含磷添加劑潤滑油對風機齒輪箱磨損影響分析

孫建偉，歐煥飛，杜琳娟，張希希，毋瑞琪

（1.華潤電力技術研究院，廣東深圳 518010；2.潤電能源科學技術有限公司，鄭州 450018）

0 引言

齒輪箱作為風電機組傳動鏈的核心部件，對整個機組的高效運行起著至關重要的作用。同時，齒輪油對風機齒輪箱有減少摩擦、避免發熱、防止磨損的功能，對維持風機運行及提高齒輪箱壽命起到非常關鍵的作用。目前，風機齒輪油多使用埃克森美孚公司、荷蘭皇家殼牌公司、德國福斯油品公司、英國石油公司等國外廠商生產的全合成含磷添加劑的齒輪油。齒輪油中含磷型添加劑起到極壓、抗磨的作用［1－2］。不同品牌的齒輪油含磷添加劑的不同，對風機齒輪箱磨損影響不同。通常采用油液監測手段［3－4］特別是使用光譜分析技術［5］可以監測齒輪箱磨損情況并對其進行狀態評估。例如郎宏等［6］基于光譜分析技術能夠提前預報燃氣輪機傳動潤滑系統可能發生的磨損故障，是油液狀態監控的一種有效手段；常鵬等［7］基于光譜分析技術對風機齒輪箱不同的累積磨損情況建立3 種不同維護策略，利用概率建立時間成本模型，優化齒輪箱維護時間成本；孫建偉等［8］基于光譜分析技術監測大量在用風機齒輪油中磷添加劑含量，判斷風機齒輪油的老化程度，為風機齒輪油更換提供參考依據。本文通過采用光譜分析技術監測在用齒輪油中一定時期鐵元素的變化量，來衡量不同品牌齒輪油極壓、抗磨性能對風機齒輪箱磨損的影響。

1 分析背景

某電力公司7 個不同風電場共計235 臺風機是同機型、同品牌的齒輪箱，但卻使用了2 種不同廠家的齒輪油，其中使用L1－320 有95 臺，使用L2－320 有140 臺。通過使用Spectro 油料光譜分析儀［9］定期監測齒輪油發現，L1－320 和L2－320 齒輪油中極壓－抗磨添加劑含量不同：L1－320 齒輪油新油中磷含量380～420 mg／ kg；L2－320 齒輪油新油中磷含量190～200 mg／ kg，由于極壓－抗磨添加劑含量的不同，機組在運行中齒輪箱磨損的差異能通過鐵元素表現出來。通過704 個在用齒輪油鐵含量的檢測數據，進行統計分析L1－320 和L2－320 磨損鐵元素的變化量，來評估齒輪油的極壓抗磨性能。

2 分析方法

通過前期對在用風機齒輪油的跟蹤監測發現，齒輪箱的磨損情況可以通過油液光譜儀定期監測鐵元素含量來判斷［10］。因此，不同含磷添加劑齒輪油對齒輪箱磨損影響分析可以采用2種方法進行。

2.1 齒輪箱磨損鐵元素含量趨勢分析法

由于不同含磷添加劑的齒輪油，對齒輪箱磨損影響不同，通過對L1－320 和L2－320 一段時間的鐵元素監測數據，建立一元線性回歸方程趨勢線進行對比分析。

2.2 齒輪箱單位可利用小時數磨損鐵元素增加量趨勢分析法

計算一段時間內鐵元素的增加量和這段時間內的風機可利用小時數的比值，能真實反映出風機在有效工作時間內的磨損情況。通過對L1－320 和L2－320 在單位可利用小時數內的鐵元素增加量計算數據，建立一元線性回歸方程趨勢線進行對比分析。

計算單位可利用小時數磨損鐵元素增加量樣本的計算值ΔQFe（鐵元素的增量／每100 可利用小時數）。

式中：ΔQFe為每100 可利用小時下風機齒輪箱油中磨損鐵元素增加量，mg／ kg；QFe為不同取樣時間齒輪油中鐵元素含量，mg／ kg；E為不同取樣時間時風機發電量，kW·h；W單為單臺風機標稱功率，kW；角標1、2 分別表示第1 次取樣時間、第2次取樣時間。

3 數據分析

3.1 齒輪箱磨損鐵元素變化數據對比分析

本研究數據來源于同機型、同品牌的齒輪箱，不同風電場送檢在用齒輪油檢測數據，統計L1－320 和L2－320 共計704 個鐵元素檢測數據，鐵元素含量隨不同時間的趨勢圖及建立的一元線性回歸方程如圖1 所示。

圖1 不同時間鐵元素含量變化趨勢

由圖1 可知：

（1）L2－320 檢測數據433 個，L1－320 檢測數據271 個，從圖中可以看出L2－320 數據點分布高于L1－320 數據點分布，而且L2－320 Fe 數據一元線性回歸趨勢線高于L1－320 Fe 一元線性回歸數據趨勢線。

（2）L2－320 Fe平均值等于50.51 mg／ kg；L1－320 Fe平均值等于33.91 mg／ kg，L2－320 Fe磨損平均值是L1－320 Fe磨損平均值的1.49 倍。

（3）磨損鐵元素預警值是75 mg／ kg，L2－320 有84 組數據超出75 mg／ kg，L1－320 無數據超出75 mg／ kg。從圖中可以看出，L2－320 數據超出預警值是風機運行900 天（2.5年）以后，磨損鐵元素連續超過預警值，預示著齒輪油需要更換新油，而風機廠商提供給風機運營商的風機維護手冊上是齒輪油更換周期為1825 天（5年），分析發現L2－320 油品的使用年限比計劃年限縮短了50%。

7個不同風電場齒輪箱磨損鐵元素變化對比分析結果如表1所示。

表1 風電場磨損鐵元素統計

3.2 L1－320 和L2－320 對齒輪箱磨損影響分析

某風電場同機型、同品牌齒輪箱使用L1－320和L2－320，檢測160個鐵元素數據，建立鐵元素含量的趨勢圖，如圖2所示。

圖2 某風電場不同時間鐵元素含量變化趨勢

由圖2可知：某風電場L2－320 Fe平均值等于48.62 mg／ kg；L1－320 Fe平均值等于29.98 mg／ kg。L2－320 Fe 磨損平均值是L1－320 Fe磨損平均值的1.62 倍。有17 個監測數據9 臺風機齒輪油磨損鐵元素含量超出75 mg／ kg。理論上說明L1－320 極壓－抗磨性能優于L2－320。

3.3 齒輪箱磨損ΔQFe（鐵元素增量／每100 可利用小時數）對比分析

本研究數據來源同機型、同品牌的齒輪箱，不同風電場送檢在用齒輪油檢測數據，通過式（1）統計計算L2－320 和L1－320 共計172 個ΔQFe數據，建立ΔQFe數據趨勢圖和的一元線性回歸方程，如圖3 所示。

圖3 每100 可利用小時數磨損鐵元素增加量趨勢

由圖3 可知：

（1）L2－320 統計數據111 個，L1－320 統計數據61 個，從圖中可以看出L2－320 數據點分布高于L1－320 數據點分布，而且L2－320ΔQFe數據趨勢線高于L1－320ΔQFe數據趨勢線；

（2）L2－320ΔQFe平均值等于1.01 mg／ kg，L1－320ΔQFe平均值等于0.53 mg／ kg，L2－320ΔQFe平均值是L1－320ΔQFe平均值的1.91 倍，從統計數據分析，理論上說明使用L1－320 的齒輪箱壽命是使用L2－320 齒輪箱壽命的1.91 倍。

6 個不同風電場齒輪箱磨損ΔQFe變化對比分析結果如表2所示。

表2 風電場磨損ΔQFe統計

3.4 L1－320ΔQFe和L2－320ΔQFe對齒輪箱磨損影響分析

某風電場ΔQFe趨勢如圖4 所示。由圖可知：某風電場L2－320ΔQFe平均值為0.74 mg／ kg。L1－320ΔQFe平均值為0.41 mg／ kg，L2－320ΔQFe平均值是L1－320ΔQFe平均值的1.80 倍。理論上說明使用L1－320 齒輪油的齒輪箱壽命是使用L2－320 油齒輪箱壽命的1.80 倍。

圖4 某風電場ΔQFe趨勢

4 結束語

通過對在用風機齒輪油的監測以及數據統計分析齒輪油中磨損鐵元素的變化，說明不同含量的磷型添加劑的齒輪油表現出不同的極壓－抗磨性能，通過使用Spectro 油料光譜分析儀測試分析得出L1－320 極壓－抗磨性能優于L2－320。在風電油液監測分析中，通過監測磨損鐵元素含量，在計算出每100 可利用小時數鐵元素增量ΔQFe，能夠反映出風機齒輪箱磨損情況，從而為風電機組齒輪箱預防維修提供考參依據。