本文分析了零件清潔度對(duì)齒輪箱的影響以及導(dǎo)致零件清潔度差的主要原因。闡述了一種定量化檢測(cè)風(fēng)電齒輪箱零件的清潔度方法。通過 DOE 實(shí)驗(yàn)尋找出與萃取污染物能力顯著相關(guān)的因子，然后對(duì)相關(guān)的因子進(jìn)行萃取試驗(yàn)繪制出萃取曲線，尋找檢驗(yàn)的最佳工藝組合，達(dá)到 ISO16232 的檢測(cè)要求。

　　國(guó)家對(duì)環(huán)境的保護(hù)日益重視，在第 75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間，中國(guó)提出將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭(zhēng)二氧化碳排放于 2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。作為極其重要的清潔能源之一的風(fēng)能必將承擔(dān)起非常重大的責(zé)任，可以預(yù)想，未來幾十年，風(fēng)力發(fā)電將會(huì)迎來非常良好的發(fā)展機(jī)會(huì)，風(fēng)電投裝量會(huì)不斷增加，兆瓦級(jí)也會(huì)不斷增大，海上風(fēng)電也將迎來發(fā)展壯大。風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等主要部件的質(zhì)量和可靠性必將提出更高要求。作為風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵核心部件的主齒輪箱，它在葉片和發(fā)電機(jī)之間起著匹配轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩的作用，它的性能的好壞，對(duì)風(fēng)力發(fā)電整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，起著非常重要的作用。輪齒損傷、軸承損壞正是導(dǎo)致風(fēng)電齒輪箱不能正常運(yùn)行的主要失效形式，而齒輪箱清潔度差又是導(dǎo)致輪齒損傷、軸承損壞、潤(rùn)滑不良的因素之一，它是一個(gè)十分重要的質(zhì)量特性，必須進(jìn)行控制。

　　1 清潔度對(duì)齒輪箱的影響

　　在齒輪嚙合的過程中，潤(rùn)滑油將雜質(zhì)帶入齒面嚙合區(qū)域，不但影響齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性，甚至還會(huì)造成齒面壓痕、點(diǎn)蝕、膠合和磨損等輪齒損傷，縮短齒輪的使用壽命。

　　如果潤(rùn)滑油將雜質(zhì)帶入滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體與滾道之間時(shí)，雜質(zhì)會(huì)破壞它們之間正常的油膜，輕者會(huì)造成滾動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)不良，重者會(huì)使?jié)L道及滾動(dòng)體形成凹坑，造成其點(diǎn)蝕或其他軸承失效形式，縮短滾動(dòng)軸承使用壽命。

　　如果潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)軸承滑動(dòng)體表面后，會(huì)破壞潤(rùn)滑油膜、研磨滑動(dòng)軸承表面，甚至?xí)苯悠茐幕瑒?dòng)軸承表層的巴氏合金層，造成滑動(dòng)軸承磨損，振動(dòng)加劇，機(jī)組無法正常運(yùn)行。

　　另外，如果雜質(zhì)堵塞噴油嘴、軸承噴油孔等位置，直接會(huì)導(dǎo)致齒面、軸承潤(rùn)滑不足或不能潤(rùn)滑，輕者導(dǎo)致溫度升高、壓力異常，重者造成齒輪、軸承損傷。

　　可見，齒輪箱清潔度差對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑、齒輪嚙合以及軸承等均產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，企業(yè)要采取相關(guān)措施，提高風(fēng)電齒輪箱清潔度整體水平，以保證風(fēng)電齒輪箱正常、可靠運(yùn)行。

　　2 導(dǎo)致齒輪箱清潔度差的原因

　　一般來說，齒輪箱清潔度是指潤(rùn)滑油本身清潔度、齒輪箱內(nèi)部各個(gè)零件清潔度、裝配過程產(chǎn)生的清潔度、齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)過程中正常磨損產(chǎn)生的清潔度之和。

　　齒輪箱的制造是一個(gè)復(fù)雜的過程，包含零件鑄造、鍛造、機(jī)械加工、熱處理、整機(jī)組裝、試驗(yàn)、涂裝等過程。零件加工、運(yùn)輸起吊、裝配等各環(huán)節(jié)均可能產(chǎn)生顆粒異物。主要表現(xiàn)在：

　　一是裝配清洗前零件本身清潔度差。一方面，零件在機(jī)加工過程產(chǎn)生的翻邊、毛刺、鐵屑、油污、銹斑等沒有得到及時(shí)清理或清理不到位，或者存在螺紋孔、油孔深處部位鐵屑不容易被清理掉，這些都給裝配前零件清洗工作增加了難度。另一方面，鑄件(如箱體、轉(zhuǎn)架)表面內(nèi)壁油漆附著力不夠，存在局部油漆起皮、磕碰造成油漆剝落等， 在齒輪箱潤(rùn)滑油的作用下，油漆脫皮會(huì)落入潤(rùn)滑油中，造成潤(rùn)滑油污染。

　　二是裝配前零件清洗過程沒有達(dá)到零件清洗后清潔度要求。如清洗時(shí)零件擺放方式不合理、清洗溫度、清洗壓力、清洗時(shí)間不合理、清洗液渾濁度高或清洗液沒有得到及時(shí)更換等因素均會(huì)造成零件在清洗工序清洗后達(dá)不到清潔度要求。

　　三是裝配過程產(chǎn)生的二次污染。主要是零件清洗后零件在起吊、存放、周轉(zhuǎn)過程中沒有及時(shí)做好防塵、防銹等措施或者零件在起吊、裝配過程磕碰產(chǎn)生毛刺等。另一方面是箱體結(jié)合面多余的密封膠落進(jìn)齒輪箱箱體內(nèi)，進(jìn)入潤(rùn)滑油中，造成潤(rùn)滑油產(chǎn)生污染。

　　3 零件清潔度量化檢測(cè)研究

　　通常零件在進(jìn)入裝配前都要經(jīng)過零件清洗這個(gè)過程，以保證清潔度合格的零件才能進(jìn)行裝配。對(duì)于零件清潔度的量化檢測(cè)，在汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、軸承等行業(yè)比較常見，涉及的零件尺寸相對(duì)較小以，重量也相對(duì)較輕;而風(fēng)電齒輪箱的零件尺寸相對(duì)較大，重量也相對(duì)較重，零件清潔度量化檢測(cè)相對(duì)困難，應(yīng)用較少，目前主要還是依靠目視檢查法，檢查零件表面是否存在殘留的清洗劑、油污或其他異物等，對(duì)于箱體、轉(zhuǎn)架來說，還要檢查內(nèi)壁油漆是否平整光滑、是否起泡、脫落等。目視檢查法雖然簡(jiǎn)單但很粗糙，可能會(huì)造成零件清潔度誤判。因此，為了提高風(fēng)電齒輪箱的使用壽命和可靠性，迫切需要對(duì)風(fēng)電齒輪箱零件清潔度進(jìn)行定量化檢測(cè)研究。

　　本文選取風(fēng)電齒輪箱中一種鑄件類回轉(zhuǎn)體零件 A 作為研究對(duì)象(見圖 1)，旨在探索出這個(gè)類型的零件清潔度定量化檢測(cè)最佳參數(shù)。該類型的零件在風(fēng)電齒輪箱內(nèi)部做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，齒輪箱內(nèi)部的潤(rùn)滑油會(huì)濺灑到其整個(gè)表面。本文試驗(yàn)所用的這類零件，都是在經(jīng)過零件清洗、零件清潔度目測(cè)合格后才進(jìn)入相關(guān)試驗(yàn)的。

　　圖 1  零件 A

　　3.1  試驗(yàn)用設(shè)備

　　清洗機(jī)：壓力可調(diào)節(jié)范圍(10 ～ 120)bar;

　　烘干設(shè)備：烘箱 1 個(gè);

　　測(cè)量設(shè)備：天平(精度：0.1 ㎎)、顯微鏡(放大倍數(shù)：50 倍);

　　輔助器具：接水盤(圖 2，1 個(gè))、過濾膜片(若干)、 燒杯(若干)、清洗液(一批);

　　圖 2  接水盤

　　本試驗(yàn)還需要行車配合起吊。

　　3.2  測(cè)量系統(tǒng)分析

　　采用 10 個(gè)有污染物的過濾膜片作為樣本，讓 3 個(gè)試驗(yàn)員對(duì)其進(jìn)行天平稱重和顯微鏡掃描。每位試驗(yàn)員對(duì)每張膜片分別重復(fù)掃描兩次和稱重兩次，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析。從圖 3 來看，試驗(yàn)用的天平、顯微鏡和試驗(yàn)人員組成的測(cè)量系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

　　圖 3  測(cè)量系統(tǒng)分析(顯微鏡、天平)

　　3.3  零件清潔度量化檢測(cè)流程

　　零件清潔度量化檢測(cè)流程分為輔助器具清潔度檢測(cè)和零件清潔度檢測(cè)兩大步驟，流程如圖 4 所示。

　　圖 4  量化檢測(cè)流程圖

　　(1)輔助器具清潔度檢測(cè)。在零件清潔度檢測(cè)之前，需要先對(duì)輔助器具(諸如接水盤、過濾膜片、燒杯、清洗液)的清潔度進(jìn)行確認(rèn)，以確保他們自身的清潔情況對(duì)零件清潔度的最終評(píng)價(jià)不構(gòu)成重大影響。首先將 n 張(n=1，2,3...)新膜片放置在烘箱中，在設(shè)定的溫度下進(jìn)行烘干，膜片隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾前的膜片總重量 W1：

    清洗機(jī)壓力調(diào)至設(shè)定萃取壓力，噴槍對(duì)接水盤進(jìn)行重復(fù)沖洗，將收集好的沖洗液用膜片進(jìn)行過濾;過濾后的膜片在烘箱內(nèi)按設(shè)定溫度進(jìn)行烘干，隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾后的膜片總重量 W2;

　　輔助器具清潔度用 w0 表示。

　　式中，S 總為接水盤內(nèi)表面面積、燒杯內(nèi)表面面積、過濾系統(tǒng)內(nèi)表面面積之和。

　　輔助器具清潔度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：當(dāng) w0 小于零件清潔度技術(shù) 要求 10% 時(shí)，表明輔助器具清潔度已滿足要求;如果超出 10%，則需要查明原因并重新沖洗、檢測(cè)，直至滿足要求。

　　(2)零件清潔度檢測(cè)。重新選用 m 張(m=1，2,3...)新膜片，將之放到烘箱中，在設(shè)定的溫度下進(jìn)行烘干、隨爐冷卻至室溫后用天平稱重，得到過濾前的膜片總重量 W3;

       將要檢測(cè)的零件吊運(yùn)至接水盤正上方合適位置(圖 5 所示)，清洗機(jī)壓力調(diào)至設(shè)定壓力，噴槍對(duì)該零件進(jìn)行反復(fù)沖洗，將收集好的沖洗液，用上述過濾膜片進(jìn)行過濾;過濾后的膜片在烘箱內(nèi)按設(shè)定溫度進(jìn)行烘干，隨爐冷卻至室溫后用天平進(jìn)行稱重，得到過濾后的膜片總重量 W4：

　　圖 5  檢測(cè)沖洗過程示意圖

　　零件清潔度一般采用單位面積上污染物重量和顆粒數(shù)量?jī)蓚€(gè)維度來評(píng)價(jià)。

　?、賳挝幻娣e上污染物重量用 w 表示，計(jì)算公式如下：

　　式中 S 為該零件表面積。

　?、趩挝幻娣e上顆粒數(shù)量的檢查使用顯微鏡進(jìn)行掃描，按表 1 直接讀出清潔度等級(jí)。

　　零件清潔度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則：當(dāng)單位面積上污染物重量和顆粒數(shù)量?jī)身?xiàng)指標(biāo)均滿足零件清潔度技術(shù)要求時(shí)，判定零件清潔度合格;如果其中有一項(xiàng)不符合要求，則判定零件清潔度不合格。零件需要退回零件清洗工序進(jìn)行重新清洗，并重新檢測(cè)直至滿足要求為止。

　　3.4  污染物提取是否充分的影響因素

　　是否能充分提取出零件表面上的污染物，是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)清潔度等級(jí)的關(guān)鍵。在考慮諸多因素后，為研究簡(jiǎn)化起見，本文選擇了清洗機(jī)壓力 P(P1、P2 兩個(gè)壓力參數(shù))、噴槍至零件距離 L(L1、L2 兩個(gè)距離參數(shù))、沖洗次數(shù)(沖洗 1 次和 沖洗 2 次)這三個(gè)因素進(jìn)行 3 因子 2 水平 DOE 全因子試驗(yàn)。

　　在每種組合下對(duì)選取的零件進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn) 2 次，分別提取 2 次污染物進(jìn)行稱重，第 1 次污染物稱重為 Result1，第2次污染物稱重為Result2，以 Y=Result2/Result1 來衡量提取污染物能力。試驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示。

　　圖 6  DOE 試驗(yàn)

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，距離、壓力的改變，并不會(huì)顯著改變 Y 值，而沖洗次數(shù)的改變可以顯著改變 Y 的數(shù)值，沖洗次數(shù)從 1 次提升至 2 次時(shí)，Y=Result2/Result1 平均從 17.7% 的水平顯著提升至 14%(比值越小，表明該工藝組合的污染物萃取能力越強(qiáng))。因此，提升沖洗次數(shù)可以有效萃取出零件表面污染物。

　　3.5  污染物萃取曲線

　　根據(jù)圖 6 的試驗(yàn)結(jié)果，本文在 P1、L2 的情況下，繼續(xù)選用新的 2 個(gè)零件，分別對(duì)其進(jìn)行 6 次重復(fù)沖洗，檢測(cè)每一次的污染物重量，分別計(jì)為g1、g2、g3、g4、g5、g6，同時(shí)計(jì)算出 gi/(g1+…+gi)，并畫出試驗(yàn)后的各自的萃取曲線，如圖 7 所示。

　　圖 7  萃取曲線

　　圖 7 顯示，當(dāng)沖洗 3 次后，g3/(g1+g2+g3)值均小于 10% 的評(píng)價(jià)線，表明當(dāng)沖洗次數(shù)達(dá)到 3 次時(shí)，可以把零件表面污染物基本萃取出來。

　　4 結(jié)語

　　零件清潔度水平對(duì)風(fēng)電齒輪箱來說是一個(gè)十分重要的質(zhì)量特性，全員必須把零件清潔度作為質(zhì)量關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行管控。企業(yè)可參考本文第 2 部分的闡述，根據(jù)自身狀況，落實(shí)提高零件清潔度整改措施并強(qiáng)力推動(dòng)執(zhí)行，以提高風(fēng)電齒輪箱的清潔度整體水平，同時(shí)有必要增加對(duì)零件清潔度進(jìn)行定量化檢測(cè)，將零件清潔度控制在合理水準(zhǔn)。

　　本文通過試驗(yàn)研究表明，壓力、距離與萃取污染物能力相關(guān)性較弱，而沖洗次數(shù)則呈顯著相關(guān)性。增加一定次數(shù)的沖洗次數(shù)，可以提高萃取污染物的能力。但是，不同零件、不同清洗機(jī)設(shè)備、不同清洗工藝等，可能都會(huì)導(dǎo)致顯著因子的不同，企業(yè)需要根據(jù)自身具體情況進(jìn)行針對(duì)性的研究。另外，未來也可考慮定制自動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)收集、 轉(zhuǎn)移、過濾沖洗液、沖洗液再回收利用的設(shè)備，以提升檢驗(yàn)效率。