含磷添加劑潤(rùn)滑油對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱磨損影響分析

孫建偉，歐煥飛，杜琳娟，張希希，毋瑞琪

（1.華潤(rùn)電力技術(shù)研究院，廣東深圳 518010；2.潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，鄭州 450018）

0 引言

齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的核心部件，對(duì)整個(gè)機(jī)組的高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，齒輪油對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱有減少摩擦、避免發(fā)熱、防止磨損的功能，對(duì)維持風(fēng)機(jī)運(yùn)行及提高齒輪箱壽命起到非常關(guān)鍵的作用。目前，風(fēng)機(jī)齒輪油多使用?？松梨诠尽⒑商m皇家殼牌公司、德國(guó)福斯油品公司、英國(guó)石油公司等國(guó)外廠商生產(chǎn)的全合成含磷添加劑的齒輪油。齒輪油中含磷型添加劑起到極壓、抗磨的作用［1－2］。不同品牌的齒輪油含磷添加劑的不同，對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱磨損影響不同。通常采用油液監(jiān)測(cè)手段［3－4］特別是使用光譜分析技術(shù)［5］可以監(jiān)測(cè)齒輪箱磨損情況并對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估。例如郎宏等［6］基于光譜分析技術(shù)能夠提前預(yù)報(bào)燃?xì)廨啓C(jī)傳動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)可能發(fā)生的磨損故障，是油液狀態(tài)監(jiān)控的一種有效手段；常鵬等［7］基于光譜分析技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱不同的累積磨損情況建立3 種不同維護(hù)策略，利用概率建立時(shí)間成本模型，優(yōu)化齒輪箱維護(hù)時(shí)間成本；孫建偉等［8］基于光譜分析技術(shù)監(jiān)測(cè)大量在用風(fēng)機(jī)齒輪油中磷添加劑含量，判斷風(fēng)機(jī)齒輪油的老化程度，為風(fēng)機(jī)齒輪油更換提供參考依據(jù)。本文通過(guò)采用光譜分析技術(shù)監(jiān)測(cè)在用齒輪油中一定時(shí)期鐵元素的變化量，來(lái)衡量不同品牌齒輪油極壓、抗磨性能對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱磨損的影響。

1 分析背景

某電力公司7 個(gè)不同風(fēng)電場(chǎng)共計(jì)235 臺(tái)風(fēng)機(jī)是同機(jī)型、同品牌的齒輪箱，但卻使用了2 種不同廠家的齒輪油，其中使用L1－320 有95 臺(tái)，使用L2－320 有140 臺(tái)。通過(guò)使用Spectro 油料光譜分析儀［9］定期監(jiān)測(cè)齒輪油發(fā)現(xiàn)，L1－320 和L2－320 齒輪油中極壓－抗磨添加劑含量不同：L1－320 齒輪油新油中磷含量380～420 mg／ kg；L2－320 齒輪油新油中磷含量190～200 mg／ kg，由于極壓－抗磨添加劑含量的不同，機(jī)組在運(yùn)行中齒輪箱磨損的差異能通過(guò)鐵元素表現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)704 個(gè)在用齒輪油鐵含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析L1－320 和L2－320 磨損鐵元素的變化量，來(lái)評(píng)估齒輪油的極壓抗磨性能。

2 分析方法

通過(guò)前期對(duì)在用風(fēng)機(jī)齒輪油的跟蹤監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，齒輪箱的磨損情況可以通過(guò)油液光譜儀定期監(jiān)測(cè)鐵元素含量來(lái)判斷［10］。因此，不同含磷添加劑齒輪油對(duì)齒輪箱磨損影響分析可以采用2種方法進(jìn)行。

2.1 齒輪箱磨損鐵元素含量趨勢(shì)分析法

由于不同含磷添加劑的齒輪油，對(duì)齒輪箱磨損影響不同，通過(guò)對(duì)L1－320 和L2－320 一段時(shí)間的鐵元素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立一元線性回歸方程趨勢(shì)線進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 齒輪箱單位可利用小時(shí)數(shù)磨損鐵元素增加量趨勢(shì)分析法

計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)鐵元素的增加量和這段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)機(jī)可利用小時(shí)數(shù)的比值，能真實(shí)反映出風(fēng)機(jī)在有效工作時(shí)間內(nèi)的磨損情況。通過(guò)對(duì)L1－320 和L2－320 在單位可利用小時(shí)數(shù)內(nèi)的鐵元素增加量計(jì)算數(shù)據(jù)，建立一元線性回歸方程趨勢(shì)線進(jìn)行對(duì)比分析。

計(jì)算單位可利用小時(shí)數(shù)磨損鐵元素增加量樣本的計(jì)算值ΔQFe（鐵元素的增量／每100 可利用小時(shí)數(shù)）。

式中：ΔQFe為每100 可利用小時(shí)下風(fēng)機(jī)齒輪箱油中磨損鐵元素增加量，mg／ kg；QFe為不同取樣時(shí)間齒輪油中鐵元素含量，mg／ kg；E為不同取樣時(shí)間時(shí)風(fēng)機(jī)發(fā)電量，kW·h；W單為單臺(tái)風(fēng)機(jī)標(biāo)稱功率，kW；角標(biāo)1、2 分別表示第1 次取樣時(shí)間、第2次取樣時(shí)間。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 齒輪箱磨損鐵元素變化數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于同機(jī)型、同品牌的齒輪箱，不同風(fēng)電場(chǎng)送檢在用齒輪油檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)L1－320 和L2－320 共計(jì)704 個(gè)鐵元素檢測(cè)數(shù)據(jù)，鐵元素含量隨不同時(shí)間的趨勢(shì)圖及建立的一元線性回歸方程如圖1 所示。

圖1 不同時(shí)間鐵元素含量變化趨勢(shì)

由圖1 可知：

（1）L2－320 檢測(cè)數(shù)據(jù)433 個(gè)，L1－320 檢測(cè)數(shù)據(jù)271 個(gè)，從圖中可以看出L2－320 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布高于L1－320 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布，而且L2－320 Fe 數(shù)據(jù)一元線性回歸趨勢(shì)線高于L1－320 Fe 一元線性回歸數(shù)據(jù)趨勢(shì)線。

（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磨損平均值是L1－320 Fe磨損平均值的1.49 倍。

（3）磨損鐵元素預(yù)警值是75 mg／ kg，L2－320 有84 組數(shù)據(jù)超出75 mg／ kg，L1－320 無(wú)數(shù)據(jù)超出75 mg／ kg。從圖中可以看出，L2－320 數(shù)據(jù)超出預(yù)警值是風(fēng)機(jī)運(yùn)行900 天（2.5年）以后，磨損鐵元素連續(xù)超過(guò)預(yù)警值，預(yù)示著齒輪油需要更換新油，而風(fēng)機(jī)廠商提供給風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)商的風(fēng)機(jī)維護(hù)手冊(cè)上是齒輪油更換周期為1825 天（5年），分析發(fā)現(xiàn)L2－320 油品的使用年限比計(jì)劃年限縮短了50%。

7個(gè)不同風(fēng)電場(chǎng)齒輪箱磨損鐵元素變化對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)電場(chǎng)磨損鐵元素統(tǒng)計(jì)

3.2 L1－320 和L2－320 對(duì)齒輪箱磨損影響分析

某風(fēng)電場(chǎng)同機(jī)型、同品牌齒輪箱使用L1－320和L2－320，檢測(cè)160個(gè)鐵元素?cái)?shù)據(jù)，建立鐵元素含量的趨勢(shì)圖，如圖2所示。

圖2 某風(fēng)電場(chǎng)不同時(shí)間鐵元素含量變化趨勢(shì)

由圖2可知：某風(fēng)電場(chǎng)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 磨損平均值是L1－320 Fe磨損平均值的1.62 倍。有17 個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)9 臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪油磨損鐵元素含量超出75 mg／ kg。理論上說(shuō)明L1－320 極壓－抗磨性能優(yōu)于L2－320。

3.3 齒輪箱磨損ΔQFe（鐵元素增量／每100 可利用小時(shí)數(shù)）對(duì)比分析

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源同機(jī)型、同品牌的齒輪箱，不同風(fēng)電場(chǎng)送檢在用齒輪油檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)式（1）統(tǒng)計(jì)計(jì)算L2－320 和L1－320 共計(jì)172 個(gè)ΔQFe數(shù)據(jù)，建立ΔQFe數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖和的一元線性回歸方程，如圖3 所示。

圖3 每100 可利用小時(shí)數(shù)磨損鐵元素增加量趨勢(shì)

由圖3 可知：

（1）L2－320 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)111 個(gè)，L1－320 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)61 個(gè)，從圖中可以看出L2－320 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布高于L1－320 數(shù)據(jù)點(diǎn)分布，而且L2－320ΔQFe數(shù)據(jù)趨勢(shì)線高于L1－320ΔQFe數(shù)據(jù)趨勢(shì)線；

（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，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，理論上說(shuō)明使用L1－320 的齒輪箱壽命是使用L2－320 齒輪箱壽命的1.91 倍。

6 個(gè)不同風(fēng)電場(chǎng)齒輪箱磨損ΔQFe變化對(duì)比分析結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)電場(chǎng)磨損ΔQFe統(tǒng)計(jì)

3.4 L1－320ΔQFe和L2－320ΔQFe對(duì)齒輪箱磨損影響分析

某風(fēng)電場(chǎng)ΔQFe趨勢(shì)如圖4 所示。由圖可知：某風(fēng)電場(chǎng)L2－320ΔQFe平均值為0.74 mg／ kg。L1－320ΔQFe平均值為0.41 mg／ kg，L2－320ΔQFe平均值是L1－320ΔQFe平均值的1.80 倍。理論上說(shuō)明使用L1－320 齒輪油的齒輪箱壽命是使用L2－320 油齒輪箱壽命的1.80 倍。

圖4 某風(fēng)電場(chǎng)ΔQFe趨勢(shì)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)在用風(fēng)機(jī)齒輪油的監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析齒輪油中磨損鐵元素的變化，說(shuō)明不同含量的磷型添加劑的齒輪油表現(xiàn)出不同的極壓－抗磨性能，通過(guò)使用Spectro 油料光譜分析儀測(cè)試分析得出L1－320 極壓－抗磨性能優(yōu)于L2－320。在風(fēng)電油液監(jiān)測(cè)分析中，通過(guò)監(jiān)測(cè)磨損鐵元素含量，在計(jì)算出每100 可利用小時(shí)數(shù)鐵元素增量ΔQFe，能夠反映出風(fēng)機(jī)齒輪箱磨損情況，從而為風(fēng)電機(jī)組齒輪箱預(yù)防維修提供考參依據(jù)。