淺析風(fēng)電齒輪箱零件清潔度控制與定量化檢測

朱俊秋

（南京高速齒輪制造有限公司，江蘇 南京 210000）

國家對環(huán)境的保護(hù)日益重視，在第75屆聯(lián)合國大會(huì)期間，中國提出將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭二氧化碳排放于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為極其重要的清潔能源之一的風(fēng)能必將承擔(dān)起非常重大的責(zé)任，可以預(yù)想，未來幾十年，風(fēng)力發(fā)電將會(huì)迎來非常良好的發(fā)展機(jī)會(huì)，風(fēng)電投裝量會(huì)不斷增加，兆瓦級也會(huì)不斷增大，海上風(fēng)電也將迎來發(fā)展壯大。風(fēng)電系統(tǒng)對葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等主要部件的質(zhì)量和可靠性必將提出更高要求。作為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵核心部件的主齒輪箱，它在葉片和發(fā)電機(jī)之間起著匹配轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩的作用，它的性能的好壞，對風(fēng)力發(fā)電整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，起著非常重要的作用。輪齒損傷、軸承損壞正是導(dǎo)致風(fēng)電齒輪箱不能正常運(yùn)行的主要失效形式，而齒輪箱清潔度差又是導(dǎo)致輪齒損傷、軸承損壞、潤滑不良的因素之一，它是一個(gè)十分重要的質(zhì)量特性，必須進(jìn)行控制。

1 清潔度對齒輪箱的影響

在齒輪嚙合的過程中，潤滑油將雜質(zhì)帶入齒面嚙合區(qū)域，不但影響齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，甚至還會(huì)造成齒面壓痕、點(diǎn)蝕、膠合和磨損等輪齒損傷，縮短齒輪的使用壽命。

如果潤滑油將雜質(zhì)帶入滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體與滾道之間時(shí)，雜質(zhì)會(huì)破壞它們之間正常的油膜，輕者會(huì)造成滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)不良，重者會(huì)使?jié)L道及滾動(dòng)體形成凹坑，造成其點(diǎn)蝕或其他軸承失效形式，縮短滾動(dòng)軸承使用壽命。

如果潤滑油中的雜質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)軸承滑動(dòng)體表面后，會(huì)破壞潤滑油膜、研磨滑動(dòng)軸承表面，甚至?xí)苯悠茐幕瑒?dòng)軸承表層的巴氏合金層，造成滑動(dòng)軸承磨損，振動(dòng)加劇，機(jī)組無法正常運(yùn)行。

另外，如果雜質(zhì)堵塞噴油嘴、軸承噴油孔等位置，直接會(huì)導(dǎo)致齒面、軸承潤滑不足或不能潤滑，輕者導(dǎo)致溫度升高、壓力異常，重者造成齒輪、軸承損傷。

可見，齒輪箱清潔度差對齒輪箱潤滑、齒輪嚙合以及軸承等均產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，企業(yè)要采取相關(guān)措施，提高風(fēng)電齒輪箱清潔度整體水平，以保證風(fēng)電齒輪箱正常、可靠運(yùn)行。

2 導(dǎo)致齒輪箱清潔度差的原因

一般來說，齒輪箱清潔度是指潤滑油本身清潔度、齒輪箱內(nèi)部各個(gè)零件清潔度、裝配過程產(chǎn)生的清潔度、齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中正常磨損產(chǎn)生的清潔度之和。

齒輪箱的制造是一個(gè)復(fù)雜的過程，包含零件鑄造、鍛造、機(jī)械加工、熱處理、整機(jī)組裝、試驗(yàn)、涂裝等過程。零件加工、運(yùn)輸起吊、裝配等各環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生顆粒異物。主要表現(xiàn)在：

一是裝配清洗前零件本身清潔度差。一方面，零件在機(jī)加工過程產(chǎn)生的翻邊、毛刺、鐵屑、油污、銹斑等沒有得到及時(shí)清理或清理不到位，或者存在螺紋孔、油孔深處部位鐵屑不容易被清理掉，這些都給裝配前零件清洗工作增加了難度。另一方面，鑄件（如箱體、轉(zhuǎn)架）表面內(nèi)壁油漆附著力不夠，存在局部油漆起皮、磕碰造成油漆剝落等，在齒輪箱潤滑油的作用下，油漆脫皮會(huì)落入潤滑油中，造成潤滑油污染。

二是裝配前零件清洗過程沒有達(dá)到零件清洗后清潔度要求。如清洗時(shí)零件擺放方式不合理、清洗溫度、清洗壓力、清洗時(shí)間不合理、清洗液渾濁度高或清洗液沒有得到及時(shí)更換等因素均會(huì)造成零件在清洗工序清洗后達(dá)不到清潔度要求。

三是裝配過程產(chǎn)生的二次污染。主要是零件清洗后零件在起吊、存放、周轉(zhuǎn)過程中沒有及時(shí)做好防塵、防銹等措施或者零件在起吊、裝配過程磕碰產(chǎn)生毛刺等。另一方面是箱體結(jié)合面多余的密封膠落進(jìn)齒輪箱箱體內(nèi)，進(jìn)入潤滑油中，造成潤滑油產(chǎn)生污染。

3 零件清潔度量化檢測研究

通常零件在進(jìn)入裝配前都要經(jīng)過零件清洗這個(gè)過程，以保證清潔度合格的零件才能進(jìn)行裝配。對于零件清潔度的量化檢測，在汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、軸承等行業(yè)比較常見，涉及的零件尺寸相對較小以，重量也相對較輕；而風(fēng)電齒輪箱的零件尺寸相對較大，重量也相對較重，零件清潔度量化檢測相對困難，應(yīng)用較少，目前主要還是依靠目視檢查法，檢查零件表面是否存在殘留的清洗劑、油污或其他異物等，對于箱體、轉(zhuǎn)架來說，還要檢查內(nèi)壁油漆是否平整光滑、是否起泡、脫落等。目視檢查法雖然簡單但很粗糙，可能會(huì)造成零件清潔度誤判。因此，為了提高風(fēng)電齒輪箱的使用壽命和可靠性，迫切需要對風(fēng)電齒輪箱零件清潔度進(jìn)行定量化檢測研究。

本文選取風(fēng)電齒輪箱中一種鑄件類回轉(zhuǎn)體零件A作為研究對象（見圖1），旨在探索出這個(gè)類型的零件清潔度定量化檢測最佳參數(shù)。該類型的零件在風(fēng)電齒輪箱內(nèi)部做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒輪箱內(nèi)部的潤滑油會(huì)濺灑到其整個(gè)表面。本文試驗(yàn)所用的這類零件，都是在經(jīng)過零件清洗、零件清潔度目測合格后才進(jìn)入相關(guān)試驗(yàn)的。

圖1 零件A

3.1 試驗(yàn)用設(shè)備

清洗機(jī)：壓力可調(diào)節(jié)范圍（10～120）bar；

烘干設(shè)備：烘箱1個(gè)；

測量設(shè)備：天平（精度：0.1㎎）、顯微鏡（放大倍數(shù)：50倍）；

輔助器具：接水盤（圖2，1個(gè)）、過濾膜片（若干）、燒杯（若干）、清洗液（一批）；

圖2 接水盤

本試驗(yàn)還需要行車配合起吊。

3.2 測量系統(tǒng)分析

采用10個(gè)有污染物的過濾膜片作為樣本，讓3個(gè)試驗(yàn)員對其進(jìn)行天平稱重和顯微鏡掃描。每位試驗(yàn)員對每張膜片分別重復(fù)掃描兩次和稱重兩次，進(jìn)行測量系統(tǒng)分析。從圖3來看，試驗(yàn)用的天平、顯微鏡和試驗(yàn)人員組成的測量系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

圖3 測量系統(tǒng)分析（顯微鏡、天平）

3.3 零件清潔度量化檢測流程

零件清潔度量化檢測流程分為輔助器具清潔度檢測和零件清潔度檢測兩大步驟，流程如圖4所示。

圖4 量化檢測流程圖

（1）輔助器具清潔度檢測。在零件清潔度檢測之前，需要先對輔助器具（諸如接水盤、過濾膜片、燒杯、清洗液）的清潔度進(jìn)行確認(rèn)，以確保他們自身的清潔情況對零件清潔度的最終評價(jià)不構(gòu)成重大影響。首先將n張（n=1，2,3...）新膜片放置在烘箱中，在設(shè)定的溫度下進(jìn)行烘干，膜片隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾前的膜片總重量W1：

清洗機(jī)壓力調(diào)至設(shè)定萃取壓力，噴槍對接水盤進(jìn)行重復(fù)沖洗，將收集好的沖洗液用膜片進(jìn)行過濾；過濾后的膜片在烘箱內(nèi)按設(shè)定溫度進(jìn)行烘干，隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾后的膜片總重量W2；

輔助器具清潔度用w0表示。

式中，S總為接水盤內(nèi)表面面積、燒杯內(nèi)表面面積、過濾系統(tǒng)內(nèi)表面面積之和。

輔助器具清潔度評價(jià)準(zhǔn)則：當(dāng)w0小于零件清潔度技術(shù)要求10%時(shí)，表明輔助器具清潔度已滿足要求；如果超出10%，則需要查明原因并重新沖洗、檢測，直至滿足要求。

（2）零件清潔度檢測。重新選用m張（m=1，2,3...）新膜片，將之放到烘箱中，在設(shè)定的溫度下進(jìn)行烘干、隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾前的膜片總重量W3；

將要檢測的零件吊運(yùn)至接水盤正上方合適位置（圖5所示），清洗機(jī)壓力調(diào)至設(shè)定壓力，噴槍對該零件進(jìn)行反復(fù)沖洗，將收集好的沖洗液，用上述過濾膜片進(jìn)行過濾；過濾后的膜片在烘箱內(nèi)按設(shè)定溫度進(jìn)行烘干，隨爐冷卻至室溫后用天平進(jìn)行稱重，得到過濾后的膜片總重量W4：

圖5 檢測沖洗過程示意圖

零件清潔度一般采用單位面積上污染物重量和顆粒數(shù)量兩個(gè)維度來評價(jià)。

①單位面積上污染物重量用w表示，計(jì)算公式如下：

式中S為該零件表面積。

②單位面積上顆粒數(shù)量的檢查使用顯微鏡進(jìn)行掃描，按表1直接讀出清潔度等級。

表1 清潔度等級表

零件清潔度評價(jià)準(zhǔn)則：當(dāng)單位面積上污染物重量和顆粒數(shù)量兩項(xiàng)指標(biāo)均滿足零件清潔度技術(shù)要求時(shí)，判定零件清潔度合格；如果其中有一項(xiàng)不符合要求，則判定零件清潔度不合格。零件需要退回零件清洗工序進(jìn)行重新清洗，并重新檢測直至滿足要求為止。

3.4 污染物提取是否充分的影響因素

是否能充分提取出零件表面上的污染物，是準(zhǔn)確評價(jià)清潔度等級的關(guān)鍵。在考慮諸多因素后，為研究簡化起見，本文選擇了清洗機(jī)壓力P（P1、P2兩個(gè)壓力參數(shù)）、噴槍至零件距離L（L1、L2兩個(gè)距離參數(shù)）、沖洗次數(shù)（沖洗1次和沖洗2次）這三個(gè)因素進(jìn)行3因子2水平DOE全因子試驗(yàn)。在每種組合下對選取的零件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)2次，分別提取2次污染物進(jìn)行稱重，第1次污染物稱重為Result1，第2次污染物稱重為Result2，以Y=Result2/Result1來衡量提取污染物能力。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，距離、壓力的改變，并不會(huì)顯著改變Y值，而沖洗次數(shù)的改變可以顯著改變Y的數(shù)值，沖洗次數(shù)從1次提升至2次時(shí)，Y=Result2/Result1平均從17.7%的水平顯著提升至14%（比值越小，表明該工藝組合的污染物萃取能力越強(qiáng)）。因此，提升沖洗次數(shù)可以有效萃取出零件表面污染物。

3.5 污染物萃取曲線

根據(jù)圖6的試驗(yàn)結(jié)果，本文在P1、L2的情況下，繼續(xù)選用新的2個(gè)零件，分別對其進(jìn)行6次重復(fù)沖洗，檢測每一次的污染物重量，分別計(jì)為g1、g2、g3、g4、g5、g6，同時(shí)計(jì)算出gi/(g1+…+gi)，并畫出試驗(yàn)后的各自的萃取曲線，如圖7所示。

圖6 DOE試驗(yàn)

圖7顯示，當(dāng)沖洗3次后，g3/（g1+g2+g3）值均小于10%的評價(jià)線，表明當(dāng)沖洗次數(shù)達(dá)到3次時(shí)，可以把零件表面污染物基本萃取出來。

圖7 萃取曲線

4 結(jié)語

零件清潔度水平對風(fēng)電齒輪箱來說是一個(gè)十分重要的質(zhì)量特性，全員必須把零件清潔度作為質(zhì)量關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行管控。企業(yè)可參考本文第2部分的闡述，根據(jù)自身狀況，落實(shí)提高零件清潔度整改措施并強(qiáng)力推動(dòng)執(zhí)行，以提高風(fēng)電齒輪箱的清潔度整體水平，同時(shí)有必要增加對零件清潔度進(jìn)行定量化檢測，將零件清潔度控制在合理水準(zhǔn)。

本文通過試驗(yàn)研究表明，壓力、距離與萃取污染物能力相關(guān)性較弱，而沖洗次數(shù)則呈顯著相關(guān)性。增加一定次數(shù)的沖洗次數(shù)，可以提高萃取污染物的能力。但是，不同零件、不同清洗機(jī)設(shè)備、不同清洗工藝等，可能都會(huì)導(dǎo)致顯著因子的不同，企業(yè)需要根據(jù)自身具體情況進(jìn)行針對性的研究。另外，未來也可考慮定制自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)收集、轉(zhuǎn)移、過濾沖洗液、沖洗液再回收利用的設(shè)備，以提升檢驗(yàn)效率。