风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油的研制与应用

崔阳，李元鸿

(辽宁海华科技股份有限公司，辽宁 鞍山 114229)

1 研究背景

我国的风能资源十分丰富，有资料显示，我国水力资源储量为7000万kW，而风能储量却高达2.5亿kW。因此，国家大力发展风力发电，风电产业进入了高速发展的时期，风机数量及装机容量正飞速增长，作为重要基础支撑的风电设备润滑技术也随之快速发展[1]。我国风电设备开发起步较晚，所以国内现已投产的风力发电机组专用润滑剂初装基本按原设计采用进口润滑剂，目前国内风电用润滑剂99%以上为进口油。随着我国风电行业的不断成熟，对风力发电机润滑问题的认识加深，对风力发电机的润滑要求、风场的润滑管理及风力发电机的润滑运营维护等工作逐渐受到重视。作为在户外恶劣环境中长期运行的大型贵重精密机械，大型风力发电装置的传动系统对润滑的要求非常高，如极高的承载能力以保障设备重载、振动、频繁启停的工况条件下不发生擦伤胶合；极高的抗磨、抗点蚀以延长设备寿命；高效减摩以提高风电转化效率，低毒、无毒以不污染环境等[2]。

开发风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油，以有效防止风机主变速箱齿轮运转过程中的磨损和延长风机的使用寿命为目标，同时改善我国风电企业沉重的润滑油脂消耗成本和润滑维护成本过大的局面，减少对国外进口的依赖。

2 技术研究

风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油采用进口合成型超高指数优质基础油，添加高性能复合剂并复配特种功能单剂调合而成，性能达到了最高水平。为提高产品的研发水平，项目建立之初，参照国外风电润滑产品的标准、风电制造商对润滑剂的要求以及我国风场的自然环境特点，制定了风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油产品的研发目标，见表1。

表1 风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油的研制目标

风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油研制工作重点在于基础油及添加剂的选择。根据制定的研发目标，根据研制产品的性能特点，采用三羟甲基丙烷辛酸酯和聚α- 烯烃为基础油。三羟甲基丙烷辛酸酯具有高黏度指数、低倾点、低挥发、无毒、与多数矿物油及合成油可任意互溶，可降解的优点[3]；与性能优良且价格适中的聚α-烯烃进行调合，得到风电设备齿轮油的理想基础油组分。根据产品的性能特点和应用领域，选用风电专用复合剂和单剂复配调合。为减少齿轮表面过早损坏，油品要具有抗微点蚀性能；减少润滑部件的磨损，要具有极好的承载能力和抗磨性能；抑制油品氧化物质的生成要具有良好的氧化安定性。具体试验采用正交设计等方法对基础油及添加剂进行了大量的筛选、考查试验，并分别对抗微点蚀性、极压抗磨性、热氧化安定性、及配方稳定性等主要性能指标做了详细的研究评价工作。最终确定的产品配方在性能方面完全达到研制目标的要求，部分指标超过了国外产品的水平。研制的风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油在基础油和添加剂的选择方面具有一定创新性，在保证油品具备良好理化性能的同时，还具有突出的环保性能及良好的生物降解能力。表2为研制产品的主要典型数据。

表2 风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油典型数据

表2(续)

在变速箱齿轮油实验室配方及工艺的基础上，对产品进行了中试试验，对新产品进行了50～100倍的中试放大，进一步验证并完善了实验室确定的各项工艺条件及要求。同时，对中试产品进行了全面的指标评定，评定结果显示，产品各项技术指标达到了目标要求，批次稳定性良好。

3 国外同类产品性能对比

风电齿轮箱多采用多级平行轴行星斜齿轮变速箱，风电设备中叶片以较低速度经过增速齿轮箱系统实现转速的提高，再传递给电机形成发电[4]。在这一过程中，齿轮箱的增速比一般为1∶67.4(金风科技750 kW机型)，可形成高达363 kN·m的扭矩，齿轮将承受由此形成的极大应力。

风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油采用进口合成型超高指数优质基础油，添加超级复合剂并复配特种功能单剂调合而成，性能达到了最高水平。性能特点可概括为：出色的抗微点蚀性能，保护齿轮，避免过早损坏；优异的氧化安定性、高温稳定性，延长换油周期；优异的润滑特性、黏温特性，延长油品使用寿命；突出的防锈和防腐蚀性能，对野外设备起到很好的保护；卓越的分水性能，保障齿轮表面的均匀润滑，与国外品牌产品性能对比见表3。

表3 风电机组发电机变速箱齿轮油与国外品牌产品性能对比

表3(续)

4 风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油应用

内蒙古某风电场的金风S750 kW风电机组79#风机在2013年6月开始使用海华风电机组专用润滑剂——320#变速箱齿轮油。在3年的使用过程中，从氧化变质程度、磨损两方面对海华风电机组专用润滑剂——320#变速箱齿轮油进行跟踪监测，监测结果表明，320#变速箱齿轮油各项性能指标稳定，满足设备的使用要求[5]。

4.1 氧化变质程度

4.1.1 运动黏度

风电齿轮油经过长时间使用后，其运动黏度可能因氧化变质而上升，也可能因机械剪切作用而下降。质量好的风电齿轮油应具有较好的黏度保持性，其运动黏度在使用过程中变化幅度应尽可能小。海华风电机组专用润滑剂——320#变速箱齿轮油在使用过程中的40 ℃运动黏度变化见图1。

图1 40 ℃运动黏度变化曲线

由图1可以看出，在监测过程中，320#变速箱齿轮油40 ℃运动黏度的变化在正常范围，即新油运动黏度的±20%范围内变化，基本保持稳定，说明其具有较好的抗剪切和抗氧化性能。

4.1.2 酸值

齿轮油中的酸性组分主要来自有机酸和酸性添加剂。对于新油而言，由于配方体系不同，相对级别油品的酸值可能会有较大差别；对于在用油而言，酸值降低表示油中酸性添加剂的损耗，酸值升高表示油品被氧化而生成酸性物质。齿轮油在使用过程中因氧化生成的有机酸会对机械部件造成腐蚀。在油液监测中，酸值是判断设备润滑状况和油品抗氧抗腐性能的重要指标。320#变速箱齿轮油在使用过程中的酸值变化见图2。

图2 酸值变化曲线

由图2可以看出，320#变速箱齿轮油在监测期内酸值基本保持稳定，说明其具有较好的抗氧、抗腐性能。

4.2 磨损情况

运转设备无法避免地会产生磨损，润滑的目的就是将磨损控制在一个比较低的程度。监测润滑油中的金属元素含量，主要是分析、判断齿轮及轴承的磨损程度。风机齿轮箱的材质为铁，轴承的主要成分为铜和铅。

4.2.1 铁含量

320#变速箱齿轮油在使用过程中的铁含量变化见图3。

图3 铁含量变化曲线

由图3可以看出，320#变速箱齿轮油在使用期内铁含量控制在10 μg/g以下，而铁含量报警参考值为50～100 μg/g，大于100 μg/g需换油，说明其铁含量在正常范围内波动，风机齿轮箱的齿轮磨损状态正常，能有效降低齿轮磨损。

4.2.2 铜含量、铅含量

320#变速箱齿轮油在使用过程中的铜含量、铅含量变化见图4、图5。

图4 铜含量变化曲线

图5 铅含量变化曲线

由图4、图5可以看出，320#变速箱齿轮油在使用期内铜、铅含量在使用过程中均保持在一个很低的水平，说明风机的齿轮箱轴承磨损状态正常。

5 小结

本文介绍了风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油的标准要求及研制过程。海华风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油产品性能优异，适用于环境温度范围变化大、工况苛刻、需要抗微点蚀性能防护的齿轮。

应用结果表明，海华风电机组专用润滑剂——变速箱齿轮油具有优异的氧化安定性和摩擦学性能，能够满足客户对风电机组润滑性能的要求。