提高油品清潔度對(duì)于延長(zhǎng)齒輪箱壽命的研究

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 楊家興 提 威 齊春祥

截至2020年年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到2.81億kWh，是全球風(fēng)電大國(guó)。在國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組中，雙饋式風(fēng)機(jī)占比超過(guò)70%。齒輪箱作為雙饋式風(fēng)機(jī)的主要傳動(dòng)部件，其運(yùn)行工況復(fù)雜、環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率高，一旦出現(xiàn)故障下架檢修，將會(huì)產(chǎn)生不菲的維修費(fèi)用和發(fā)電量損失。在所有齒輪箱故障中，因設(shè)計(jì)、制造、裝配引起的故障占比約40%，因維護(hù)不當(dāng)造成的故障占比約43%，另有17%的故障是因?yàn)橄噜彈l件（如發(fā)電機(jī)、聯(lián)軸器）的故障引起的。

而在運(yùn)維不當(dāng)產(chǎn)生的齒輪箱故障中，因?yàn)闈?rùn)滑原因占比超過(guò)80%。由此可見(jiàn)，要想降低齒輪箱的故障率、延長(zhǎng)齒輪箱壽命，一方面需要改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高制造工藝和裝配水平；另一方面，根據(jù)“木桶短板”理論，在機(jī)組投產(chǎn)后，設(shè)計(jì)、制造、裝配等因素均已確定的狀況下，通過(guò)補(bǔ)齊潤(rùn)滑管理這塊“短板”，將其成為提高齒輪箱運(yùn)行可靠性的有效途徑。

本文分析了風(fēng)機(jī)齒輪油污染物的主要來(lái)源和危害，以長(zhǎng)期不被重視的油品清潔度問(wèn)題作為切入點(diǎn)，通過(guò)加裝離線過(guò)濾裝置改善潤(rùn)滑并輔以相關(guān)管理手段，顯著提高齒輪箱潤(rùn)滑油的清潔度，為延長(zhǎng)齒輪箱壽命、指導(dǎo)齒輪箱的維護(hù)提供了一定依據(jù)和有益的工作建議。

1 齒輪油主要污染物來(lái)源和危害

1.1 齒輪油污染來(lái)源

外部污染。齒輪箱在制造（如機(jī)加工、研磨、熱處理、噴漆等）、運(yùn)輸、裝配過(guò)程中都會(huì)引入一定的污染物。尤其是在裝配環(huán)節(jié)，由于重視程度不夠、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不高，產(chǎn)生的污染是機(jī)組投產(chǎn)前外部污染的主要來(lái)源。機(jī)組投運(yùn)后，由于運(yùn)行操作和維護(hù)不當(dāng)，也會(huì)帶入污染物，比如換油不規(guī)范、空濾更換不及時(shí)或者密封不嚴(yán)等。

內(nèi)部污染。風(fēng)機(jī)在磨合期以及日常運(yùn)行中，不可避免會(huì)產(chǎn)生磨損、點(diǎn)蝕等，這些碎屑如果不能及時(shí)去除，會(huì)進(jìn)入齒輪和軸承的油膜間隙，進(jìn)一步加劇磨損，從而產(chǎn)生更多顆粒物。另外油品長(zhǎng)期使用后，也會(huì)氧化降解產(chǎn)生污染[1]。

1.2 齒輪油污染物的危害

水分。水是機(jī)械失效的主要原因之一，水會(huì)明顯降低油的潤(rùn)滑性能。當(dāng)水分出現(xiàn)在高壓處，比如齒輪和軸承，水滴破裂（爆裂）會(huì)導(dǎo)致金屬表面的點(diǎn)蝕，更可能在水蒸汽暫時(shí)趕走油的時(shí)候出現(xiàn)金屬和金屬的直接接觸，水中游離的氫離子會(huì)加劇這一現(xiàn)象。水還會(huì)導(dǎo)致腐蝕，進(jìn)一步造成金屬表面的損壞。此外，水會(huì)成為油品降解的催化劑，加速油品氧化和產(chǎn)生清漆和油泥。

顆粒物。固體顆粒物是油系統(tǒng)失效的最主要原因。尺寸相近或者略大于齒輪間容差的顆粒物危害較大，這種尺寸的顆粒物會(huì)對(duì)油膜造成破壞，初期會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)表面的微裂，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)使內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)退化，從而影響齒輪箱的使用壽命。另外，大量的顆粒物會(huì)對(duì)油品中的各種添加劑造成擠壓，如果顆粒物的污染問(wèn)題得不到快速有效解決，油品中的添加劑特別是清潔劑和分散劑將會(huì)加速耗盡。

圖1 油品中的顆粒物對(duì)齒輪面造成的早期磨損

氧化降解產(chǎn)物。由于風(fēng)機(jī)齒輪油較為惡劣的運(yùn)行環(huán)境，加之受到的各種污染，不可避免會(huì)出現(xiàn)油品氧化，產(chǎn)生酸、油泥和清漆。酸會(huì)腐蝕設(shè)備，油泥和清漆會(huì)在關(guān)鍵元器件表面產(chǎn)生沉積形成漆膜并難以去除。

氧化物的危害主要有：吸附顆粒物，加速輪齒件磨損；黏附于換熱器表面，降低熱交換效率，增加超溫風(fēng)險(xiǎn)；堵塞過(guò)濾器、細(xì)油管和噴油嘴等，使油量不足造成潤(rùn)滑失效；加速油的變質(zhì)，增加維護(hù)成本。

1.3 齒輪油清潔度標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《液壓傳動(dòng)油液固體顆粒污染等級(jí)代號(hào)法》（ISO4406-1999）所規(guī)定的風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑油清潔度見(jiàn)表1。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱設(shè)計(jì)要求》（GB/T 19073-2018）和上述國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致，并提出潤(rùn)滑油清潔度需要風(fēng)機(jī)制造商、齒輪箱制造商以及軸承制造商達(dá)成一致，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)齒輪箱穩(wěn)定的清潔度不得低于-/17/14（ISO4406）。而根據(jù)國(guó)內(nèi)知名齒輪箱制造廠家的建議，齒輪箱清潔度標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于-/15/12（ISO4406）。

表1 齒輪箱潤(rùn)滑油清潔度

表1中清潔度的3個(gè)數(shù)據(jù)分別代表不同顆粒計(jì)數(shù)級(jí)別：第1個(gè)數(shù)值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于4μm 的雜質(zhì)數(shù)量級(jí)別；第2個(gè)數(shù)值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于6μm 的雜質(zhì)數(shù)量級(jí)別；第3個(gè)數(shù)值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于14μm 的雜質(zhì)數(shù)量級(jí)別[2]。

從已有公開(kāi)資料查詢，國(guó)內(nèi)很多風(fēng)機(jī)在換油兩年或更短時(shí)間內(nèi)，顆粒物污染就已基本達(dá)到或超過(guò)21/19/16（ISO4406），齒輪箱潤(rùn)滑油清潔度不容樂(lè)觀。主要原因是齒輪箱潤(rùn)滑油在線過(guò)濾裝置精度一般為10μm 以上，對(duì)于水和低于10μm 的顆粒物無(wú)法過(guò)濾，也無(wú)法過(guò)濾油泥等氧化物，因此油品清潔度得不到可靠保障。歐洲和北美的一些主要OEM 廠商在十幾年前就開(kāi)始在齒輪箱加裝離線精濾系統(tǒng)，以保證顆粒物污染控制在17/15/12（ISO4406）的水平，盡可能提高油品清潔度，以延長(zhǎng)齒輪箱壽命。

TNA 總酸值代表油品老化程度。從表2可以看出，金屬顆粒和水分的同時(shí)存在對(duì)酸值上升（即油品老化）有十分明顯的加速作用。因此，既要防止水進(jìn)入油中，同時(shí)也要及時(shí)濾除油系統(tǒng)中存在的金屬顆粒物，以延緩油品老化速度，保障潤(rùn)滑效果。

表2 污染物對(duì)油品老化程度的影響（來(lái)源：Noria 公司）

圖2 主齒輪箱潤(rùn)滑油異常情況因素統(tǒng)計(jì)分析

國(guó)內(nèi)某油品檢測(cè)機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)近5年來(lái)上萬(wàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)大數(shù)據(jù)分析，主齒輪箱潤(rùn)滑油檢測(cè)樣品的主要問(wèn)題就是磨損、油品污染超標(biāo)。污染物主要為水和固體顆粒等，齒輪箱的磨損主要是鋼質(zhì)部件的磨損。

2 對(duì)某風(fēng)電公司風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑油的跟蹤研究

2.1 初始油品情況

對(duì)某風(fēng)電公司下屬風(fēng)場(chǎng)的8臺(tái)齒輪箱潤(rùn)滑油進(jìn)行檢測(cè)，其油品污染情況不容樂(lè)觀（1、2、5號(hào)風(fēng)機(jī)齒輪箱近1年內(nèi)進(jìn)行過(guò)部分換油，其他機(jī)組齒輪油均超過(guò)5年未換油）。具體見(jiàn)表3。

表3 某風(fēng)電公司8臺(tái)齒輪箱油品檢測(cè)情況

2.1.1 黏度分析

黏度是齒輪箱潤(rùn)滑油最重要的指標(biāo)，對(duì)于設(shè)備的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。該風(fēng)電公司齒輪箱潤(rùn)滑油均選擇運(yùn)動(dòng)黏度為320mm2/S 的齒輪油。通常規(guī)定齒輪油的運(yùn)行黏度變化不應(yīng)超過(guò)15%，黏度變化過(guò)大意味著齒輪油發(fā)生了較為嚴(yán)重的衰變。通過(guò)檢測(cè)可知，該8臺(tái)齒輪箱潤(rùn)滑油黏度與基準(zhǔn)值相比變化不大。

2.1.2 酸值分析

齒輪箱潤(rùn)滑油在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期受空氣、水分、溫度以及污染物等影響，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生產(chǎn)一系列酸性氧化物，導(dǎo)致油品酸值增加。酸值含量過(guò)高會(huì)影響油品的潤(rùn)滑性能，同時(shí)對(duì)齒輪箱造成一定程度的腐蝕。酸值一般不允許比新油高+0.5AN，如果酸值增加到1AN 則需要立即采取措施。（例如：如果新油是0.5AN，那么1.0AN 就需要警惕，1.5AN 就是警報(bào)）[3-4]。從表3來(lái)看，共有5臺(tái)齒輪油酸值超過(guò)1AN，說(shuō)明齒輪油的酸值污染比較嚴(yán)重，應(yīng)該采取措施（如加強(qiáng)過(guò)濾、清洗系統(tǒng)、換油等）來(lái)降低酸值，以減少腐蝕和潤(rùn)滑性能降低等帶來(lái)的不利影響。

2.1.3 水分分析

水進(jìn)入齒輪油的危害較大，該8臺(tái)齒輪油的水分含量均低于100ppm，遠(yuǎn)低于300ppm 的報(bào)警線，處于一個(gè)良好的水平，說(shuō)明齒輪箱上部安裝的呼吸器工作情況良好，使水分進(jìn)入呼吸器后被其內(nèi)部的濾膜吸附，無(wú)法進(jìn)入齒輪箱，從而達(dá)到控制油中水分的目的。

2.1.4 顆粒物分析

從表3可知，1、2、5號(hào)風(fēng)機(jī)一年內(nèi)進(jìn)行過(guò)部分換油，其齒輪油顆粒物污染情況盡管相對(duì)較好，但也達(dá)到了換油標(biāo)準(zhǔn)。其他風(fēng)機(jī)齒輪油清潔度全部嚴(yán)重超標(biāo)，3、4、6、7號(hào)風(fēng)機(jī)超過(guò)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)4個(gè)等級(jí)以上，這樣長(zhǎng)期運(yùn)行下去對(duì)齒輪箱的傷害是可想而知的。

數(shù)據(jù)表明，在齒輪箱潤(rùn)滑油系統(tǒng)中，尺寸在1～5μm 的顆粒物約占70%～80%。因?yàn)辇X輪油系統(tǒng)間容差十分精細(xì)（微米級(jí)），危害最大的就是尺寸相近或者略大于油系統(tǒng)齒輪間容差的顆粒物。當(dāng)微小的磨料顆粒如沙粒和塵埃進(jìn)入到油系統(tǒng)當(dāng)中，隨著油進(jìn)入到系統(tǒng)關(guān)鍵部件當(dāng)中，擠入精密間隙比如滾動(dòng)接觸區(qū)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)表面的微裂，使表面產(chǎn)生凹坑，容易引發(fā)材料的磨損，產(chǎn)生并釋放更大尺寸的碎片[5]，從而影響齒輪箱壽命。

2.2 加裝離線過(guò)濾裝置提高油品清潔度

鑒于齒輪箱在線過(guò)濾系統(tǒng)不能有效地過(guò)濾掉潤(rùn)滑油中的污染物，越來(lái)越多的風(fēng)電企業(yè)開(kāi)始加裝離線過(guò)濾裝置。齒輪箱離線精濾系統(tǒng)過(guò)濾精度一般為3～5μm，實(shí)際運(yùn)行中，98.7%粒徑大于3μm 的固體顆粒會(huì)被過(guò)濾掉，能使齒輪箱潤(rùn)滑油清潔度提高到17/15/12（ISO4406）。根據(jù)已有研究，將過(guò)濾精度由10μm 提高到3μm，軸承的壽命會(huì)增加50%。但過(guò)濾精度并不是越細(xì)越好，過(guò)于精細(xì)可能會(huì)過(guò)濾掉潤(rùn)滑油中的添加劑成分。

2.2.1 齒輪箱離線濾油裝置的選擇

齒輪箱離線濾油裝置的選擇應(yīng)遵循以下原則：離線過(guò)濾器的精度應(yīng)達(dá)到3μm（β3≥200）的水平；濾芯應(yīng)具有較大的納污能力，并保證更換周期不低于1年；要能吸收潤(rùn)滑油中的自由水分；過(guò)濾器的尺寸應(yīng)合理設(shè)計(jì)并且采用與潤(rùn)滑油化學(xué)相容的材料制造，確保不會(huì)過(guò)濾掉油中的有效添加劑；該離線過(guò)濾裝置是一個(gè)獨(dú)立回路，不受系統(tǒng)是否啟停的影響均可運(yùn)行，且不會(huì)對(duì)油系統(tǒng)造成任何不良影響；要有一個(gè)自動(dòng)開(kāi)啟的旁路。

2.2.2 齒輪箱離線濾油裝置的試用

2021年4月底，對(duì)該批8臺(tái)機(jī)組加裝了離線濾油裝置，經(jīng)過(guò)45天的運(yùn)行后，對(duì)齒輪油進(jìn)行取樣化驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 加裝離線濾油裝置45天后油品檢測(cè)情況

對(duì)比表3和表4，根據(jù)油樣檢測(cè)結(jié)果可知：從黏度來(lái)看，變化幅度較小，且絕大部分機(jī)組（只有4號(hào)機(jī)組齒輪油黏度從326變?yōu)?28）都是向320靠近，說(shuō)明該離線濾油裝置對(duì)黏度指標(biāo)有積極作用，其原因是離線濾油裝置吸附了齒輪油中的部分氧化物，使其黏度指標(biāo)向好；從酸值來(lái)看，和黏度類似，變化幅度很小且大部分是向好變化；從水分來(lái)看，是在一個(gè)很低的污染水平的基礎(chǔ)上有所浮動(dòng)，總體來(lái)說(shuō)幾乎沒(méi)有變化；從顆粒物來(lái)看，1、2、5號(hào)風(fēng)機(jī)齒輪油顆粒物含量得到一定改善，大致提高1～2個(gè)等級(jí)左右，這3臺(tái)機(jī)組齒輪油初始情況良好，因此其變化幅度并不明顯。3、4、7號(hào)機(jī)組齒輪油顆粒物含量大幅降低，污染情況得到大幅改善，污染物清潔等級(jí)大致提高了4～6個(gè)等級(jí)，可謂十分明顯。6號(hào)和8號(hào)機(jī)組在離線過(guò)濾裝置運(yùn)行45天后的油品檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期，分析可能是取樣不規(guī)范引起的，經(jīng)過(guò)再次取樣檢測(cè)后其顆粒物污染物也得到了比較明顯的改善，大致提高了4個(gè)等級(jí)。

需要指出的是，為了關(guān)注油品清潔度變化趨勢(shì)，特別對(duì)1號(hào)和6號(hào)風(fēng)機(jī)齒輪油進(jìn)行每周取樣檢測(cè)。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，其污染物降低并不是呈直線下降趨勢(shì)，而是曲折下降，中間有過(guò)反彈現(xiàn)象（見(jiàn)圖3、圖4）。一般來(lái)說(shuō)，如果齒輪油使用時(shí)間較久，且僅依靠齒輪箱自帶過(guò)濾系統(tǒng)，如新安裝離線過(guò)濾后油品質(zhì)量出現(xiàn)反彈是一個(gè)正常現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谶^(guò)濾初期，油品質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，隨著持續(xù)過(guò)濾，較干凈的油會(huì)逐漸和隨機(jī)帶走（沖刷）原來(lái)黏結(jié)在齒輪箱、油管、油箱內(nèi)壁和底角等處的污染物，從而導(dǎo)致油品污染度反彈。只有當(dāng)系統(tǒng)元件和整個(gè)油系統(tǒng)徹底清潔后，油品才會(huì)真正好轉(zhuǎn)并保持穩(wěn)定。這需要一定的時(shí)間，且和油品污染程度、風(fēng)機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)、過(guò)濾裝置流量、添加劑消耗情況等因素密切相關(guān)。

圖3 1號(hào)風(fēng)機(jī)油品清潔度變化趨勢(shì)（每周取樣）

圖4 6號(hào)風(fēng)機(jī)油品清潔度變化趨勢(shì)（每周取樣）

2.2.3 油品清潔度與齒輪箱壽命的相關(guān)研究

當(dāng)前，齒輪箱油品的清潔度已經(jīng)受到越來(lái)越多的重視。根據(jù)潤(rùn)滑領(lǐng)域國(guó)際著名研究機(jī)構(gòu)Noria 公司的研究成果表明：齒輪箱使用壽命和潤(rùn)滑油清潔度密切相關(guān)，通過(guò)提高油品清潔度，可以顯著延長(zhǎng)齒輪箱壽命。一些風(fēng)機(jī)制造商認(rèn)為，當(dāng)控制齒輪箱中潤(rùn)滑油的污染程度不大于14/12/10（ISO4406）時(shí)，齒輪箱壽命可以達(dá)到20年。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，許多齒輪箱在運(yùn)行3～5年后就開(kāi)始頻出故障，運(yùn)行8～10年后則故障多發(fā)，甚至需要更換齒輪箱，這是因?yàn)樵谥挥性诰€過(guò)濾系統(tǒng)的情況下，風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑油清潔度難以得到保證。

從圖5可知，如果齒輪油清潔度等級(jí)從24/22/19（ISO4406，左側(cè)第一列第2行）提高到17/15/12（ISO4406，左側(cè)第六列）后，齒輪箱壽命可以延長(zhǎng)3倍（不考慮齒輪箱原始制造工藝、材料、安裝問(wèn)題，投用后油品清潔度對(duì)其壽命的影響，下同）。剔除最近1年換過(guò)油的1、2、5號(hào)風(fēng)機(jī)，可以看出：3號(hào)風(fēng)機(jī)油品清潔度從24/22/19（ISO4406）提高到18/15/11（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長(zhǎng)3倍；4號(hào)風(fēng)機(jī)油品清潔度從24/22/20（ISO4406）提高到20/18/16（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長(zhǎng)1.7倍；6號(hào)風(fēng)機(jī)油品清潔度從24/22/18（ISO4406）提高到20/18/14（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長(zhǎng)1.7倍；7號(hào)風(fēng)機(jī)油品清潔度從24/22/13（ISO4406） 提高到21/18/16（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長(zhǎng)1.3倍；8號(hào)風(fēng)機(jī)油品清潔度從23/19/14（ISO4406）提高到19/16/11（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長(zhǎng)1.5倍。

圖5 油品清潔度等級(jí)和設(shè)備壽命對(duì)應(yīng)關(guān)系

值得注意的是，油中的自由水分對(duì)設(shè)備壽命的影響更為突出。SKF 等公司的研究表明，當(dāng)油中的溶解水含量達(dá)到500ppm 時(shí)（0.05%），齒輪箱軸承的壽命下降約58%。因此，還要盡可能控制油中水分含量。本次用于研究的8臺(tái)齒輪箱因水污染控制較好，故不在本文討論范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

一是通過(guò)某風(fēng)電公司8臺(tái)齒輪箱潤(rùn)滑油的檢測(cè)結(jié)果顯示，在國(guó)內(nèi)普遍實(shí)行的5年的換油周期內(nèi)，僅通過(guò)在線過(guò)濾裝置，齒輪油清潔度難以達(dá)到國(guó)標(biāo)（GB/T 19073-2018）要求。

二是一套質(zhì)量可靠的離線過(guò)濾裝置可以有效提高齒輪油清潔度。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，雖然僅僅投入使用45天，但是8臺(tái)齒輪箱潤(rùn)滑油的清潔度平均提高了2～4個(gè)等級(jí)，效果十分明顯，對(duì)于保障齒輪系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，離線濾油裝置是一個(gè)合適的選擇。

三是國(guó)內(nèi)、外齒輪油清潔度控制標(biāo)準(zhǔn)有差異，總體上國(guó)內(nèi)的控制標(biāo)準(zhǔn)低于國(guó)外主流控制標(biāo)準(zhǔn)2個(gè)等級(jí)以上。在條件允許的情況下，盡可能提高齒輪油清潔度，可以有效降低齒輪箱故障率，延長(zhǎng)齒輪箱壽命，從而減少檢修費(fèi)用和停機(jī)損失。

四是對(duì)于新建風(fēng)電項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該以國(guó)內(nèi)外通行的污染物控制目標(biāo)或者齒輪箱制造廠家建議的控制目標(biāo)為導(dǎo)向，考慮采用高效的污染控制方案，進(jìn)而達(dá)到預(yù)防性維護(hù)的效果。