風(fēng)電主齒輪箱潤滑油清潔度檢測與污染物分析

趙 丹，洪 超

（東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽 618000）

1 引言

主齒輪箱是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵大部件之一，其使用性能和運行壽命與潤滑油的清潔度及污染密切相關(guān)。大量實踐數(shù)據(jù)表明，齒輪箱損害造成的風(fēng)機(jī)故障占機(jī)組全部故障的比例可達(dá)20%，其中，潤滑油污染導(dǎo)致的潤滑故障又占有較高的比例[1][2]。

潤滑油清潔度反映了固體顆粒污染物在油液中的含量與分布，用以表征油的清潔程度。齒輪箱在運轉(zhuǎn)使用過程中，會不斷產(chǎn)生污染物于潤滑油液內(nèi)。污染物對潤滑油以及設(shè)備本身均危害較大，會嚴(yán)重影響油的潤滑能力，引起零部件磨損失效，使齒輪箱發(fā)生故障，性能下降，壽命縮短。因此，研究探討風(fēng)電主齒輪箱潤滑油清潔度及污染物，控制潤滑油的清潔度，及時處理在用潤滑油中的污染物，對于保證主齒輪箱安全可靠、高效經(jīng)濟(jì)地運行，延長設(shè)備使用壽命，有重要的實用價值和意義。

目前，風(fēng)機(jī)潤滑油的監(jiān)控大多數(shù)僅限于常規(guī)檢測[3][4]，僅有的清潔度結(jié)果往往不夠，必要時還需對潤滑油清潔度及污染物做進(jìn)一步深入檢測和分析，獲取更加全面細(xì)致的油的污染及性能狀況信息，而這方面的研究和應(yīng)用也相對較少。

根據(jù)現(xiàn)場反饋，某風(fēng)場剛投運不久的13#機(jī)組主齒輪箱潤滑油常規(guī)監(jiān)測結(jié)果異常，清潔度超標(biāo)非常多。文中將通過顯微拍照、掃面電鏡和能譜分析等特殊的技術(shù)方法對其進(jìn)行清潔度檢測確認(rèn)和污染物分析，以明確污染物主要成分及來源，找出異常情況產(chǎn)生的原因，為制定應(yīng)對措施提供客觀依據(jù)。

2 風(fēng)電主齒輪箱油的清潔度及主要污染

2.1 風(fēng)電主齒輪箱油的清潔度評級

對于風(fēng)電行業(yè)中主齒輪箱潤滑油清潔度等級，目前眾多風(fēng)機(jī)制造商和業(yè)主參考和采用由美國標(biāo)準(zhǔn)委員會、齒輪箱制造協(xié)會和風(fēng)能協(xié)會聯(lián)合制定的標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主齒輪箱運行時的清潔度等級需達(dá)到ISO 17/15/12（詳見表1）[5]。

表1 風(fēng)電主齒輪箱潤滑油清潔度要求

此外，ISO及IEC也對風(fēng)電主齒輪箱潤滑油清潔度做出了要求[6]，與ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03的要求基本一致。

表2 ISO標(biāo)準(zhǔn)污染等級（部分摘錄，每毫升顆粒數(shù)）

ISO清潔度等級（三位數(shù)系統(tǒng)）采用三個顆粒尺寸作為檢測清潔度的特征顆粒，從左至右分別代表≥4μm≥6μm和≥14μm的顆粒的標(biāo)準(zhǔn)污染等級[7]，標(biāo)準(zhǔn)污染等級見表2所示[8]。

2.2 風(fēng)電主齒輪箱油的主要污染及危害

影響潤滑油清潔度的污染物主要來源有外界污染物、磨損顆粒物、潤滑油氧化產(chǎn)物、潤滑油添加劑析出物等。

顆粒污染物進(jìn)入齒面和軸承間隙中，導(dǎo)致了軸承與齒輪的磨損與碾磨，是齒輪箱磨損和失效的主要因素。研究表明[9]，突然的崩潰通常由潤滑油中尺寸≥14μm的顆粒引起，而因積累而引起的故障，如磨損和老化等，是由尺寸2μm～6μm的小顆粒物引起，風(fēng)機(jī)運行數(shù)年之后，往往會發(fā)現(xiàn)一些齒輪齒面以及齒輪箱軸承磨損嚴(yán)重。

潤滑油中氧化產(chǎn)物、添加劑析出物也會導(dǎo)致諸多危害，具體概括如下[10]：

（1）附著在機(jī)械工作表面，吸附顆粒物，加速零件的磨損；

（2）粘滯于機(jī)械表面，降低機(jī)械的表現(xiàn)；

（3）粘附于換熱器及軸承和齒面上，降低了熱交換效率，導(dǎo)致齒輪箱軸承超溫的報警風(fēng)險提高；

（4）在線過濾器堵塞，油在管路中流動受限；

（5）加速油變質(zhì)和添加劑消耗，增加了成本。

正常情況下，主齒輪箱潤滑油使用壽命為3年～5年，到期后更換。若檢測到潤滑油清潔度和污染物超標(biāo)，需過濾凈化；當(dāng)油品老化、性能惡化時，則立即更換新油，以滿足要求[11][12]。

3 風(fēng)場13#機(jī)組主齒輪箱油的清潔度檢測

3.1 現(xiàn)場過濾檢測情況

取100ml油樣樣品，過濾通過φ50mm、絕對過濾精度為3μm的分析膜片。將上述制備的分析膜片放在100×顯微鏡下觀察并與標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行比較，得出油樣的清潔度等級。

現(xiàn)場過濾檢測時，所檢的13#機(jī)組油樣呈棕色液體，略微渾濁，如圖1所示，將其與14#機(jī)組油樣進(jìn)行對比，可明顯看出前者比較渾濁，后者則呈現(xiàn)棕色透明外觀。

圖1 現(xiàn)場過濾檢測的油樣外觀及對比

現(xiàn)場過濾制備的分析膜片被灰黑色油膜附著覆蓋，反復(fù)多次使用石油醚沖洗均無法使其溶解過濾走，難以讀出確切清潔度等級，如圖2所示。為排除外界干擾，現(xiàn)場檢測時用兩種取樣瓶取了雙份油樣在同種條件下進(jìn)行了測試，從圖2中可以看出，兩份油樣的檢測結(jié)果一致。

圖2 現(xiàn)場過濾制備的分析膜片（雙份油樣）

3.2 實驗室過濾檢測情況

取25ml油樣樣品，過濾通過φ25mm、絕對過濾精度為1.2μm的分析膜片。將上述制備的分析膜片放在200×顯微鏡下觀察并與標(biāo)準(zhǔn)圖片進(jìn)行比較，得出油樣的清潔度等級。

實驗室過濾檢測時，所用的13#機(jī)組油樣外觀呈棕黃色，不透明（如圖3中左圖）。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，樣品過濾速度非常慢，完全過濾25ml樣品的分析膜片（如圖3中右圖）表面截留一層黑色污染物。

圖3 實驗室過濾檢測的油樣外觀及分析膜片

實驗室過濾檢測的精度更高，其檢測情況進(jìn)一步印證了現(xiàn)場過濾檢測結(jié)果，該油樣清潔度極差，超出ISO 4406等級范圍，無法讀出具體數(shù)值。

4 風(fēng)場13#機(jī)組主齒輪箱油的污染物分析

4.1 分析膜片顯微拍照

用與顯微鏡相匹配的數(shù)碼CCD進(jìn)行圖像采集，得到分析膜片上具有代表性的顯微照片。

將2.2中完全過濾25ml樣品得到的分析膜片置于200×顯微鏡下進(jìn)行觀察和拍照（如圖4），發(fā)現(xiàn)黑色污染物是由膠狀物夾雜顆粒物形成的一層濾餅，這是油樣樣品過濾速度極慢的原因。

圖4 過濾25ml樣品、200×放大倍數(shù)照片

為進(jìn)一步分析污染物組成，取少量樣品（約10ml）用過濾后的石油醚稀釋后得到污染物分析膜片，置于500×顯微鏡下進(jìn)行觀察和拍照（如圖5）。從照片中可以明顯看出，油樣中主要污染物為淺色膠狀物和黑色金屬顆粒。

圖5 過濾10ml樣品、500×放大倍數(shù)照片

4.2 污染物SEM/EDX掃描電鏡和能譜分析

采用掃描電鏡及拍照系統(tǒng)和能譜分析儀對分離提取出的污染物進(jìn)行掃描和元素分析。

對2.2中完全過濾25ml樣品得到的分析膜片表面截留污染物進(jìn)行大面積掃面（如圖6）的結(jié)果顯示，污染物主要元素包含C、O、P、S、Ca、Fe（見表3），其中C、O元素所占比例最大，P、S、Ca元素其次，F(xiàn)e元素比例最少。

圖6 表3對應(yīng)大面積掃描區(qū)域

表3 污染物大面積掃描主要元素表

過濾10ml樣品與過濾25ml樣品得到的分析膜片所截留的污染物掃面電鏡和能譜分析結(jié)果基本一致，其中C、O元素所占比例依舊最大，P、S、Ca、Si元素其次，F(xiàn)e元素比例最少。典型顆粒詳細(xì)情況如圖7～圖8及表4～表5所示。

圖7 表4對應(yīng)掃描點

表4 典型顆粒點位1掃描主要元素表

圖8 表5對應(yīng)掃描點

表5 典型顆粒點位2掃描主要元素表

參考該款潤滑油技術(shù)數(shù)據(jù)，C、O為其主要成分元素，其添加劑成分含有Ca、Mo、P、Si、S元素，故初步推斷污染物中C、O元素主要源自油的老化產(chǎn)物，Si、P、Ca、S元素源自潤滑油添加劑析出物，少量Fe元素來源于齒輪箱磨損顆粒。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)上述油樣檢測及分析結(jié)果，得出結(jié)論及建議如下：

（1）該油清潔度極差，已嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)限制值，不滿足風(fēng)電主齒輪箱正常運行要求；

（2）油中主要污染物為淺色膠狀物和黑色金屬顆粒，污染物主要包含C、O、Si、P、S、Ca、Fe元素，初步推斷主要源自油的老化產(chǎn)物、添加劑析出物以及少量齒輪箱磨損產(chǎn)物，這些表明該油存在老化和添加劑析出現(xiàn)象，需予以特別關(guān)注，少量齒輪箱磨損產(chǎn)物顯示該機(jī)組主齒輪箱無異常磨損；

（3）鑒于該油性能狀態(tài)，建議更換油品、濾芯或采用更為適合的過濾措施，該機(jī)組主齒輪箱仍可繼續(xù)正常運行；

（4）文中所用技術(shù)方法在風(fēng)電主齒輪箱潤滑油此次實際問題處理上獲得了較好效果，可在類似情況機(jī)組中借鑒應(yīng)用。