提高油品清潔度對于延長齒輪箱壽命的研究

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 楊家興 提 威 齊春祥

截至2020年年底，我國風電裝機容量達到2.81億kWh，是全球風電大國。在國內已投產的風電機組中，雙饋式風機占比超過70%。齒輪箱作為雙饋式風機的主要傳動部件，其運行工況復雜、環境惡劣，設備故障率高，一旦出現故障下架檢修，將會產生不菲的維修費用和發電量損失。在所有齒輪箱故障中，因設計、制造、裝配引起的故障占比約40%，因維護不當造成的故障占比約43%，另有17%的故障是因為相鄰條件（如發電機、聯軸器）的故障引起的。

而在運維不當產生的齒輪箱故障中，因為潤滑原因占比超過80%。由此可見，要想降低齒輪箱的故障率、延長齒輪箱壽命，一方面需要改進設計、提高制造工藝和裝配水平；另一方面，根據“木桶短板”理論，在機組投產后，設計、制造、裝配等因素均已確定的狀況下，通過補齊潤滑管理這塊“短板”，將其成為提高齒輪箱運行可靠性的有效途徑。

本文分析了風機齒輪油污染物的主要來源和危害，以長期不被重視的油品清潔度問題作為切入點，通過加裝離線過濾裝置改善潤滑并輔以相關管理手段，顯著提高齒輪箱潤滑油的清潔度，為延長齒輪箱壽命、指導齒輪箱的維護提供了一定依據和有益的工作建議。

1 齒輪油主要污染物來源和危害

1.1 齒輪油污染來源

外部污染。齒輪箱在制造（如機加工、研磨、熱處理、噴漆等）、運輸、裝配過程中都會引入一定的污染物。尤其是在裝配環節，由于重視程度不夠、作業標準不高，產生的污染是機組投產前外部污染的主要來源。機組投運后，由于運行操作和維護不當，也會帶入污染物，比如換油不規范、空濾更換不及時或者密封不嚴等。

內部污染。風機在磨合期以及日常運行中，不可避免會產生磨損、點蝕等，這些碎屑如果不能及時去除，會進入齒輪和軸承的油膜間隙，進一步加劇磨損，從而產生更多顆粒物。另外油品長期使用后，也會氧化降解產生污染[1]。

1.2 齒輪油污染物的危害

水分。水是機械失效的主要原因之一，水會明顯降低油的潤滑性能。當水分出現在高壓處，比如齒輪和軸承，水滴破裂（爆裂）會導致金屬表面的點蝕，更可能在水蒸汽暫時趕走油的時候出現金屬和金屬的直接接觸，水中游離的氫離子會加劇這一現象。水還會導致腐蝕，進一步造成金屬表面的損壞。此外，水會成為油品降解的催化劑，加速油品氧化和產生清漆和油泥。

顆粒物。固體顆粒物是油系統失效的最主要原因。尺寸相近或者略大于齒輪間容差的顆粒物危害較大，這種尺寸的顆粒物會對油膜造成破壞，初期會導致系統表面的微裂，進一步發展會使內部金屬結構退化，從而影響齒輪箱的使用壽命。另外，大量的顆粒物會對油品中的各種添加劑造成擠壓，如果顆粒物的污染問題得不到快速有效解決，油品中的添加劑特別是清潔劑和分散劑將會加速耗盡。

圖1 油品中的顆粒物對齒輪面造成的早期磨損

氧化降解產物。由于風機齒輪油較為惡劣的運行環境，加之受到的各種污染，不可避免會出現油品氧化，產生酸、油泥和清漆。酸會腐蝕設備，油泥和清漆會在關鍵元器件表面產生沉積形成漆膜并難以去除。

氧化物的危害主要有：吸附顆粒物，加速輪齒件磨損；黏附于換熱器表面，降低熱交換效率，增加超溫風險；堵塞過濾器、細油管和噴油嘴等，使油量不足造成潤滑失效；加速油的變質，增加維護成本。

1.3 齒輪油清潔度標準

國際標準《液壓傳動油液固體顆粒污染等級代號法》（ISO4406-1999）所規定的風機齒輪箱潤滑油清潔度見表1。國家標準《風力發電機組齒輪箱設計要求》（GB/T 19073-2018）和上述國際標準一致，并提出潤滑油清潔度需要風機制造商、齒輪箱制造商以及軸承制造商達成一致，在連續運行時齒輪箱穩定的清潔度不得低于-/17/14（ISO4406）。而根據國內知名齒輪箱制造廠家的建議，齒輪箱清潔度標準不應低于-/15/12（ISO4406）。

表1 齒輪箱潤滑油清潔度

表1中清潔度的3個數據分別代表不同顆粒計數級別：第1個數值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于4μm 的雜質數量級別；第2個數值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于6μm 的雜質數量級別；第3個數值代表每毫升樣品中顆粒直徑大于14μm 的雜質數量級別[2]。

從已有公開資料查詢，國內很多風機在換油兩年或更短時間內，顆粒物污染就已基本達到或超過21/19/16（ISO4406），齒輪箱潤滑油清潔度不容樂觀。主要原因是齒輪箱潤滑油在線過濾裝置精度一般為10μm 以上，對于水和低于10μm 的顆粒物無法過濾，也無法過濾油泥等氧化物，因此油品清潔度得不到可靠保障。歐洲和北美的一些主要OEM 廠商在十幾年前就開始在齒輪箱加裝離線精濾系統，以保證顆粒物污染控制在17/15/12（ISO4406）的水平，盡可能提高油品清潔度，以延長齒輪箱壽命。

TNA 總酸值代表油品老化程度。從表2可以看出，金屬顆粒和水分的同時存在對酸值上升（即油品老化）有十分明顯的加速作用。因此，既要防止水進入油中，同時也要及時濾除油系統中存在的金屬顆粒物，以延緩油品老化速度，保障潤滑效果。

表2 污染物對油品老化程度的影響（來源：Noria 公司）

圖2 主齒輪箱潤滑油異常情況因素統計分析

國內某油品檢測機構通過對近5年來上萬臺風機大數據分析，主齒輪箱潤滑油檢測樣品的主要問題就是磨損、油品污染超標。污染物主要為水和固體顆粒等，齒輪箱的磨損主要是鋼質部件的磨損。

2 對某風電公司風機齒輪箱潤滑油的跟蹤研究

2.1 初始油品情況

對某風電公司下屬風場的8臺齒輪箱潤滑油進行檢測，其油品污染情況不容樂觀（1、2、5號風機齒輪箱近1年內進行過部分換油，其他機組齒輪油均超過5年未換油）。具體見表3。

表3 某風電公司8臺齒輪箱油品檢測情況

2.1.1 黏度分析

黏度是齒輪箱潤滑油最重要的指標，對于設備的安全運行起著至關重要的作用。該風電公司齒輪箱潤滑油均選擇運動黏度為320mm2/S 的齒輪油。通常規定齒輪油的運行黏度變化不應超過15%，黏度變化過大意味著齒輪油發生了較為嚴重的衰變。通過檢測可知，該8臺齒輪箱潤滑油黏度與基準值相比變化不大。

2.1.2 酸值分析

齒輪箱潤滑油在運行過程中長期受空氣、水分、溫度以及污染物等影響，容易發生氧化反應，生產一系列酸性氧化物，導致油品酸值增加。酸值含量過高會影響油品的潤滑性能，同時對齒輪箱造成一定程度的腐蝕。酸值一般不允許比新油高+0.5AN，如果酸值增加到1AN 則需要立即采取措施。（例如：如果新油是0.5AN，那么1.0AN 就需要警惕，1.5AN 就是警報）[3-4]。從表3來看，共有5臺齒輪油酸值超過1AN，說明齒輪油的酸值污染比較嚴重，應該采取措施（如加強過濾、清洗系統、換油等）來降低酸值，以減少腐蝕和潤滑性能降低等帶來的不利影響。

2.1.3 水分分析

水進入齒輪油的危害較大，該8臺齒輪油的水分含量均低于100ppm，遠低于300ppm 的報警線，處于一個良好的水平，說明齒輪箱上部安裝的呼吸器工作情況良好，使水分進入呼吸器后被其內部的濾膜吸附，無法進入齒輪箱，從而達到控制油中水分的目的。

2.1.4 顆粒物分析

從表3可知，1、2、5號風機一年內進行過部分換油，其齒輪油顆粒物污染情況盡管相對較好，但也達到了換油標準。其他風機齒輪油清潔度全部嚴重超標，3、4、6、7號風機超過國標標準4個等級以上，這樣長期運行下去對齒輪箱的傷害是可想而知的。

數據表明，在齒輪箱潤滑油系統中，尺寸在1～5μm 的顆粒物約占70%～80%。因為齒輪油系統間容差十分精細（微米級），危害最大的就是尺寸相近或者略大于油系統齒輪間容差的顆粒物。當微小的磨料顆粒如沙粒和塵埃進入到油系統當中，隨著油進入到系統關鍵部件當中，擠入精密間隙比如滾動接觸區時，會導致系統表面的微裂，使表面產生凹坑，容易引發材料的磨損，產生并釋放更大尺寸的碎片[5]，從而影響齒輪箱壽命。

2.2 加裝離線過濾裝置提高油品清潔度

鑒于齒輪箱在線過濾系統不能有效地過濾掉潤滑油中的污染物，越來越多的風電企業開始加裝離線過濾裝置。齒輪箱離線精濾系統過濾精度一般為3～5μm，實際運行中，98.7%粒徑大于3μm 的固體顆粒會被過濾掉，能使齒輪箱潤滑油清潔度提高到17/15/12（ISO4406）。根據已有研究，將過濾精度由10μm 提高到3μm，軸承的壽命會增加50%。但過濾精度并不是越細越好，過于精細可能會過濾掉潤滑油中的添加劑成分。

2.2.1 齒輪箱離線濾油裝置的選擇

齒輪箱離線濾油裝置的選擇應遵循以下原則：離線過濾器的精度應達到3μm（β3≥200）的水平；濾芯應具有較大的納污能力，并保證更換周期不低于1年；要能吸收潤滑油中的自由水分；過濾器的尺寸應合理設計并且采用與潤滑油化學相容的材料制造，確保不會過濾掉油中的有效添加劑；該離線過濾裝置是一個獨立回路，不受系統是否啟停的影響均可運行，且不會對油系統造成任何不良影響；要有一個自動開啟的旁路。

2.2.2 齒輪箱離線濾油裝置的試用

2021年4月底，對該批8臺機組加裝了離線濾油裝置，經過45天的運行后，對齒輪油進行取樣化驗，結果見表4。

表4 加裝離線濾油裝置45天后油品檢測情況

對比表3和表4，根據油樣檢測結果可知：從黏度來看，變化幅度較小，且絕大部分機組（只有4號機組齒輪油黏度從326變為328）都是向320靠近，說明該離線濾油裝置對黏度指標有積極作用，其原因是離線濾油裝置吸附了齒輪油中的部分氧化物，使其黏度指標向好；從酸值來看，和黏度類似，變化幅度很小且大部分是向好變化；從水分來看，是在一個很低的污染水平的基礎上有所浮動，總體來說幾乎沒有變化；從顆粒物來看，1、2、5號風機齒輪油顆粒物含量得到一定改善，大致提高1～2個等級左右，這3臺機組齒輪油初始情況良好，因此其變化幅度并不明顯。3、4、7號機組齒輪油顆粒物含量大幅降低，污染情況得到大幅改善，污染物清潔等級大致提高了4～6個等級，可謂十分明顯。6號和8號機組在離線過濾裝置運行45天后的油品檢測結果沒有達到預期，分析可能是取樣不規范引起的，經過再次取樣檢測后其顆粒物污染物也得到了比較明顯的改善，大致提高了4個等級。

需要指出的是，為了關注油品清潔度變化趨勢，特別對1號和6號風機齒輪油進行每周取樣檢測。從檢測結果來看，其污染物降低并不是呈直線下降趨勢，而是曲折下降，中間有過反彈現象（見圖3、圖4）。一般來說，如果齒輪油使用時間較久，且僅依靠齒輪箱自帶過濾系統，如新安裝離線過濾后油品質量出現反彈是一個正常現象。這是因為在過濾初期，油品質量明顯好轉，隨著持續過濾，較干凈的油會逐漸和隨機帶走（沖刷）原來黏結在齒輪箱、油管、油箱內壁和底角等處的污染物，從而導致油品污染度反彈。只有當系統元件和整個油系統徹底清潔后，油品才會真正好轉并保持穩定。這需要一定的時間，且和油品污染程度、風機是否運轉、過濾裝置流量、添加劑消耗情況等因素密切相關。

圖3 1號風機油品清潔度變化趨勢（每周取樣）

圖4 6號風機油品清潔度變化趨勢（每周取樣）

2.2.3 油品清潔度與齒輪箱壽命的相關研究

當前，齒輪箱油品的清潔度已經受到越來越多的重視。根據潤滑領域國際著名研究機構Noria 公司的研究成果表明：齒輪箱使用壽命和潤滑油清潔度密切相關，通過提高油品清潔度，可以顯著延長齒輪箱壽命。一些風機制造商認為，當控制齒輪箱中潤滑油的污染程度不大于14/12/10（ISO4406）時，齒輪箱壽命可以達到20年。但實踐發現，許多齒輪箱在運行3～5年后就開始頻出故障，運行8～10年后則故障多發，甚至需要更換齒輪箱，這是因為在只有在線過濾系統的情況下，風機齒輪箱潤滑油清潔度難以得到保證。

從圖5可知，如果齒輪油清潔度等級從24/22/19（ISO4406，左側第一列第2行）提高到17/15/12（ISO4406，左側第六列）后，齒輪箱壽命可以延長3倍（不考慮齒輪箱原始制造工藝、材料、安裝問題，投用后油品清潔度對其壽命的影響，下同）。剔除最近1年換過油的1、2、5號風機，可以看出：3號風機油品清潔度從24/22/19（ISO4406）提高到18/15/11（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長3倍；4號風機油品清潔度從24/22/20（ISO4406）提高到20/18/16（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.7倍；6號風機油品清潔度從24/22/18（ISO4406）提高到20/18/14（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.7倍；7號風機油品清潔度從24/22/13（ISO4406） 提高到21/18/16（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.3倍；8號風機油品清潔度從23/19/14（ISO4406）提高到19/16/11（ISO4406），齒輪箱壽命大致可以延長1.5倍。

圖5 油品清潔度等級和設備壽命對應關系

值得注意的是，油中的自由水分對設備壽命的影響更為突出。SKF 等公司的研究表明，當油中的溶解水含量達到500ppm 時（0.05%），齒輪箱軸承的壽命下降約58%。因此，還要盡可能控制油中水分含量。本次用于研究的8臺齒輪箱因水污染控制較好，故不在本文討論范圍之內。

3 結論

一是通過某風電公司8臺齒輪箱潤滑油的檢測結果顯示，在國內普遍實行的5年的換油周期內，僅通過在線過濾裝置，齒輪油清潔度難以達到國標（GB/T 19073-2018）要求。

二是一套質量可靠的離線過濾裝置可以有效提高齒輪油清潔度。從試驗數據來看，雖然僅僅投入使用45天，但是8臺齒輪箱潤滑油的清潔度平均提高了2～4個等級，效果十分明顯，對于保障齒輪系統長期穩定運行，離線濾油裝置是一個合適的選擇。

三是國內、外齒輪油清潔度控制標準有差異，總體上國內的控制標準低于國外主流控制標準2個等級以上。在條件允許的情況下，盡可能提高齒輪油清潔度，可以有效降低齒輪箱故障率，延長齒輪箱壽命，從而減少檢修費用和停機損失。

四是對于新建風電項目，在設計階段就應該以國內外通行的污染物控制目標或者齒輪箱制造廠家建議的控制目標為導向，考慮采用高效的污染控制方案，進而達到預防性維護的效果。