如何正確選擇風輪機潤滑油

弗瑞德·米切爾

作者通聯：劉 晟 萬博宣偉 上海市淮海中路1045號淮海國際廣場18樓 200031

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風能是世界上最豐富的可再生能源之一。風機的葉片在風能的推動下高速旋轉，源源不斷地輸出電能。這種可再生的能源利用模式過去幾年在全球得到了迅猛地發展。事實上，中國在風能利用方面潛力巨大。根據中國資源綜合利用協會可再生能源專業委員會的預測，中國的風電裝機容量到2020年將達到兩億三千萬千瓦。不久的將來，中國有望成為全球最大的風力發電生產國。

中國的風電廠在不斷提高電力產量的同時，也確保原有的和新裝的風機長期穩定地運轉，而潤滑油在其中扮演著重要角色。風電設備對于潤滑油品要求十分嚴苛，而潤滑油參數指標十分復雜，要從市場上眾多的產品中選擇一款可以兼顧生產效率和設備保護的、性能均衡的潤滑油產品，對于負責風機維護保養的人員來說是極大的挑戰。

美孚工業潤滑油的工程師們在長期的實踐中累積了豐富的經驗。根據風機的特點和潤滑油的產品屬性，他們總結出了極具操作性的指導意見。風機的維護保養人員們參考這些指導意見后在挑選潤滑油時將更加有針對性，也能更容易做出正確的選擇。

一、潤滑部位

風機有幾個主要的潤滑部位，包括主變速箱、變槳和偏航變速箱、制動液壓控制和變漿控制、變漿、偏航和主軸承以及發電機軸承，在這些潤滑部位當中，最最關鍵的要屬主變速箱。帶動發電機運轉的主變速箱可以說是齒輪傳動型風機的心臟。由于對整個系統的正常運作至關重要，主變速箱的設計和制造通常都非常先進，也因此往往造價不菲；而一旦發生故障，更換主變速箱要付出更高昂的代價。

舉例來說，如果要為一個功率為1.5MW渦輪機更換主變速箱，把購買新變速箱的費用、起重設備租用、停工造成的收入損失以及人工費等各項成本都合算進去，總花費將超過25萬美元。

一般來說，變速箱原廠灌裝的都是設計使用壽命為三年左右的合成潤滑油。但現在大多數變速箱的標準保修期只有一年。這意味著當變速箱的保修期結束后風機維護人員將擔負起選擇替換潤滑油（通常稱為二次注油或服務注油）的責任。

考慮到風機變速箱維護中可能遇到的困難以及費用問題，美孚建議設備維護人員采用性能均衡的變速箱潤滑油，這種潤滑油可以在長時間為變速箱提供很好保護的同時保證變速箱擁有極佳的生產效率。

二、潤滑油的性能指標

1.微點蝕保護

為最大限度的減少塔身上部重量，變速箱一般采用緊湊型設計，其中包括齒輪的表面硬化設計。經過表面硬化處理（滲碳、氮化、感應和火焰淬火）的齒輪在復雜的氣候條件和運行負荷下極易受到微點蝕的影響。因此選用的齒輪潤滑油必須擁有防止此類磨損的功能。

微點蝕是一種表面磨損現象，主要發生在齒輪和滾動軸承上。運轉開始后幾個小時內，微點蝕作用就能引起表面開裂。這些細微的裂痕以與表面成淺斜角（通常＜30°）的狀態不斷擴大，繼而形成直徑在10μm以下的微點。在這些微點的共同作用下，表面的裂痕又會繼續擴大。一個微點的大小在5～20μm，深度最深10μm。這些微點雖然看起來很小，但它們能降低輪齒的吻合度，嚴重的可導致齒輪斷裂故障。

為了盡量避免意外停機和更換齒輪造成的損失，維護人員可以使用專門用來防止微點蝕的潤滑油。齒輪潤滑油對微點蝕的保護功效的高低一般是通過FVA 54微點蝕測試（FVA 54 Micropitting Test）來測量的。測試包括兩部分，即每次運轉16h的六次遞增負荷，以及80h的高負荷耐久試驗。這兩個測試都在1500r/min的轉速下進行，并且使用專門用于微點蝕測試的C型齒輪（C-faced gears）。

根據齒形的吻合程度、微點蝕區域所占的比例以及重量損耗情況，潤滑油被分為不同的等級，用數字和高/中/低耐久性來表示。各大齒輪生產商都會建議維護人員使用至少是“=10高”（=10high）等級的潤滑油。

需要注意的是，二次注油無法修復之前已經發生微點蝕的齒輪，但一旦更換齒輪后，注入的潤滑油可以幫助提高生產效率并延長新齒輪使用壽命。

2.抗磨損和軸承保護

磨損主要由滑行齒面間的材料移動造成。當齒輪油的油膜厚度不夠時就會造成齒輪間金屬部件的接觸。如果磨損一直持續下去，就不得不過早地更換齒輪。

FZG磨損測試（DIN 51354-2 mod）是利用標準的齒輪組在不同的溫度和速度下，測試抗擦傷和抗磨損性能。潤滑油的等級根據其失效級數（FLS）而定。美孚建議維護人員應該使用失效級數（FLS）＞14的潤滑油。

由于潤滑油質量差而損壞軸承也是導致變速箱停機最為常見的原因之一。風機齒輪油的FAG FE8四級測試可在不同的負荷、速度和溫度條件下對軸承上潤滑油的性能進行測試。測試的四級分別是磨損測試、混合摩擦、使用期限測試和油泥測試。潤滑油的等級由這四級測試的總體結果從1到5不等。1級表示該潤滑油可為軸承提供極佳的保護。

3.黏度

黏度指的是潤滑油在各種高溫和低溫環境下保持其黏稠性的能力。風機的運行環境非常惡劣，晝夜輪換、寒暑交替，風機的工作環境溫度有時低至-45℃，有時又會高達80℃。為了確定潤滑油是否能經得住溫度的劇烈變化，維護人員可以對產品的黏度指數進行評估。黏度指數可根據ASTM D2270標準進行測量，它反映了潤滑油的黏度對溫度變化的抵抗能力。美孚建議維護人員應該選擇黏度指數在160或160以上的產品。

合成潤滑油與礦物油基潤滑油相比，具有更為突出的黏溫性，并且在很多溫度環境下都有卓越的潤滑能力。因此，合成潤滑油在變速箱油中使用得更為普遍。例如，美孚SHC XMP320齒輪油的黏度系數為164，這款高性能的聚烯烴基齒輪油，得到了全世界大部分風機、變速箱和軸承生產商的認可。

4.過濾性能

美國齒輪制造商協會（AGMA）指南對主變速箱中的齒輪油清潔度有嚴格的要求，原因是保持齒輪油清潔可大大延長零部件的使用壽命。

齒輪油的過濾性能指的是齒輪油在實際的運行條件下通過過濾器同時不會堵住過濾器的能力，這種過濾性能經常被忽視。標準的過濾性能測試一般都只對表明或不表明運行條件的新的不含水的油進行評估。大型的風力發電廠已經證明，即使按照原始設備制造商建議更換頻率的兩倍來更換過濾器，一年的總體成本也要超過27.5萬美元。

了解齒輪油里的添加劑對過濾性能的影響很重要。過濾性能一般是以微米等級來界定的，在很多情況下，會使用2～3μm的腎形回路（Kidney Loop）過濾器和5μm主過濾器來清潔齒輪油和保護風機變速箱的部件。正確了解和對待微米等級的過濾材料十分重要，有時候，添加劑可以從齒輪油里過濾出來或有可能從齒輪油里分離出來，特別是當齒輪油與水混在一起時。另外，濕性和干性的齒輪油的過濾性能是不同的。

為了弄明白影響過濾性能的復雜因素，美孚建議在需要的時候一定咨詢潤滑油生產商和過濾器供應商，在其指導下能正確有效地找到最適合的潤滑油。

5.耐水性

變速箱里的油不能混入水分。但是，由于風機本身運行時的特點，要使風機里的油和水完全分離幾乎是不可能的。當葉片在旋轉時，變速箱運行的溫度高達80℃，而當葉片停止旋轉時，變速箱就會冷卻下來并從空氣中吸取水分或濕氣。因此，水分難免會進入變速箱。此時如果使用耐水性差的齒輪油就會導致油泥和水解。為了防止由于水的緣故造成故障，必須找到一種不易吸水但在少量水存在的情況下也能給設備提供充足潤滑保護的齒輪油。

齒輪油的耐水性特征通過ASTM D1401標準測試進行衡量，該測試可測量油的油水分離能力，測試標準以時間（min）表示。美孚建議維護人員應選擇測試指標在15min或更低的齒輪油。