风力发电机组变速箱齿轮油国产化实践

夏延秋，郭振华，陈国光，尹元鑫，姜洋，张来祥，柳会哲

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.黑龙江省华富电力投资有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

0 引言

在过去20年里，中国风力发电设备数量伴随着中国经济的腾飞而增长，至2010年底，中国全年风力发电新增装机容量达1600万千瓦，累计装机容量达到4182.7万千瓦，首次超过美国，跃居世界第一。截止2016年底，中国已连续7年保持世界装机第一的位置。但风力发电机润滑剂的研究和应用并未因此提高，很多润滑油企业，尤其中国石油和中国石化润滑油公司并未搭上风力发电快速发展的列车，目前国内风电用润滑剂99%以上为进口油脂，风电制造企业和润滑油生产企业应该认真反省。

风电机组齿轮油主要用于润滑齿轮和轴承，防止磨损和锈蚀以及系统散热等作用。风电机组齿轮油的监测是风力发电设备安全稳定运转和维护保养的主要环节。使用高端润滑油就不需要监测的观念是错误的，所有的风电机组必须进行润滑油监测，以便及时发现齿轮箱的润滑故障，实施风电机组的全方位润滑管理。风力发电机组齿轮箱是风力发电机的重要部件，齿轮箱的作用是将风轮的转速转化为电机的转速，齿轮箱在高速转动过程中容易发生齿面磨损、点蚀以及润滑油老化，严重会导致齿轮箱事故。因此齿轮箱是风力发电机的重要润滑部位[1]。近年来，随着风电事业的发展和风机数量的增加，风力发电机组齿轮油的需求也不断上升，仅2015年需求已达到38000 t。由于风电场多数建在沙漠戈壁、海上、山里等野外偏远区域，容易受极热、极寒、沙尘、盐碱腐蚀等环境影响，严重的会影响风电设备的正常运行和使用寿命，绝大多数地区不便修理或者修理费用极高。所以提高风力发电机齿轮箱的工作寿命尤为重要，因此作为风力发电机组的齿轮油需要具备较好的物理和化学性能以及摩擦学性能[1-2]。

风力发电机组齿轮油作为高端润滑油，已广泛应用于风力发电机系统的齿轮润滑，有数据显示，目前，国内风电机组齿轮箱全部选用进口齿轮油(不包括试验用齿轮油)，目前国内市场上的进口齿轮油有美孚、壳牌、福斯、巴斯夫等占了90%以上的风电油品市场。近年来，埃克森美孚还推出了质保达7年之久的美孚SHCTM齿轮油320 WT。国外高档风机齿轮油在不断更新换代，而国产风电齿轮油还没有进入正式招标采购的范围。

1 试验方案

试验地点选在黑龙江省某风场进行，选用东汽1.5 MW风力发电机组作为试验机组，选用了2种国产风力发电机组齿轮油与1种进口风力发电机组齿轮油进行跟踪对比，就齿轮油的理学性能、润滑性能、铁谱和旋转氧弹等指标进行320 d的跟踪测试，试验数据分别包括新油、使用30 d、120 d和320 d的四次采样数据。表1示出了本次试验选用的3种油品的理化性能数据。数据显示，各项理化指标符合国家风力发电机专用润滑剂油标准(GB/T 33540.3-2017)[3]。

表1 三种新风机齿轮油的的物理化学性能对比

1.1 物理化学性能

经过近1年的实际应用，采集了分别运行了30 d、120 d和320 d的3种油品，如表2所示，发现，同一部位采集的测试油样，性能指标相差不大，但进口油水含量测试结果超过国产油，国产1号和2号齿轮油的抗泡性不如进口油，说明进口油的抗泡性能优于国产齿轮油。

表2 三种运转30 d的风机齿轮油的物理化学性能对比

表2(续)

表3示出了运转120 d风电机组齿轮油的测试结果，数据显示，除国产油抗泡性能较差外，其他各项理化指标区别不大。

表3 三种运转120 d的风机齿轮油的物理化学性能对比

表4示出了运转320 d风电机组齿轮油的测试结果，数据显示，国产油与进口油抗泡性能差距缩小，其他各项理化指标区别不大。表2～表4的物理化学性能上看，国产1号总酸值最低，破乳化性能最优，但抗泡性与进口油还有差距。因此一年来，重点在抗泡性能方面进行了监控。

表4 运转320 d的风机齿轮油的物理化学性能对比

1.2 润滑性能

风电齿轮油在使用过程中，伴随着摩擦和磨损，因此，齿轮油的润滑也是本次检测的重要指标之一，测试了PB(卡咬负荷)、PD(烧结负荷)、磨斑直径和摩擦系数4项指标。其中磨斑直径是在厦门试验机厂生产的MS-800型四球式试验机上完成(196 N，60 min，54 ℃，1800 r/min)，测试发现，进口齿轮油和国产齿轮油烧结负荷没有变化。卡咬负荷变化不大，而磨斑直径则相应增加。表明润滑油随着使用时间的变化，其抗磨性能下降，国产1号油抗磨性能保持性最优。而三种油的摩擦系数保持稳定。研究表明[4]，摩擦系数对提高齿轮的齿轮传动效率和抗点蚀能力具有重要作用，说明3种油都具有优良的抗疲劳性能。

表5 齿轮油不同时间的摩擦学性能对比

注:选用兰州化学物理研究所的MFT-R4000往复摩擦磨损试验机，上试样采用AISI 52100 标准试验钢球，硬度是630 HV，下试件采用AISI 52100 钢盘，硬度是650 HV。

1.3 其他测试结果比较

PQ指数是测定润滑油中铁系金属的含量，用来避免产生机械故障的一种方法，其理想值应当低于50，表5示出了3种油品运行320 d后，其数值远远小于50，完全符合标准，即在运行过程中不会因为磨屑问题而降低齿轮箱的寿命。

旋转氧弹是一种测试油抗氧化能力的方法，是润滑油抗氧化能力的指标。表6示出了3种油品在不同时期润滑油的抗氧化能力，其中国产1号油抗氧化能力最优。而进口油抗氧化能力优于国产2号油。红外光谱Abs表示吸光度，是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的对数，吸光度是用来衡量光被吸收的物理量。在氧化值检测中，以检测氧化物官能团(C=O)的吸光度最大值来确定其氧化值。按ASTM E2412-10标准进行测定，获得的抗氧化值进口油与国产1号油相当，优于国产2号油。以上两种抗氧化性能方法不同，表达油的抗氧化能也不同。铁谱在测试中发现，有些元素的数据明显偏差，可能是齿轮油中混入其他油品或者是测试误差。

经过1年的跟踪测试发现，国产油与进口油性能差别不大，个别指标各有优劣，但不影响润滑油的使用。经过320 d的监测，结果表明国产油还需在抗泡指标上进一步提高。

表6 齿轮油不同时间的其他性能

2 结论

国产润滑油在320 d的使用期内各项指标变化处在正常变化范围内，可以继续使用；进口润滑油与国产润滑油的各项测试性能及使用后性能相差属正常范围，国产润滑油可以代替进口润滑油在市场上进行推广。