風電軸承潤滑劑特性與效能研究

葉縣國博大石崖風力發電有限公司 韋 廣 中原新華水利水電投資有限公司 馬紫晨 田居易 魯書萌 北京國網信通埃森哲信息技術有限公司 陳玉杰

在推進“碳達峰、碳中和”戰略過程中，可再生再次成為能源發展的關鍵所在。風電行業作為清潔能源的重要分支，在推進新能源發展中具有重大的作用。我國風電裝機容量、發電量成為全球增長最快的地區，更是排在新能源的首席位置，這得益于宏觀層面的推動，也有賴于廣大能源參與主體的戰略眼光和前期投入。隨著風電行業的快速發展，風電裝機并網數量擴大，風機運維的市場也是前所未有的增長。潤滑系統是風力發電機正常運轉的重要部件，強化整個風力發電機組的潤滑管理和狀態監測，可減少備件的磨損和更換，提高裝置運行的可靠性[1]。

潤滑功能的管控作為降本增效的重要環節，可以通過減緩停機頻率，同時可以延長設備壽命，提高風電場的效益。但由于前期風機技術發展過速、技術不完善以及維護保養不到位，導致機組頻繁下架維修。目前從故障數據分析判定，主要為潤滑不充分，齒輪及軸承從微點蝕剝落開始慢慢變成斷齒造成齒輪箱損壞。通過必要技術改善設計及組裝缺陷造成的主軸軸承齒輪箱過度磨損，增加齒輪箱的潤滑，提高發電量并且可以降低因齒輪之間運行摩擦產生的熱量。結合相關優勢，大力推廣在風電維護后市場，創造共贏的價值。根據未來市場規劃，加快相關技術及風電領域的應用和推廣，做到有計劃、有步驟實現共同目標，為風電領域創造更多效益。

風電設備常年受惡劣自然環境影響，軸承磨損嚴重。潤滑技術一直備受相關領域研究人員的關注，是延長風電機組壽命的關鍵技術。為了降低由于軸承運行故障導致的運維成本增加、發電質量降低、客戶滿意度下降的問題，本研究通過對相關術背景的研究和修復機理的研究進行試用測試和統計，從多個方面、多個角度進行考察評價，制訂具體實驗內容和評價標準。通過加入針對粘度、抗微點蝕、抗磨損、軸承保護、耐水性、氧化穩定性、泡沫和空氣釋放性、過濾性、防腐防銹等方面潤滑添加劑可以有效增加齒輪箱潤滑劑使用壽命，降低齒輪箱故障。

1 理論分析

1.1 技術原理

1.1.1 精細研磨

在反應表面存在著雙向鋸齒狀的平臺。表面具有凹凸不平的特點，注入的抗磨自修復材料被這一表面產生的摩擦效應進行研磨。通過物理反應得到細化研磨，為下階段反應提供物理基礎（圖1）。

圖1 精細研磨作用機理示意圖 圖2滲透清除作用機理示意圖

1.1.2 滲透清除

精細研磨后，自修復材料經過物理作用在吸附后不斷滲透至發生摩擦的雙表面。主要成分為磷酸鹽的玻璃體清除了凹陷處原有的污染物，前面研磨之后的玻璃體不斷填充前面被清除的凹陷空間，如圖2所示。

1.1.3 化學反應

物理反應瞬間會產生閃溫，這就為化學反應提供了外部條件。催化劑、活化劑作用于自修復材料，便會發生燒結、微冶金等化學反應過程。化學反應生成新的物質，即金屬陶瓷修復層。如圖3。

圖3 化學反應效果示意圖

1.1.4 保持鞏固

越是磨損嚴重時表面的摩擦面，表面就更加凹凸明顯。結構上的特點帶來的直接結果就是運動時較多機會產生更高的閃溫。金屬抗磨自修復材料產生化學反應的機會就越多。隨著化學反應產生金屬陶瓷修復層不斷占據凹陷位置修復磨損部位，結構上留給形成修復層的空間越來越少，形成了相對穩定的修復層（圖4）。

圖4 保持鞏固作用機理示意圖

1.2 技術特點及機組選擇

1.2.1 摩擦系數低

通過試驗檢討金屬抗磨自修復材料的抗磨性能。試驗采用裝備再制造國防科技重點實驗室MM-10W 型多功能摩擦磨損試驗機。選用坦克50CC 機油作為基礎油。試驗時間設定為120分鐘，試驗基礎載荷200N。試驗步驟為向基礎油中加入不同含量抗磨修復材料，驗證摩擦系數的變化。摩擦系數從0.125開始不斷降低，摩擦系數最小為0.0487（含量在每升基礎油中加入10%）。

1.2.2 硬度高

采用45#鋼基體進行硬度試驗。開展摩擦表面納米壓痕測試，試驗金屬抗磨自修復材料潤滑下的磨損表面硬度值。可以看到基礎硬度3.85GPa 提升至5.97GPa，結果顯示金屬磨損表面形成了具有較高硬度的表面修復層，驗證了金屬抗磨自修復材料可以提高抗磨性能。

1.2.3 耐磨性好

圖4是端面摩擦磨損比較試驗的過程。反映了金屬抗磨自修復材料潤滑下，坦克機油于磨損表面形貌SEM 照片。圖5a、圖5b 是采用基礎油潤滑時，磨損表面磨損嚴重，伴隨著大量深劃痕和粘著現象。圖5c、圖5d 是金屬抗磨自修復材料潤滑下的磨損表面具有平整、劃痕少、磨損輕的特點，體現了良好抗磨性能。

圖5 基礎油潤滑與金屬抗磨自修復材料潤滑效果比較示意圖

機組選擇：安排風電場實驗機組應遵循下列原則：應選擇主流機型；風電機組主軸軸承應具有在線振動監測系統以及在線溫度檢測系統；應選擇至少5臺，以防止偶然性。

1.3 實驗內容

1.3.1 數據采集

了解電站運營基本情況以及機組相關數據。根據過去同期3個月內機組的相關數據以及最近一次的油脂檢測結果，以此作為項目施工前后數據的比對標準。

1.3.2 制定項目實施方案

在機組主軸承取5瓶1kg 的潤滑脂進行油品分析化驗，并將相關化驗數據存檔備案；根據風電機組的潤滑脂用量加入相對應配比的抗磨納米修復材料；在研究持續運營3個月達到穩定效果后，再次對比檢測3個月的同工況加注修復材料效果，經雙方確認后以此數據作為在機組不更換潤滑脂的前提下，本項目的修復性能及其效果將會持續保持。實時進行效果跟蹤，以此確保效果及數據持續穩定，并隨時根據項目小組反饋的數據進行必要維護。

性能基礎要求如下：

1.3.2.1 微保護

風力發電變速箱一般是緊湊設計方式，目的是最大程度減輕塔身上部的重量。齒輪表面通常采用硬化設計，一般通過滲碳、氮化、感應和火焰淬火等表面硬化處理方式。這樣的處理方式在復雜的氣候條件和運行負荷下容易產生微點蝕的現象。選用的齒輪潤滑必須具有防止此類磨損的功能。一般采用通過抗微點蝕性能測試來測量相關的影響，微點蝕保護功效高低用高/中/低耐久性來分級表示，對保護功效用數字來表示，潤滑對微點蝕的保護要求不小于10級。

1.3.2.2 抗磨損

當齒輪劑的劑膜厚度不足時，齒輪間的金屬部件直接接觸，磨損將一直持續以致不得不提早更換齒輪。風機變速箱中的齒輪潤滑劑要求一般用失效級數(FLS)表示，采用FZG 磨損測試方法進行有關試驗，要求潤滑劑抗的擦傷和抗磨損性能失效級數大于12。

1.3.2.3 黏溫

風力發電機的特殊運行環境要求潤滑劑必須具有相當黏溫性能，從而適應濕度、高運行強度、極值高溫、低溫等極端運行環境。一般是要求黏度指數為不小于110。風電設備變速箱用劑中大多采用合成劑，主要是合成潤滑劑的黏溫性能。相比較礦物劑基潤滑劑可以在不同溫度環境下保持突出的潤滑能力。

1.3.2.4 過濾清潔

主變速箱齒輪劑對清潔度要求程度高。齒輪劑的過濾性是指在實際運行條件下，齒輪劑通過過濾器并且不堵過濾器的能力[2]。過濾性能界定為微米等級，2～3μm 的腎形回路過濾器、5μm 主過濾器是風電設備的主流過濾器，有效保護風機變速箱部件、延長零部件的使用壽命。

1.3.2.5 抗乳化

變速箱用的齒輪劑必須不易吸水，不允許混入水分。還必須在少量水的情況下仍能給設備充足的潤滑保護。風機葉片在旋轉時，變速箱運行溫度超過75℃。停止旋轉冷卻后從空氣中吸取水分或濕氣，風機里的劑和水不可能完全分離，一些水分不可避免進入變速箱。抗乳化性能差的齒輪劑會因水分的進入產生劑泥和水解，從而導致設備故障[3]。抗乳化性能與分離性能是不可或缺的重要屬性，以抗乳化試驗進行測試[4]。

主要技術標準：風力發電機組專用潤滑劑（GB/T 33540.1-2017），風力發電機組潤滑劑運行檢測規程（NB/T 10111—2018）。

2 研究結果及結論

風機齒輪箱劑溫降低，表面點蝕、劃痕、摩擦痕修復，振動、噪音降低，軸承運行溫度降低，潤滑脂使用壽命延長1倍以上，軸承震動頻率幅度減少，設備運行穩定性增加，且不會對主軸承潤滑脂性能參數（工作錐入度、腐蝕、防腐蝕和相似粘度等）改變，不會對主軸軸承造成不可逆的損傷[5]。

主要技術指標：形成的修復層厚度≧2μm；風機潤滑劑（脂）摩擦因數降低50%；風機應用摩擦表面硬度提高1～2倍；不解體修復設備；延長設備使用壽命；增加發電量1%以上；降低齒輪箱及軸承劑脂溫度5%的目的。

本項目研究對行業技術進步、自主創新等方面具有重要意義，且獲得的經濟、社會效益顯著。按目前主流1.5兆瓦額定風機機組，正常情況下由于風速變化（3m/s 以下以及3～12m/s、12m/s 以上發電量有所不同）按照日均發電量計算的理論值。如下：

顯性效益：齒輪箱劑溫可降低3℃以上；軸承溫度可降低5℃左右；風機滿發功率需要的風速相應降低；以一般陸上風電1.5MW 機組計算，理論統計每天可發電36000度，應用修復劑后每天可至少提升發電量為1400度電，風電標桿電價以0.5元計算，每臺風機提高產值為不低于700元/天；(上網電價北方低于0.5、南方高于0.5，陸上低于0.5、海上大于0.5，平均0.5左右)。

隱性效益：提升低風速發電效率；延長潤滑劑（脂）使用壽命1倍以上；齒輪箱由于磨損造成滲漏劑可得到有效控制；摩擦副點蝕會得到控制和修復；齒輪和軸承壽命可延長一倍以上；風機震動可得到減緩；風機維保費用和相應勞動強度會減少；延長機組正常使用周期。