風電機組液壓油的劣化與衰變預估模型研究

胡學超，薛守洪，孫利強，劉 江

（內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

風力發(fā)電機組液壓油主要起傳遞動力、密封、冷卻、潤滑的作用，液壓油的油質(zhì)極大影響著風機液壓系統(tǒng)的正常工作，對保證風電機組正常運行具有重要意義。查閱GB/T 11181.1—2011《液壓油（L-HL、L-HM、L-HV、L-HS、L-HG）》[1]《風力發(fā)電廠技術監(jiān)督標準匯編》[2]《風力發(fā)電機組專用潤滑劑第4部分：液壓油》[3]等標準及相關文獻后，發(fā)現(xiàn)對于HVM、HM類型的液壓油標準或研究占比很少，對于風機液壓系統(tǒng)使用的32號液壓油在換油指標方面鮮有研究文獻。為了實現(xiàn)風機的科學維護，合理安排液壓油的取樣與更換，研究風機液壓系統(tǒng)32號液壓油理化性質(zhì)、劣化程度和衰變時間的趨勢。

1 油液檢測技術

油液檢測技術[4]作為機械設備潛在故障檢測主流技術之一，是利用特定設備對在用潤滑油進行取樣檢驗，通過對潤滑油的理化性能、光譜分析、污染分析、磨損顆粒特征分析，獲取關于設備潤滑和磨損狀態(tài)[5]的信息，從而評估設備運轉(zhuǎn)狀態(tài)及潛在故障信息一系列技術，其在液壓系統(tǒng)故障診斷中有著不可取代的優(yōu)勢。油液監(jiān)測技術主要釆用理化分析、光譜分析、污染分析、紅外分析、鐵譜分析[6-8]等手段，通過對研究機械磨損部位和過程、磨損失效的類型、磨損機理有重要的作用，也是機械設備狀態(tài)監(jiān)測時不解體、不停機進行故障診斷的重要手段。

文獻[9]提出了基于油液檢測的設備磨損趨勢分析方法，文獻

[10]基于油樣光譜分析的少量樣本多相關變量回歸分析的偏最小二乘法判斷設備磨損程度，文獻[11]研究了液壓油使用過程中外在因素對其性能和壽命造成影響的主要因素。本研究在模擬風機液壓系統(tǒng)實際工作狀態(tài)下，通過提高運行條件和工作頻率，定期取樣檢測分析液壓油的理化性質(zhì)與磨損狀態(tài)，以液壓系統(tǒng)磨損狀態(tài)為主要指標，結合油品老化程度的光譜分析數(shù)據(jù)，判斷液壓油的劣化程度和衰變時間，建立風機液壓油理化性質(zhì)與其劣化程度和衰變時間模型；收集內(nèi)蒙電網(wǎng)風機液壓油的運行、檢測、維護數(shù)據(jù)，修正風機液壓油理化性質(zhì)同劣化程度和衰變時間的模型，以此評估內(nèi)蒙電網(wǎng)風機液壓油劣化程度和衰變時間。

2 運行液壓油的理化性質(zhì)、劣化程度和衰變時間趨勢模型的研究

2.1 研究內(nèi)容

機械設備磨損的發(fā)生，很大程度上是由于潤滑油的劣化衰變使其不能為設備提供良好的潤滑、保護作用。通過檢測油液的理化性質(zhì)和油液中磨損顆粒等，判斷機械設備是否存在潛在故障。同樣，液壓系統(tǒng)的磨損和油液老化的光譜分析也可以在很大程度上表征液壓油的劣化、衰變程度。本研究通過建立一套風機液壓系統(tǒng)模擬試驗系統(tǒng)，在最高工作壓力24 MPa、用油量200 L、油溫45 ℃下，使用同規(guī)格液壓油進行連續(xù)運行模擬試驗，定期采樣測試液壓油的酸值、金屬元素、污染物顆粒、銅片腐蝕、氧化安定性、抗磨性、油泥及腐蝕趨勢、高壓葉片泵磨損特性等理化性質(zhì)，同時通過鐵譜分析、油液光譜分析等跟蹤研究液壓系統(tǒng)磨損狀況。以磨損狀態(tài)和油品老化程度的光譜分析結果反映液壓油的劣化程度與衰變時間，分析液壓油的酸值、金屬元素、污染物顆粒、銅片腐蝕、氧化安定性、抗磨性、油泥及腐蝕趨勢、高壓葉片泵磨損特性等理化性質(zhì)與油品劣化、衰變趨勢，嘗試建立液壓油的劣化程度和衰變時間趨勢模型，為在用液壓油和用油設備的性能、狀態(tài)做出全面客觀的評價，制定風電機組液壓油的監(jiān)督規(guī)程，為按質(zhì)換油提供可靠的理論依據(jù)與參考標準。

2.2 基于液壓油理化性質(zhì)劣化程度和衰變時間的趨勢模型研究

基于油品理化性質(zhì)隨運行時間的曲線，使用鐵譜分析判斷摩擦與磨損發(fā)生的不同程度，使用紅外光譜確定油品性質(zhì)劣化的不同階段，以鐵譜分析和紅外光譜分析確定液壓油的劣化程度和衰變。參照圖1對鐵譜分析的磨損烈度指數(shù)的時間變化趨勢進行分析。根據(jù)鐵譜分析將模擬條件下液壓系統(tǒng)磨損狀態(tài)按時間分成0～28 d的磨合、28～252 d的穩(wěn)定磨損、252～308 d的急劇磨損等3個階段（圖2）。

圖1 潤滑設備機械磨損的3個階段

圖2 依據(jù)磨損度指數(shù)與磨損狀態(tài)的油液狀態(tài)劃分

在0～14 d時間段內(nèi)，總磨損量由第1天的3.5迅速上升至第14天的41.5，第28天下降至6.9，磨損烈度指數(shù)變大100多倍；隨著摩擦表面的磨平，建立了彈性接觸的條件，磨損逐漸穩(wěn)定。

在28～252 d，經(jīng)過良好的磨合設備達到“穩(wěn)定”磨損階段，DL與DS隨時間正比增長，增長趨勢的相關性較磨合階段明顯降低，此時設備中磨損仍然在進行，但磨損趨勢放緩很多。

在252～308 d階段，磨損烈度指數(shù)（DL2+DS2）呈指數(shù)型增長，此時液壓系統(tǒng)中開始出現(xiàn)異常磨損，造成液壓系統(tǒng)機械部件的快速損傷。圖3鐵譜分析的異常磨損顆粒圖像中可觀察到大面積的摩擦磨損微粒和切削磨損微粒及少量的片狀微粒；圖6理化性質(zhì)與時間趨勢2中葉片泵損失試驗結果也證實液壓油的抗磨性能快速降低（葉片泵損失量迅速增加）。從圖4可以看出液壓油從新油開始紅外光譜的變化，液壓油的氧化深度從平均0.017 A/0.1 mm上升到0.106 A/0.1 mm，同時在252～308 d急劇磨損階段后期添加劑從0變到-0.01 A/0.1 mm，標志著液壓油添加劑含量減少、油液氧化速度加快。抗磨劑的減少使液壓系統(tǒng)零部件抗磨性變差，磨損顆粒、老化產(chǎn)物等更加劇了零部件的磨損，使液壓油劣化陷入惡性循環(huán)，液壓系統(tǒng)出現(xiàn)異常磨損。

基于機械磨損狀態(tài)的判斷，分析油品理化性質(zhì)與機械磨損狀態(tài)反映的油品狀態(tài)的關系（圖5、圖6）。

圖3 鐵譜分析異常磨損顆粒

圖4 模擬系統(tǒng)液壓油氧化深度與時間曲線

圖5 理化性質(zhì)與時間趨勢1

圖6 理化性質(zhì)與時間趨勢2

（1）通過橫向比較0～231 d時間段內(nèi)各理化性質(zhì)，色度、運動黏度、酸值、顆粒度、銅片腐蝕、空氣釋放值、水分離性、極壓性能等指標隨時間呈接近線性增長；閃點、氧化安定性則呈接近線性降低；清潔度在磨合階段出現(xiàn)1級變化，分析認為是磨合期的磨損顆粒進入油中造成的，經(jīng)過濾油系統(tǒng)后顆粒度下降并呈接近線性增長，而不溶物含量在該階段不存在。在接近此階段末期時，各理化性質(zhì)的變化速率較之前有明顯的加快趨勢，而無論是液壓油理化性質(zhì)還是鐵譜、光譜等分析結果，都表征出該階段液壓油處于良好的工作狀態(tài)。

（2）231～266 d時間段內(nèi)，磨損狀態(tài)從穩(wěn)定磨損階段過渡到急劇磨損階段。此階段內(nèi)色度、運動黏度、閃點、顆粒度、空氣釋放值、水分離性、氧化安定性、極壓性能保持著良好狀態(tài)末期的增長速率，該階段整體時間較短，可觀察出明顯的線性。酸值的變化速率在進入該階段后出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，同時不溶物含量在該階段開始出現(xiàn)。銅片腐蝕指標呈直線增加，但考慮其本身分級指標不適合線性計算，所以不能很好判斷其指標的增加與磨損狀態(tài)的相關性。

（3）266～294 d時間段內(nèi)劇烈磨損階段，色度、閃點、運動黏度、酸值、空氣釋放值、水分離性、氧化安定性等變化速率基本不變；銅片腐蝕、不溶物含量、極壓性能的變化速率明顯增大；而顆粒度得等級超過了檢測標準最大值，不能表征之后油液中顆粒物的變化狀態(tài)，建議使用ISO 4406標準替代舊的SAEAS4059F等級（近似于已作廢的NAS 1638等級）。

（4）294～308 d時間段內(nèi)色度、運動黏度、閃點、顆粒度、空氣釋放值、水分離性、氧化安定性、極壓性能等理化指標變化速率較劣化II階段時的變化速率明顯變大。

綜上，將油品狀態(tài)劃分成理化性質(zhì)及油樣狀態(tài)時間圖譜中0～231 d的良好階段、231～266 d的劣化I段、266～294 d的劣化II段、294～308 d的衰變階段。液壓油的劣化程度由于液壓油系統(tǒng)的工作環(huán)境（影響液壓油的溫度）、液壓油的添加劑（抗氧化、抗磨性能）、日平均工作時間（添加劑的工作消耗）、工作最高壓力（加速氧氣溶解于液壓油中）等不同會產(chǎn)生不同的劣化曲線。從模擬系統(tǒng)下油質(zhì)處于劣化I階段和劣化II階段時的理化性質(zhì)變化分析，此階段內(nèi)變化速率發(fā)生明顯改變的理化性質(zhì)有酸值、不溶物含量、葉片泵損失。鑒于葉片泵損失測試代價較高，推薦以劣化II階段對應理化指標作為油質(zhì)開始劣化的預期值，即表1模推薦的液壓油理化性質(zhì)運行限值，作為運行中風機液壓油運行限值的參考。同時將酸值和不溶物含量作為風機液壓油重點監(jiān)測項目，必要時輔以其他理化性質(zhì)、鐵譜、光譜等手段，綜合評估風機液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，以達到科學維護風機液壓系統(tǒng)的目的。

表1 模推薦的液壓油理化性質(zhì)運行限值

3 結論

（1）本研究以模擬系統(tǒng)進行32號低溫風機液壓油理化性質(zhì)與劣化和衰變時間的研究，建立風機液壓油理化性質(zhì)與劣化和衰變時間趨勢模型，為同類風機判斷液壓油狀態(tài)、制定換油和維護周期、計算液壓油剩余可用周期提供參考。

（2）研究結果發(fā)現(xiàn)，與SH/T 0599中液壓油的換油指標比較接近，當液壓油的理化性質(zhì)接近或達到文中相應限值時，液壓油抗老化和抗磨性能幾乎同時開始出現(xiàn)性能下降。

（3）基于多個液壓油理化性質(zhì)與劣化程度和衰變模型的研究，給出判斷液壓油劣化和衰變程度的參考值，為更全面地評估液壓油狀態(tài)提供理論依據(jù)。