風(fēng)機(jī)齒輪油劣化程度的評(píng)估方法

孫建偉

（華潤(rùn)電力技術(shù)研究院，廣東深圳 518000）

0 引言

潤(rùn)滑油一般由基礎(chǔ)油和添加劑兩部分組成?；A(chǔ)油是潤(rùn)滑油的主要成分，決定著潤(rùn)滑油的基本性質(zhì)，添加劑可彌補(bǔ)和改善基礎(chǔ)油性能方面的不足，賦予某些新的性能，是潤(rùn)滑油的重要組成部分。風(fēng)機(jī)齒輪油的技術(shù)要求是油品要有很好的極壓抗磨性能和粘溫性能。但隨著風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，齒輪油的黏度會(huì)發(fā)生變化，極壓抗磨劑會(huì)隨之減少，油品出現(xiàn)不同程度的劣化。

目前，風(fēng)機(jī)用潤(rùn)滑油主要是雙饋機(jī)組齒輪油。雙饋機(jī)組通過(guò)主軸傳動(dòng)鏈，經(jīng)過(guò)齒輪箱增速到異步發(fā)電機(jī)發(fā)電并入電網(wǎng)的。齒輪箱是雙饋機(jī)組的核心部件之一，因此，判斷齒輪油的劣化程度進(jìn)行科學(xué)合理?yè)Q油直接決定著齒輪箱的使用壽命。通常齒輪油劣化程度與基礎(chǔ)油的變質(zhì)和添加劑的消耗密切相關(guān)?；A(chǔ)油的變質(zhì)表現(xiàn)為基礎(chǔ)油分子鏈聚合黏度變大，黏度大油膜過(guò)厚損失機(jī)械動(dòng)力，功率下降?；A(chǔ)油分子鏈斷裂黏度變小，油膜過(guò)薄或形不成油膜，會(huì)造成齒輪和軸承干磨等。風(fēng)機(jī)齒輪油主要添加劑是含磷的極壓、抗磨添加劑[1]。添加劑消耗主要表現(xiàn)在添加劑中磷元素含量減少。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)齒輪油運(yùn)動(dòng)黏度（40℃）和元素分析磷含量變化可以對(duì)齒輪油劣化程度能做出明確判斷。

1 風(fēng)機(jī)齒輪油劣化評(píng)估原理

1.1 灰色預(yù)測(cè)理論

灰色系統(tǒng)理論以“部分信息已知、部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要通過(guò)對(duì)部分已知信息的生成、開(kāi)發(fā)，提取有價(jià)值的信息、實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控[2]。

灰色預(yù)測(cè)理論是通過(guò)少量的、不完全的信息，建立數(shù)學(xué)模型并做出預(yù)測(cè)的一種預(yù)測(cè)方法[3]。其建模步驟：①由原始數(shù)據(jù)序列x(0)計(jì)算一次累加序列 x(1)；②建立矩陣 B，y；③求逆矩陣（BTB）-1；④根據(jù)求估計(jì)值⑤用時(shí)間響應(yīng)方程計(jì)算擬合值（i），再用后減運(yùn)算還原，即…，N）；⑥精度檢驗(yàn)與預(yù)測(cè)。

由于風(fēng)機(jī)齒輪油間隔6個(gè)月測(cè)試運(yùn)動(dòng)黏度，運(yùn)動(dòng)黏度數(shù)據(jù)屬于小樣本，因此，運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)以灰色預(yù)測(cè)理論為理論基礎(chǔ)。

1.2 線性回歸方程理論

回歸分析是指在掌握大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立因變量和自變量之間回歸關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式?；貧w分析的過(guò)程是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)求解模型的各個(gè)參數(shù)，建立回歸模型來(lái)確定變量之間的因果關(guān)系，然后評(píng)價(jià)回歸模型是否能夠很好地?cái)M合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；如果能夠很好的擬合，則可以根據(jù)自變量對(duì)因變量作進(jìn)一步預(yù)[4]。

線性回歸是根據(jù)自變量個(gè)數(shù)，線性回歸又分為一元線性回歸和多元線性回歸。一元線性回歸指的是只有一個(gè)自變量的線性回歸：y=a+bx+ε。式中，a為截距，b為回歸直線的斜率，又稱為回歸系數(shù)，ε是隨機(jī)誤差。

多元線性回歸指的是研究因果關(guān)系涉及2個(gè)或2個(gè)以上自變量的線性回歸：y=b0+b1x1+b2x2+……+bnxn+ε。

因只涉及一個(gè)時(shí)間變化的自變量和磷含量的因變量，含磷添加劑變化趨勢(shì)采用一元線性回歸方程做為理論基礎(chǔ)。

2 風(fēng)機(jī)齒輪油劣化評(píng)估方法

數(shù)據(jù)來(lái)源于某電力公司雙饋機(jī)組在用齒輪油檢測(cè)數(shù)據(jù)，某電力公司投運(yùn)2700臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中雙饋機(jī)組為1493臺(tái)，使用4種ISO 320#全合成齒輪油（美孚 SHC XMP320、殼牌 Omala HD 320、嘉實(shí)多 X320、福斯 UNISYN CLP320），其中使用某品牌齒輪油占67.3%，因此，統(tǒng)計(jì)某品牌在用齒輪油的檢測(cè)數(shù)據(jù)，分別對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度和磷含量的變化趨勢(shì)進(jìn)行劣化評(píng)估。

2.1 運(yùn)動(dòng)黏度變化的灰色預(yù)測(cè)方程評(píng)估方法

選取某風(fēng)電場(chǎng)F17號(hào)風(fēng)機(jī)近4 a使用SpectroVisc 300黏度分析儀測(cè)定的運(yùn)動(dòng)黏度檢測(cè)數(shù)據(jù)（表1），預(yù)測(cè)未來(lái)4 a運(yùn)動(dòng)黏度的變化趨勢(shì)。

運(yùn)用灰色預(yù)測(cè)法對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度檢測(cè)數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)方程：

即 a=0.01；b=299.47，k=1，2，3，…，N，

根據(jù)運(yùn)動(dòng)黏度歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)建立的預(yù)測(cè)方程，預(yù)測(cè)未來(lái)4 a的運(yùn)動(dòng)黏度數(shù)值（表2）。

表2 運(yùn)動(dòng)黏度檢測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)值統(tǒng)計(jì)表

如圖1所示，齒輪油的運(yùn)動(dòng)黏度隨著使用年限的增長(zhǎng)，黏度逐漸變小，原因是全合成的基礎(chǔ)油分子鏈發(fā)生斷裂，造成黏度逐步降低。關(guān)于齒輪油黏度變化的情況，風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)實(shí)際齒輪油黏度檢測(cè)情況，一般黏度變化320 mm2/s±（10%～15%）即（272～288；352～368）判為預(yù)警，對(duì)齒輪油加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)黏度變化 320 mm2/s±15%（＜272 或＞368）則需要更換新油。

圖1 運(yùn)動(dòng)黏度檢測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)值變化趨勢(shì)

根據(jù)灰色預(yù)測(cè)方法建立預(yù)測(cè)方程，F(xiàn)17風(fēng)機(jī)齒輪油在使用3992 d時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度為279.07 mm2/s，此風(fēng)機(jī)齒輪油還可以繼續(xù)使用，說(shuō)明全合成齒輪油的基礎(chǔ)油質(zhì)量良好。因此，可以通過(guò)灰色預(yù)測(cè)方程評(píng)估風(fēng)機(jī)齒輪油劣化程度和換油時(shí)間，為風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)維提供指導(dǎo)。

2.2 含磷添加劑消耗的一元線性回歸方程評(píng)估方法

選取某品牌使用SpectrOil120C油料光譜分析儀測(cè)試的用齒輪油元素磷含量檢測(cè)數(shù)據(jù)，刪除異常點(diǎn)后，實(shí)際采用1102個(gè)數(shù)據(jù)建立磷含量一元線性回歸方程（圖2）。

圖2 時(shí)間變化磷含量一元回歸曲線方程

建立一元回歸方程：y=-0.036 6x+349.92，從回歸曲線可以看出隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，磷型極壓抗磨劑逐漸減少。蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室的理論研究結(jié)果是，當(dāng)磷型極壓抗磨劑加入1.5%，2%，3%時(shí)，其抗磨性能隨著負(fù)荷變化在2%添加劑的極壓抗磨性變現(xiàn)最優(yōu)[5]。因此，據(jù)理說(shuō)明當(dāng)磷型極壓抗磨添加劑減少，抗磨性能顯著降低。

據(jù)檢測(cè)齒輪油新油中磷含量是（380～420）mg/kg，根據(jù)回歸曲線計(jì)算隨時(shí)間變化磷含量的變化（表3）。

表3 隨時(shí)間變化磷型極壓抗磨添加劑含量及減少率

根據(jù)回歸方程計(jì)算，理論上當(dāng)齒輪油使用1825 d（5 a）時(shí)，磷型極壓抗磨添加劑減少30%，當(dāng)齒輪油使用3285 d（9 a）時(shí)，磷型極壓抗磨添加劑減少43%，說(shuō)明齒輪油在正常情況下理論上可以使用9 a，但是實(shí)際情況下，風(fēng)機(jī)分布的區(qū)域、氣候、機(jī)型、風(fēng)況、發(fā)電效能等運(yùn)行狀況各不相同，齒輪油實(shí)際使用達(dá)不到9 a，極壓抗磨磷含量添加劑就減少到一定數(shù)值。同時(shí)，風(fēng)機(jī)供應(yīng)商的風(fēng)機(jī)運(yùn)行操作手冊(cè)規(guī)定（4～5）a更換新的齒輪油。因此，就需要建立一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)指導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)科學(xué)合理的判斷齒輪油的老化程度，及何時(shí)更換新油。

根據(jù)表3，將齒輪油磷型極壓抗磨劑劃分5個(gè)區(qū)間（磷含量P（mg/kg）：P≥310，280≤P＜310，250≤P＜280，230≤P＜250，P＜230），圖3所示為5個(gè)區(qū)間鐵含量增量平均值。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自齒輪箱在間隔3～6月內(nèi)磨損的鐵元素的增加值，從圖3可以看出，隨著磷型極壓抗磨劑含量的減少，齒輪箱磨損鐵元素含量逐漸增大，在P＜230 mg/kg區(qū)間，齒輪箱磨損鐵元素含量在3～6個(gè)月內(nèi)增加11.43 mg/kg，因此，當(dāng)油料光譜分析儀測(cè)試齒輪油中磷型極壓抗磨劑含量＜230 mg/kg時(shí)，需要風(fēng)電場(chǎng)更換新的齒輪油。

圖3 5個(gè)區(qū)間鐵含量增量平均值

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)風(fēng)機(jī)在用齒輪油劣化現(xiàn)象，通過(guò)灰色預(yù)測(cè)理論[6]建立運(yùn)動(dòng)黏度灰色預(yù)測(cè)方程對(duì)齒輪油的基礎(chǔ)油變質(zhì)進(jìn)行評(píng)估；通過(guò)線性回歸理論建立了含磷添加劑一元線性回歸方程對(duì)添加劑的消耗進(jìn)行評(píng)估，依據(jù)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)建立科學(xué)的評(píng)估方法。風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油定期進(jìn)行油品檢測(cè)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)黏度和磷含量的數(shù)據(jù)，通過(guò)以上2種評(píng)估方法判斷齒輪油的劣化程度。

用科學(xué)的方法評(píng)估齒輪油的劣化程度，指導(dǎo)風(fēng)電場(chǎng)科學(xué)合理的換油，不僅使齒輪箱運(yùn)行與換油周期更符合設(shè)備的實(shí)際需要，節(jié)省換油費(fèi)用，還能延長(zhǎng)齒輪箱的使用壽命，提高企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

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