风力发电机齿轮箱润滑油清洁度状态及齿轮箱故障相关性分析

陕西龙源新能源有限公司 颉小龙 宋德喜 毛青峰 王秋思 李 乐

双馈风力发电机组齿轮箱是风机大部件中价格最高、检修难度最大的设备。齿轮箱的运行寿命和维护费用是风电机组长期运行的关键条件，风机齿轮箱故障的案例越来越多，造成大量的齿轮箱提前报废和带病运行。齿轮箱的制造质量、运行载荷、润滑系统的工作品质，决定了齿轮箱运行的状态是否稳定高效。齿轮箱润滑系统稳定工作和润滑油的品质是齿轮箱运行的必要条件，润滑系统的有效运行直接关系到齿轮箱的运行状态。本文以某公司为例，对风力发电机齿轮箱润滑油清洁度状态和齿轮箱故障的相关性进行分析。

1 齿轮油中污染物和齿轮箱故障的关系

1.1 齿轮箱润滑系统的设计条件和特点

风力发电机组齿轮箱润滑系统的基本特点是油箱容积较小，如1.5MW风机的齿轮箱油液容积一般为450～550L，2.0MW的齿轮箱润滑油装油量一般为350～550L。润滑油输送泵入口在油箱的侧下方，油箱的容积约为60～100L左右。油泵的设计输送量为105～200L/min，设计循环倍率为8～15倍，润滑油在齿轮箱油箱中理论的循环间歇时间为3～4min，从这个指标能够判断，齿轮箱润滑系统是一个高循环倍率的系统，这样的设计就对润滑油的品质和系统维护提出了极高的要求。

齿轮箱中有多组齿轮副，由转速几转/每分钟到两千转/每分钟的不同运转机构组成，不同轴承运行的线速度相差较大，这种运转方式对润滑的稳定性提出较高的要求，同时也是风机齿轮箱运行故障率高的一个重要因素。齿轮箱润滑系统是强制润滑和喷溅润滑结合的设计，轴承和齿轮共用一个润滑系统和油液，这就要求油液有很适当的指标性能和润滑特性，才能同时满足极低转速和高转速的不同运转体的润滑要求[1]。

润滑系统的设计管道流速为1.5～2.5m/s，属于高流速系统。齿轮箱的润滑系统油液必须适应高低速工况和频繁变载工况的运行特征，设计的过滤装置必须适应油液的黏度波动和温度波动。目前，齿轮箱基本配备了一套过滤装置，安装了一个纤维质网篦式滤芯，这种滤芯采用滤棉制造，利用滤棉形成的网篦层形成一个阻隔作用，齿轮油穿过滤棉层进入到净油侧，金属杂质和氧化杂质被滤棉阻隔滤除，滤芯被杂质污染后形成较高的压差，需要适时更换新的滤芯。

1.2 齿轮油中污染物的形成原因和危害

目前，风力发电机齿轮箱使用的齿轮油是一种全合成齿轮油，特点是黏度指数高，黏温特性稳定，抗热氧化能力强，润滑特性优良，价格昂贵，按照理化指标和生产工艺，这种齿轮油具有相当长的设计运行寿命。齿轮油为了获得稳定的润滑性能和良好的热稳定性，添加了多种添加剂，绝大多数添加剂都是酸性物质，本身具有活跃的特性，容易和活跃金属和水分形成化合作用[2]。齿轮油中污染物主要分为两种，一种是运行过程中不断产生的金属磨粒，一种是润滑油的氧化生成物。

金属磨粒会随着油流被油泵重新吸入进入下一个循环润滑流程，一部分金属磨粒会随着油液沉淀在齿轮箱下部形成污染物沉积。磨粒绝大多数是齿面、轴承辊道脱落的硬质颗粒物，硬度一般能达到HRC50左右甚至更高，金属磨粒始终在循环系统中参与润滑，这种硬度的金属磨粒随着润滑油参与到齿面啮合和轴承润滑过程中能加速齿面和轴承的磨损，形成不可逆的磨损损伤。这种金属磨粒同时也是润滑油的氧化催化剂，能够极大地加速油液的氧化作用，造成润滑油黏温指数偏差和热稳定性恶化，最终导致油液报废淘汰。

氧化生成物形成的主要原因是齿轮油在运行过程中，受热形成的氧化催化作用后形成的生成物，这部分生成物中有添加剂的化合作用，也有热影响促进作用。形成的氧化生成物往往是黑色的泥状物，一般俗称为油泥，具有沉积特性和附着特性，还有一部分氧化生成物成为团状软质颗粒。氧化生成物对风力发电机齿轮箱这种重载齿轮箱的润滑没有极端危害，但是这种生成物会影响油膜的稳定性和覆盖度，会造成油液颜色发黑和浑浊，同时还会造成纤维质的滤芯堵塞和污染，齿轮油氧化后会出现泡沫增加和酸值升高的特征，抗泡剂大量流失极容易产生大量的泡沫，这种泡沫对于油膜形成极为不利，并且也不利于热传导效果，进而导致齿面点蚀发生和扩展，同时容易出现油温超温导致的各类故障频发。

轮毂输入的扭矩是周期性波动的，齿轮箱的运行特点是载荷交变频繁且满载、重载、冲击、驱动轴翘动受力，传动机构齿面循环偏载、高温、润滑系统简单且不稳定，由此导致的传动部件疲劳、超载现象频繁发生，这种特征会使得运行磨损和润滑油氧化机质更加显著，不利因素叠加又会进一步产生更多的金属磨粒和氧化生成物，导致齿轮箱故障增加和油液的老化报废。

1.3 风力发电机齿轮箱润滑油清洁度的现状分析

国标中对齿轮箱润滑油的要求标准：依据GBT 33540.3-2017风力发电机组专用润滑剂第3部分：变速箱齿轮油标准中第4条要求和试验方法中，明确要求齿轮油的清洁度等级≯8级，试验方法DL/432。此要求的含义是新加入及运行在役的齿轮箱润滑油清洁度应该达到NAS8级；目前，风力发电机组齿轮箱在运的润滑油油清洁度等级：风机齿轮箱投运以后，按照制造厂的维护说明进行有效的维护和保养，但齿轮油的实际清洁度往往是明显超标的，有些油样的清洁度超过标准的数十倍甚至更高。为了达到一个适当的维护成本和工作量的综合平衡，不得不降低清洁度的标准维持日常的运行。

1.4 齿轮箱润滑油清洁度和齿轮箱寿命及故障的关系分析

根据润滑油寿命延长因子的对应关系，如果目前运行齿轮油的清洁度指标是ISO4406 23/20，那么将齿轮油的清洁度提升到19/16的标准，轴承可以延长2倍的寿命，如果将齿轮油的清洁度提升到17/14的标准，轴承可以延长3倍的寿命，如果将齿轮油的清洁度提升到15/12的标准，轴承可以延长4倍的寿命。以此类推，清洁度指标非常高的润滑油可以极长的延续轴承运行寿命，进而保证齿轮箱的运行寿命，实现理想的运行工况（见表1）。

表1 滚动轴承新的油液洁净度

依据GBT 33540.3-2017风力发电机组专用润滑剂第3部分的标准，可以得到结论：标准要求的齿轮油的清洁度指标是NAS8级（对应19/17/14），目前实际运行中的齿轮油的清洁度指标如果是ISO4406 22/20/17（对应NAS11级），那么轴承的寿命将减少2/3。如润滑油的清洁度进一步恶化，则轴承寿命进一步缩短。众所周知，风机齿轮箱中有十几个各种规格的轴承，轴承起到定位和承载的功能，如果轴承发生了磨损，齿轮轴无法保证共线运转，必然导致偏载和冲击，齿轮轴寿命大幅度缩短，那么齿轮箱的寿命则进一步指数级缩短。

图1横坐标＞2μm金属颗粒物/mL含量，纵坐标为寿命时间。根据轴承相对寿命关系图可知，如果每毫升中大于2μm的金属颗粒物小于10个时，轴承寿命超过40年，而每毫升润滑油中大于2μm的金属颗粒物达到1万个时，轴承的寿命只有2年。可以得到结论：润滑油中金属颗粒物的数量直接关系到轴承的寿命，进而指数级影响齿轮箱的寿命和故障率，润滑油中的金属颗粒物数量是直接导致齿轮箱故障和报废的关键因素。

图1 轴承相对寿命关系曲线

2 齿轮油清洁度指标提高的办法

现在风场设备管理人开始认识到齿轮箱的故障和齿轮油污染度之间存在的强相关性，希望找到最有效且低成本的方法保持齿轮油的清洁度，目前可采用以下方法来净化齿轮油。

齿轮箱运行几年更换齿轮油。风场目前会定期更换齿轮油，更换的周期一般是5～7年，风机理论服役期内大致需要更换三次齿轮油，每次换油都会造成大量的费用支出和停机损失。设备管理者寄希望于更换了齿轮油以后油质能长时间保持清洁度指标合格，但实际上在换油不久后油质又会重新污染，极端情况下更换了齿轮油几个月时间油质又会出现严重的清洁度超标。通过定期更换齿轮油并不会解决齿轮油污染的问题，齿轮油相当于机器的血液，齿轮油的状态反应的是齿轮箱的客观状态，不可能通过更换齿轮油而完全解决齿轮箱的潜在问题[3]。

定期更换滤芯。齿轮油清洁度超标以后，维护人员会采用增加更换滤芯频次的手段来进行处理，对于小部分齿轮箱来说，频繁更换滤芯增加杂质的滤除量的做法是有一些效果的，但对于绝大多数齿轮箱来说这种方法是无效的，增加了物资损耗而无法清洁油质。

采用移动式滤油机净化齿轮油。该方案的优点是设备综合采购成本低，一套滤油设备可以重复使用，但是这种作业方案较为复杂，需要将滤油机吊到机舱内开展工作，进行滤油工作时必须停机时才可以进行此项工作，对于大多数风场来说开展这样作业的成本和难度较大，需要投入大量的人力成本和作业时间。采用功能型滤芯的办法净化油质。这种过滤装置是一种旁路过滤器，利用油泵抽取齿轮油经过过滤器净化后再进入齿轮箱的回油口。这种滤芯的本质技术特征是降低介质流速进行过滤，可以增加过滤的有效性。

3 结语

风力发电机组的齿轮箱是风电场生产运行后维护费用和检修费用最高的设备，其故障率是影响风场检修费用和检修资源的关键因素，必须认真对待齿轮箱故障的相关工作。风力发电场在建设和设备选型期间，没有根据厂址条件和运行条件进行齿轮箱配套耦合性分析，这些因素与齿轮箱故障率是强相关的关系。风场投产以后，既定的环境条件和设备条件已经是固有条件，后期对于齿轮箱润滑系统的有效维护和精确保养就成为影响齿轮箱故障率的关键手段。

齿轮箱润滑油的污染度超标是齿轮箱故障的主要因素，目前一些齿轮箱的故障都源于润滑油污染等级超标。润滑油的洁净是采取维护手段可以改进的可控因素，基于原理分析和案例分析，应注意并采取有效的手段改善润滑油的污染度指标，能有效地延长齿轮箱关键部件轴承和齿轮的理论寿命，进而延长齿轮箱的整体寿命。齿轮润滑油能达到较高的清洁度会极大地延长齿轮箱的运行寿命，大幅度降低齿轮箱故障率。

根据风力发电机齿轮润滑油现实的污染度指标可以得到一个结论，齿轮箱润滑系统标配的纤维质网篦式滤芯无法确保齿轮油保持清洁度达标，需要采用更有效的手段来解决这个问题。新的过滤手段应完全满足齿轮箱的工况条件，采用定制设计和耦合设计的方法，来有效解决齿轮油清洁度长期达不到标准的隐患，新的过滤手段应具备有效性和经济性的优势，具备实质性推广的可行性和必要性。