輪油以后油質(zhì)能長時間保持清潔度指標(biāo)合格，但實際上在換油不久后油質(zhì)又會重新污染，極端情況下更換了齒輪油幾個月時間油質(zhì)又會出現(xiàn)嚴(yán)重的清潔度超標(biāo)。通過定期更換齒輪油并不會解決齒輪油污染的問題，齒輪油相當(dāng)于機器的血液，齒輪油的狀態(tài)反應(yīng)的是齒輪箱的客觀狀態(tài)，不可能通過更換齒輪油而完全解決齒輪箱的潛在問題[3]。

定期更換濾芯。齒輪油清潔度超標(biāo)以后，維護人員會采用增加更換濾芯頻次的手段來進行處理，對于小部分齒輪箱來說，頻繁更換濾芯增加雜質(zhì)的濾除量的做法是有一些效果的，但對于絕大多數(shù)齒輪箱來說這種方法是無效的，增加了物資損耗而無法清潔油質(zhì)。

采用移動式濾油機凈化齒輪油。該方案的優(yōu)點是設(shè)備綜合采購成本低，一套濾油設(shè)備可以重復(fù)使用，但是這種作業(yè)方案較為復(fù)雜，需要將濾油機吊到機艙內(nèi)開展工作，進行濾油工作時必須停機時才可以進行此項工作，對于大多數(shù)風(fēng)場來說開展這樣作業(yè)的成本和難度較大，需要投入大量的人力成本和作業(yè)時間。采用功能型濾芯的辦法凈化油質(zhì)。這種過濾裝置是一種旁路過濾器，利用油泵抽取齒輪油經(jīng)過過濾器凈化后再進入齒輪箱的回油口。這種濾芯的本質(zhì)技術(shù)特征是降低介質(zhì)流速進行過濾，可以增加過濾的有效性。

3 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機組的齒輪箱是風(fēng)電場生產(chǎn)運行后維護費用和檢修費用最高的設(shè)備，其故障率是影響風(fēng)場檢修費用和檢修資源的關(guān)鍵因素，必須認(rèn)真對待齒輪箱故障的相關(guān)工作。風(fēng)力發(fā)電場在建設(shè)和設(shè)備選型期間，沒有根據(jù)廠址條件和運行條件進行齒輪箱配套耦合性分析，這些因素與齒輪箱故障率是強相關(guān)的關(guān)系。風(fēng)場投產(chǎn)以后，既定的環(huán)境條件和設(shè)備條件已經(jīng)是固有條件，后期對于齒輪箱潤滑系統(tǒng)的有效維護和精確保養(yǎng)就成為影響齒輪箱故障率的關(guān)鍵手段。

齒輪箱潤滑油的污染度超標(biāo)是齒輪箱故障的主要因素，目前一些齒輪箱的故障都源于潤滑油污染等級超標(biāo)。潤滑油的潔凈是采取維護手段可以改進的可控因素，基于原理分析和案例分析，應(yīng)注意并采取有效的手段改善潤滑油的污染度指標(biāo)，能有效地延長齒輪箱關(guān)鍵部件軸承和齒輪的理論壽命，進而延長齒輪箱的整體壽命。齒輪潤滑油能達到較高的清潔度會極大地延長齒輪箱的運行壽命，大幅度降低齒輪箱故障率。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機齒輪潤滑油現(xiàn)實的污染度指標(biāo)可以得到一個結(jié)論，齒輪箱潤滑系統(tǒng)標(biāo)配的纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯無法確保齒輪油保持清潔度達標(biāo)，需要采用更有效的手段來解決這個問題。新的過濾手段應(yīng)完全滿足齒輪箱的工況條件，采用定制設(shè)計和耦合設(shè)計的方法，來有效解決齒輪油清潔度長期達不到標(biāo)準(zhǔn)的隱患，新的過濾手段應(yīng)具備有效性和經(jīng)濟性的優(yōu)勢，具備實質(zhì)性推廣的可行性和必要性。