风力发电机齿轮油国产化的可行性分析

夏延秋，郭振华，陈国光，姜洋，裴成海，张来祥

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.黑龙江省华富电力投资有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

风力发电机齿轮油国产化的可行性分析

夏延秋1，郭振华1，陈国光2，姜洋2，裴成海2，张来祥2

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.黑龙江省华富电力投资有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000)

文章以进口风机齿轮油作为对比润滑油，对比了三种国产润滑油的各项理化性能和润滑性能指标，分析了国产风电机齿轮油在风电机上应用的可行性。结果表明，与国外名牌风机齿轮油相比，国产风力发电机齿轮油在理化指标和润滑性能等指标与进口齿轮油相近，满足国标要求。因此，风力发电机齿轮润滑油的国产化完全可行。

风力发电机润滑油；理化性能；润滑性能

0 引言

到2016年底，全球风电累计装机容量达到500 GW，2020年将达到792 GW，成为全球可再生能源发电的主要来源。2016年全球风电投资额达1125亿美元，现有工作人员120万人，风能产业已是当今全球发展最快的行业之一，风电也成为实现未来可持续能源的主要驱动力。 为促进风电产业稳定健康发展，2012 年7 月，国家能源局发布了《风电发展“十二五”规划》，根据规划，到 2015 年，风电发电量在全部发电量中占比超3%(实际达到3.3%，超额完成国家规划)，同时，中国累计装机容量超越欧盟的141.6 GW达到145.3 GW。预计到 2020年，我国风力发电在全部发电量中比重超过 5%，2016年中国累计装机量世界第一。

风力发电的成本接近天然气发电，是目前较经济的再生能源之一。根据“BP世界能源统计年鉴2017年6月”的报告，2016年全球风电年增长15.6%，发电量为959.5 TW·h，其中发电量最多的国家是中国，中国年增长39.4%，发电量是241.0 TW·h，占全球总量的25.1%。风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。2011年在全球风电设备制造商10强中，中国占了4席，全球市场份额已占31.5%，在制造、装机、增长率等方面，踞世界第一位。但是国内风机制造商仍然没有大规模走出国门，齿轮、轴承等传动设备依然选择国外润滑油脂，没有公司选择国产润滑油脂。国产的润滑油脂如何？可否用国产油脂替代进口油脂呢？

风力发电机齿轮箱齿轮油(以下简称风电齿轮油)多选用聚α-烯烃合成油作基础油，并优选高性能复合添加剂，调制满足苛刻环境下风电齿轮油的需要。风电齿轮油要求具有高的承载能力、好的耐磨性、高效的防微点蚀保护能力，同时具有低泡性、优异的水分离特性、良好的抗剪切性、抗氧化性和高低温适用性等。2017年，我国技术工作者在参考国外风电齿轮油的前提下，制定了我国的风力发电机专用润滑油的国家标准。表1是GB/T 33540.3-2017 风力发电机专用润滑剂第3部分：变速箱齿轮油国家标准[1]。风电齿轮油国家标准的颁布为风力发电机国产化奠定了基础。

表1 GB/T 33540.3-2017风力发电机专用润滑剂

表1(续)

本文优选了3种国产风力发电机齿轮油，与同类型的进口风电齿轮油做了试验对比，对比了三种国产润滑油的各项理化性能和润滑性能指标，分析了国产风电机齿轮油作为风电齿轮油的可行性。

1 试验条件

1.1试验油样

进口油、国产1号、国产2号和国产3号4种风电齿轮油由黑龙江省华富电力投资有限公司提供。

1.2试验标准

所有试验采用相关的国家和行业标准(具体见表1和表2)。

2 试验结果

4种风电齿轮油的理化性能和润滑性能指标见表2。

表2 四种新油的物理化学及润滑性能指标对比

表2(续)

注：*为选用兰州化学物理研究所的MFT-R4000往复摩擦磨损试验机，上试样采用AISI 52100标准试验钢球，硬度是630 HV，下试件采用AISI 52100钢盘，硬度是650 HV。

2.1黏度的作用

人们根据风力发电机的工作特点和使用环境，制定了风电机齿轮油的标准。其中齿轮油黏度是润滑油基本指标，它是物质流动时内摩擦力的量度，通常随温度的升高而降低。经过计算发现，润滑油在合理的黏度时会形成有效的保护油膜，油膜可以将传动的齿面隔开，从而起到保护和润滑作用[2]；而实际上，齿轮油中添加剂的作用更重要，是润滑油添加剂与齿面的摩擦化学作用和吸附作用形成的保护膜提高了齿轮的抗磨和减摩及承载能力。当然，这并不否定润滑油的黏度的作用，润滑油黏度的变化预示着齿轮油性能的变化，通常将风电齿轮油的黏度值在正常黏度值超过±15%范围时，认为润滑油已不能满足实际需要，需要更换或处理。测试结果显示，四种润滑油黏度都满足国家标准。

齿轮油在使用过程中，黏度的变化多与温度变化有关，温度过低时，齿轮油的流动性差甚至凝固，无法通过润滑管路分配到各润滑点，导致设备润滑不良，同时内摩擦力变大，出现短暂干摩擦，引起零部件表面严重磨损；低温启动时，一般风电机组会在齿轮箱底部用加热棒加热，使油温达到合理温度方可启动。温度过高时，齿轮油的黏度过低，密封效果变差，易引起漏油。温度过高会导致添加剂失效，将引起齿面剧烈磨损。另外，高温也会对齿轮油的氧化产生促进作用，加速齿轮油的劣化；一般风电机组的齿轮箱温度控制在80 ℃左右，高于此温度设备将会自动停机。因此黏度的重要性不言而喻。

黏度指数表示润滑油黏度随温度变化的程度，黏度指数越高，表示流体黏度受温度的影响越小，即黏度对温度越不敏感。风机齿轮油由于使用环境的限制，通常选择140以上高黏度指数的润滑油。高黏度指数的润滑油不但适合高、低温工作环境，而且其大小对摩擦和润滑性能影响显著，黏度指数高，极压抗磨性能好，抗疲劳性能优异。本次四种润滑油都有较高的黏度指数，可以满足风机齿轮对润滑油高黏度指数的要求。

另外，国家标准还将表观黏度作为标准，它是指在一定速度梯度下，用相应的剪切应力除以剪切速率所得的商。表观黏度是泵送性的量度，代表了油品的低温启动能力和低温动力黏度，低温动力黏度越大，润滑油的流动性越差，齿轮在低温启动时越困难，润滑油难以及时到达摩擦部位，会出现短暂的干摩擦而增加齿轮的磨损。

2.2润滑性能

润滑性能好通常是指运动的摩擦副具有好的润滑性能，即高的承载能力、低的磨损和小的摩擦系数[3]。

风电齿轮油在使用过程中，伴随着摩擦和磨损，因此，齿轮油的润滑作用尤为重要。国家标准分别列出了四球承载能力和抗磨损性能、抗微点蚀性能、FE8 轴承磨损试验和FZG承载能力。风电齿轮油润滑性能与齿轮油添加剂密切相关，高性能添加剂复合剂预示着该油品润滑性能的高低，体现了该油品润滑性能的优劣。因此，各种润滑性能的检测，实际上是检验添加剂的复合效果。四球试验机测试了卡咬负荷、烧结负荷和综合磨损值及磨斑直径，该指标调节润滑油中的极压抗磨剂就可以满足使用要求；FZG承载能力是用齿轮模拟实际齿轮的承载能力，比四球更接近实际齿轮的工况；抗微点蚀性能是近年来随着风机的发展，发现风机齿轮频繁发生微点蚀损伤，因此，目前所有的齿轮油都需检验风机齿轮油的微点蚀，FE8 轴承磨损试验是模拟风电轴承的润滑性能，目前微点蚀和FE8 轴承磨损试验是检验风电齿轮油润滑性必备的条件，对于保证风电齿轮油在长寿命期内的润滑性起关键作用。本次试验检测了四球承载能力、抗磨损性能和摩擦系数，其性能都能满足国家标准。其中摩擦系数对提高齿轮的传动效率，提高疲劳寿命具有重要意义。表2显示出了四种齿轮油的四球试验结果都满足国标要求，摩擦系数的大小对齿轮传动效率和抗点蚀能力都是重要因素。

2.3其他物理化学性能

倾点是指润滑油能够流动的最低温度，它是用来衡量低温流动性的常规特性，倾点越低，代表了其在低温下的工作能力；高的开口闪点可以保证运输、储存和使用过程中，保证不出现着火和爆炸；对于新油，总酸值代表了润滑油精制的程度，或添加剂的加入量，酸值过高，会降低风机齿轮油抗氧化能力。而在用油酸值过高，意味着油品的抗氧化能力不足；铜片腐蚀是一种测定油品腐蚀性的方法，主要测定是否含有活性硫化物和元素硫。目前，风电齿轮油添加剂的主要成分是含硫添加剂，因此，在保证润滑油的承载和抗磨能力同时，保证腐蚀不超标非常重要；风电齿轮油应该具有好的抗泡性，由于润滑油中会溶解一定的空气，润滑油与空气接触时机械的搅拌，也会产生气泡，而润滑油中的表面活性剂导致泡沫难以消失。润滑油中产生的泡沫会降低润滑油的冷却效果，增大润滑油的压缩性，使油泵供油受阻，破坏润滑油膜，加速润滑油氧化变质等，导致齿轮磨损；破乳化是指在一定条件下油和水的分离速度，提高润滑油的抗乳化性能有重要意义。通常条件下，乳化后润滑油黏度增加，齿轮油在水量增加形成乳状液后，油样的黏度会不断增加，增加了润滑油的运动阻力，导致低温启动性能变差，氧化加剧，导致抗腐蚀和锈蚀能力剧烈降低；表2显示，4种新油的物理化学指标均满足国家标准。

2.4非标准测试

PQ指数是测定润滑油中铁系金属的含量，用来避免产生机械故障的一种方法，其理想值应当低于50，四个品牌的润滑油数值远远小于50，完全符合标准。润滑油在使用过程中，伴随着摩擦和磨损，铁屑的产生是不可避免的，过多的颗粒会产生三体磨损，另外与其他分析配合使用，还可以从颗粒的形状判定磨损形式和磨损部位。因此测试润滑油中的金属颗粒的含量是有意义的。

旋转氧弹是一种测试油抗氧化能力的方法，是润滑油抗氧化能力的指标。表2显示出了四种油品的抗氧化能力，其中1号国产油抗氧化能力最优。

3 结论

对四种风电齿轮油油品的物理化学和润滑性能进行了分析对比，发现国产风电齿轮油与进口齿轮油性能相当，有些指标优于进口齿轮油，建议国内推广使用国产风力发电机用齿轮油。

[1] GB/T 33540.3-2017 风力发电机专用润滑剂第3部分：变速箱齿轮油国家标准[S].

[2] 温诗铸.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社，1990.

[3] 刘维民,夏延秋，付兴国.齿轮传动润滑材料[M].北京:化学工业出版社，2005.

Feasibility Analysis of the Nationalization of Wind Turbine Gear Oil

XIA Yan-qiu1, GUO Zhen-hua1, CHEN Guo-guang2, JIANG Yang2, PEI Cheng-hai2, ZHANG Lai-xiang2

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.Heilongjiang Huafu Electric Power Investment Co., Ltd., Harbin 150000, China)

In this paper, the physical and chemical properties and lubrication performance indexes of imported wind turbine gear oil and three kinds of domestic wind turbine gear oils are compared. The feasibility of applying domestic wind turbine gear oil to wind turbine is analyzed. The results show that the physical and chemical indexes and lubricating performances of domestic wind turbine gear oils are similar to those of foreign famous brand wind turbine gear oil, which meet the requirements of the national standard. Therefore, the nationalization of wind turbine gear oil is entirely feasible.

wind turbine oil; physical and chemical properties; lubrication property

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.006

1002-3119(2017)05-0028-05

TE626.3

A

2017-07-17。

夏延秋，教授, 博士生导师,1988年毕业于内蒙古工业大学机械制造及自动化专业,获学士学位,1993年毕业于沈阳工业大学获机械设计及理论专业,获硕士学位,1999年毕业于东北大学机械设计及理论专业,获博士学位,主要从事机械设备的故障监测和诊断、摩擦化学与润滑技术、表面工程材料的制备及摩擦磨损等领域的研究工作,曾发表研究论文300余篇，申报和授权国家发明专利30余项。E-mail：xiayq@ncepu.edu.cn