风电轴承润滑剂特性与效能研究

叶县国博大石崖风力发电有限公司 韦 广 中原新华水利水电投资有限公司 马紫晨 田居易 鲁书萌 北京国网信通埃森哲信息技术有限公司 陈玉杰

在推进“碳达峰、碳中和”战略过程中，可再生再次成为能源发展的关键所在。风电行业作为清洁能源的重要分支，在推进新能源发展中具有重大的作用。我国风电装机容量、发电量成为全球增长最快的地区，更是排在新能源的首席位置，这得益于宏观层面的推动，也有赖于广大能源参与主体的战略眼光和前期投入。随着风电行业的快速发展，风电装机并网数量扩大，风机运维的市场也是前所未有的增长。润滑系统是风力发电机正常运转的重要部件，强化整个风力发电机组的润滑管理和状态监测，可减少备件的磨损和更换，提高装置运行的可靠性[1]。

润滑功能的管控作为降本增效的重要环节，可以通过减缓停机频率，同时可以延长设备寿命，提高风电场的效益。但由于前期风机技术发展过速、技术不完善以及维护保养不到位，导致机组频繁下架维修。目前从故障数据分析判定，主要为润滑不充分，齿轮及轴承从微点蚀剥落开始慢慢变成断齿造成齿轮箱损坏。通过必要技术改善设计及组装缺陷造成的主轴轴承齿轮箱过度磨损，增加齿轮箱的润滑，提高发电量并且可以降低因齿轮之间运行摩擦产生的热量。结合相关优势，大力推广在风电维护后市场，创造共赢的价值。根据未来市场规划，加快相关技术及风电领域的应用和推广，做到有计划、有步骤实现共同目标，为风电领域创造更多效益。

风电设备常年受恶劣自然环境影响，轴承磨损严重。润滑技术一直备受相关领域研究人员的关注，是延长风电机组寿命的关键技术。为了降低由于轴承运行故障导致的运维成本增加、发电质量降低、客户满意度下降的问题，本研究通过对相关术背景的研究和修复机理的研究进行试用测试和统计，从多个方面、多个角度进行考察评价，制订具体实验内容和评价标准。通过加入针对粘度、抗微点蚀、抗磨损、轴承保护、耐水性、氧化稳定性、泡沫和空气释放性、过滤性、防腐防锈等方面润滑添加剂可以有效增加齿轮箱润滑剂使用寿命，降低齿轮箱故障。

1 理论分析

1.1 技术原理

1.1.1 精细研磨

在反应表面存在着双向锯齿状的平台。表面具有凹凸不平的特点，注入的抗磨自修复材料被这一表面产生的摩擦效应进行研磨。通过物理反应得到细化研磨，为下阶段反应提供物理基础（图1）。

图1 精细研磨作用机理示意图 图2渗透清除作用机理示意图

1.1.2 渗透清除

精细研磨后，自修复材料经过物理作用在吸附后不断渗透至发生摩擦的双表面。主要成分为磷酸盐的玻璃体清除了凹陷处原有的污染物，前面研磨之后的玻璃体不断填充前面被清除的凹陷空间，如图2所示。

1.1.3 化学反应

物理反应瞬间会产生闪温，这就为化学反应提供了外部条件。催化剂、活化剂作用于自修复材料，便会发生烧结、微冶金等化学反应过程。化学反应生成新的物质，即金属陶瓷修复层。如图3。

图3 化学反应效果示意图

1.1.4 保持巩固

越是磨损严重时表面的摩擦面，表面就更加凹凸明显。结构上的特点带来的直接结果就是运动时较多机会产生更高的闪温。金属抗磨自修复材料产生化学反应的机会就越多。随着化学反应产生金属陶瓷修复层不断占据凹陷位置修复磨损部位，结构上留给形成修复层的空间越来越少，形成了相对稳定的修复层（图4）。

图4 保持巩固作用机理示意图

1.2 技术特点及机组选择

1.2.1 摩擦系数低

通过试验检讨金属抗磨自修复材料的抗磨性能。试验采用装备再制造国防科技重点实验室MM-10W 型多功能摩擦磨损试验机。选用坦克50CC 机油作为基础油。试验时间设定为120分钟，试验基础载荷200N。试验步骤为向基础油中加入不同含量抗磨修复材料，验证摩擦系数的变化。摩擦系数从0.125开始不断降低，摩擦系数最小为0.0487（含量在每升基础油中加入10%）。

1.2.2 硬度高

采用45#钢基体进行硬度试验。开展摩擦表面纳米压痕测试，试验金属抗磨自修复材料润滑下的磨损表面硬度值。可以看到基础硬度3.85GPa 提升至5.97GPa，结果显示金属磨损表面形成了具有较高硬度的表面修复层，验证了金属抗磨自修复材料可以提高抗磨性能。

1.2.3 耐磨性好

图4是端面摩擦磨损比较试验的过程。反映了金属抗磨自修复材料润滑下，坦克机油于磨损表面形貌SEM 照片。图5a、图5b 是采用基础油润滑时，磨损表面磨损严重，伴随着大量深划痕和粘着现象。图5c、图5d 是金属抗磨自修复材料润滑下的磨损表面具有平整、划痕少、磨损轻的特点，体现了良好抗磨性能。

图5 基础油润滑与金属抗磨自修复材料润滑效果比较示意图

机组选择：安排风电场实验机组应遵循下列原则：应选择主流机型；风电机组主轴轴承应具有在线振动监测系统以及在线温度检测系统；应选择至少5台，以防止偶然性。

1.3 实验内容

1.3.1 数据采集

了解电站运营基本情况以及机组相关数据。根据过去同期3个月内机组的相关数据以及最近一次的油脂检测结果，以此作为项目施工前后数据的比对标准。

1.3.2 制定项目实施方案

在机组主轴承取5瓶1kg 的润滑脂进行油品分析化验，并将相关化验数据存档备案；根据风电机组的润滑脂用量加入相对应配比的抗磨纳米修复材料；在研究持续运营3个月达到稳定效果后，再次对比检测3个月的同工况加注修复材料效果，经双方确认后以此数据作为在机组不更换润滑脂的前提下，本项目的修复性能及其效果将会持续保持。实时进行效果跟踪，以此确保效果及数据持续稳定，并随时根据项目小组反馈的数据进行必要维护。

性能基础要求如下：

1.3.2.1 微保护

风力发电变速箱一般是紧凑设计方式，目的是最大程度减轻塔身上部的重量。齿轮表面通常采用硬化设计，一般通过渗碳、氮化、感应和火焰淬火等表面硬化处理方式。这样的处理方式在复杂的气候条件和运行负荷下容易产生微点蚀的现象。选用的齿轮润滑必须具有防止此类磨损的功能。一般采用通过抗微点蚀性能测试来测量相关的影响，微点蚀保护功效高低用高/中/低耐久性来分级表示，对保护功效用数字来表示，润滑对微点蚀的保护要求不小于10级。

1.3.2.2 抗磨损

当齿轮剂的剂膜厚度不足时，齿轮间的金属部件直接接触，磨损将一直持续以致不得不提早更换齿轮。风机变速箱中的齿轮润滑剂要求一般用失效级数(FLS)表示，采用FZG 磨损测试方法进行有关试验，要求润滑剂抗的擦伤和抗磨损性能失效级数大于12。

1.3.2.3 黏温

风力发电机的特殊运行环境要求润滑剂必须具有相当黏温性能，从而适应湿度、高运行强度、极值高温、低温等极端运行环境。一般是要求黏度指数为不小于110。风电设备变速箱用剂中大多采用合成剂，主要是合成润滑剂的黏温性能。相比较矿物剂基润滑剂可以在不同温度环境下保持突出的润滑能力。

1.3.2.4 过滤清洁

主变速箱齿轮剂对清洁度要求程度高。齿轮剂的过滤性是指在实际运行条件下，齿轮剂通过过滤器并且不堵过滤器的能力[2]。过滤性能界定为微米等级，2～3μm 的肾形回路过滤器、5μm 主过滤器是风电设备的主流过滤器，有效保护风机变速箱部件、延长零部件的使用寿命。

1.3.2.5 抗乳化

变速箱用的齿轮剂必须不易吸水，不允许混入水分。还必须在少量水的情况下仍能给设备充足的润滑保护。风机叶片在旋转时，变速箱运行温度超过75℃。停止旋转冷却后从空气中吸取水分或湿气，风机里的剂和水不可能完全分离，一些水分不可避免进入变速箱。抗乳化性能差的齿轮剂会因水分的进入产生剂泥和水解，从而导致设备故障[3]。抗乳化性能与分离性能是不可或缺的重要属性，以抗乳化试验进行测试[4]。

主要技术标准：风力发电机组专用润滑剂（GB/T 33540.1-2017），风力发电机组润滑剂运行检测规程（NB/T 10111—2018）。

2 研究结果及结论

风机齿轮箱剂温降低，表面点蚀、划痕、摩擦痕修复，振动、噪音降低，轴承运行温度降低，润滑脂使用寿命延长1倍以上，轴承震动频率幅度减少，设备运行稳定性增加，且不会对主轴承润滑脂性能参数（工作锥入度、腐蚀、防腐蚀和相似粘度等）改变，不会对主轴轴承造成不可逆的损伤[5]。

主要技术指标：形成的修复层厚度≧2μm；风机润滑剂（脂）摩擦因数降低50%；风机应用摩擦表面硬度提高1～2倍；不解体修复设备；延长设备使用寿命；增加发电量1%以上；降低齿轮箱及轴承剂脂温度5%的目的。

本项目研究对行业技术进步、自主创新等方面具有重要意义，且获得的经济、社会效益显著。按目前主流1.5兆瓦额定风机机组，正常情况下由于风速变化（3m/s 以下以及3～12m/s、12m/s 以上发电量有所不同）按照日均发电量计算的理论值。如下：

显性效益：齿轮箱剂温可降低3℃以上；轴承温度可降低5℃左右；风机满发功率需要的风速相应降低；以一般陆上风电1.5MW 机组计算，理论统计每天可发电36000度，应用修复剂后每天可至少提升发电量为1400度电，风电标杆电价以0.5元计算，每台风机提高产值为不低于700元/天；(上网电价北方低于0.5、南方高于0.5，陆上低于0.5、海上大于0.5，平均0.5左右)。

隐性效益：提升低风速发电效率；延长润滑剂（脂）使用寿命1倍以上；齿轮箱由于磨损造成渗漏剂可得到有效控制；摩擦副点蚀会得到控制和修复；齿轮和轴承寿命可延长一倍以上；风机震动可得到减缓；风机维保费用和相应劳动强度会减少；延长机组正常使用周期。