齒輪箱的可靠性和長(zhǎng)壽命對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)成功運(yùn)行起著重要作用。齒輪箱過(guò)濾系統(tǒng)是用來(lái)保持齒輪潤(rùn)滑油的清潔，防止齒輪箱的主要部件如齒輪和軸承的過(guò)度磨損。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和質(zhì)量較好的，符合 ISO 16889 多通實(shí)驗(yàn)，過(guò)濾比(Beta 值) 為 1000 的高效、高納污能力的過(guò)濾器是必需的，它能夠確保過(guò)濾系統(tǒng)的油品的清潔度保持最佳狀態(tài)。本文討論的是中國(guó)北方一個(gè)風(fēng)場(chǎng) 1.5MW 風(fēng)機(jī)安裝高效過(guò)濾器的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱經(jīng)受著大自然從狂風(fēng)到微風(fēng)，瞬間再?gòu)奈L(fēng)到狂風(fēng)的高跨度變動(dòng)和迅速反轉(zhuǎn)等極端苛刻的操作條件。同時(shí)，風(fēng)機(jī)需要盡可能的緊湊和輕便、低噪音、能忍受極高和極低苛刻的溫度條件，并提供長(zhǎng)達(dá) 20 年的使用壽命。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)大部分都分布在偏遠(yuǎn)的地區(qū)，本身的特點(diǎn)決定了維修和保養(yǎng)的難度，并且需要耗費(fèi)大量時(shí)間和超高的費(fèi)用。盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)使用壽命是 20 年，每 2 年保養(yǎng)一次，但實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，有的齒輪箱剛剛運(yùn)行一年就不能工作了。在齒輪箱失效原因中，軸承失效導(dǎo)致齒輪箱失效占比最高，齒輪磨損導(dǎo)致齒輪箱失效也是常見(jiàn)原因。

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不可預(yù)見(jiàn)的停機(jī)是 280hrs/y ，35% 是由齒輪箱軸承失效造成的。失效原因分析發(fā)現(xiàn)，20%失效原因與潤(rùn)滑油中固體顆粒污染有關(guān)。固體顆粒污染物會(huì)導(dǎo)致齒輪表面磨損產(chǎn)生金屬屑，磨損產(chǎn)生的金屬屑導(dǎo)致更多的磨損顆粒，不僅如此，固體顆粒污染物還會(huì)破壞抗磨添加劑油膜的形成(參考 Ref 1)。另一項(xiàng)德國(guó) Schleswig‐HolsteinLand Wirtschafts Kammer (LWK)調(diào)查研究結(jié)果顯示，在 1993‐2004 期間，由于齒輪箱失效導(dǎo)致的風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)率最高(圖 1)。

　　由于軸承磨損產(chǎn)生的污染物最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)齒輪箱內(nèi)齒牙磨損。典型的齒輪箱失效，就是從軸承磨損開(kāi)始的。軸承磨損產(chǎn)生金屬屑，金屬屑導(dǎo)致更多的磨損，磨損產(chǎn)生大量的污染物進(jìn)一步導(dǎo)致齒輪與齒輪箱的運(yùn)動(dòng)間隙平行度偏移，齒輪嚴(yán)重磨損，最終導(dǎo)致齒輪箱失效。風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪的維修和替換不可能在風(fēng)機(jī)上完成，只能整體齒輪箱更換(其吊裝、更換以及運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用是非常昂貴的)。

　　齒輪箱潤(rùn)滑依靠高性能的潤(rùn)滑流體，包括精制礦物油、合成油或半合成混合油。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是典型的低速重載運(yùn)行設(shè)備，是彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑(EHL)模式，滑動(dòng)和滾動(dòng)過(guò)程使部分金屬表面直接接 觸是普遍存在的。這些條件下要求使用的潤(rùn)滑油具有加強(qiáng)型添加劑，最佳操作粘度和清潔度。

　　AGMA/AWEA 6006:2003 《風(fēng)機(jī)齒輪箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范》是風(fēng)電齒輪箱制造行業(yè)具有權(quán)威性和全面性的標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù) AGMA 標(biāo)準(zhǔn)，確定合適的組件、過(guò)濾器尺寸、高效過(guò)濾介質(zhì)的責(zé)任，是由買方、齒輪箱制造方和過(guò)濾器供應(yīng)方共同協(xié)商確定。買方提供齒輪制造廠家風(fēng)機(jī)預(yù)期安裝地點(diǎn)的環(huán)境條件。

　　為得到齒輪和軸承的最佳使用壽命，AGMA/AWEA 6006:2003 標(biāo)準(zhǔn)中給出了維護(hù)潤(rùn)滑油清潔度的指導(dǎo)(表 1)：

　　風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)包含過(guò)濾固體顆粒金屬屑的過(guò)濾裝置，要求油箱油清潔度維持在 ISO 4406 ‐/16/13 以上。按維護(hù)手冊(cè)要求, 第一次取樣不能超過(guò) 4000 小時(shí)，隨后按 3‐6 個(gè)月固定周期取樣檢測(cè)。軸承使用壽命按 ISO 4406 ‐/17/14 計(jì)算，但齒輪制造商要求在生產(chǎn)/驗(yàn)收每個(gè)齒輪箱的試驗(yàn)用油清潔度為 ISO ‐/15/12 (Ref 2)。

　　風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用一個(gè)或多個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)。過(guò)濾系統(tǒng)通常包含油冷卻系統(tǒng)和在線過(guò)濾器壓力潤(rùn)滑系統(tǒng)。在線過(guò)濾器可以是獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)或與離線(獨(dú)立循環(huán))過(guò)濾系統(tǒng)一起提供設(shè)計(jì)需求的清潔度以及齒輪和軸承所需潤(rùn)滑油量。離線過(guò)濾系統(tǒng)通常是與壓力噴濺潤(rùn)滑系統(tǒng)分離的。無(wú)論安裝位置如何，從離線系統(tǒng)出來(lái)的清潔油直接進(jìn)入齒輪箱來(lái)沖刷齒輪箱。

　　在線過(guò)濾器通常是由高效精過(guò)濾器作為主過(guò)濾器部分，金屬網(wǎng)過(guò)濾器作為粗過(guò)濾器，兩部分過(guò)濾器做成一體。主過(guò)濾器尺寸和精度的選擇要提供流體需要的清潔度和使用壽命。二級(jí)過(guò)濾器比較粗，壓力低，當(dāng)冷啟動(dòng)情況下，流體粘度較高，通過(guò)主過(guò)濾器阻力較大，旁通閥打開(kāi)，流體直接通過(guò)二級(jí)過(guò)濾器。

　　風(fēng)機(jī)行業(yè)的做法是設(shè)計(jì)一個(gè)具有高納污能力的可以實(shí)現(xiàn)七個(gè)月使用壽命的主過(guò)濾器，半年濾芯更換周期一到，統(tǒng)一更換濾芯。同樣道理，十四個(gè)月的使用壽命的過(guò)濾器，到十二個(gè)月時(shí)統(tǒng)一更換濾芯。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，從維護(hù)和節(jié)約成本的角度上，更長(zhǎng)使用壽命的過(guò)濾器濾芯是非?？扇〉?。重要的是延長(zhǎng)使用壽命期間過(guò)濾器濾芯需要保持其顆粒的去除性能和保留住捕獲的污染物。在許多冷啟動(dòng)和極端的溫度下，過(guò)濾器承受的應(yīng)力是需要過(guò)濾介質(zhì)及其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)處理的。

　　中國(guó)北方風(fēng)電場(chǎng)，1.5 MW 風(fēng)機(jī)上安裝了許多頗爾公司專利生產(chǎn)的漸變孔徑、合成玻璃纖維過(guò)濾器。該過(guò)濾器隨同齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)一起提供，包括完整的電泵、相關(guān)閥門、軟管、DP 報(bào)警和風(fēng)冷器等。Figure2 展示安裝在齒輪箱上的過(guò)濾系統(tǒng)。過(guò)濾器濾芯為高納污能力設(shè)計(jì)，并有支撐層和外面螺旋纏帶固定結(jié)構(gòu)。過(guò)濾器期望保持潤(rùn)滑油清潔度高于ISO-/16/13并且提供至少12個(gè)月的使用壽命。本文隨機(jī)選取四臺(tái)風(fēng)機(jī)跟蹤監(jiān)測(cè)過(guò)濾器的性能。四臺(tái)風(fēng)機(jī)中，三臺(tái)風(fēng)機(jī)在線過(guò)濾過(guò)濾系統(tǒng)精過(guò)濾濾芯安裝了顆粒過(guò)濾比β1000≥12μm濾芯(Pall“S”級(jí)濾材),一臺(tái)風(fēng)機(jī)安裝了顆粒過(guò)濾比β1000≥7μm(Pall“N”級(jí)濾材)濾芯，四個(gè)風(fēng)機(jī)粗過(guò)濾均為25μm金屬網(wǎng)。所有風(fēng)機(jī)在2010年5月開(kāi)始運(yùn)行，齒輪箱潤(rùn)滑油使用的是ISO VG320合成油(PAO based)。Figure 3所示為潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖，最大流量為116LPM,系統(tǒng)油共約320L。

　　為了記錄過(guò)濾器的性能，從2012年7月更換過(guò)濾器濾芯開(kāi)始取樣跟蹤，取樣點(diǎn)在過(guò)濾器的上游，目標(biāo)跟蹤一年，使用期間流體清潔度高于等于ISO4406-/16/13。過(guò)濾器使用壽命終止由油品清潔度或?yàn)V芯壓差(設(shè)置壓差3.0 bard)決定，其中一項(xiàng)達(dá)到，使用壽命終止。

　　由于風(fēng)場(chǎng)地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，冬季天氣惡劣，大雪封山時(shí)無(wú)法按計(jì)劃取樣，所以個(gè)別結(jié)果缺失。流體樣品按ISO4406清潔度標(biāo)準(zhǔn)分析給出，使用金屬網(wǎng)堵塞法設(shè)備(Ref:3)檢測(cè)。由于齒輪油粘度太高，遮光法或光散射法自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器被證實(shí)不能正常檢測(cè)。所取樣品還采用1.2μm分析膜片法來(lái)驗(yàn)證金屬網(wǎng)堵塞法的結(jié)果，以及查看不正常顆粒或污染物。

　　由于過(guò)濾器使用過(guò)程中捕捉磨損顆粒，過(guò)濾介質(zhì)纖維矩陣內(nèi)的空隙體積逐漸被占據(jù)，導(dǎo)致阻力增加，這主要表現(xiàn)在濾芯的壓差(DP)增長(zhǎng)。壓差增長(zhǎng)跟濾芯堵塞的程度成正比，在濾芯安裝使用12個(gè)月后我們進(jìn)行了濾芯壓差檢測(cè)。

　　壓差檢測(cè)使用Y型接口安裝到過(guò)濾器濾頭的DP指示器接口上，通過(guò)傳感器檢測(cè)壓差(圖4)。因?yàn)?，在維修檢測(cè)過(guò)程中，風(fēng)機(jī)不允許運(yùn)行，所以壓差檢測(cè)是在電動(dòng)泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)68 LPM下測(cè)得。報(bào)告中給出的數(shù)據(jù)是根據(jù)當(dāng)時(shí)的溫度和粘度條件，進(jìn)一步換算成風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷全流量116LPM運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)、油溫40oC時(shí)的壓差。第一套濾芯使用12個(gè)月后，齒輪油清潔度狀況良好，壓差值均低于3 bard報(bào)警壓差值，因此決定暫不更換濾芯，繼續(xù)跟蹤清潔度和壓差情況。又跟蹤4個(gè)月后，停止，第一套濾芯總共使用16個(gè)月。

　　16 個(gè)月時(shí)的壓差情況如圖 5，第二套濾芯的壓差在后面討論。

　　第二套濾芯仍然安裝在這四臺(tái)風(fēng)機(jī)上。新濾芯有三支 12μm(Pall“S”級(jí)濾材)安裝在三臺(tái)風(fēng)機(jī)上，一支 7μm(Pall“N”級(jí)濾材)安裝 #56 風(fēng)機(jī)上，粗過(guò)濾仍然是 25μm 的金屬網(wǎng)過(guò)濾器。同第一套一樣，定期取樣檢測(cè)齒輪箱油的清潔度和濾芯的壓差，直到 21 個(gè)月四支濾芯壓差都沒(méi)有到達(dá) 3 bard 報(bào)警值(注#48 風(fēng)機(jī)第 19 個(gè)月因?yàn)辇X輪箱維修，無(wú)法得到壓差值)。但整體壓差變化趨勢(shì)看，從 19 個(gè)月開(kāi)始?jí)翰铋_(kāi)始加速增長(zhǎng)，指示著濾芯快速堵塞，濾芯壽命即將結(jié)束(圖 6)。建議風(fēng)場(chǎng)開(kāi)始更換新的濾芯。

　　參考(圖 5)第 16 個(gè)月末第一套和第二套濾芯壓差比較圖，#41 和#48 風(fēng)機(jī)上第二套濾芯壓差明顯比第一套低。這是因?yàn)榈谝惶诪V芯已經(jīng)將齒輪箱內(nèi)磨損顆粒清理干凈，減低了第二套濾芯的截污量，因此降低了第二套濾芯第 16 個(gè)月末的壓差。#56 風(fēng)機(jī)第一套精度為 12μm，第二套濾芯精度為 7μm，更細(xì)精度的過(guò)濾器進(jìn) 一步清潔系統(tǒng)油品，因此第二套濾芯第 16 個(gè)月末的壓差比第一套高些。#57 風(fēng)機(jī)第一套精度為 7μm，第二套濾芯精度為 12μm，原本潔凈的齒輪箱內(nèi)部，第二套濾芯第 16 個(gè)月末自然截留污染物少，壓差低。第一套濾芯 16 個(gè)月得到的樣品清潔度評(píng)估結(jié)果如表 2，第一套濾芯 21 個(gè)月得到的樣品清潔度評(píng)估結(jié)果如表 3。

　　圖 7 顯示齒輪箱潤(rùn)滑油清潔度自監(jiān)測(cè)以來(lái) 37 個(gè)月的趨勢(shì)圖。曲線表示流體中≥6μm(c)顆粒數(shù)變化情況，即體現(xiàn)的是 ISO4406 清潔度等級(jí)的中間數(shù)字(參考圖 8 按 ISO4406 清潔度評(píng)級(jí)系統(tǒng)描述)(Ref 4)。紅色水平虛線繪制在代碼 16 上，根據(jù) AGMA 標(biāo)準(zhǔn)，這是風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑油要求的清潔度水平的上限，代碼越小，清潔度越高。從圖 7 看出，從過(guò)濾器的安裝使用后，整體清潔度代碼在要求范圍內(nèi)呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明清潔度在不斷改進(jìn)。監(jiān)測(cè)的四臺(tái)風(fēng)機(jī)在第二套濾芯使用 21 個(gè)月，總共跟蹤 37 個(gè)月時(shí)停止試驗(yàn)。根據(jù)這個(gè)風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)，建議提高濾芯的更換周期從 12 個(gè)月提高到 18 個(gè)月。

　　將來(lái)，具有較高的納污能力的濾材和創(chuàng)新的濾材結(jié)構(gòu)、較低的凈壓差、更大的過(guò)濾面積的濾芯，將同樣的風(fēng)電機(jī)組潤(rùn)滑油過(guò)濾器的使用壽命達(dá)到 24 個(gè)月。這些計(jì)劃正在貫徹實(shí)施，未來(lái)的文章將介紹這些過(guò)濾器的相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)略.