風(fēng)電齒輪箱應(yīng)用吸附式過濾器的可行性探析

陜西龍?jiān)葱履茉从邢薰?頡小龍 張水基 王秋思 馬 樂 馬貴強(qiáng)

目前國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總量接近4億kW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)總數(shù)量為20萬臺左右，風(fēng)場分布在全國各個(gè)省區(qū)，在各種地形和環(huán)境條件的地區(qū)均建設(shè)了相當(dāng)數(shù)量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在實(shí)際工作當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，相同的機(jī)型在不同的地區(qū)會出現(xiàn)明顯不同的齒輪箱故障概率的現(xiàn)象，其故障特征也不盡相同[1]。風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)形式和齒輪箱的設(shè)計(jì)形式以及運(yùn)行載荷條件是齒輪箱故障的初始條件因素，這種因素對于后期運(yùn)行期間的設(shè)備管理和維護(hù)手段來說是確定條件，后期無法改變和優(yōu)化。由此可以進(jìn)一步得到結(jié)論，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行后的設(shè)備管理和維護(hù)過程中，改善齒輪箱潤滑系統(tǒng)的工況條件和齒輪油的品質(zhì)，是相對最有效同時(shí)也是最可取的手段[2]。

近年來，風(fēng)電齒輪箱各種損壞的故障多有發(fā)生，運(yùn)行十年左右的風(fēng)電場齒輪箱故障返廠維修的數(shù)量占到了設(shè)備數(shù)量的10%～30%，這是非常嚴(yán)重的故障現(xiàn)象，給某公司造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和發(fā)電效能損失。

齒輪箱的設(shè)計(jì)形式、運(yùn)行載荷、潤滑系統(tǒng)的工作品質(zhì)決定了齒輪箱運(yùn)行的狀態(tài)是否穩(wěn)定高效，相同批次的齒輪箱安裝在不同的風(fēng)場，故障頻次和故障特征差異性明顯，說明齒輪箱的故障和現(xiàn)場運(yùn)行管理和維護(hù)方式關(guān)系密切，需要深入分析其原因和管理手段，采取必要有效的維護(hù)方案才能減少齒輪箱故障。

1 某公司風(fēng)機(jī)齒輪箱齒輪油清潔度現(xiàn)狀

齒輪箱隨著運(yùn)行年限的延續(xù)，齒輪持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量的金屬磨粒，齒輪油被金屬磨粒污染，有效的添加劑會逐漸流失，齒輪油的特性會發(fā)生持續(xù)的變化，目前某公司在運(yùn)的齒輪油有以下特點(diǎn)：齒輪副運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的金屬磨粒，油中存在大量金屬顆粒物，造成齒輪油清潔度等級超標(biāo)；金屬磨粒在齒輪油中無法及時(shí)有效濾除，齒輪油PQ 指數(shù)明顯增高；齒輪油中鐵元素增加；齒輪油氣泡特性惡化，齒輪油中有大量氣泡不能及時(shí)消散；齒輪油抗磨劑消耗，齒輪油的抗磨特性減弱。

表1為某公司一個(gè)風(fēng)場齒輪箱齒輪油取樣送檢的報(bào)告，根據(jù)油質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告可以做出以下判斷：兩次取樣時(shí)間間隔一年時(shí)間，齒輪油的清潔度指標(biāo)從NAS12級升高到了NAS15級。ISO4406指標(biāo)從23/20/15升高到了24/23/17級，說明齒輪油的污染物數(shù)量明顯增加，尤其是5～15μm 和＞100μm 的顆粒物數(shù)量增長超過10倍；鐵元素從137mg/kg 上升到311mg/kg，說明齒輪的磨損持續(xù)發(fā)展，齒輪油中的金屬磨粒越來越多；磷元素從187mg/kg 下降到166mg/kg，說明齒輪磨損產(chǎn)生的活躍的金屬摩擦面和金屬磨粒的活躍面在不斷消耗抗磨劑，隨著抗磨劑流失齒輪油的抗磨特性越來越差；PQ 指數(shù)從＜15升高到73，說明金屬磨粒越來越多，尤其是顆粒度較大的顆粒物增加明顯。

表1 油質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告

總結(jié)：齒輪油的清潔度在運(yùn)行期間持續(xù)惡化，按照維護(hù)計(jì)劃正常更換濾芯，正常的過濾手段不能有效的凈化齒輪油質(zhì)。風(fēng)機(jī)齒輪箱齒輪油的清潔度惡化狀況需要特別關(guān)注，為了減少齒輪箱故障，必須大幅度提高齒輪油清潔度。

某公司計(jì)劃要通過磁性過濾裝置來解決齒輪油污染度高的問題，首先利用磁性過濾裝置的性能特點(diǎn)制定具體的實(shí)施步驟來實(shí)現(xiàn)凈化油質(zhì)的目的。清理吸附式過濾裝置可秤重計(jì)量吸附在過濾器上的雜質(zhì)重量并做記錄，雜質(zhì)可以收集進(jìn)行分析，可以進(jìn)行磨損物質(zhì)類型分析和齒輪箱故障趨勢分析，這對于齒輪箱故障分析和預(yù)防都是有現(xiàn)實(shí)意義的[3]。

通過分析金屬磨粒的類型可以判斷齒輪箱內(nèi)主要的磨損部位和形式是什么狀態(tài)，根據(jù)分析可以制定針對性的應(yīng)對措施。油質(zhì)很臟則需要增加清理的頻次，待油質(zhì)清潔度改善后可以長周期無需清理，每年風(fēng)機(jī)定檢時(shí)打開濾筒清理過濾裝置即可[4]。從圖1可以看到，磁性吸附式過濾器可以一次性捕獲大量的金屬性顆粒物。經(jīng)過過濾后齒輪油清潔度從NAS12凈化到了NAS10級，25μm 以上的顆粒物數(shù)量大幅度減少，減少的幅度大約為95%，說明經(jīng)過一定時(shí)間的過濾齒輪油的清潔度明顯提升了。

圖1 磁性吸附式過濾器顆粒吸附

2 相關(guān)問題及解決方案

2.1 齒輪油清潔度超標(biāo)造成的齒輪箱損壞故障類型

斷齒：是齒輪箱故障的末端現(xiàn)象，首發(fā)現(xiàn)象比較隱蔽而容易被忽略[5]，這類故障往往是軸承定位偏移造成齒面偏載，或者是齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊等這些異常因素導(dǎo)致的，這些故障都跟齒輪油污染存在相關(guān)性；軸承磨損：齒輪油中的金屬磨粒隨著油流進(jìn)入到各個(gè)軸承的潤滑部位和輥動(dòng)體一起運(yùn)轉(zhuǎn)，磨粒會直接磨損輥動(dòng)體和輥道，進(jìn)而造成輥道間隙增大，軸承定位能力逐漸偏差，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊明顯增加。

齒面點(diǎn)蝕：齒輪油污染后導(dǎo)致油液的指標(biāo)劣化，齒輪副運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油液無法提供穩(wěn)定的油膜條件，齒面發(fā)生極壓磨損，導(dǎo)致發(fā)生金屬表面疲勞，這就是點(diǎn)蝕現(xiàn)象的形成原因。齒面發(fā)生點(diǎn)蝕后運(yùn)轉(zhuǎn)沖擊明顯增大，隨著點(diǎn)蝕的發(fā)展最終形成齒面剝落。

2.2 齒輪箱齒輪油系統(tǒng)標(biāo)配過濾器存在問題

齒輪箱潤系統(tǒng)標(biāo)配了一個(gè)名義過濾精度10μm的濾芯，這種濾芯的過濾層采用濾棉制造，通過濾棉形成的一種網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)來分離油液和雜質(zhì)。這個(gè)標(biāo)配的濾芯無法保證齒輪油維持在達(dá)標(biāo)的清潔度水平，即便頻繁更換濾芯也無法解決齒輪油清潔度超標(biāo)的問題，齒輪箱故障仍然頻發(fā)，這種換濾的主要缺點(diǎn)如下。

金屬顆粒物可以穿透濾芯的過濾層。由于濾芯的過濾層采用單層濾棉制作，金屬磨粒雜質(zhì)會穿過濾棉層逃離，其對金屬磨粒的濾除效能差。齒輪箱齒輪油黏度高、系統(tǒng)流速高，金屬雜質(zhì)一定會隨著油液穿透濾棉進(jìn)入凈油側(cè)，形成破窗效應(yīng)，這是目前齒輪油經(jīng)過濾芯仍然存在大量金屬磨粒最主要的原因。

濾芯的功能設(shè)計(jì)在高壓差時(shí)會導(dǎo)致污油出現(xiàn)短路。濾芯頂部設(shè)計(jì)了一個(gè)單向閥，這個(gè)單向閥在濾網(wǎng)壓差達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)會打開以保證齒輪箱潤滑的最小流量。齒輪油黏度高，在冬季低溫啟動(dòng)時(shí)油溫一般為100C，此時(shí)齒輪油的黏度是2000～3000mm2/s，高黏度的工況下濾芯通過能力必然不足，往往會造成壓差高而頂開單向閥，造成污油和雜質(zhì)進(jìn)入凈油側(cè)。

采用濾棉制造的濾芯會濾除齒輪油中的添加劑。為了獲得穩(wěn)定的物理特性，齒輪油中添加了多種添加劑，添加劑在化合效應(yīng)的作用下會凝聚成大分子團(tuán)的形態(tài)，齒輪油流過纖維質(zhì)濾棉表面時(shí)添加劑會黏附在濾棉纖維上，尤其是抗泡劑和抗磨劑更容易發(fā)生這種濾除效應(yīng)，齒輪油在使用不久以后就會出現(xiàn)泡沫急劇增多的現(xiàn)象。

纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯污染后流量減小造成欠潤滑問題。新更換一只濾芯后在一段時(shí)間內(nèi)潤滑系統(tǒng)流量可以保證，但是運(yùn)行一段時(shí)間后流量又逐漸下降，發(fā)生濾棉污染后流量會下降到設(shè)計(jì)流量的50%～70%，欠潤滑狀態(tài)而導(dǎo)致磨損加??；這種濾芯是消耗品，一次性使用后廢棄造成環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。隨著風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間延長，每年產(chǎn)生大量的濾芯廢棄物是風(fēng)電場最大宗的污染性廢品，存在環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用負(fù)擔(dān)。

根據(jù)以上的分析可以得到結(jié)論：纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯并不適合齒輪箱這種高流速、高粘度油質(zhì)、溫度變化頻繁的潤滑系統(tǒng)，無法在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)高效的濾除齒輪油中的金屬磨粒，這是纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯的材料特性和潤滑系統(tǒng)的基本流程特性決定的[6]。

2.3 磁性吸附式過濾裝置

某公司組織技術(shù)攻關(guān)，基于對纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯的分析，為了解決齒輪箱齒輪油清潔度超標(biāo)的問題，提升齒輪箱健康水平，某公司設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新的能有效濾除齒輪油磨粒并且能有效優(yōu)化過濾器性能的產(chǎn)品，通過這種產(chǎn)品的使用能保持齒輪油清潔，同時(shí)不產(chǎn)生其他的不利效應(yīng)。這種新開發(fā)的過濾器具有靶向過濾的能力，其技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

吸附式過濾裝置專門濾除齒輪油中金屬顆粒物。過濾器使用磁性材料制造，專門捕獲濾除齒輪油中危害最大的鐵磁性金屬顆粒物，不會捕獲其他有效的添加劑成分。金屬顆粒物隨著油液流經(jīng)過濾單元附近時(shí)就會被過濾單元捕獲，是必然的作用關(guān)系，無論在任何條件下這種作用力都不會消失。根據(jù)齒輪箱潤滑系統(tǒng)高流速和高粘度的工作條件，必須選擇性能極佳的材料生產(chǎn)過濾器。

吸附式過濾裝置可以長期使用，設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)的情況下使用壽命可以超過25年。過濾器每次拆解清理后都可以復(fù)裝重新使用，不產(chǎn)生任何廢棄物和污染性的損耗品，沒有環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)和管理風(fēng)險(xiǎn)。

吸附式過濾裝置沒有流程阻力。齒輪油流過磁性吸附式過濾器的過濾單元的外圍表面就會被捕獲吸附，磁性吸附式過濾器的內(nèi)部有數(shù)倍于管道截面的通流面積，所以即便在齒輪油黏度最大的時(shí)候齒輪油經(jīng)過過濾器也不會形成阻力，這個(gè)特點(diǎn)可以滿足潤滑系統(tǒng)在任何環(huán)境條件下正常運(yùn)行，不會造成任何形式的齒輪箱欠潤滑。這是一個(gè)非常突出的性能優(yōu)勢，決定了吸附式過濾器非常適合在齒輪箱這種高粘度齒輪油系統(tǒng)上應(yīng)用；吸附式過濾裝置納污能力強(qiáng)，即便在捕獲了大量金屬顆粒物的情況下仍能繼續(xù)保證流量，可以繼續(xù)使用。

3 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱潤滑系統(tǒng)標(biāo)配使用的纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯，無法在多數(shù)工況條件下保證齒輪油的清潔度，油液中存在有大量的金屬磨粒，齒輪油清潔度指標(biāo)長期超標(biāo)；纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯會吸附齒輪油中的有效添加劑成分，尤其是抗泡劑和抗磨劑，造成齒輪油品質(zhì)惡化；纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯通過性容易受到油液黏度和濾棉污染度的影響，尤其是油溫較低時(shí)過濾阻力增加、流量不足，造成齒輪箱欠潤滑；纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯必須定期更換，廢舊的濾芯是有毒廢棄物，造成環(huán)保和管理風(fēng)險(xiǎn)。

某公司定制設(shè)計(jì)吸附式過濾裝置和纖維質(zhì)網(wǎng)篦式濾芯交替使用，吸附式過濾裝置針對濾除齒輪油中的金屬性磨粒進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以高效濾除并收集金屬性顆粒物。被過濾裝置捕獲的金屬磨?？梢允占⑦M(jìn)行分析，對于齒輪箱故障分析和預(yù)防齒輪箱故障有現(xiàn)實(shí)作用；吸附式過濾裝置可以在最極端的運(yùn)行條件下保證充足的系統(tǒng)流量，沒有截流效應(yīng)，不會濾除齒輪油中的有效添加劑成分，可以實(shí)現(xiàn)長期使用。定期清理后重復(fù)使用，不產(chǎn)生廢棄物和有害污染物，沒有環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。