基于齒輪油監(jiān)測的風(fēng)機齒輪箱運行狀態(tài)分析

張志勇，高 飛，烏日娜，阿茹娜，劉 江，禾志強

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020；2.維克森（北京）科技有限公司，北京 100040）

0 引言

盡管這些年風(fēng)電行業(yè)迅速發(fā)展，齒輪箱設(shè)計、制造、運行維護水平得到長足進步，但是子系統(tǒng)或組件故障經(jīng)常過早發(fā)生，特別是動力傳輸系統(tǒng)像主軸軸承，齒輪箱等[1]。因此，提高動力傳輸系統(tǒng)的可靠性和延長齒輪箱的使用壽命對于降低機組運行成本非常關(guān)鍵。

主齒輪箱是風(fēng)電機組的核心部件，設(shè)計壽命一般為20 a，它可以將葉片的低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機上的高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩。如果齒輪箱發(fā)生故障，將對機組安全穩(wěn)定運行將產(chǎn)生巨大的影響[2-3]。由于風(fēng)機安裝地點限制和齒輪箱每次更換或大修耗時、費力，在風(fēng)機動力傳輸系統(tǒng)中齒輪箱屬于維修費用最高的組件，因此也成為整個系統(tǒng)可靠性關(guān)注的焦點[1]。潤滑油在齒輪箱潤滑系統(tǒng)中起著減少齒輪箱摩擦副之間的磨擦,降低磨損的重要作用，來保持齒輪機構(gòu)的工效和延長使用壽命[4]。因此，風(fēng)機機組潤滑油的性能與狀態(tài)將直接影響到齒輪箱是否能夠安全和平穩(wěn)的運行，是齒輪箱系統(tǒng)可靠工作的重要保證。

油液分析技術(shù)是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的有效手段，廣泛的應(yīng)用于風(fēng)電機組齒輪箱狀態(tài)評價[5]。油液分析技術(shù)不僅可以對油液的劣化程度、污染程度、添加劑成分損耗程度進行檢測分析，也可以對油液中所含磨損顆粒的數(shù)量、大小、形貌進行分析。因此，通過油品監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)是否存在氧化裂解、老化現(xiàn)象，是否存在水、灰塵等污染；齒輪箱部件是否存在磨損、腐蝕；是否存在換油周期過長和不當?shù)挠吞幚矸椒?；是否存在油品選用錯誤和不合理的污染控制措施（過濾、泄漏）等現(xiàn)象，從而實現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性保養(yǎng)與維護，減少停機損失。同時，也可對設(shè)備故障進行早期預(yù)報，避免突發(fā)事故的發(fā)生。

對內(nèi)蒙地區(qū)某風(fēng)電場累積運行15 000 h的齒輪油通過外觀、酸值、水分、顆粒污染度、黏度、光譜元素、紅外光譜分析等手段對油品的理化性能、清潔度和齒輪箱部件磨損狀態(tài)進行了客戶評價。同時，對磨損元素含量較高的油品進行了鐵譜分析，并對該油品所屬的齒輪箱內(nèi)部進行了內(nèi)窺鏡檢測。

1 實驗

1.1 取樣

內(nèi)蒙西部地區(qū)某風(fēng)電場10臺機組齒輪油，分別命名為1#～10#。取樣部位為齒輪箱底部；運行時間15 000 h；運行溫度（40～60）℃。

1.2 實驗儀器及方法

（1）水分測定。瑞士Metrohm831實用型庫倫卡氏水分測定儀，依據(jù)標準：GB 7600—2014運行中變壓器油和汽輪機油水分含量測定法（庫侖法）。

（2）酸值分析。瑞士Metrohm全自動電位滴定儀，依據(jù)標準：GB/T 7304—2014石油產(chǎn)品酸值的測定電位滴定法進行測試。

（3）黏度測試。美國CANNONminiAV全自動運動黏度測試儀，依據(jù)標準：GB 265—1988《石油產(chǎn)品運動黏度測定法和動力黏度計算法》。

（4）顆粒污染度測試。美國太平洋Hiac/Royco 8000A激光顆粒計數(shù)儀，依據(jù)標準：DL/T 432—2007《電力用油中顆粒度污染度測量方法進行測試》。

（5）光譜元素分析。德國斯派克電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀 SPECTRO ARCOS SOP，依據(jù)標準：GB/T 17476—1998《使用過的潤滑油中添加劑元素、磨損金屬和污染物以及基礎(chǔ)油中某些元素測定法（電感耦合等離子體發(fā)射光譜法）》，測試樣品時，采用直接稀釋法進行測試。

（6）紅外光譜分析。德國布魯克Tensor 27。

（7）鐵譜分析。VIC-T型制譜儀，OLYMPLUS TL4顯微鏡。

2 結(jié)果與討論

10臺風(fēng)機齒輪油的外觀、水分、酸值、運動黏度和顆粒度指標見表1。

2.1 水分

水分對設(shè)備存在嚴重威脅，它能腐蝕、銹蝕設(shè)備的金屬材料，能夠引起油品氧化，降低潤滑油負載處理能力；能夠破壞油膜，降低潤滑性，加劇摩擦付部件的磨損。同時，水分能夠在高溫、氧、金屬存在條件下與油品起反應(yīng)，形成酸、膠質(zhì)和油泥，而且能析出油中的添加劑，減低油品的使用性能，低溫時使油品流動性變差。從表1中可以看出10臺風(fēng)機齒輪油的水分均在100×10-6以下，符合DL/T 1461—2015中水分的質(zhì)量指標要求。內(nèi)蒙古西部地區(qū)屬于西北干旱區(qū)域，盡管氣候變化情況復(fù)雜，但氣候干旱，降水量少，因此，齒輪油含水量較小，對風(fēng)機潤滑系統(tǒng)的潤滑性能影響較小。

表1 風(fēng)機運行齒輪油的理化指標檢測結(jié)果

2.2 酸值

酸值是判斷油中酸性添加劑的量度，也是油品使用過程中氧化變質(zhì)的重要判別指標。油品酸值大小與很多因素有關(guān)，像水含量、油品氧化程度、添加劑類型、化學(xué)分解副產(chǎn)物等。通過酸值數(shù)據(jù)分析，可以判斷油品是否發(fā)生氧化，可以選擇油品更換時間、預(yù)防組件腐蝕等事故發(fā)生。DL/T 1461—2015《發(fā)電廠用齒輪油運行及維護導(dǎo)則》中規(guī)定了酸值增加值質(zhì)量指標是≤0.8 mgKOH/g。不同品牌的新油往往具有不同的酸值，這主要與添加劑種類和含量緊密相關(guān)。殼牌HD320和美孚SHC320新油的酸值基本在1 mgKOH/g。根據(jù)相關(guān)資料，殼牌HD320新油的酸值典型值為1 mgKOH/g。從表1可以看出運行油酸值基本在（0.8～1）mgKOH/g，表明油品未發(fā)生明顯的氧化變質(zhì)現(xiàn)象。

2.3 運動黏度

運動黏度是潤滑油牌號劃分的主要依據(jù)，也是油品選擇的重要依據(jù)，與潤滑油劣化緊密相關(guān)。齒輪油黏度過大，油流循環(huán)速度減小，運轉(zhuǎn)阻力增大，內(nèi)耗增加，而且冷卻散熱效果變差，更重要的是影響正常的潤滑，造成摩擦副運轉(zhuǎn)時非正常的磨損。黏度增大是與油質(zhì)氧化、劣化或者污染有關(guān)。一般認為，造成黏度增大的原因主要是高溫運轉(zhuǎn)、換油周期較長、存在水或者其他氧化劑污染，同時也與煙塵或者灰塵污染有關(guān)。造成油品黏度降低的最主要原因是其他油品或者溶劑的污染有關(guān)；其次是機械剪切力對油品中大分子量添加劑的作用，造成分子鏈斷裂，引起黏度降低；另外，錯加油品也是油品黏度降低的另一方面原因。所以，長期使用的齒輪油要保證黏度在合適的范圍內(nèi)，確保風(fēng)機運行安全。從表1中可以看出，10臺風(fēng)機齒輪油的黏度均符合DL/T 1461—2015中規(guī)定的黏度的質(zhì)量指標要求。

2.4 清潔度

潤滑油的清潔度包含潤滑油本身的潔凈程度和運行過程中產(chǎn)生的粉塵、油液氧化產(chǎn)生的油泥、齒面接觸和摩擦產(chǎn)生的磨粒，可以通過清潔度定量表示。本文采用DL/T 432標準中的方法對10臺風(fēng)機齒輪油進行了顆粒度分析。DL/T 1461—2015中規(guī)定了顆粒污染度的質(zhì)量指標是≤-/20/17。從表1可以看出10臺風(fēng)機齒輪油的顆粒度指標超出了標準規(guī)定的要求，這可能與風(fēng)機復(fù)雜的運行環(huán)境、機械雜質(zhì)污染或者齒輪內(nèi)部部件有磨損有關(guān)。同時，還可能是系統(tǒng)內(nèi)部精密過濾器過濾效果不佳原因造成的。

2.5 紅外光譜分析

利用紅外光譜分析，可以通過對比新油和在用油特征吸收峰的變化來檢測潤滑油中是否有氧化降解現(xiàn)象，從而表征油品質(zhì)量狀態(tài)。在齒輪油紅外光譜圖譜中，可以通過判斷（1600～1780）cm-1波數(shù)處的吸收峰確定油品是否發(fā)生氧化或硝化；可以通過（3500～3600）cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的吸收峰確定水分污染狀態(tài)；可以通過2000 cm-1處的吸收峰確定油品降解后不溶物形成的情況。通過對比10臺風(fēng)機潤滑油的紅外光譜和新潤滑油的紅外光譜可以得知，與新油相比，運行潤滑油紅外光譜在（1600～1780）cm-1波數(shù)處的吸收峰沒有發(fā)生明顯的變化，表明運行潤滑油未發(fā)生明顯的氧化變質(zhì)現(xiàn)象；在3500 cm-1波數(shù)附近的水分子的特征吸收峰并沒有明顯變化趨勢，與庫侖法分析的結(jié)果一致，表明新油和運行油中水分含量沒有明顯變化。

2.6 光譜分析

利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜方法可快速測定油樣品中17種元素的含量信息，并獲得高精密度、高靈敏性、極低的檢出限。從表2可以看出，10臺齒輪箱油樣品中，鐵元素的含量在（20～58）μg/g，最高數(shù)據(jù)為 57.2 μg/g。光譜數(shù)據(jù)表明 10 臺風(fēng)機齒輪箱部件均出現(xiàn)不同程度的磨損，磨損程度、類型需要做進一步分析。

2.7 分析鐵譜

選擇鐵元素含量相對較高的6#風(fēng)機進行了鐵譜分析，表3給出了磨粒類型和尺寸信息，切削磨粒和銅合金顆粒的微觀形貌如圖1所示。

從表3可以看出，滑滾復(fù)合磨粒等（左）和外界污染顆粒等（右）油中有個別小尺寸的鐵磁性磨粒、個別＜30 μm的滑滾復(fù)合磨粒和個別外界污染顆粒等。鐵譜分析圖表明設(shè)備磨損狀態(tài)正常。

2.8 內(nèi)窺鏡檢查

為了準確查找磨損部位及分析磨損程度，對6#風(fēng)機進行了內(nèi)窺鏡檢查。內(nèi)窺鏡檢測可以對齒輪箱內(nèi)輸出軸、輸出齒輪、中間軸、中間齒輪、一級行星輪、一級內(nèi)齒圈、二級行星輪、二級內(nèi)齒圈、輸出軸前軸承、輸出軸后軸承、齒輪軸前軸承進行直觀檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷、缺陷面積、深度等數(shù)據(jù)信息，從而做出準確評價。內(nèi)窺鏡檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)二級內(nèi)齒圈出現(xiàn)磨損，一級行星齒、一級內(nèi)齒圈、二級行星齒、中間齒輪和輸出軸、齒轂前軸承、輸出軸前軸承、輸出軸后軸承均無明顯磨損現(xiàn)象（圖 2）。

表2 運行齒輪油的光譜分析數(shù)據(jù)

圖1 鐵譜分析圖

表3 分析鐵譜數(shù)據(jù)

圖2 內(nèi)窺鏡圖

一般來說，磨損主要取決于接觸應(yīng)力大小，載荷、速度、溫度、材料及表面硬度、表面微觀幾何形狀及潤滑狀態(tài)和潤滑膜厚度。因此，對于終端客戶來說，如果潤滑油選用不當，潤滑方式不良，或油液監(jiān)測不利，均會引起、促使或加劇磨損。6#風(fēng)機二級內(nèi)齒圈出現(xiàn)輕微磨損，屬于正常磨損范疇。根據(jù)光譜分析數(shù)據(jù)，10臺風(fēng)機齒輪油中鐵元素含量均達到幾十個1×10-6，現(xiàn)場維護人員應(yīng)加強日常維護與監(jiān)督，適當縮短油液檢測周期，并保證油液過濾系統(tǒng)的有效性，及時更換濾芯，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行。

3 總結(jié)

通過對內(nèi)蒙西部地區(qū)某風(fēng)電場10臺風(fēng)機齒輪箱潤滑油的理化性能、磨損元素、潔凈度研究，并結(jié)合電力行業(yè)標準DL/T 1461—2015《發(fā)電廠齒輪用油運行及維護管理導(dǎo)則》對齒輪箱潤滑油進行了性能評價，研究發(fā)現(xiàn)除了顆粒度等級達不到標準要求外，齒輪油其他理化指標均在標準要求范圍。同時，通過光譜分析發(fā)現(xiàn)10臺風(fēng)機齒輪油磨損元素鐵含量，并對6#風(fēng)機進行了內(nèi)窺鏡檢測，發(fā)現(xiàn)齒輪箱二級內(nèi)齒圈出現(xiàn)輕微磨損，屬于正常磨損范圍。

潤滑油在風(fēng)機齒輪運轉(zhuǎn)中起到潤滑、散熱等作用，是監(jiān)測齒輪箱磨損狀態(tài)的信息載體，通過其性能可以對設(shè)備工況進行評價，并能預(yù)測故障。因此，油液分析技術(shù)對于潤滑油質(zhì)量監(jiān)控、降低成本支出、延長油品壽命、減少齒輪箱磨損、降低設(shè)備故障率方面起著重要作用。

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