基于齒輪油監測的風機齒輪箱運行狀態分析

張志勇，高 飛，烏日娜，阿茹娜，劉 江，禾志強

（1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020；2.維克森（北京）科技有限公司，北京 100040）

0 引言

盡管這些年風電行業迅速發展，齒輪箱設計、制造、運行維護水平得到長足進步，但是子系統或組件故障經常過早發生，特別是動力傳輸系統像主軸軸承，齒輪箱等[1]。因此，提高動力傳輸系統的可靠性和延長齒輪箱的使用壽命對于降低機組運行成本非常關鍵。

主齒輪箱是風電機組的核心部件，設計壽命一般為20 a，它可以將葉片的低轉速、高轉矩轉換為用于發電機上的高轉速、低轉矩。如果齒輪箱發生故障，將對機組安全穩定運行將產生巨大的影響[2-3]。由于風機安裝地點限制和齒輪箱每次更換或大修耗時、費力，在風機動力傳輸系統中齒輪箱屬于維修費用最高的組件，因此也成為整個系統可靠性關注的焦點[1]。潤滑油在齒輪箱潤滑系統中起著減少齒輪箱摩擦副之間的磨擦,降低磨損的重要作用，來保持齒輪機構的工效和延長使用壽命[4]。因此，風機機組潤滑油的性能與狀態將直接影響到齒輪箱是否能夠安全和平穩的運行，是齒輪箱系統可靠工作的重要保證。

油液分析技術是設備狀態監測和故障診斷的有效手段，廣泛的應用于風電機組齒輪箱狀態評價[5]。油液分析技術不僅可以對油液的劣化程度、污染程度、添加劑成分損耗程度進行檢測分析，也可以對油液中所含磨損顆粒的數量、大小、形貌進行分析。因此，通過油品監測，可以發現是否存在氧化裂解、老化現象，是否存在水、灰塵等污染；齒輪箱部件是否存在磨損、腐蝕；是否存在換油周期過長和不當的油處理方法；是否存在油品選用錯誤和不合理的污染控制措施（過濾、泄漏）等現象，從而實現設備預防性保養與維護，減少停機損失。同時，也可對設備故障進行早期預報，避免突發事故的發生。

對內蒙地區某風電場累積運行15 000 h的齒輪油通過外觀、酸值、水分、顆粒污染度、黏度、光譜元素、紅外光譜分析等手段對油品的理化性能、清潔度和齒輪箱部件磨損狀態進行了客戶評價。同時，對磨損元素含量較高的油品進行了鐵譜分析，并對該油品所屬的齒輪箱內部進行了內窺鏡檢測。

1 實驗

1.1 取樣

內蒙西部地區某風電場10臺機組齒輪油，分別命名為1#～10#。取樣部位為齒輪箱底部；運行時間15 000 h；運行溫度（40～60）℃。

1.2 實驗儀器及方法

（1）水分測定。瑞士Metrohm831實用型庫倫卡氏水分測定儀，依據標準：GB 7600—2014運行中變壓器油和汽輪機油水分含量測定法（庫侖法）。

（2）酸值分析。瑞士Metrohm全自動電位滴定儀，依據標準：GB/T 7304—2014石油產品酸值的測定電位滴定法進行測試。

（3）黏度測試。美國CANNONminiAV全自動運動黏度測試儀，依據標準：GB 265—1988《石油產品運動黏度測定法和動力黏度計算法》。

（4）顆粒污染度測試。美國太平洋Hiac/Royco 8000A激光顆粒計數儀，依據標準：DL/T 432—2007《電力用油中顆粒度污染度測量方法進行測試》。

（5）光譜元素分析。德國斯派克電感耦合等離子體發射光譜儀 SPECTRO ARCOS SOP，依據標準：GB/T 17476—1998《使用過的潤滑油中添加劑元素、磨損金屬和污染物以及基礎油中某些元素測定法（電感耦合等離子體發射光譜法）》，測試樣品時，采用直接稀釋法進行測試。

（6）紅外光譜分析。德國布魯克Tensor 27。

（7）鐵譜分析。VIC-T型制譜儀，OLYMPLUS TL4顯微鏡。

2 結果與討論

10臺風機齒輪油的外觀、水分、酸值、運動黏度和顆粒度指標見表1。

2.1 水分

水分對設備存在嚴重威脅，它能腐蝕、銹蝕設備的金屬材料，能夠引起油品氧化，降低潤滑油負載處理能力；能夠破壞油膜，降低潤滑性，加劇摩擦付部件的磨損。同時，水分能夠在高溫、氧、金屬存在條件下與油品起反應，形成酸、膠質和油泥，而且能析出油中的添加劑，減低油品的使用性能，低溫時使油品流動性變差。從表1中可以看出10臺風機齒輪油的水分均在100×10-6以下，符合DL/T 1461—2015中水分的質量指標要求。內蒙古西部地區屬于西北干旱區域，盡管氣候變化情況復雜，但氣候干旱，降水量少，因此，齒輪油含水量較小，對風機潤滑系統的潤滑性能影響較小。

表1 風機運行齒輪油的理化指標檢測結果

2.2 酸值

酸值是判斷油中酸性添加劑的量度，也是油品使用過程中氧化變質的重要判別指標。油品酸值大小與很多因素有關，像水含量、油品氧化程度、添加劑類型、化學分解副產物等。通過酸值數據分析，可以判斷油品是否發生氧化，可以選擇油品更換時間、預防組件腐蝕等事故發生。DL/T 1461—2015《發電廠用齒輪油運行及維護導則》中規定了酸值增加值質量指標是≤0.8 mgKOH/g。不同品牌的新油往往具有不同的酸值，這主要與添加劑種類和含量緊密相關。殼牌HD320和美孚SHC320新油的酸值基本在1 mgKOH/g。根據相關資料，殼牌HD320新油的酸值典型值為1 mgKOH/g。從表1可以看出運行油酸值基本在（0.8～1）mgKOH/g，表明油品未發生明顯的氧化變質現象。

2.3 運動黏度

運動黏度是潤滑油牌號劃分的主要依據，也是油品選擇的重要依據，與潤滑油劣化緊密相關。齒輪油黏度過大，油流循環速度減小，運轉阻力增大，內耗增加，而且冷卻散熱效果變差，更重要的是影響正常的潤滑，造成摩擦副運轉時非正常的磨損。黏度增大是與油質氧化、劣化或者污染有關。一般認為，造成黏度增大的原因主要是高溫運轉、換油周期較長、存在水或者其他氧化劑污染，同時也與煙塵或者灰塵污染有關。造成油品黏度降低的最主要原因是其他油品或者溶劑的污染有關；其次是機械剪切力對油品中大分子量添加劑的作用，造成分子鏈斷裂，引起黏度降低；另外，錯加油品也是油品黏度降低的另一方面原因。所以，長期使用的齒輪油要保證黏度在合適的范圍內，確保風機運行安全。從表1中可以看出，10臺風機齒輪油的黏度均符合DL/T 1461—2015中規定的黏度的質量指標要求。

2.4 清潔度

潤滑油的清潔度包含潤滑油本身的潔凈程度和運行過程中產生的粉塵、油液氧化產生的油泥、齒面接觸和摩擦產生的磨粒，可以通過清潔度定量表示。本文采用DL/T 432標準中的方法對10臺風機齒輪油進行了顆粒度分析。DL/T 1461—2015中規定了顆粒污染度的質量指標是≤-/20/17。從表1可以看出10臺風機齒輪油的顆粒度指標超出了標準規定的要求，這可能與風機復雜的運行環境、機械雜質污染或者齒輪內部部件有磨損有關。同時，還可能是系統內部精密過濾器過濾效果不佳原因造成的。

2.5 紅外光譜分析

利用紅外光譜分析，可以通過對比新油和在用油特征吸收峰的變化來檢測潤滑油中是否有氧化降解現象，從而表征油品質量狀態。在齒輪油紅外光譜圖譜中，可以通過判斷（1600～1780）cm-1波數處的吸收峰確定油品是否發生氧化或硝化；可以通過（3500～3600）cm-1波數范圍內的吸收峰確定水分污染狀態；可以通過2000 cm-1處的吸收峰確定油品降解后不溶物形成的情況。通過對比10臺風機潤滑油的紅外光譜和新潤滑油的紅外光譜可以得知，與新油相比，運行潤滑油紅外光譜在（1600～1780）cm-1波數處的吸收峰沒有發生明顯的變化，表明運行潤滑油未發生明顯的氧化變質現象；在3500 cm-1波數附近的水分子的特征吸收峰并沒有明顯變化趨勢，與庫侖法分析的結果一致，表明新油和運行油中水分含量沒有明顯變化。

2.6 光譜分析

利用電感耦合等離子體發射光譜方法可快速測定油樣品中17種元素的含量信息，并獲得高精密度、高靈敏性、極低的檢出限。從表2可以看出，10臺齒輪箱油樣品中，鐵元素的含量在（20～58）μg/g，最高數據為 57.2 μg/g。光譜數據表明 10 臺風機齒輪箱部件均出現不同程度的磨損，磨損程度、類型需要做進一步分析。

2.7 分析鐵譜

選擇鐵元素含量相對較高的6#風機進行了鐵譜分析，表3給出了磨粒類型和尺寸信息，切削磨粒和銅合金顆粒的微觀形貌如圖1所示。

從表3可以看出，滑滾復合磨粒等（左）和外界污染顆粒等（右）油中有個別小尺寸的鐵磁性磨粒、個別＜30 μm的滑滾復合磨粒和個別外界污染顆粒等。鐵譜分析圖表明設備磨損狀態正常。

2.8 內窺鏡檢查

為了準確查找磨損部位及分析磨損程度，對6#風機進行了內窺鏡檢查。內窺鏡檢測可以對齒輪箱內輸出軸、輸出齒輪、中間軸、中間齒輪、一級行星輪、一級內齒圈、二級行星輪、二級內齒圈、輸出軸前軸承、輸出軸后軸承、齒輪軸前軸承進行直觀檢測，發現缺陷、缺陷面積、深度等數據信息，從而做出準確評價。內窺鏡檢測結果發現二級內齒圈出現磨損，一級行星齒、一級內齒圈、二級行星齒、中間齒輪和輸出軸、齒轂前軸承、輸出軸前軸承、輸出軸后軸承均無明顯磨損現象（圖 2）。

表2 運行齒輪油的光譜分析數據

圖1 鐵譜分析圖

表3 分析鐵譜數據

圖2 內窺鏡圖

一般來說，磨損主要取決于接觸應力大小，載荷、速度、溫度、材料及表面硬度、表面微觀幾何形狀及潤滑狀態和潤滑膜厚度。因此，對于終端客戶來說，如果潤滑油選用不當，潤滑方式不良，或油液監測不利，均會引起、促使或加劇磨損。6#風機二級內齒圈出現輕微磨損，屬于正常磨損范疇。根據光譜分析數據，10臺風機齒輪油中鐵元素含量均達到幾十個1×10-6，現場維護人員應加強日常維護與監督，適當縮短油液檢測周期，并保證油液過濾系統的有效性，及時更換濾芯，確保設備安全穩定運行。

3 總結

通過對內蒙西部地區某風電場10臺風機齒輪箱潤滑油的理化性能、磨損元素、潔凈度研究，并結合電力行業標準DL/T 1461—2015《發電廠齒輪用油運行及維護管理導則》對齒輪箱潤滑油進行了性能評價，研究發現除了顆粒度等級達不到標準要求外，齒輪油其他理化指標均在標準要求范圍。同時，通過光譜分析發現10臺風機齒輪油磨損元素鐵含量，并對6#風機進行了內窺鏡檢測，發現齒輪箱二級內齒圈出現輕微磨損，屬于正常磨損范圍。

潤滑油在風機齒輪運轉中起到潤滑、散熱等作用，是監測齒輪箱磨損狀態的信息載體，通過其性能可以對設備工況進行評價，并能預測故障。因此，油液分析技術對于潤滑油質量監控、降低成本支出、延長油品壽命、減少齒輪箱磨損、降低設備故障率方面起著重要作用。

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[4]葛德俊，慕秀崢.工業齒輪油的現狀及發展趨勢[J].能源研究與管理，2010（1）：9-12.

[5]馮偉，李秋秋，賀石中.基于鐵譜分析的顆粒分類識別方法與應用[J].潤滑與密封，2015，40（12）：125-130.