国产齿轮油在1.5 MW风电机组中的应用研究

周康 蒲宸光 牛志勇 李灵威

1 中国石油兰州润滑油研究开发中心

2 中国石油上海润滑油产品设计分公司

主齿轮箱是双馈风力发电机组的重要机械部件，主要功能是将在风力作用下产生的动力传递给发电机，齿轮箱长期处于复杂的交变载荷下工作，所用齿轮润滑油对保障风电设备的稳定运行具有十分重要的作用。风电机组齿轮油的监测是风力发电设备安全稳定运转和维护保养的主要环节[1]。随着风机大型化发展，根据中国风能协会CWEA数据，截至2018年底，全国风电累计装机中，1.5 MW风电机组累计装机容量占总装机容量的41.6%。1.5 MW风机已成为市场主流机型，风电齿轮油的换油周期达到5年甚至7年，对油品的承载能力、抗微点蚀和使用寿命等提出了严苛要求。长期以来，风电市场上主要采购进口润滑油品牌，存在价格高昂、供货周期较长等问题，给风场正常的运行维护造成不利影响[2]。

为了实现大功率风机用油的国产化，本研究采用某国产油品在兆瓦级风电机组进行应用研究，在一个完整的风电齿轮油换油周期也就是5年内持续跟踪润滑油和风机的运行状态，对影响齿轮油衰变和寿命的主要指标进行监测，分析油品在不同运行时间下各个指标的变化情况[3]，从而为兆瓦级风电齿轮油的国产化替代提供案例。

试验方案

试验风场及设备概况

试验风场处于内蒙古高寒地带，冬季极端温度可达零下40 ℃，长期处于零下20 ℃。选用6台恩德S77/1.5 MW风机作为试验机组，编号分别为1～6号。该风机使用的是南高齿齿轮箱，最大额定转速1 750 r/min；额定功率1 660 kW；润滑方式为强制润滑与飞溅润滑相结合。

试验油品

在风机主齿轮箱上使用国产风电齿轮油FD3000N 320，为PAO型全合成产品，主要理化数据见表1。

表1 FD3000N 320风电齿轮油新油的测试数据

试验检测周期及监测项目

试验从2016年7月1日到2021年7月1日，一共5年，在换油1 个月后、6 个月后、12 个月后、24 个月后、36 个月后、48个月后、54个月后、60个月后共开展8次油液监测。油液监测项目及参考换油指标（参考NB/SH/T 0973—2018《风力发电机组主齿轮箱润滑油换油指标》、NB/SH/T 0586—2010《工业闭式齿轮油换油指标》和客户在用国外产品相关指标而制定）见表2。

结果与讨论

运动黏度

运动黏度是衡量油品油膜强度和流动性的重要指标，适宜的黏度对保障机械设备的稳定和安全运行起到十分重要的作用。风电设备的主齿轮箱通常选择40 ℃运动黏度为320 mm2/s 的油品[4]。监测油品在使用过程中黏度的变化可以反映油品的抗剪切性能和氧化变质程度。图1列出了6台风机齿轮油运动黏度的变化。

图1 不同运行阶段6台风机齿轮油运动黏度的变化

从图1可以看出，6 台风机在5年的运行过程中，齿轮油的40 ℃运动黏度基本是保持稳定的，约为322.5 mm2/s。这表明风机齿轮油均未发生严重衰变，说明该国产润滑油具有良好的黏度保持性，能够满足风机长时间安全稳定运行的要求。

酸值

酸值是表示润滑油中含有酸性物质的总和的指标，由于配方设计的不同，相同黏度的油品其酸值会有较大差别。风机齿轮油在运转过程中，长期受到空气、水分、温度等的影响，容易发生氧化反应，生成一系列酸性氧化物导致油品酸值增加。酸值含量过高会对齿轮箱造成一定程度的腐蚀。若油品在使用周期过程中酸值增加值较小，则表明齿轮油的使用寿命未受风机齿轮箱运行的影响。油液监测中，酸值是判断设备润滑状况和油品抗氧抗腐性能的重要指标。图2列出了6台风机齿轮油酸值的变化。

图2 不同运行阶段6台风机齿轮油酸值的变化

从图2 可以看出，6台风机齿轮油中在5年的运行周期内酸值含量基本在0. 45～0. 85 mgKOH/g 之间。参考NB/SH/T 0586《工业闭式齿轮油换油指标》，当在用油品的酸值增加值大于或等于1 mgKOH/g时，需要更换油品的要求，本试验国产风电油在应用周期内酸值增加值仅为0.45 mgKOH/g，酸值增加值并不明显，表明油品未发生明显氧化。

铜片腐蚀

铜片腐蚀反映油品对含铜部件的腐蚀程度。风电齿轮油配方设计时需要保持一定的极压抗磨性，因此具有一定的化学活性，这就容易造成对金属尤其是铜部件的腐蚀。此外，油品在长期使用中因氧化作用也会产生一些酸性物质，当酸性物质积累到一定程度时会对金属产生腐蚀，腐蚀程度与油品质量及工作状况有关。风机齿轮箱轴承的保持架多为铜材质，对齿轮油的抗铜片腐蚀性能有较高要求，因此需要对其进行监测。表3列出了6台风机齿轮油铜片腐蚀的变化。

表3 不同运行阶段6台风机齿轮油铜片腐蚀的变化

由表3可以看出，5年的连续监测中，国产FD3000N 320风电齿轮油铜片腐蚀的评级为1a或1b，无异常上升情况，表明试验油品具有良好的抗铜腐蚀性能。

烧结负荷

风电齿轮油的摩擦学性能特别是边界润滑性能（极压抗磨性能）主要决定于齿轮油中极压抗磨剂（主要为含硫剂和含磷剂）。烧结负荷（PD值）通常是用来表征润滑油极压抗磨性的一项指标，在一定程度上反映了油品极压性能的高低。油品在使用过程中，随着功能添加剂的不断使用消耗，油品的PD值会有变小的趋势。表4列出了6台风机齿轮油烧结负荷的变化。

表4 不同运行阶段6台风机齿轮油烧结负荷的变化

从表4可以看出，国产FD3000N 320油品的PD值在5年试验过程中基本保持稳定，说明油品中的极压抗磨添加剂保持性较好，油品的极压性没有明显下降。

水分

润滑系统中水分的污染主要来源于密封件失效、空气水分冷凝和外界经呼吸口或密封系统进入的水等。水的存在会造成油品乳化，轴承、齿轮腐蚀磨损和锈蚀，甚至会在齿轮的微裂纹中产生氢脆化效应，造成齿轮的疲劳剥落［5］。需要指出的是，水分含量是影响油品酸值大小的重要因素，油品使用过程中氧化生成的酸性物质溶解到水中，会生成大量酸性物质，这些酸性物质会加速油品的劣化［6，7］，因此控制齿轮油中水分含量可以有效降低齿轮油的酸值。一般而言，用于风机主齿轮箱的油品含有微量水（≤ 300 mg/kg）不会影响风机齿轮箱的正常使用。表5列出了6台风机齿轮油水分的变化。

表5 不同运行阶段6台风机齿轮油水分的变化

从表5可以看出，在不同运行时间6台风机齿轮油中水分含量均为痕迹，可见油品在使用试验中没有受到水污染。

PQ指数

PQ指数是通过测试油品的磁场强度来评价油品铁磁性颗粒的浓度。PQ指数适合检测大颗粒，对小颗粒不敏感，通常PQ指数大的情况下，铁谱中磨粒也比较大。图3列出了6台风机齿轮油PQ指数的变化。

图3 不同运行阶段6台风机齿轮油PQ指数的变化

从图3可以看出，在不同运行时间内，6台风机齿轮油中表征油品磨损程度的PQ指数数值较小，在2～4之间波动，可见油品在5年的应用试验中没有产生大的磨粒，表明油品的抗磨性能较好。

磨损金属含量

铁、铜元素是齿轮、轴承等摩擦副材质的主要元素，通过磨损元素的含量可以推断设备内部的磨损情 况［8］。 根据NB/SH/T 0973—2018 《风力发电机组主齿轮箱润滑油换油指标》要求，当油品中铁含量超过150 mg/kg 或铜含量超过50 mg/kg 或后，油品的润滑保护性能会受到不利影响，需要更换油品。若油品在使用时间内铁、铜含量没有明显增加，表明齿轮油为风机齿轮箱和轴承提供了良好的长期抗磨损保护，图4和图5列出了6台风机铁元素、铜元素含量的变化。

图4 不同运行阶段6台风机齿轮油铁元素含量变化

图5 不同运行阶段6台风机齿轮油铜元素含量变化

从图4和图5可以看出，6台风机齿轮油中在整个试验周期内，铁元素含量和铜元素含量同时有一定程度增加，但铁元素含量最大不超过20 mg/kg，铜元素含量最大不超过12 mg/kg，说明试验风机的齿轮箱和轴承的磨损状态处于正常水平，油品具有良好的极压承载能力。

齿轮箱拆检

5年的使用试验结束后，采用内窥镜对齿轮润滑状况进行检测，图6列举了6台风电机组内窥镜检查齿轮表面的照片。

图6 试验结束后的风机齿轮箱齿面照片

从图6结果可以看出，齿轮润滑状况良好，齿面未发生过度磨损、擦伤及点蚀现象。表明风机设备运行以来，润滑处于正常水平。

结束语

通过对国产风电齿轮油FD3000N 320在6台1.5 MW风机上 5 年使用期的黏度、酸值、铜片腐蚀、烧结负荷PD值、水分污染物及磨损金属含量等进行监测，分析在用油品在不同运行时间下指标的变化情况，结果表明：油品各项主要性能指标变化均处在正常变化范围内，风电齿轮油尚未发生明显劣化，满足兆瓦级别风电设备的润滑要求。国产风电润滑油FD3000N 320可以代替进口润滑油在兆瓦级风电设备上进行推广应用。