含磷添加剂润滑油对风机齿轮箱磨损影响分析

孙建伟，欧焕飞，杜琳娟，张希希，毋瑞琪

（1.华润电力技术研究院，广东深圳 518010；2.润电能源科学技术有限公司，郑州 450018）

0 引言

齿轮箱作为风电机组传动链的核心部件，对整个机组的高效运行起着至关重要的作用。同时，齿轮油对风机齿轮箱有减少摩擦、避免发热、防止磨损的功能，对维持风机运行及提高齿轮箱寿命起到非常关键的作用。目前，风机齿轮油多使用埃克森美孚公司、荷兰皇家壳牌公司、德国福斯油品公司、英国石油公司等国外厂商生产的全合成含磷添加剂的齿轮油。齿轮油中含磷型添加剂起到极压、抗磨的作用［1－2］。不同品牌的齿轮油含磷添加剂的不同，对风机齿轮箱磨损影响不同。通常采用油液监测手段［3－4］特别是使用光谱分析技术［5］可以监测齿轮箱磨损情况并对其进行状态评估。例如郎宏等［6］基于光谱分析技术能够提前预报燃气轮机传动润滑系统可能发生的磨损故障，是油液状态监控的一种有效手段；常鹏等［7］基于光谱分析技术对风机齿轮箱不同的累积磨损情况建立3 种不同维护策略，利用概率建立时间成本模型，优化齿轮箱维护时间成本；孙建伟等［8］基于光谱分析技术监测大量在用风机齿轮油中磷添加剂含量，判断风机齿轮油的老化程度，为风机齿轮油更换提供参考依据。本文通过采用光谱分析技术监测在用齿轮油中一定时期铁元素的变化量，来衡量不同品牌齿轮油极压、抗磨性能对风机齿轮箱磨损的影响。

1 分析背景

某电力公司7 个不同风电场共计235 台风机是同机型、同品牌的齿轮箱，但却使用了2 种不同厂家的齿轮油，其中使用L1－320 有95 台，使用L2－320 有140 台。通过使用Spectro 油料光谱分析仪［9］定期监测齿轮油发现，L1－320 和L2－320 齿轮油中极压－抗磨添加剂含量不同：L1－320 齿轮油新油中磷含量380～420 mg／ kg；L2－320 齿轮油新油中磷含量190～200 mg／ kg，由于极压－抗磨添加剂含量的不同，机组在运行中齿轮箱磨损的差异能通过铁元素表现出来。通过704 个在用齿轮油铁含量的检测数据，进行统计分析L1－320 和L2－320 磨损铁元素的变化量，来评估齿轮油的极压抗磨性能。

2 分析方法

通过前期对在用风机齿轮油的跟踪监测发现，齿轮箱的磨损情况可以通过油液光谱仪定期监测铁元素含量来判断［10］。因此，不同含磷添加剂齿轮油对齿轮箱磨损影响分析可以采用2种方法进行。

2.1 齿轮箱磨损铁元素含量趋势分析法

由于不同含磷添加剂的齿轮油，对齿轮箱磨损影响不同，通过对L1－320 和L2－320 一段时间的铁元素监测数据，建立一元线性回归方程趋势线进行对比分析。

2.2 齿轮箱单位可利用小时数磨损铁元素增加量趋势分析法

计算一段时间内铁元素的增加量和这段时间内的风机可利用小时数的比值，能真实反映出风机在有效工作时间内的磨损情况。通过对L1－320 和L2－320 在单位可利用小时数内的铁元素增加量计算数据，建立一元线性回归方程趋势线进行对比分析。

计算单位可利用小时数磨损铁元素增加量样本的计算值ΔQFe（铁元素的增量／每100 可利用小时数）。

式中：ΔQFe为每100 可利用小时下风机齿轮箱油中磨损铁元素增加量，mg／ kg；QFe为不同取样时间齿轮油中铁元素含量，mg／ kg；E为不同取样时间时风机发电量，kW·h；W单为单台风机标称功率，kW；角标1、2 分别表示第1 次取样时间、第2次取样时间。

3 数据分析

3.1 齿轮箱磨损铁元素变化数据对比分析

本研究数据来源于同机型、同品牌的齿轮箱，不同风电场送检在用齿轮油检测数据，统计L1－320 和L2－320 共计704 个铁元素检测数据，铁元素含量随不同时间的趋势图及建立的一元线性回归方程如图1 所示。

图1 不同时间铁元素含量变化趋势

由图1 可知：

（1）L2－320 检测数据433 个，L1－320 检测数据271 个，从图中可以看出L2－320 数据点分布高于L1－320 数据点分布，而且L2－320 Fe 数据一元线性回归趋势线高于L1－320 Fe 一元线性回归数据趋势线。

（2）L2－320 Fe平均值等于50.51 mg／ kg；L1－320 Fe平均值等于33.91 mg／ kg，L2－320 Fe磨损平均值是L1－320 Fe磨损平均值的1.49 倍。

（3）磨损铁元素预警值是75 mg／ kg，L2－320 有84 组数据超出75 mg／ kg，L1－320 无数据超出75 mg／ kg。从图中可以看出，L2－320 数据超出预警值是风机运行900 天（2.5年）以后，磨损铁元素连续超过预警值，预示着齿轮油需要更换新油，而风机厂商提供给风机运营商的风机维护手册上是齿轮油更换周期为1825 天（5年），分析发现L2－320 油品的使用年限比计划年限缩短了50%。

7个不同风电场齿轮箱磨损铁元素变化对比分析结果如表1所示。

表1 风电场磨损铁元素统计

3.2 L1－320 和L2－320 对齿轮箱磨损影响分析

某风电场同机型、同品牌齿轮箱使用L1－320和L2－320，检测160个铁元素数据，建立铁元素含量的趋势图，如图2所示。

图2 某风电场不同时间铁元素含量变化趋势

由图2可知：某风电场L2－320 Fe平均值等于48.62 mg／ kg；L1－320 Fe平均值等于29.98 mg／ kg。L2－320 Fe 磨损平均值是L1－320 Fe磨损平均值的1.62 倍。有17 个监测数据9 台风机齿轮油磨损铁元素含量超出75 mg／ kg。理论上说明L1－320 极压－抗磨性能优于L2－320。

3.3 齿轮箱磨损ΔQFe（铁元素增量／每100 可利用小时数）对比分析

本研究数据来源同机型、同品牌的齿轮箱，不同风电场送检在用齿轮油检测数据，通过式（1）统计计算L2－320 和L1－320 共计172 个ΔQFe数据，建立ΔQFe数据趋势图和的一元线性回归方程，如图3 所示。

图3 每100 可利用小时数磨损铁元素增加量趋势

由图3 可知：

（1）L2－320 统计数据111 个，L1－320 统计数据61 个，从图中可以看出L2－320 数据点分布高于L1－320 数据点分布，而且L2－320ΔQFe数据趋势线高于L1－320ΔQFe数据趋势线；

（2）L2－320ΔQFe平均值等于1.01 mg／ kg，L1－320ΔQFe平均值等于0.53 mg／ kg，L2－320ΔQFe平均值是L1－320ΔQFe平均值的1.91 倍，从统计数据分析，理论上说明使用L1－320 的齿轮箱寿命是使用L2－320 齿轮箱寿命的1.91 倍。

6 个不同风电场齿轮箱磨损ΔQFe变化对比分析结果如表2所示。

表2 风电场磨损ΔQFe统计

3.4 L1－320ΔQFe和L2－320ΔQFe对齿轮箱磨损影响分析

某风电场ΔQFe趋势如图4 所示。由图可知：某风电场L2－320ΔQFe平均值为0.74 mg／ kg。L1－320ΔQFe平均值为0.41 mg／ kg，L2－320ΔQFe平均值是L1－320ΔQFe平均值的1.80 倍。理论上说明使用L1－320 齿轮油的齿轮箱寿命是使用L2－320 油齿轮箱寿命的1.80 倍。

图4 某风电场ΔQFe趋势

4 结束语

通过对在用风机齿轮油的监测以及数据统计分析齿轮油中磨损铁元素的变化，说明不同含量的磷型添加剂的齿轮油表现出不同的极压－抗磨性能，通过使用Spectro 油料光谱分析仪测试分析得出L1－320 极压－抗磨性能优于L2－320。在风电油液监测分析中，通过监测磨损铁元素含量，在计算出每100 可利用小时数铁元素增量ΔQFe，能够反映出风机齿轮箱磨损情况，从而为风电机组齿轮箱预防维修提供考参依据。