風力發(fā)電機組變速箱齒輪油國產(chǎn)化實踐

夏延秋，郭振華，陳國光，尹元鑫，姜洋，張來祥，柳會哲

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.黑龍江省華富電力投資有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

0 引言

在過去20年里，中國風力發(fā)電設(shè)備數(shù)量伴隨著中國經(jīng)濟的騰飛而增長，至2010年底，中國全年風力發(fā)電新增裝機容量達1600萬千瓦，累計裝機容量達到4182.7萬千瓦，首次超過美國，躍居世界第一。截止2016年底，中國已連續(xù)7年保持世界裝機第一的位置。但風力發(fā)電機潤滑劑的研究和應(yīng)用并未因此提高，很多潤滑油企業(yè)，尤其中國石油和中國石化潤滑油公司并未搭上風力發(fā)電快速發(fā)展的列車，目前國內(nèi)風電用潤滑劑99%以上為進口油脂，風電制造企業(yè)和潤滑油生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該認真反省。

風電機組齒輪油主要用于潤滑齒輪和軸承，防止磨損和銹蝕以及系統(tǒng)散熱等作用。風電機組齒輪油的監(jiān)測是風力發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和維護保養(yǎng)的主要環(huán)節(jié)。使用高端潤滑油就不需要監(jiān)測的觀念是錯誤的，所有的風電機組必須進行潤滑油監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)齒輪箱的潤滑故障，實施風電機組的全方位潤滑管理。風力發(fā)電機組齒輪箱是風力發(fā)電機的重要部件，齒輪箱的作用是將風輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速，齒輪箱在高速轉(zhuǎn)動過程中容易發(fā)生齒面磨損、點蝕以及潤滑油老化，嚴重會導致齒輪箱事故。因此齒輪箱是風力發(fā)電機的重要潤滑部位[1]。近年來，隨著風電事業(yè)的發(fā)展和風機數(shù)量的增加，風力發(fā)電機組齒輪油的需求也不斷上升，僅2015年需求已達到38000 t。由于風電場多數(shù)建在沙漠戈壁、海上、山里等野外偏遠區(qū)域，容易受極熱、極寒、沙塵、鹽堿腐蝕等環(huán)境影響，嚴重的會影響風電設(shè)備的正常運行和使用壽命，絕大多數(shù)地區(qū)不便修理或者修理費用極高。所以提高風力發(fā)電機齒輪箱的工作壽命尤為重要，因此作為風力發(fā)電機組的齒輪油需要具備較好的物理和化學性能以及摩擦學性能[1-2]。

風力發(fā)電機組齒輪油作為高端潤滑油，已廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電機系統(tǒng)的齒輪潤滑，有數(shù)據(jù)顯示，目前，國內(nèi)風電機組齒輪箱全部選用進口齒輪油(不包括試驗用齒輪油)，目前國內(nèi)市場上的進口齒輪油有美孚、殼牌、福斯、巴斯夫等占了90%以上的風電油品市場。近年來，?？松梨谶€推出了質(zhì)保達7年之久的美孚SHCTM齒輪油320 WT。國外高檔風機齒輪油在不斷更新?lián)Q代，而國產(chǎn)風電齒輪油還沒有進入正式招標采購的范圍。

1 試驗方案

試驗地點選在黑龍江省某風場進行，選用東汽1.5 MW風力發(fā)電機組作為試驗機組，選用了2種國產(chǎn)風力發(fā)電機組齒輪油與1種進口風力發(fā)電機組齒輪油進行跟蹤對比，就齒輪油的理學性能、潤滑性能、鐵譜和旋轉(zhuǎn)氧彈等指標進行320 d的跟蹤測試，試驗數(shù)據(jù)分別包括新油、使用30 d、120 d和320 d的四次采樣數(shù)據(jù)。表1示出了本次試驗選用的3種油品的理化性能數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，各項理化指標符合國家風力發(fā)電機專用潤滑劑油標準(GB/T 33540.3-2017)[3]。

表1 三種新風機齒輪油的的物理化學性能對比

1.1 物理化學性能

經(jīng)過近1年的實際應(yīng)用，采集了分別運行了30 d、120 d和320 d的3種油品，如表2所示，發(fā)現(xiàn)，同一部位采集的測試油樣，性能指標相差不大，但進口油水含量測試結(jié)果超過國產(chǎn)油，國產(chǎn)1號和2號齒輪油的抗泡性不如進口油，說明進口油的抗泡性能優(yōu)于國產(chǎn)齒輪油。

表2 三種運轉(zhuǎn)30 d的風機齒輪油的物理化學性能對比

表2(續(xù))

表3示出了運轉(zhuǎn)120 d風電機組齒輪油的測試結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示，除國產(chǎn)油抗泡性能較差外，其他各項理化指標區(qū)別不大。

表3 三種運轉(zhuǎn)120 d的風機齒輪油的物理化學性能對比

表4示出了運轉(zhuǎn)320 d風電機組齒輪油的測試結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)油與進口油抗泡性能差距縮小，其他各項理化指標區(qū)別不大。表2～表4的物理化學性能上看，國產(chǎn)1號總酸值最低，破乳化性能最優(yōu)，但抗泡性與進口油還有差距。因此一年來，重點在抗泡性能方面進行了監(jiān)控。

表4 運轉(zhuǎn)320 d的風機齒輪油的物理化學性能對比

1.2 潤滑性能

風電齒輪油在使用過程中，伴隨著摩擦和磨損，因此，齒輪油的潤滑也是本次檢測的重要指標之一，測試了PB(卡咬負荷)、PD(燒結(jié)負荷)、磨斑直徑和摩擦系數(shù)4項指標。其中磨斑直徑是在廈門試驗機廠生產(chǎn)的MS-800型四球式試驗機上完成(196 N，60 min，54 ℃，1800 r/min)，測試發(fā)現(xiàn)，進口齒輪油和國產(chǎn)齒輪油燒結(jié)負荷沒有變化?？ㄒж摵勺兓淮?，而磨斑直徑則相應(yīng)增加。表明潤滑油隨著使用時間的變化，其抗磨性能下降，國產(chǎn)1號油抗磨性能保持性最優(yōu)。而三種油的摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定。研究表明[4]，摩擦系數(shù)對提高齒輪的齒輪傳動效率和抗點蝕能力具有重要作用，說明3種油都具有優(yōu)良的抗疲勞性能。

表5 齒輪油不同時間的摩擦學性能對比

注:選用蘭州化學物理研究所的MFT-R4000往復摩擦磨損試驗機，上試樣采用AISI 52100 標準試驗鋼球，硬度是630 HV，下試件采用AISI 52100 鋼盤，硬度是650 HV。

1.3 其他測試結(jié)果比較

PQ指數(shù)是測定潤滑油中鐵系金屬的含量，用來避免產(chǎn)生機械故障的一種方法，其理想值應(yīng)當?shù)陀?0，表5示出了3種油品運行320 d后，其數(shù)值遠遠小于50，完全符合標準，即在運行過程中不會因為磨屑問題而降低齒輪箱的壽命。

旋轉(zhuǎn)氧彈是一種測試油抗氧化能力的方法，是潤滑油抗氧化能力的指標。表6示出了3種油品在不同時期潤滑油的抗氧化能力，其中國產(chǎn)1號油抗氧化能力最優(yōu)。而進口油抗氧化能力優(yōu)于國產(chǎn)2號油。紅外光譜Abs表示吸光度，是指光線通過溶液或某一物質(zhì)前的入射光強度與該光線通過溶液或物質(zhì)后的透射光強度比值的對數(shù)，吸光度是用來衡量光被吸收的物理量。在氧化值檢測中，以檢測氧化物官能團(C=O)的吸光度最大值來確定其氧化值。按ASTM E2412-10標準進行測定，獲得的抗氧化值進口油與國產(chǎn)1號油相當，優(yōu)于國產(chǎn)2號油。以上兩種抗氧化性能方法不同，表達油的抗氧化能也不同。鐵譜在測試中發(fā)現(xiàn)，有些元素的數(shù)據(jù)明顯偏差，可能是齒輪油中混入其他油品或者是測試誤差。

經(jīng)過1年的跟蹤測試發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)油與進口油性能差別不大，個別指標各有優(yōu)劣，但不影響潤滑油的使用。經(jīng)過320 d的監(jiān)測，結(jié)果表明國產(chǎn)油還需在抗泡指標上進一步提高。

表6 齒輪油不同時間的其他性能

2 結(jié)論

國產(chǎn)潤滑油在320 d的使用期內(nèi)各項指標變化處在正常變化范圍內(nèi)，可以繼續(xù)使用；進口潤滑油與國產(chǎn)潤滑油的各項測試性能及使用后性能相差屬正常范圍，國產(chǎn)潤滑油可以代替進口潤滑油在市場上進行推廣。