淺析風電齒輪箱零件清潔度控制與定量化檢測

朱俊秋

（南京高速齒輪制造有限公司，江蘇 南京 210000）

國家對環境的保護日益重視，在第75屆聯合國大會期間，中國提出將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭二氧化碳排放于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。作為極其重要的清潔能源之一的風能必將承擔起非常重大的責任，可以預想，未來幾十年，風力發電將會迎來非常良好的發展機會，風電投裝量會不斷增加，兆瓦級也會不斷增大，海上風電也將迎來發展壯大。風電系統對葉片、齒輪箱、發電機等主要部件的質量和可靠性必將提出更高要求。作為風力發電的關鍵核心部件的主齒輪箱，它在葉片和發電機之間起著匹配轉速和傳遞扭矩的作用，它的性能的好壞，對風力發電整個系統的正常運行，起著非常重要的作用。輪齒損傷、軸承損壞正是導致風電齒輪箱不能正常運行的主要失效形式，而齒輪箱清潔度差又是導致輪齒損傷、軸承損壞、潤滑不良的因素之一，它是一個十分重要的質量特性，必須進行控制。

1 清潔度對齒輪箱的影響

在齒輪嚙合的過程中，潤滑油將雜質帶入齒面嚙合區域，不但影響齒輪傳動的平穩性，甚至還會造成齒面壓痕、點蝕、膠合和磨損等輪齒損傷，縮短齒輪的使用壽命。

如果潤滑油將雜質帶入滾動軸承滾動體與滾道之間時，雜質會破壞它們之間正常的油膜，輕者會造成滾動體轉動不良，重者會使滾道及滾動體形成凹坑，造成其點蝕或其他軸承失效形式，縮短滾動軸承使用壽命。

如果潤滑油中的雜質進入滑動軸承滑動體表面后，會破壞潤滑油膜、研磨滑動軸承表面，甚至會直接破壞滑動軸承表層的巴氏合金層，造成滑動軸承磨損，振動加劇，機組無法正常運行。

另外，如果雜質堵塞噴油嘴、軸承噴油孔等位置，直接會導致齒面、軸承潤滑不足或不能潤滑，輕者導致溫度升高、壓力異常，重者造成齒輪、軸承損傷。

可見，齒輪箱清潔度差對齒輪箱潤滑、齒輪嚙合以及軸承等均產生相當大的影響，企業要采取相關措施，提高風電齒輪箱清潔度整體水平，以保證風電齒輪箱正常、可靠運行。

2 導致齒輪箱清潔度差的原因

一般來說，齒輪箱清潔度是指潤滑油本身清潔度、齒輪箱內部各個零件清潔度、裝配過程產生的清潔度、齒輪箱運轉過程中正常磨損產生的清潔度之和。

齒輪箱的制造是一個復雜的過程，包含零件鑄造、鍛造、機械加工、熱處理、整機組裝、試驗、涂裝等過程。零件加工、運輸起吊、裝配等各環節均可能產生顆粒異物。主要表現在：

一是裝配清洗前零件本身清潔度差。一方面，零件在機加工過程產生的翻邊、毛刺、鐵屑、油污、銹斑等沒有得到及時清理或清理不到位，或者存在螺紋孔、油孔深處部位鐵屑不容易被清理掉，這些都給裝配前零件清洗工作增加了難度。另一方面，鑄件（如箱體、轉架）表面內壁油漆附著力不夠，存在局部油漆起皮、磕碰造成油漆剝落等，在齒輪箱潤滑油的作用下，油漆脫皮會落入潤滑油中，造成潤滑油污染。

二是裝配前零件清洗過程沒有達到零件清洗后清潔度要求。如清洗時零件擺放方式不合理、清洗溫度、清洗壓力、清洗時間不合理、清洗液渾濁度高或清洗液沒有得到及時更換等因素均會造成零件在清洗工序清洗后達不到清潔度要求。

三是裝配過程產生的二次污染。主要是零件清洗后零件在起吊、存放、周轉過程中沒有及時做好防塵、防銹等措施或者零件在起吊、裝配過程磕碰產生毛刺等。另一方面是箱體結合面多余的密封膠落進齒輪箱箱體內，進入潤滑油中，造成潤滑油產生污染。

3 零件清潔度量化檢測研究

通常零件在進入裝配前都要經過零件清洗這個過程，以保證清潔度合格的零件才能進行裝配。對于零件清潔度的量化檢測，在汽車、發動機、軸承等行業比較常見，涉及的零件尺寸相對較小以，重量也相對較輕；而風電齒輪箱的零件尺寸相對較大，重量也相對較重，零件清潔度量化檢測相對困難，應用較少，目前主要還是依靠目視檢查法，檢查零件表面是否存在殘留的清洗劑、油污或其他異物等，對于箱體、轉架來說，還要檢查內壁油漆是否平整光滑、是否起泡、脫落等。目視檢查法雖然簡單但很粗糙，可能會造成零件清潔度誤判。因此，為了提高風電齒輪箱的使用壽命和可靠性，迫切需要對風電齒輪箱零件清潔度進行定量化檢測研究。

本文選取風電齒輪箱中一種鑄件類回轉體零件A作為研究對象（見圖1），旨在探索出這個類型的零件清潔度定量化檢測最佳參數。該類型的零件在風電齒輪箱內部做旋轉運動，齒輪箱內部的潤滑油會濺灑到其整個表面。本文試驗所用的這類零件，都是在經過零件清洗、零件清潔度目測合格后才進入相關試驗的。

圖1 零件A

3.1 試驗用設備

清洗機：壓力可調節范圍（10～120）bar；

烘干設備：烘箱1個；

測量設備：天平（精度：0.1㎎）、顯微鏡（放大倍數：50倍）；

輔助器具：接水盤（圖2，1個）、過濾膜片（若干）、燒杯（若干）、清洗液（一批）；

圖2 接水盤

本試驗還需要行車配合起吊。

3.2 測量系統分析

采用10個有污染物的過濾膜片作為樣本，讓3個試驗員對其進行天平稱重和顯微鏡掃描。每位試驗員對每張膜片分別重復掃描兩次和稱重兩次，進行測量系統分析。從圖3來看，試驗用的天平、顯微鏡和試驗人員組成的測量系統是穩定可靠的。

圖3 測量系統分析（顯微鏡、天平）

3.3 零件清潔度量化檢測流程

零件清潔度量化檢測流程分為輔助器具清潔度檢測和零件清潔度檢測兩大步驟，流程如圖4所示。

圖4 量化檢測流程圖

（1）輔助器具清潔度檢測。在零件清潔度檢測之前，需要先對輔助器具（諸如接水盤、過濾膜片、燒杯、清洗液）的清潔度進行確認，以確保他們自身的清潔情況對零件清潔度的最終評價不構成重大影響。首先將n張（n=1，2,3...）新膜片放置在烘箱中，在設定的溫度下進行烘干，膜片隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾前的膜片總重量W1：

清洗機壓力調至設定萃取壓力，噴槍對接水盤進行重復沖洗，將收集好的沖洗液用膜片進行過濾；過濾后的膜片在烘箱內按設定溫度進行烘干，隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾后的膜片總重量W2；

輔助器具清潔度用w0表示。

式中，S總為接水盤內表面面積、燒杯內表面面積、過濾系統內表面面積之和。

輔助器具清潔度評價準則：當w0小于零件清潔度技術要求10%時，表明輔助器具清潔度已滿足要求；如果超出10%，則需要查明原因并重新沖洗、檢測，直至滿足要求。

（2）零件清潔度檢測。重新選用m張（m=1，2,3...）新膜片，將之放到烘箱中，在設定的溫度下進行烘干、隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾前的膜片總重量W3；

將要檢測的零件吊運至接水盤正上方合適位置（圖5所示），清洗機壓力調至設定壓力，噴槍對該零件進行反復沖洗，將收集好的沖洗液，用上述過濾膜片進行過濾；過濾后的膜片在烘箱內按設定溫度進行烘干，隨爐冷卻至室溫后用天平進行稱重，得到過濾后的膜片總重量W4：

圖5 檢測沖洗過程示意圖

零件清潔度一般采用單位面積上污染物重量和顆粒數量兩個維度來評價。

①單位面積上污染物重量用w表示，計算公式如下：

式中S為該零件表面積。

②單位面積上顆粒數量的檢查使用顯微鏡進行掃描，按表1直接讀出清潔度等級。

表1 清潔度等級表

零件清潔度評價準則：當單位面積上污染物重量和顆粒數量兩項指標均滿足零件清潔度技術要求時，判定零件清潔度合格；如果其中有一項不符合要求，則判定零件清潔度不合格。零件需要退回零件清洗工序進行重新清洗，并重新檢測直至滿足要求為止。

3.4 污染物提取是否充分的影響因素

是否能充分提取出零件表面上的污染物，是準確評價清潔度等級的關鍵。在考慮諸多因素后，為研究簡化起見，本文選擇了清洗機壓力P（P1、P2兩個壓力參數）、噴槍至零件距離L（L1、L2兩個距離參數）、沖洗次數（沖洗1次和沖洗2次）這三個因素進行3因子2水平DOE全因子試驗。在每種組合下對選取的零件進行重復試驗2次，分別提取2次污染物進行稱重，第1次污染物稱重為Result1，第2次污染物稱重為Result2，以Y=Result2/Result1來衡量提取污染物能力。試驗結果如圖6所示。

試驗結果表明，距離、壓力的改變，并不會顯著改變Y值，而沖洗次數的改變可以顯著改變Y的數值，沖洗次數從1次提升至2次時，Y=Result2/Result1平均從17.7%的水平顯著提升至14%（比值越小，表明該工藝組合的污染物萃取能力越強）。因此，提升沖洗次數可以有效萃取出零件表面污染物。

3.5 污染物萃取曲線

根據圖6的試驗結果，本文在P1、L2的情況下，繼續選用新的2個零件，分別對其進行6次重復沖洗，檢測每一次的污染物重量，分別計為g1、g2、g3、g4、g5、g6，同時計算出gi/(g1+…+gi)，并畫出試驗后的各自的萃取曲線，如圖7所示。

圖6 DOE試驗

圖7顯示，當沖洗3次后，g3/（g1+g2+g3）值均小于10%的評價線，表明當沖洗次數達到3次時，可以把零件表面污染物基本萃取出來。

圖7 萃取曲線

4 結語

零件清潔度水平對風電齒輪箱來說是一個十分重要的質量特性，全員必須把零件清潔度作為質量關鍵控制點進行管控。企業可參考本文第2部分的闡述，根據自身狀況，落實提高零件清潔度整改措施并強力推動執行，以提高風電齒輪箱的清潔度整體水平，同時有必要增加對零件清潔度進行定量化檢測，將零件清潔度控制在合理水準。

本文通過試驗研究表明，壓力、距離與萃取污染物能力相關性較弱，而沖洗次數則呈顯著相關性。增加一定次數的沖洗次數，可以提高萃取污染物的能力。但是，不同零件、不同清洗機設備、不同清洗工藝等，可能都會導致顯著因子的不同，企業需要根據自身具體情況進行針對性的研究。另外，未來也可考慮定制自動循環系統實現收集、轉移、過濾沖洗液、沖洗液再回收利用的設備，以提升檢驗效率。