風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)探析
2015-01-01 00:00:00武奮
【摘 要】隨著國家新能源戰(zhàn)略的實(shí)施，風(fēng)力發(fā)電受到了人們的廣泛關(guān)注。在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的所有部件當(dāng)中，風(fēng)電齒輪箱及其潤滑系統(tǒng)具有非常重要的作用，其工作狀態(tài)是否正常、工作性能是否良好直接決定著發(fā)電機(jī)組的工作效率以及使用壽命。因此，對整個(gè)風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)在運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)的一些常見問題進(jìn)行探討，并提出一些有針對性的優(yōu)化措施，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)電齒輪箱；潤滑系統(tǒng)；優(yōu)化措施
1.風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)概述
隨著全球能源需求的不斷增加，越來越多的國家將能源戰(zhàn)略的目光投向了新能源以及清潔可再生能源。在這種背景下，風(fēng)力發(fā)電及其產(chǎn)業(yè)遇到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，伴隨著風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大量制造，相關(guān)的研究也逐漸展開。當(dāng)前，通用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備都是以齒輪箱驅(qū)動(dòng)為主要的動(dòng)力，它也是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，在風(fēng)力發(fā)電中發(fā)揮著核心的作用。風(fēng)力通過作用于葉片帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，再通過齒輪箱轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，最終由發(fā)電機(jī)輸出電能。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，潤滑系統(tǒng)的工作運(yùn)行有非常重要的作用，潤滑系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題將直接導(dǎo)致齒面、齒輪以及細(xì)部軸承出現(xiàn)磨損或者損壞。良好的潤滑能夠減小部件之間的摩擦，減少系統(tǒng)受力的沖擊以及工作振動(dòng)，防止系統(tǒng)的疲勞點(diǎn)蝕，并能有效地防止生銹和外部腐蝕。
2.風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)常見的故障和原因分析
風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)常見的故障主要分為微點(diǎn)蝕、軸承故障、冷卻系統(tǒng)故障以及泡沫問題，這些故障的產(chǎn)生很大程度上是由于潤滑油以及潤滑系統(tǒng)的工作不良。
2.1微點(diǎn)蝕及其原因分析
微點(diǎn)蝕也叫做齒輪灰斑，常常在不同齒輪之間的滑動(dòng)接觸面上產(chǎn)生，在其表面存在一種發(fā)灰的表征狀態(tài)，并伴隨著一定數(shù)量的微小裂紋、麻點(diǎn)、灰斑點(diǎn)或者材料轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，常常是由于齒輪金屬材料的疲勞狀態(tài)引起的，這是一個(gè)在齒輪表面形成細(xì)微裂紋以及逐漸產(chǎn)生冷膠合的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和發(fā)展的綜合過程。微點(diǎn)蝕的成因比較復(fù)雜，主要是因?yàn)辇X輪在相互接觸摩擦的過程中沒有形成足夠厚的潤滑油膜，導(dǎo)致流體動(dòng)力潤滑的狀態(tài)沒有徹底形成，而是處于邊界潤滑或者混合潤滑的中間范圍。由于齒輪的加工精度達(dá)不到理想標(biāo)準(zhǔn)，齒輪表面常常有一些峰點(diǎn)，如果潤滑油的厚度不足以將其有效覆蓋，這些金屬的凸起在齒輪相互接觸、受力、摩擦、滑動(dòng)的過程中就會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞，齒面局部就會(huì)出現(xiàn)過熱的情況，從而產(chǎn)生微點(diǎn)蝕。
2.2軸承損壞及其原因分析
軸承也是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、傳力的重要部件之一，軸承的損壞通常是一個(gè)由初次損壞到二次損壞不斷積累的過程。造成軸承損壞的原因是多方面的，具體包括機(jī)組的受力負(fù)荷、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、油溫變化、潤滑問題、安裝問題等。齒輪箱潤滑系統(tǒng)的軸承出現(xiàn)磨損、破壞的機(jī)理和微點(diǎn)蝕的出現(xiàn)有類似之處，當(dāng)處于工作狀態(tài)的軸承系統(tǒng)進(jìn)入了微小的硬質(zhì)雜質(zhì)或者微小顆粒，由于不同軸承接合的間隙與空間非常微小，這些雜質(zhì)、硬物、顆粒等進(jìn)入到間隙中就會(huì)使其產(chǎn)生磨損，同時(shí)劣質(zhì)的潤滑油在一定程度上也會(huì)造成金屬表面的腐蝕。潤滑系統(tǒng)的軸承損壞通常是一個(gè)磨損積累的過程，剛開始可能僅僅是一次規(guī)模較小的初級損壞，由于初級損壞導(dǎo)致的壓痕、銹蝕和表面刮擦進(jìn)一步發(fā)展成為表面材料的脫落、金屬疲勞、系統(tǒng)振動(dòng)、間隙擴(kuò)大等，最終導(dǎo)致了軸承的二次損壞。
2.3泡沫問題及其原因分析
泡沫問題也是齒輪箱潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)的常見問題。在齒輪箱系統(tǒng)工作的過程中，風(fēng)輪機(jī)的快速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起箱內(nèi)潤滑油的振動(dòng)以及攪動(dòng)，使空氣進(jìn)入到潤滑系統(tǒng)中，引起潤滑油的泡沫問題。產(chǎn)生的泡沫會(huì)對油體的正常循壞產(chǎn)生擾動(dòng)，干擾正常潤滑油膜的產(chǎn)生，引起油體局部溫度過高或者氣蝕等問題。同時(shí)，如果泡沫的數(shù)量過多或者規(guī)模過大還會(huì)造成油體溢出現(xiàn)象，產(chǎn)生油液浪費(fèi)的問題，加大系統(tǒng)的安全隱患。泡沫問題的有效解決必須充分地考慮潤滑系統(tǒng)的排氣問題，釋放出一定數(shù)量的空氣，消除泡沫產(chǎn)生的條件。
2.4潤滑冷卻問題導(dǎo)致的系統(tǒng)故障及其原因分析
潤滑冷卻系統(tǒng)能夠?qū)X輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)以及動(dòng)力傳輸過程中產(chǎn)生的熱量有效地散發(fā)掉，維持潤滑油的正常工作溫度。冷卻系統(tǒng)發(fā)生技術(shù)故障常常會(huì)導(dǎo)致油溫過高，甚至造成超標(biāo)停機(jī)，給系統(tǒng)造成技術(shù)故障。潤滑冷卻的工作狀態(tài)異常導(dǎo)致的系統(tǒng)問題有油溫過高、油箱漏油、齒輪箱的異常噪聲、潤滑系統(tǒng)的壓力狀態(tài)不正常等。其中由于油溫過高導(dǎo)致的停機(jī)故障是一種最為嚴(yán)重的系統(tǒng)問題，主要是由于溫控閥的溫包失效、冷卻系統(tǒng)的功率過低以及安全閥的開關(guān)異常導(dǎo)致的。
3.風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)優(yōu)化措施
3.1風(fēng)電齒輪箱潤滑油的凈化方案
潤滑油是潤滑系統(tǒng)的核心，是潤滑系統(tǒng)發(fā)揮減少振動(dòng)與磨損、防止腐蝕和銹蝕等作用的基本前提。潤滑油在使用過程中最大的問題就是污染問題，污染物包括雜質(zhì)顆粒、塵埃等，污染能使油液產(chǎn)生品質(zhì)下降、氧化程度加深、性能異常等問題，增加潤滑系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。在實(shí)際的工作條件下，潤滑系統(tǒng)的工作時(shí)間比較長，更換周期也隨之增加，所以潤滑系統(tǒng)中的污染物常常沉淀在油箱的內(nèi)壁底部，并造成安全隱患。針對油液污染速度較快的特點(diǎn)，其凈化方案要連續(xù)并且要隨時(shí)監(jiān)控，必須做到以下兩點(diǎn)：第一，對潤滑系統(tǒng)要加強(qiáng)管理，使用優(yōu)質(zhì)的潤滑油并保持一定的清潔度。為了防止外部污染問題，油箱要加強(qiáng)密封管理，防止塵埃、雜質(zhì)的進(jìn)入，油液應(yīng)該采用定期更換的方法，及時(shí)地將雜質(zhì)清除；第二，要加裝旁路清潔系統(tǒng)，在線將雜質(zhì)過濾，保持油體的清潔，增加油液的使用效益。
3.2風(fēng)電齒輪箱潤滑冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
在潤滑系統(tǒng)中，潤滑油的溫度和系統(tǒng)壓力有一定的規(guī)律關(guān)系，溫度的升高能使系統(tǒng)壓力變小，反之亦然。因此，系統(tǒng)溫度控制的相關(guān)部件可以采用壓力控制的部件進(jìn)行代替，實(shí)現(xiàn)一定的系統(tǒng)功能。在潤滑冷卻系統(tǒng)中，溫控閥的基本功能是基于油路的工作溫度以及設(shè)定溫度實(shí)現(xiàn)不同油路之間的切換。通過探測分析溫控閥的溫度切換臨界值對應(yīng)的系統(tǒng)壓力，利用一個(gè)普通的單向控制閥，替代其功能實(shí)現(xiàn)，可以解決溫包的使用壽命短、更換頻繁、成本較高的問題。單向控制閥的技術(shù)相對成熟，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，維修和更換方便，使用成本低。通過這種系統(tǒng)元件優(yōu)化可解決溫包失效導(dǎo)致的油溫異常問題。
3.3風(fēng)電齒輪箱潤滑系統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施
換熱器在整個(gè)潤滑系統(tǒng)的油溫控制中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，換熱器的設(shè)計(jì)以及使用對降低系統(tǒng)的能量消耗、提高系統(tǒng)的散熱性能等具有重要影響。換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸、換熱效率、油液的溫度控制等一系列的技術(shù)要求。現(xiàn)有的做法是通過多次假定其具體的幾何尺寸，求解滿足所有約束條件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方程，由于相關(guān)參數(shù)的限制，這種試湊法不能求得最優(yōu)解，必須將其優(yōu)化?，F(xiàn)行的優(yōu)化方案是基于功率損耗最小作為設(shè)計(jì)的約束條件，以翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)作為兩個(gè)相互影響的目標(biāo)變量，從而尋求相關(guān)參數(shù)的最佳組合，有效地降低制作和設(shè)計(jì)成本，保證原件的技術(shù)可靠性。
4.結(jié)語
本文主要對風(fēng)電齒輪箱的潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要功能進(jìn)行了概述，著重探討了常見的故障和問題，并在此基礎(chǔ)上分析了關(guān)于換熱器設(shè)計(jì)、潤滑油的凈化方案以及冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化措施，希望對相關(guān)的工作者有所幫助。
【參考文獻(xiàn)】
[1]陳閩杰，鐘龍風(fēng)，賀石中.風(fēng)電機(jī)組的潤滑磨損狀態(tài)監(jiān)測與視情維護(hù)[A].2011年全國青年摩擦學(xué)與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2011.
[2]杜亮.風(fēng)電機(jī)齒輪箱常見故障分析，診斷與預(yù)防[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2011（02）.
