風電齒輪箱應用吸附式過濾器的可行性探析

陜西龍源新能源有限公司 頡小龍 張水基 王秋思 馬 樂 馬貴強

目前國內風力發電裝機總量接近4億kW，風力發電機總數量為20萬臺左右，風場分布在全國各個省區，在各種地形和環境條件的地區均建設了相當數量的風力發電機組。在實際工作當中可以發現，相同的機型在不同的地區會出現明顯不同的齒輪箱故障概率的現象，其故障特征也不盡相同[1]。風機的設計形式和齒輪箱的設計形式以及運行載荷條件是齒輪箱故障的初始條件因素，這種因素對于后期運行期間的設備管理和維護手段來說是確定條件，后期無法改變和優化。由此可以進一步得到結論，在風力發電機運行后的設備管理和維護過程中，改善齒輪箱潤滑系統的工況條件和齒輪油的品質，是相對最有效同時也是最可取的手段[2]。

近年來，風電齒輪箱各種損壞的故障多有發生，運行十年左右的風電場齒輪箱故障返廠維修的數量占到了設備數量的10%～30%，這是非常嚴重的故障現象，給某公司造成了巨大的經濟損失和發電效能損失。

齒輪箱的設計形式、運行載荷、潤滑系統的工作品質決定了齒輪箱運行的狀態是否穩定高效，相同批次的齒輪箱安裝在不同的風場，故障頻次和故障特征差異性明顯，說明齒輪箱的故障和現場運行管理和維護方式關系密切，需要深入分析其原因和管理手段，采取必要有效的維護方案才能減少齒輪箱故障。

1 某公司風機齒輪箱齒輪油清潔度現狀

齒輪箱隨著運行年限的延續，齒輪持續的運轉會產生大量的金屬磨粒，齒輪油被金屬磨粒污染，有效的添加劑會逐漸流失，齒輪油的特性會發生持續的變化，目前某公司在運的齒輪油有以下特點：齒輪副運轉產生大量的金屬磨粒，油中存在大量金屬顆粒物，造成齒輪油清潔度等級超標；金屬磨粒在齒輪油中無法及時有效濾除，齒輪油PQ 指數明顯增高；齒輪油中鐵元素增加；齒輪油氣泡特性惡化，齒輪油中有大量氣泡不能及時消散；齒輪油抗磨劑消耗，齒輪油的抗磨特性減弱。

表1為某公司一個風場齒輪箱齒輪油取樣送檢的報告，根據油質檢驗報告可以做出以下判斷：兩次取樣時間間隔一年時間，齒輪油的清潔度指標從NAS12級升高到了NAS15級。ISO4406指標從23/20/15升高到了24/23/17級，說明齒輪油的污染物數量明顯增加，尤其是5～15μm 和＞100μm 的顆粒物數量增長超過10倍；鐵元素從137mg/kg 上升到311mg/kg，說明齒輪的磨損持續發展，齒輪油中的金屬磨粒越來越多；磷元素從187mg/kg 下降到166mg/kg，說明齒輪磨損產生的活躍的金屬摩擦面和金屬磨粒的活躍面在不斷消耗抗磨劑，隨著抗磨劑流失齒輪油的抗磨特性越來越差；PQ 指數從＜15升高到73，說明金屬磨粒越來越多，尤其是顆粒度較大的顆粒物增加明顯。

表1 油質檢驗報告

總結：齒輪油的清潔度在運行期間持續惡化，按照維護計劃正常更換濾芯，正常的過濾手段不能有效的凈化齒輪油質。風機齒輪箱齒輪油的清潔度惡化狀況需要特別關注，為了減少齒輪箱故障，必須大幅度提高齒輪油清潔度。

某公司計劃要通過磁性過濾裝置來解決齒輪油污染度高的問題，首先利用磁性過濾裝置的性能特點制定具體的實施步驟來實現凈化油質的目的。清理吸附式過濾裝置可秤重計量吸附在過濾器上的雜質重量并做記錄，雜質可以收集進行分析，可以進行磨損物質類型分析和齒輪箱故障趨勢分析，這對于齒輪箱故障分析和預防都是有現實意義的[3]。

通過分析金屬磨粒的類型可以判斷齒輪箱內主要的磨損部位和形式是什么狀態，根據分析可以制定針對性的應對措施。油質很臟則需要增加清理的頻次，待油質清潔度改善后可以長周期無需清理，每年風機定檢時打開濾筒清理過濾裝置即可[4]。從圖1可以看到，磁性吸附式過濾器可以一次性捕獲大量的金屬性顆粒物。經過過濾后齒輪油清潔度從NAS12凈化到了NAS10級，25μm 以上的顆粒物數量大幅度減少，減少的幅度大約為95%，說明經過一定時間的過濾齒輪油的清潔度明顯提升了。

圖1 磁性吸附式過濾器顆粒吸附

2 相關問題及解決方案

2.1 齒輪油清潔度超標造成的齒輪箱損壞故障類型

斷齒：是齒輪箱故障的末端現象，首發現象比較隱蔽而容易被忽略[5]，這類故障往往是軸承定位偏移造成齒面偏載，或者是齒輪箱運轉沖擊等這些異常因素導致的，這些故障都跟齒輪油污染存在相關性；軸承磨損：齒輪油中的金屬磨粒隨著油流進入到各個軸承的潤滑部位和輥動體一起運轉，磨粒會直接磨損輥動體和輥道，進而造成輥道間隙增大，軸承定位能力逐漸偏差，軸承運轉沖擊明顯增加。

齒面點蝕：齒輪油污染后導致油液的指標劣化，齒輪副運轉時油液無法提供穩定的油膜條件，齒面發生極壓磨損，導致發生金屬表面疲勞，這就是點蝕現象的形成原因。齒面發生點蝕后運轉沖擊明顯增大，隨著點蝕的發展最終形成齒面剝落。

2.2 齒輪箱齒輪油系統標配過濾器存在問題

齒輪箱潤系統標配了一個名義過濾精度10μm的濾芯，這種濾芯的過濾層采用濾棉制造，通過濾棉形成的一種網眼結構來分離油液和雜質。這個標配的濾芯無法保證齒輪油維持在達標的清潔度水平，即便頻繁更換濾芯也無法解決齒輪油清潔度超標的問題，齒輪箱故障仍然頻發，這種換濾的主要缺點如下。

金屬顆粒物可以穿透濾芯的過濾層。由于濾芯的過濾層采用單層濾棉制作，金屬磨粒雜質會穿過濾棉層逃離，其對金屬磨粒的濾除效能差。齒輪箱齒輪油黏度高、系統流速高，金屬雜質一定會隨著油液穿透濾棉進入凈油側，形成破窗效應，這是目前齒輪油經過濾芯仍然存在大量金屬磨粒最主要的原因。

濾芯的功能設計在高壓差時會導致污油出現短路。濾芯頂部設計了一個單向閥，這個單向閥在濾網壓差達到預設值時會打開以保證齒輪箱潤滑的最小流量。齒輪油黏度高，在冬季低溫啟動時油溫一般為100C，此時齒輪油的黏度是2000～3000mm2/s，高黏度的工況下濾芯通過能力必然不足，往往會造成壓差高而頂開單向閥，造成污油和雜質進入凈油側。

采用濾棉制造的濾芯會濾除齒輪油中的添加劑。為了獲得穩定的物理特性，齒輪油中添加了多種添加劑，添加劑在化合效應的作用下會凝聚成大分子團的形態，齒輪油流過纖維質濾棉表面時添加劑會黏附在濾棉纖維上，尤其是抗泡劑和抗磨劑更容易發生這種濾除效應，齒輪油在使用不久以后就會出現泡沫急劇增多的現象。

纖維質網篦式濾芯污染后流量減小造成欠潤滑問題。新更換一只濾芯后在一段時間內潤滑系統流量可以保證，但是運行一段時間后流量又逐漸下降，發生濾棉污染后流量會下降到設計流量的50%～70%，欠潤滑狀態而導致磨損加劇；這種濾芯是消耗品，一次性使用后廢棄造成環境污染風險。隨著風機運行時間延長，每年產生大量的濾芯廢棄物是風電場最大宗的污染性廢品，存在環保風險和費用負擔。

根據以上的分析可以得到結論：纖維質網篦式濾芯并不適合齒輪箱這種高流速、高粘度油質、溫度變化頻繁的潤滑系統，無法在系統運行時高效的濾除齒輪油中的金屬磨粒，這是纖維質網篦式濾芯的材料特性和潤滑系統的基本流程特性決定的[6]。

2.3 磁性吸附式過濾裝置

某公司組織技術攻關，基于對纖維質網篦式濾芯的分析，為了解決齒輪箱齒輪油清潔度超標的問題，提升齒輪箱健康水平，某公司設計開發了一種新的能有效濾除齒輪油磨粒并且能有效優化過濾器性能的產品，通過這種產品的使用能保持齒輪油清潔，同時不產生其他的不利效應。這種新開發的過濾器具有靶向過濾的能力，其技術特點主要有以下幾點。

吸附式過濾裝置專門濾除齒輪油中金屬顆粒物。過濾器使用磁性材料制造，專門捕獲濾除齒輪油中危害最大的鐵磁性金屬顆粒物，不會捕獲其他有效的添加劑成分。金屬顆粒物隨著油液流經過濾單元附近時就會被過濾單元捕獲，是必然的作用關系，無論在任何條件下這種作用力都不會消失。根據齒輪箱潤滑系統高流速和高粘度的工作條件，必須選擇性能極佳的材料生產過濾器。

吸附式過濾裝置可以長期使用，設計達標的情況下使用壽命可以超過25年。過濾器每次拆解清理后都可以復裝重新使用，不產生任何廢棄物和污染性的損耗品，沒有環保風險和管理風險。

吸附式過濾裝置沒有流程阻力。齒輪油流過磁性吸附式過濾器的過濾單元的外圍表面就會被捕獲吸附，磁性吸附式過濾器的內部有數倍于管道截面的通流面積，所以即便在齒輪油黏度最大的時候齒輪油經過過濾器也不會形成阻力，這個特點可以滿足潤滑系統在任何環境條件下正常運行，不會造成任何形式的齒輪箱欠潤滑。這是一個非常突出的性能優勢，決定了吸附式過濾器非常適合在齒輪箱這種高粘度齒輪油系統上應用；吸附式過濾裝置納污能力強，即便在捕獲了大量金屬顆粒物的情況下仍能繼續保證流量，可以繼續使用。

3 結語

風力發電機齒輪箱潤滑系統標配使用的纖維質網篦式濾芯，無法在多數工況條件下保證齒輪油的清潔度，油液中存在有大量的金屬磨粒，齒輪油清潔度指標長期超標；纖維質網篦式濾芯會吸附齒輪油中的有效添加劑成分，尤其是抗泡劑和抗磨劑，造成齒輪油品質惡化；纖維質網篦式濾芯通過性容易受到油液黏度和濾棉污染度的影響，尤其是油溫較低時過濾阻力增加、流量不足，造成齒輪箱欠潤滑；纖維質網篦式濾芯必須定期更換，廢舊的濾芯是有毒廢棄物，造成環保和管理風險。

某公司定制設計吸附式過濾裝置和纖維質網篦式濾芯交替使用，吸附式過濾裝置針對濾除齒輪油中的金屬性磨粒進行設計，可以高效濾除并收集金屬性顆粒物。被過濾裝置捕獲的金屬磨粒可以收集并進行分析，對于齒輪箱故障分析和預防齒輪箱故障有現實作用；吸附式過濾裝置可以在最極端的運行條件下保證充足的系統流量，沒有截流效應，不會濾除齒輪油中的有效添加劑成分，可以實現長期使用。定期清理后重復使用，不產生廢棄物和有害污染物，沒有環保風險。