風力發電機組變速箱齒輪油國產化實踐

夏延秋，郭振華，陳國光，尹元鑫，姜洋，張來祥，柳會哲

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.黑龍江省華富電力投資有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

在過去20年里，中國風力發電設備數量伴隨著中國經濟的騰飛而增長，至2010年底，中國全年風力發電新增裝機容量達1600萬千瓦，累計裝機容量達到4182.7萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一。截止2016年底，中國已連續7年保持世界裝機第一的位置。但風力發電機潤滑劑的研究和應用并未因此提高，很多潤滑油企業，尤其中國石油和中國石化潤滑油公司并未搭上風力發電快速發展的列車，目前國內風電用潤滑劑99%以上為進口油脂，風電制造企業和潤滑油生產企業應該認真反省。

風電機組齒輪油主要用于潤滑齒輪和軸承，防止磨損和銹蝕以及系統散熱等作用。風電機組齒輪油的監測是風力發電設備安全穩定運轉和維護保養的主要環節。使用高端潤滑油就不需要監測的觀念是錯誤的，所有的風電機組必須進行潤滑油監測，以便及時發現齒輪箱的潤滑故障，實施風電機組的全方位潤滑管理。風力發電機組齒輪箱是風力發電機的重要部件，齒輪箱的作用是將風輪的轉速轉化為電機的轉速，齒輪箱在高速轉動過程中容易發生齒面磨損、點蝕以及潤滑油老化，嚴重會導致齒輪箱事故。因此齒輪箱是風力發電機的重要潤滑部位[1]。近年來，隨著風電事業的發展和風機數量的增加，風力發電機組齒輪油的需求也不斷上升，僅2015年需求已達到38000 t。由于風電場多數建在沙漠戈壁、海上、山里等野外偏遠區域，容易受極熱、極寒、沙塵、鹽堿腐蝕等環境影響，嚴重的會影響風電設備的正常運行和使用壽命，絕大多數地區不便修理或者修理費用極高。所以提高風力發電機齒輪箱的工作壽命尤為重要，因此作為風力發電機組的齒輪油需要具備較好的物理和化學性能以及摩擦學性能[1-2]。

風力發電機組齒輪油作為高端潤滑油，已廣泛應用于風力發電機系統的齒輪潤滑，有數據顯示，目前，國內風電機組齒輪箱全部選用進口齒輪油(不包括試驗用齒輪油)，目前國內市場上的進口齒輪油有美孚、殼牌、福斯、巴斯夫等占了90%以上的風電油品市場。近年來，埃克森美孚還推出了質保達7年之久的美孚SHCTM齒輪油320 WT。國外高檔風機齒輪油在不斷更新換代，而國產風電齒輪油還沒有進入正式招標采購的范圍。

1 試驗方案

試驗地點選在黑龍江省某風場進行，選用東汽1.5 MW風力發電機組作為試驗機組，選用了2種國產風力發電機組齒輪油與1種進口風力發電機組齒輪油進行跟蹤對比，就齒輪油的理學性能、潤滑性能、鐵譜和旋轉氧彈等指標進行320 d的跟蹤測試，試驗數據分別包括新油、使用30 d、120 d和320 d的四次采樣數據。表1示出了本次試驗選用的3種油品的理化性能數據。數據顯示，各項理化指標符合國家風力發電機專用潤滑劑油標準(GB/T 33540.3-2017)[3]。

表1 三種新風機齒輪油的的物理化學性能對比

1.1 物理化學性能

經過近1年的實際應用，采集了分別運行了30 d、120 d和320 d的3種油品，如表2所示，發現，同一部位采集的測試油樣，性能指標相差不大，但進口油水含量測試結果超過國產油，國產1號和2號齒輪油的抗泡性不如進口油，說明進口油的抗泡性能優于國產齒輪油。

表2 三種運轉30 d的風機齒輪油的物理化學性能對比

表2(續)

表3示出了運轉120 d風電機組齒輪油的測試結果，數據顯示，除國產油抗泡性能較差外，其他各項理化指標區別不大。

表3 三種運轉120 d的風機齒輪油的物理化學性能對比

表4示出了運轉320 d風電機組齒輪油的測試結果，數據顯示，國產油與進口油抗泡性能差距縮小，其他各項理化指標區別不大。表2～表4的物理化學性能上看，國產1號總酸值最低，破乳化性能最優，但抗泡性與進口油還有差距。因此一年來，重點在抗泡性能方面進行了監控。

表4 運轉320 d的風機齒輪油的物理化學性能對比

1.2 潤滑性能

風電齒輪油在使用過程中，伴隨著摩擦和磨損，因此，齒輪油的潤滑也是本次檢測的重要指標之一，測試了PB(卡咬負荷)、PD(燒結負荷)、磨斑直徑和摩擦系數4項指標。其中磨斑直徑是在廈門試驗機廠生產的MS-800型四球式試驗機上完成(196 N，60 min，54 ℃，1800 r/min)，測試發現，進口齒輪油和國產齒輪油燒結負荷沒有變化。卡咬負荷變化不大，而磨斑直徑則相應增加。表明潤滑油隨著使用時間的變化，其抗磨性能下降，國產1號油抗磨性能保持性最優。而三種油的摩擦系數保持穩定。研究表明[4]，摩擦系數對提高齒輪的齒輪傳動效率和抗點蝕能力具有重要作用，說明3種油都具有優良的抗疲勞性能。

表5 齒輪油不同時間的摩擦學性能對比

注:選用蘭州化學物理研究所的MFT-R4000往復摩擦磨損試驗機，上試樣采用AISI 52100 標準試驗鋼球，硬度是630 HV，下試件采用AISI 52100 鋼盤，硬度是650 HV。

1.3 其他測試結果比較

PQ指數是測定潤滑油中鐵系金屬的含量，用來避免產生機械故障的一種方法，其理想值應當低于50，表5示出了3種油品運行320 d后，其數值遠遠小于50，完全符合標準，即在運行過程中不會因為磨屑問題而降低齒輪箱的壽命。

旋轉氧彈是一種測試油抗氧化能力的方法，是潤滑油抗氧化能力的指標。表6示出了3種油品在不同時期潤滑油的抗氧化能力，其中國產1號油抗氧化能力最優。而進口油抗氧化能力優于國產2號油。紅外光譜Abs表示吸光度，是指光線通過溶液或某一物質前的入射光強度與該光線通過溶液或物質后的透射光強度比值的對數，吸光度是用來衡量光被吸收的物理量。在氧化值檢測中，以檢測氧化物官能團(C=O)的吸光度最大值來確定其氧化值。按ASTM E2412-10標準進行測定，獲得的抗氧化值進口油與國產1號油相當，優于國產2號油。以上兩種抗氧化性能方法不同，表達油的抗氧化能也不同。鐵譜在測試中發現，有些元素的數據明顯偏差，可能是齒輪油中混入其他油品或者是測試誤差。

經過1年的跟蹤測試發現，國產油與進口油性能差別不大，個別指標各有優劣，但不影響潤滑油的使用。經過320 d的監測，結果表明國產油還需在抗泡指標上進一步提高。

表6 齒輪油不同時間的其他性能

2 結論

國產潤滑油在320 d的使用期內各項指標變化處在正常變化范圍內，可以繼續使用；進口潤滑油與國產潤滑油的各項測試性能及使用后性能相差屬正常范圍，國產潤滑油可以代替進口潤滑油在市場上進行推廣。