风电齿轮箱应用吸附式过滤器的可行性探析

陕西龙源新能源有限公司 颉小龙 张水基 王秋思 马 乐 马贵强

目前国内风力发电装机总量接近4亿kW，风力发电机总数量为20万台左右，风场分布在全国各个省区，在各种地形和环境条件的地区均建设了相当数量的风力发电机组。在实际工作当中可以发现，相同的机型在不同的地区会出现明显不同的齿轮箱故障概率的现象，其故障特征也不尽相同[1]。风机的设计形式和齿轮箱的设计形式以及运行载荷条件是齿轮箱故障的初始条件因素，这种因素对于后期运行期间的设备管理和维护手段来说是确定条件，后期无法改变和优化。由此可以进一步得到结论，在风力发电机运行后的设备管理和维护过程中，改善齿轮箱润滑系统的工况条件和齿轮油的品质，是相对最有效同时也是最可取的手段[2]。

近年来，风电齿轮箱各种损坏的故障多有发生，运行十年左右的风电场齿轮箱故障返厂维修的数量占到了设备数量的10%～30%，这是非常严重的故障现象，给某公司造成了巨大的经济损失和发电效能损失。

齿轮箱的设计形式、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，相同批次的齿轮箱安装在不同的风场，故障频次和故障特征差异性明显，说明齿轮箱的故障和现场运行管理和维护方式关系密切，需要深入分析其原因和管理手段，采取必要有效的维护方案才能减少齿轮箱故障。

1 某公司风机齿轮箱齿轮油清洁度现状

齿轮箱随着运行年限的延续，齿轮持续的运转会产生大量的金属磨粒，齿轮油被金属磨粒污染，有效的添加剂会逐渐流失，齿轮油的特性会发生持续的变化，目前某公司在运的齿轮油有以下特点：齿轮副运转产生大量的金属磨粒，油中存在大量金属颗粒物，造成齿轮油清洁度等级超标；金属磨粒在齿轮油中无法及时有效滤除，齿轮油PQ 指数明显增高；齿轮油中铁元素增加；齿轮油气泡特性恶化，齿轮油中有大量气泡不能及时消散；齿轮油抗磨剂消耗，齿轮油的抗磨特性减弱。

表1为某公司一个风场齿轮箱齿轮油取样送检的报告，根据油质检验报告可以做出以下判断：两次取样时间间隔一年时间，齿轮油的清洁度指标从NAS12级升高到了NAS15级。ISO4406指标从23/20/15升高到了24/23/17级，说明齿轮油的污染物数量明显增加，尤其是5～15μm 和＞100μm 的颗粒物数量增长超过10倍；铁元素从137mg/kg 上升到311mg/kg，说明齿轮的磨损持续发展，齿轮油中的金属磨粒越来越多；磷元素从187mg/kg 下降到166mg/kg，说明齿轮磨损产生的活跃的金属摩擦面和金属磨粒的活跃面在不断消耗抗磨剂，随着抗磨剂流失齿轮油的抗磨特性越来越差；PQ 指数从＜15升高到73，说明金属磨粒越来越多，尤其是颗粒度较大的颗粒物增加明显。

表1 油质检验报告

总结：齿轮油的清洁度在运行期间持续恶化，按照维护计划正常更换滤芯，正常的过滤手段不能有效的净化齿轮油质。风机齿轮箱齿轮油的清洁度恶化状况需要特别关注，为了减少齿轮箱故障，必须大幅度提高齿轮油清洁度。

某公司计划要通过磁性过滤装置来解决齿轮油污染度高的问题，首先利用磁性过滤装置的性能特点制定具体的实施步骤来实现净化油质的目的。清理吸附式过滤装置可秤重计量吸附在过滤器上的杂质重量并做记录，杂质可以收集进行分析，可以进行磨损物质类型分析和齿轮箱故障趋势分析，这对于齿轮箱故障分析和预防都是有现实意义的[3]。

通过分析金属磨粒的类型可以判断齿轮箱内主要的磨损部位和形式是什么状态，根据分析可以制定针对性的应对措施。油质很脏则需要增加清理的频次，待油质清洁度改善后可以长周期无需清理，每年风机定检时打开滤筒清理过滤装置即可[4]。从图1可以看到，磁性吸附式过滤器可以一次性捕获大量的金属性颗粒物。经过过滤后齿轮油清洁度从NAS12净化到了NAS10级，25μm 以上的颗粒物数量大幅度减少，减少的幅度大约为95%，说明经过一定时间的过滤齿轮油的清洁度明显提升了。

图1 磁性吸附式过滤器颗粒吸附

2 相关问题及解决方案

2.1 齿轮油清洁度超标造成的齿轮箱损坏故障类型

断齿：是齿轮箱故障的末端现象，首发现象比较隐蔽而容易被忽略[5]，这类故障往往是轴承定位偏移造成齿面偏载，或者是齿轮箱运转冲击等这些异常因素导致的，这些故障都跟齿轮油污染存在相关性；轴承磨损：齿轮油中的金属磨粒随着油流进入到各个轴承的润滑部位和辊动体一起运转，磨粒会直接磨损辊动体和辊道，进而造成辊道间隙增大，轴承定位能力逐渐偏差，轴承运转冲击明显增加。

齿面点蚀：齿轮油污染后导致油液的指标劣化，齿轮副运转时油液无法提供稳定的油膜条件，齿面发生极压磨损，导致发生金属表面疲劳，这就是点蚀现象的形成原因。齿面发生点蚀后运转冲击明显增大，随着点蚀的发展最终形成齿面剥落。

2.2 齿轮箱齿轮油系统标配过滤器存在问题

齿轮箱润系统标配了一个名义过滤精度10μm的滤芯，这种滤芯的过滤层采用滤棉制造，通过滤棉形成的一种网眼结构来分离油液和杂质。这个标配的滤芯无法保证齿轮油维持在达标的清洁度水平，即便频繁更换滤芯也无法解决齿轮油清洁度超标的问题，齿轮箱故障仍然频发，这种换滤的主要缺点如下。

金属颗粒物可以穿透滤芯的过滤层。由于滤芯的过滤层采用单层滤棉制作，金属磨粒杂质会穿过滤棉层逃离，其对金属磨粒的滤除效能差。齿轮箱齿轮油黏度高、系统流速高，金属杂质一定会随着油液穿透滤棉进入净油侧，形成破窗效应，这是目前齿轮油经过滤芯仍然存在大量金属磨粒最主要的原因。

滤芯的功能设计在高压差时会导致污油出现短路。滤芯顶部设计了一个单向阀，这个单向阀在滤网压差达到预设值时会打开以保证齿轮箱润滑的最小流量。齿轮油黏度高，在冬季低温启动时油温一般为100C，此时齿轮油的黏度是2000～3000mm2/s，高黏度的工况下滤芯通过能力必然不足，往往会造成压差高而顶开单向阀，造成污油和杂质进入净油侧。

采用滤棉制造的滤芯会滤除齿轮油中的添加剂。为了获得稳定的物理特性，齿轮油中添加了多种添加剂，添加剂在化合效应的作用下会凝聚成大分子团的形态，齿轮油流过纤维质滤棉表面时添加剂会黏附在滤棉纤维上，尤其是抗泡剂和抗磨剂更容易发生这种滤除效应，齿轮油在使用不久以后就会出现泡沫急剧增多的现象。

纤维质网篦式滤芯污染后流量减小造成欠润滑问题。新更换一只滤芯后在一段时间内润滑系统流量可以保证，但是运行一段时间后流量又逐渐下降，发生滤棉污染后流量会下降到设计流量的50%～70%，欠润滑状态而导致磨损加剧；这种滤芯是消耗品，一次性使用后废弃造成环境污染风险。随着风机运行时间延长，每年产生大量的滤芯废弃物是风电场最大宗的污染性废品，存在环保风险和费用负担。

根据以上的分析可以得到结论：纤维质网篦式滤芯并不适合齿轮箱这种高流速、高粘度油质、温度变化频繁的润滑系统，无法在系统运行时高效的滤除齿轮油中的金属磨粒，这是纤维质网篦式滤芯的材料特性和润滑系统的基本流程特性决定的[6]。

2.3 磁性吸附式过滤装置

某公司组织技术攻关，基于对纤维质网篦式滤芯的分析，为了解决齿轮箱齿轮油清洁度超标的问题，提升齿轮箱健康水平，某公司设计开发了一种新的能有效滤除齿轮油磨粒并且能有效优化过滤器性能的产品，通过这种产品的使用能保持齿轮油清洁，同时不产生其他的不利效应。这种新开发的过滤器具有靶向过滤的能力，其技术特点主要有以下几点。

吸附式过滤装置专门滤除齿轮油中金属颗粒物。过滤器使用磁性材料制造，专门捕获滤除齿轮油中危害最大的铁磁性金属颗粒物，不会捕获其他有效的添加剂成分。金属颗粒物随着油液流经过滤单元附近时就会被过滤单元捕获，是必然的作用关系，无论在任何条件下这种作用力都不会消失。根据齿轮箱润滑系统高流速和高粘度的工作条件，必须选择性能极佳的材料生产过滤器。

吸附式过滤装置可以长期使用，设计达标的情况下使用寿命可以超过25年。过滤器每次拆解清理后都可以复装重新使用，不产生任何废弃物和污染性的损耗品，没有环保风险和管理风险。

吸附式过滤装置没有流程阻力。齿轮油流过磁性吸附式过滤器的过滤单元的外围表面就会被捕获吸附，磁性吸附式过滤器的内部有数倍于管道截面的通流面积，所以即便在齿轮油黏度最大的时候齿轮油经过过滤器也不会形成阻力，这个特点可以满足润滑系统在任何环境条件下正常运行，不会造成任何形式的齿轮箱欠润滑。这是一个非常突出的性能优势，决定了吸附式过滤器非常适合在齿轮箱这种高粘度齿轮油系统上应用；吸附式过滤装置纳污能力强，即便在捕获了大量金属颗粒物的情况下仍能继续保证流量，可以继续使用。

3 结语

风力发电机齿轮箱润滑系统标配使用的纤维质网篦式滤芯，无法在多数工况条件下保证齿轮油的清洁度，油液中存在有大量的金属磨粒，齿轮油清洁度指标长期超标；纤维质网篦式滤芯会吸附齿轮油中的有效添加剂成分，尤其是抗泡剂和抗磨剂，造成齿轮油品质恶化；纤维质网篦式滤芯通过性容易受到油液黏度和滤棉污染度的影响，尤其是油温较低时过滤阻力增加、流量不足，造成齿轮箱欠润滑；纤维质网篦式滤芯必须定期更换，废旧的滤芯是有毒废弃物，造成环保和管理风险。

某公司定制设计吸附式过滤装置和纤维质网篦式滤芯交替使用，吸附式过滤装置针对滤除齿轮油中的金属性磨粒进行设计，可以高效滤除并收集金属性颗粒物。被过滤装置捕获的金属磨粒可以收集并进行分析，对于齿轮箱故障分析和预防齿轮箱故障有现实作用；吸附式过滤装置可以在最极端的运行条件下保证充足的系统流量，没有截流效应，不会滤除齿轮油中的有效添加剂成分，可以实现长期使用。定期清理后重复使用，不产生废弃物和有害污染物，没有环保风险。