風(fēng)電機(jī)組齒輪箱潤(rùn)滑油的精過(guò)濾技術(shù)

張文，陳雷，李蛟，葉毓蒼

（1.魯能新能源（集團(tuán)）有限公司，北京 100020；2.中電智為（北京）科技有限公司，北京 102600）

在風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展過(guò)程中，跟其他顯性缺陷（油溫高、低；漏油等）相比，齒輪箱油的清潔度是“有力的隱形殺手”。直到研究機(jī)構(gòu)或生產(chǎn)廠商經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤研究、統(tǒng)計(jì)，才指出齒輪箱齒輪、軸承的故障率有70%～80%來(lái)源于齒輪箱油液的清潔度低下。齒輪箱在長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)雜工況下運(yùn)行，齒面、軸承等發(fā)生了點(diǎn)蝕、疲勞剝落、磨損等，產(chǎn)生了金屬微顆粒，融入到齒輪箱油液中。在齒輪箱油液的粘度、壓力、流動(dòng)的作用下，不能讓金屬微顆粒短時(shí)間沉淀到油箱底部，而是隨著油流，無(wú)數(shù)次地循環(huán)，以磨損齒輪、軸承工作面，形成油液、部件間的惡性循環(huán)，擴(kuò)大、加劇齒輪、軸承的損壞速度、油液的劣化速度，縮短二者的使用壽命，二者形成“一損俱損、兩敗俱傷”的不良局面。

目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障頻繁，齒輪箱出現(xiàn)齒面磨損、齒面膠合、齒面點(diǎn)蝕、軸承損傷的情況屢見(jiàn)不鮮，這些故障與齒輪箱油液的清潔度有緊密的聯(lián)系。齒輪箱的油液清潔度（微固體顆粒物、微水分）嚴(yán)重超標(biāo)，會(huì)使齒輪、軸承、齒輪箱油工作狀態(tài)劣化、惡化的速度加快，成為齒輪箱故障率居高不下的重要因素。

在役風(fēng)電機(jī)組齒輪箱過(guò)濾器多由廠家出廠時(shí)安裝，生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，其過(guò)濾效果未能達(dá)到精過(guò)濾的標(biāo)準(zhǔn)，使齒輪箱油液中的微固體顆粒物、微水分嚴(yán)重超標(biāo)，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中清潔度往往只達(dá)到ISO 20/18/15(ISO 4406)，甚至更高，更無(wú)法達(dá)到我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 19073-2008的標(biāo)準(zhǔn)要求。圖1是某風(fēng)場(chǎng)更換下來(lái)的齒輪箱濾芯，其油液污染程度嚴(yán)重性顯而易見(jiàn)。為了提升齒輪油液的清潔度、降低齒輪箱組因齒輪油液清潔度過(guò)低造成的齒輪箱故障率，齒輪箱油液的精過(guò)濾處理是非常有必要的。

圖1 齒輪箱濾芯污染圖

1 精過(guò)濾系統(tǒng)組成及原理

精過(guò)濾系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。精過(guò)濾系統(tǒng)主要由高效玻璃纖維預(yù)過(guò)濾系統(tǒng)（圖3a）、脫水膜組件組（圖3b）成。油液進(jìn)入高效玻璃纖維預(yù)過(guò)濾組件中，去除油中的固體顆粒物和其它雜質(zhì)。然后，油液進(jìn)入專(zhuān)用的脫水膜組件，在脫水膜組件內(nèi)，數(shù)千根中空纖維膜并聯(lián)工作，游離水、乳化水和溶解水被同時(shí)去掉。油液水分過(guò)濾處理如圖4所示，油液在中空纖維膜的內(nèi)側(cè)流動(dòng)，而干燥空氣在中空纖維膜的外側(cè)流動(dòng)，與潤(rùn)滑油的接觸面積最大化。特殊的膜結(jié)構(gòu)以及水分濃度差異使?jié)櫥椭械乃滞高^(guò)膜，被連續(xù)流動(dòng)的干燥空氣夾帶，排除系統(tǒng)。通過(guò)高效玻璃纖維預(yù)過(guò)濾系統(tǒng)、脫水膜組件將油液中的固態(tài)顆粒和其它雜質(zhì)、游離水、乳化水和溶解水過(guò)濾掉，實(shí)現(xiàn)齒輪箱油液的精過(guò)濾處理。

圖2 精過(guò)濾系統(tǒng)工作原理圖

圖3 預(yù)過(guò)濾組件及材料（a）、脫水膜組件（b）示意圖

圖4 油液水分過(guò)濾原理圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

將基于高效玻璃纖維預(yù)過(guò)濾系統(tǒng)的顆粒過(guò)濾器組件、脫水膜組件、空壓機(jī)、安全保護(hù)、控制系統(tǒng)和電源組合安裝形成一套精過(guò)濾處理設(shè)備。將該設(shè)備安裝在某風(fēng)場(chǎng)的二十多臺(tái)典型風(fēng)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄安裝該設(shè)備的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)安裝前的風(fēng)機(jī)提取初始油樣，對(duì)安裝后運(yùn)行8個(gè)月的風(fēng)機(jī)再次抽取油樣。為排除該精過(guò)濾處理設(shè)備對(duì)齒輪箱油液精過(guò)濾處理結(jié)果的偶然性，隨機(jī)抽取了加裝精過(guò)濾設(shè)備的兩臺(tái)風(fēng)機(jī)（風(fēng)機(jī)號(hào)為12# 和 13#），進(jìn)行了安裝前、后的數(shù)據(jù)分析。12#風(fēng)機(jī)安裝精過(guò)濾處理設(shè)備前后齒輪箱油液的水分及顆粒物M的數(shù)據(jù)和圖形對(duì)比分別見(jiàn)表1和圖5所示， 13#風(fēng)機(jī)安裝精過(guò)濾處理設(shè)備前后齒輪箱油液的水分及顆粒物M的數(shù)據(jù)和圖形對(duì)比分別見(jiàn)表2和圖6所示。

表1 12#風(fēng)機(jī)精過(guò)濾前后油液的水分及顆粒物數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5 12#風(fēng)機(jī)精過(guò)濾前后油液的凈化效果圖

表2 13#風(fēng)機(jī)精過(guò)濾前后油液的水分及顆粒物數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 13#風(fēng)機(jī)精過(guò)濾前后油液的凈化效果圖

由表1和表2中得知：安裝前，齒輪箱油品等級(jí)超出了國(guó)際上對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑油清潔度標(biāo)準(zhǔn)要求4～6個(gè)等級(jí)（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)潤(rùn)滑油清潔度等級(jí)為—ISO 4406:18/16/13）。安裝8個(gè)月后發(fā)現(xiàn)，該精過(guò)濾處理設(shè)備快速提高了潤(rùn)滑油的清潔度：12#風(fēng)電機(jī)組齒輪箱潤(rùn)滑油提升至ISO 4406:18/16/12；13#風(fēng)機(jī)提升至 ISO 4406:19/17/13，由圖5和圖6安裝精過(guò)濾處理設(shè)備前后8個(gè)月的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其中圖5的左圖是12#風(fēng)機(jī)安裝精過(guò)濾設(shè)備前后齒輪油凈化率效果圖，右圖是12#風(fēng)機(jī)安裝精過(guò)濾設(shè)備前后齒輪油顆粒物及齒輪油水分含量效果圖；圖6的左圖是13#風(fēng)機(jī)安裝精過(guò)濾設(shè)備前后齒輪油凈化率效果圖，右圖是13#風(fēng)機(jī)安裝精過(guò)濾設(shè)備前后齒輪油顆粒物及齒輪油水分含量效果圖。從圖中發(fā)現(xiàn)，油液中水分和顆粒物過(guò)濾效果非常明顯，大幅度減少了油液中顆粒物對(duì)齒輪箱的磨損。

3 結(jié)果分析

3.1 齒輪油水分對(duì)齒輪箱壽命的影響

圖7是12#和13#風(fēng)機(jī)齒輪箱油液水分含量與齒輪箱軸承壽命趨勢(shì)圖（美國(guó)鐵姆肯軸承公司經(jīng)理論計(jì)算）?？梢?jiàn)，隨著齒輪油中水分的增加，齒輪箱軸承剩余壽命會(huì)降低。

圖8是齒輪油中的水分含量與水的百分比濃度的關(guān)系?？芍鸵褐兴值暮颗c水分的濃度成線性關(guān)系由于12#風(fēng)機(jī)的安裝精過(guò)濾處理系統(tǒng)設(shè)備前后油液中的水分分別為176mg/kg和22mg/kg。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，176ppm的含水量對(duì)應(yīng)軸承剩余壽命約為61%，22ppm的含水量對(duì)應(yīng)軸承剩余壽命約為249%，如圖7標(biāo)出的點(diǎn)所示，則12#風(fēng)機(jī)齒輪箱軸承壽命延長(zhǎng)倍率約為4.1。同理，計(jì)算13#風(fēng)機(jī)的含水量對(duì)應(yīng)軸承剩余壽命得出，238ppm的含水量對(duì)應(yīng)軸承剩余壽命約為49%，37ppm的含水量對(duì)應(yīng)軸承剩余壽命約為210%，如圖7標(biāo)出的點(diǎn)所示，則13#風(fēng)機(jī)齒輪箱軸承壽命延長(zhǎng)倍率約為4.28。可見(jiàn)，去除齒輪箱油液的水分可明顯延長(zhǎng)齒輪箱部件的使用壽命。

圖7 齒輪箱油液水分含量與齒輪箱軸承壽命趨勢(shì)圖

圖8 油液水分含量與油液水分濃度關(guān)系圖

3.2 齒輪油清潔度對(duì)齒輪箱壽命的影響

表3是12#和13#風(fēng)機(jī)在安裝精過(guò)濾處理系統(tǒng)設(shè)備前后的齒輪油清潔度數(shù)據(jù)。表4是油品清潔度的提升對(duì)延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)齒輪箱壽命倍數(shù)對(duì)照表?？梢钥闯?，清潔度的提高，12#、13#號(hào)風(fēng)機(jī)齒輪箱的壽命延長(zhǎng)倍數(shù)分別為5倍和3.5倍?？梢?jiàn)，提高齒輪油的清潔度可明顯延長(zhǎng)齒輪箱部件的使用壽命。

表3 安裝精過(guò)濾處理設(shè)備前后齒輪油清潔度

表4 油品清潔度提升與齒輪箱壽命倍數(shù)對(duì)照表

3.3 降低換油頻次

齒輪油品質(zhì)的提高，可減少換油頻率，相關(guān)研究報(bào)告顯示，由3～5年1次換油，可改善到5～7年1次換油，甚至更長(zhǎng)，主要監(jiān)測(cè)添加劑的消耗情況及油品的粘稠度。

齒輪箱未加裝精過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)備的按4年1次換油，齒輪箱加裝精過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)備的按6年1次換油。如以1.5MW容量風(fēng)機(jī)為例，每臺(tái)齒輪箱油量以200L計(jì)，沖洗油量按油量的20%算，綜合換油費(fèi)如人工費(fèi)等按油量?jī)r(jià)錢(qián)的30%算，那么換油1次的費(fèi)用近3.5萬(wàn)元，如表5所示。

按4年換1次油計(jì)算，年均換油費(fèi)用約為0.86（34320/4）萬(wàn)元，按6年換1次油計(jì)算，年均換油費(fèi)用約為0.57（34320/6）萬(wàn)元。每臺(tái)風(fēng)機(jī)每年可減少換油費(fèi)用0.29萬(wàn)元，1個(gè)風(fēng)場(chǎng)以33臺(tái)風(fēng)機(jī)計(jì)算，每年可節(jié)約資金為9.57萬(wàn)元。

表5 換油費(fèi)用油明細(xì)表

4 結(jié)語(yǔ)

（1）安裝了精過(guò)濾處理設(shè)備的齒輪箱油液的水分及顆粒物大幅度降低，提高了齒輪油液的清潔度。以上兩臺(tái)風(fēng)機(jī)為例，其齒輪油清潔度提高了6～7個(gè)等級(jí)；且顆粒物過(guò)濾效率非常明顯，大幅度減少了油液中顆粒物對(duì)齒輪箱的磨損。

（2）從經(jīng)濟(jì)效益分析角度可知，齒輪油液水分的減少和齒輪油液清潔度的提高都可延長(zhǎng)齒輪箱油液及齒輪箱相關(guān)部件的使用壽命，間接的降低了齒輪箱的使用成本。并且齒輪箱油液質(zhì)量的提高，降低了換油頻次，節(jié)約了換油費(fèi)用及人工成本。

（3）安裝齒輪箱油液精過(guò)濾處理設(shè)備，可提高齒輪箱潤(rùn)滑油品質(zhì)，大幅度減小油液中污染物對(duì)齒輪箱的磨損，提高齒輪箱完好率，延長(zhǎng)齒輪箱的壽命，可以得到很好的經(jīng)濟(jì)效益。