目前中國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)正處于高速發(fā)展階段， 截止到 2021 年底，風(fēng)電裝機總量達到 168690 MW， 占全球風(fēng)電累計裝機總量的 34.7% 。風(fēng)電機組主 齒輪箱是整機傳動鏈的核心部件，其主要功能是通過齒輪副增速將葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，以達到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速。相關(guān)文獻指出，近年來中國眾多風(fēng)場的齒輪箱由于潤滑方式不當(dāng)、潤滑效果差而頻繁出現(xiàn)故障，導(dǎo)致售后維修和維護費用很高，并且在風(fēng)電機組中主齒輪箱的初裝潤滑油量最大，也最易產(chǎn)生潤滑故障。因此，齒輪箱潤滑管理對于風(fēng)電機組長期穩(wěn)定可靠運轉(zhuǎn)具有重要意義。
風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱種類有主齒輪箱、偏航和變槳齒輪箱，本文主要對主齒輪箱潤滑系統(tǒng)做出概述。
一、主齒輪箱構(gòu)造
主齒輪箱一般由箱體、主軸、軸承、齒輪副、行星架、減噪減震裝置和潤滑冷卻系統(tǒng)等組成。
主齒輪箱箱體在機組工作過程中需要同時承受靜荷載和動荷載，靜荷載部分來源于箱體本身的重量，傳動軸和聯(lián)軸器的剛度與質(zhì)量、發(fā)電機的特性直接影響其動荷載，因此齒輪箱箱體作為機組傳送動力的核心部件，需要有足夠的剛度、強度以滿足軸承、外部附件和軸的安裝要求，還需要有良好的密封性能，避免環(huán)境中的水分、灰塵和其他雜質(zhì)進入箱體內(nèi)部。
主齒輪箱主軸通過法蘭盤與風(fēng)輪相連接，風(fēng)輪是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榇笈ぞ亍⒌娃D(zhuǎn)速的動能裝置，而主軸就是這一動能轉(zhuǎn)換的承載體，因此其除了用來支撐旋轉(zhuǎn)部件還要同時承受較大彎矩和轉(zhuǎn)矩，因此主軸材料需要具有足夠的強度和剛度。
主齒輪箱軸承是用來支撐主軸以及軸上零部件的裝置，其還需要控制主軸的旋轉(zhuǎn)精度以達到減小主軸和支撐部件之間的摩擦。
主齒輪箱之所以能夠?qū)⑷~輪轉(zhuǎn)動獲得的低轉(zhuǎn)速機械能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咿D(zhuǎn)速機械能主要是通過齒輪副實現(xiàn)的，通經(jīng)過齒輪副作用以達到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，齒輪副主要由直齒斜齒齒輪副和行星齒輪系組成。一個或者多個行星輪在自轉(zhuǎn)的同時還繞著 太陽輪公轉(zhuǎn)即是行星齒輪系，其包括太陽輪、行星架、行星小齒輪和齒圈，具有增速比較大、體積小、重量輕、承載力高等優(yōu)點，構(gòu)造圖詳見圖 1。
圖1行星齒輪系原理
二、主齒輪箱潤滑系統(tǒng)
主齒輪箱潤滑系統(tǒng)要求
齒輪箱潤滑系統(tǒng)一般由電動泵、過濾裝置、機械泵、油風(fēng)冷卻器、壓力傳感器、連接管路等組成。考慮到主齒輪箱摩擦副既有高速輕載亦有低速重載工況，工作環(huán)境惡劣，為保證機組的正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)齒輪箱潤滑系統(tǒng)必須滿足以下幾點要求：一是能滿足齒輪箱內(nèi)各運動部件的強制潤滑要求;二是具有能夠排除系統(tǒng)中氣泡的要求，因為氣泡會使齒輪箱造成損壞; 三是需具有一定的冷卻功能，能通過風(fēng)扇將箱體內(nèi)熱空氣排出箱體外，四是潤滑系統(tǒng)對其使用的潤滑油具有相應(yīng)運動黏度、極壓抗磨性能、抗乳化性能、氧化安定性和熱安定性能、防銹防腐蝕性能、抗泡沫等要求。
主齒輪箱潤滑油選型
主齒輪箱使用潤滑油數(shù)量較大，約占風(fēng)電機組總用油量的 75% ，現(xiàn)多采用強制循環(huán)潤滑和油池飛濺式潤滑，使用 VG320 型合成齒輪油居多，比較注重油品黏溫、極壓抗磨減摩等性能。
三、主齒輪箱潤滑油取樣、監(jiān)測規(guī)范及推薦使用年限
主齒輪箱潤滑油取樣規(guī)范
主齒輪箱潤滑油取樣要求和位置：主齒輪箱潤滑油取樣人員需熟悉主齒輪箱潤滑油系統(tǒng)，遵守 DL /T 796 和 DL /T 666 的規(guī)定，在取樣時需采取防護措施，如佩戴防滑手套、穿防護服，佩戴面罩以防止吸入油霧或油蒸氣。
主齒輪箱潤滑油所取樣品要有代表性，能反應(yīng)系統(tǒng)中油液的品質(zhì)，并能夠反應(yīng)齒輪箱內(nèi)各部件的磨損狀態(tài)。
主齒輪箱一般設(shè)有專用的潤滑油取樣口，需依次按照箱體專用取樣口、過濾器入口處測壓閥、過濾器頂端透氣孔的順序選擇取樣位置，并且應(yīng)保證每次取樣都在同一點、采用同樣的取樣方法和工器具。
主齒輪箱潤滑油取樣工具和取樣時間： 主齒輪箱油取樣工具一般包括未經(jīng)污染的取樣瓶、干燥清潔的取樣管和測壓軟管、標(biāo)簽紙和抹布等。
取樣時間一般要求風(fēng)力發(fā)電機組處于維護服務(wù) 模式后才能取樣，且需確保取樣時風(fēng)機運行至正常工作溫度。
主齒輪箱潤滑油取樣步驟： 將取樣口周圍的灰塵、油漬用抹布擦拭干凈，打開取樣閥口，放出 50 ～ 100 mL 的油液倒入廢液桶中，然后用干凈取樣瓶進行取油，每個取樣瓶所取樣品量不超過取樣瓶容積的 3 /4。取樣量需滿足檢測用量。取樣結(jié)束后立即用瓶蓋封口并及時貼標(biāo)簽，標(biāo)簽信息應(yīng)至少包含樣品編號、風(fēng)電場和風(fēng)力發(fā)電機組編號、油品牌號、取樣位置、取樣時間等信息。樣品密封好后放置在干燥、避光的環(huán)境下保存。
主齒輪箱潤滑油監(jiān)測規(guī)范
主齒輪箱潤滑油監(jiān)測周期： 主齒輪箱潤滑油若使用時間在 3 a 以內(nèi)則每年監(jiān)測 1 次，3 a 以上每年監(jiān)測 2 次; 在機組出質(zhì)保前 3 個月需監(jiān)測 1 次，作為出質(zhì)保時大部件運行狀態(tài)判定的依據(jù)之一; 另外再換油后三個月亦需監(jiān)測 1 次。
主齒輪箱潤滑油監(jiān)測指標(biāo)： 主齒輪箱潤滑油監(jiān)測指標(biāo)包括運動黏度( 40 ℃ ) 、元素含量、水分含量、紅外分析、PQ 指數(shù)， 選做指標(biāo)有鐵譜分析、清潔度、酸值。主齒輪箱潤滑油指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)詳見表 1。
表 1 風(fēng)電主齒輪箱潤滑油指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)
主齒輪箱潤滑油推薦使用年限
主齒輪箱潤滑油若是合成油推薦使用期限為 7 a，非合成油推薦使用期限為 4 a，達到推薦使用期限后建議及時換油。對于未達到使用期限，但出現(xiàn)主齒輪箱潤滑油劣化、齒輪箱磨損等情況時，或者在油液監(jiān)測報告里明確建議換油的，應(yīng)及時更換主齒輪箱潤滑油。
四、主齒輪箱潤滑油更換方案
隨著風(fēng)力發(fā)電機組運行年限的增加，齒輪箱油會由于氧化變質(zhì)、損耗、剪切等原因使其潤滑性能逐漸下降，所以油品是有使用壽命的，需要根據(jù)齒輪油檢測報告、風(fēng)電機組運轉(zhuǎn)時間以及油品的性能指標(biāo)進行不定期更換油品。此外，由于風(fēng)力發(fā)電機組長期處于極端高( 低) 溫、灰塵大、濕氣大的環(huán)境中，工作環(huán)境相當(dāng)惡劣，因此，風(fēng)電機組潤滑油在使用過程中會被氧化產(chǎn)生油泥、磨損、有外界污染物如水蒸氣、沙塵等進入油內(nèi)，這些因素也會影響到油品的潤滑效果。風(fēng)場進行更換主齒輪箱油的目的在給齒輪箱創(chuàng)造一個干凈、良好的潤滑環(huán)境，從而讓齒輪箱良好運轉(zhuǎn)，讓整個發(fā)電機組穩(wěn)定高效運行。
主齒輪箱潤滑油更換參考指標(biāo)
各個風(fēng)電場的現(xiàn)場實際情況不同，為了不出現(xiàn)過早換油造成油品浪費或盲目延長換油周期造成設(shè)備嚴(yán)重損壞的情況，每個風(fēng)電場應(yīng)根據(jù)自己實際情況制定較為合理的換油指標(biāo)。表 2 為某風(fēng)電場的換油指標(biāo)。
表 2 某風(fēng)電場主齒輪箱潤滑油換油指標(biāo)
主齒輪箱潤滑油更換步驟
更換潤滑油的準(zhǔn)備工作：更換潤滑油的作業(yè)人員需佩戴好個人防護措施，如安全帽、防護服和防護手套等; 準(zhǔn)備好干凈且可密封的油桶; 準(zhǔn)備好油品取樣工具和清洗齒輪箱工具( 清洗油、過濾網(wǎng)、管路連接器等) ; 準(zhǔn)備好同型號的合格潤滑油、濾芯等。
舊油排放：風(fēng)電機組在停機后應(yīng)趁熱將主齒輪箱里潤滑油通過專用放油閥放出，在此之前需卸下齒輪箱頂部的空氣過濾器，再打開過濾器底部放油閥放出過濾器里的金屬屑、殘渣等，直至不再有油從箱體流出。然后檢查并清除殘留在箱體內(nèi)的黏質(zhì)物、金屬屑和殘渣等。
工作油沖洗：在加入沖洗油前先檢查空氣過濾器的干燥劑是否失效，如已失效則進行更換。注入清洗油約 300 L，待主齒輪箱油循環(huán) 1 h 后放出，此過程中盡量保持潤滑油的溫度在正常工作范圍內(nèi)，約 40 ～ 60 ℃，且應(yīng)保持流動速度在允許范圍內(nèi)盡可能的高，以達到較好的清洗效果。
新油加注：清洗完成后，按照齒輪箱的維護使用操作規(guī)程的要求加注新油至要求的液位，并重新裝上空氣過濾器。
確認換油成功： 在新油加注完成后，待機組穩(wěn)定運轉(zhuǎn) 1 ～ 2 d 后，檢查齒輪箱潤滑系統(tǒng)是否通暢，是否有漏油、異常噪聲等現(xiàn)象發(fā)生，并檢查齒輪箱油位是否在達到規(guī)定的油位，如若沒有，則需要補充新油至規(guī)定油位。一般情況下，需要在機組運轉(zhuǎn) 30 d 后抽取油樣進行化驗檢測，以確認換油后各項指標(biāo)合格。
五、主齒輪箱潤滑系統(tǒng)的管理措施
近年來全國眾多風(fēng)場的齒輪箱由于潤滑方式不當(dāng)、潤滑效果差而頻繁出現(xiàn)故障，導(dǎo)致售后維修和維護費用居高不下。因此，風(fēng)電場應(yīng)該采取以下 6 方面措施來進行主齒輪箱潤滑管理，以達到預(yù)防潤滑油劣化、保證機組高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的目的。
一是新油品是潤滑管理的源頭，因此要控制好新油品的質(zhì)量。風(fēng)場要對新油品的合格證、使用說明書等質(zhì)量證明文件進行檢查，并要對新油品進行抽檢，檢測運動黏度、氧化值、水分和 PQ 指數(shù)等特征因子是否滿足技術(shù)使用要求，防止以舊充新、以次充好等情況的發(fā)生。另外，一般情況下不同名牌的油禁止混用，除非通過性能檢測，確保混用后能夠符合技術(shù)要求，才能混用;
二是當(dāng)潤滑油用量不足時，應(yīng)及時向設(shè)備補充同牌號潤滑油，并應(yīng)經(jīng)過過濾處理; 在此過程中要求人員要嚴(yán)格按照換油操作規(guī)程進行操作，嚴(yán)禁將標(biāo)識不清的油品加入齒輪箱;
三是要按計劃定期對主齒輪箱油進行取樣監(jiān)測，且當(dāng)監(jiān)測指標(biāo)如鐵元素、PQ 指數(shù)和運動黏度等異常時要加強監(jiān)測周期或者增加監(jiān)測指標(biāo);
四是當(dāng)潤滑油定期監(jiān)測指標(biāo)出現(xiàn)異常或者報告建議更換油品時，風(fēng)場要引起重視;
五是新油注入齒輪箱前需進行過濾處理除去雜質(zhì)，還要做好干燥劑的及時更換，預(yù)防潮濕空氣進入箱體內(nèi)，還應(yīng)盡量避免齒輪箱油超高溫運行;
六是對出質(zhì)保期的機組要加強潤滑管理，要求機組在出質(zhì)保期前后進行油液取樣監(jiān)測，通過檢測數(shù)據(jù)對設(shè)備的整體運行狀況做出合理評估，這樣即可以做到預(yù)警故障還可預(yù)防隱患，為風(fēng)電場消除潤滑故障隱患。
六、主齒輪箱潤滑油系統(tǒng)對機組正常運轉(zhuǎn)的重要性分析
在風(fēng)力發(fā)電機組正常運轉(zhuǎn)時，齒輪箱的潤滑系統(tǒng)必須始終保持良好狀態(tài)，否組就會損壞齒面或軸承。主齒輪箱良好的潤滑系統(tǒng)具有以下作用: 一是能夠?qū)X輪或軸承起到較好的保護作用，能夠減小振動對機組的傷害，提高設(shè)備的穩(wěn)定性，減少停機損失和維修費用; 二是具有冷卻、抗腐蝕和防銹功能，還能夠傳遞動力，防止齒輪或軸承疲勞點強，三是可以吸收沖擊，減小摩擦和增大抗磨性，具有較高的承載能力并防止膠合; 四是可以延長設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備購置費; 五是可以延長潤滑油的使用周期和壽命，降低潤滑油油耗，以減少對環(huán)境的污染。
綜上所述，齒輪箱的潤滑系統(tǒng)在風(fēng)電機組正常運轉(zhuǎn)中起著關(guān)鍵作用，其會直接影響到整個機組設(shè)備的安全，所以對運行中的齒輪箱潤滑系統(tǒng)必須做到應(yīng)檢必檢，及時發(fā)現(xiàn)齒輪箱中的故障隱患，嚴(yán)格按照操作規(guī)程保持潤滑系統(tǒng)長期處于最佳潤滑狀態(tài)， 以減少非正常停機和風(fēng)機故障的維修費用。
七、結(jié)論
主齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組的“心臟”，而潤滑油又是主齒輪箱設(shè)備的“血液”，因此潤滑系統(tǒng)的失效能導(dǎo)致主齒輪箱內(nèi)所有運動零部件出現(xiàn)磨損、失效和故障等狀況。齒輪箱的良好潤滑系統(tǒng)可以延長油品使用壽命以減少油品油耗，延長供油泵、濾芯和零部件壽命，減少停機損失和維修費用，進而提高產(chǎn)能和生產(chǎn)安全。因此，風(fēng)場良好的潤滑管理體系對于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義。
參考文獻略