含磷添加劑潤滑油對風機齒輪箱磨損影響分析

　　摘要：某電力公司不同風電場在同機型、同品牌的齒輪箱中使用的齒輪油分別為L1-320和L 2-320兩種品牌潤滑油，由于兩種品牌的齒輪油中極壓-抗磨磷添加劑含量范圍不同，通過使用Spectro油料光譜分析儀測試704個在用齒輪油的鐵含量。采用磨損鐵元素含量一元線性回歸方程趨勢線分析法、一段時間內(nèi)鐵元素增加量的可利用小時數(shù)磨損鐵元素增加量趨勢分析法兩種統(tǒng)計分析方法進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)使用L 2-320Fe的齒輪箱磨損平均值是使用L 1-320Fe的1. 49倍;使用L 2-320ΔQFe (鐵元素增量/每100可利用小時數(shù))的平均值是使用L 1-320ΔQFe的1. 91倍。綜合分析認為，L 1-320極壓-抗磨性能優(yōu)于L 2-320。

　　關(guān)鍵詞：潤滑油;極壓-抗磨磷添加劑;鐵含量;風機;齒輪箱

　　孫建偉; 歐煥飛; 杜琳娟; 張希希; 毋瑞琪， 機電工程技術(shù) 發(fā)表時間：2021-08-20

　　0　 引言

　　齒輪箱作為風電機組傳動鏈的核心部件，對整個機組的高效運行起著至關(guān)重要的作用。同時，齒輪油對風機齒輪箱有減少摩擦、避免發(fā)熱、防止磨損的功能，對維持風機運行及提高齒輪箱壽命起到非常關(guān)鍵的作用。目前，風機齒輪油多使用埃克森美孚公司、荷蘭皇家殼牌公司、德國福斯油品公司、英國石油公司等國外廠商生產(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，對風機齒輪箱磨損影響不同。通常采用油液監(jiān)測手段[3 -4]特別是使用光譜分析技術(shù)[5]可以監(jiān)測齒輪箱磨損情況并對其進行狀態(tài)評估。例如郎宏等[6]基于光譜分析技術(shù)能夠提前預(yù)報燃氣輪機傳動潤滑系統(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)對風機齒輪箱不同的累積磨損情況建立3 種不同維護策略，利用概率建立時間成本模型，優(yōu)化齒輪箱維護時間成本;孫建偉等[8]基于光譜分析技術(shù)監(jiān)測大量在用風機齒輪油中磷添加劑含量，判斷風機齒輪油的老化程度，為風機齒輪油更換提供參考依據(jù)。本文通過采用光譜分析技術(shù)監(jiān)測在用齒輪油中一定時期鐵元素的變化量，來衡量不同品牌齒輪油極壓、抗磨性能對風機齒輪箱磨損的影響。

　　1　 分析背景

　　某電力公司7個不同風電場共計235 臺風機是同機型、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，使用L 2-320 有140 臺。通過使用Spectro油料光譜分析儀[9]定期監(jiān)測齒輪油發(fā)現(xiàn)，L1-320 和L 2-320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，機組在運行中齒輪箱磨損的差異能通過鐵元素表現(xiàn)出來。通過704 個在用齒輪油鐵含量的檢測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析L1-320和L2-320磨損鐵元素的變化量，來評估齒輪油的極壓抗磨性能。

　　2　 分析方法

　　通過前期對在用風機齒輪油的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，齒輪箱的磨損情況可以通過油液光譜儀定期監(jiān)測鐵元素含量來判斷[10]。因此，不同含磷添加劑齒輪油對齒輪箱磨損影響分析可以采用2種方法進行。

　　2. 1　 齒輪箱磨損鐵元素含量趨勢分析法

　　由于不同含磷添加劑的齒輪油，對齒輪箱磨損影響不同，通過對L1-320和L2-320一段時間的鐵元素監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立一 元線性回歸方程趨勢線進行對比分析。

　　2. 2　 齒輪箱單位可利用小時數(shù)磨損鐵元素增加量趨勢分析法

　　計算一段時間內(nèi)鐵元素的增加量和這段時間內(nèi)的風機可利用小時數(shù)的比值，能真實反映出風機在有效工作時間內(nèi)的磨損情況。通過對L1-320和L2-320在單位可利用小時數(shù)內(nèi)的鐵元素增加量計算數(shù)據(jù)，建立一元線性回歸方程趨勢線進行對比分析。

　　計算單位可利用小時數(shù)磨損鐵元素增加量樣本的計算值 ΔQFe (鐵元素的增量/每100可利用小時數(shù))。 ΔQFe = (QFe2 - QFe1 )W單E2 - E1 × 100 (1)式中：ΔQFe為每100可利用小時下風機齒輪箱油中磨損鐵元素增加量，mg / kg;QFe為不同取樣時間齒輪油中鐵元素含量，mg / kg;E為不同取樣時間時風機發(fā)電量，kW·h;W單為單臺風機標稱功率，kW;角標1、2分別表示第1次取樣時間、第2次取樣時間。

　　3　 數(shù)據(jù)分析

　　3. 1　 齒輪箱磨損鐵元素變化數(shù)據(jù)對比分析

　　本研究數(shù)據(jù)來源于同機型、同品牌的齒輪箱，不同風電場送檢在用齒輪油檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計L1-320和L 2-320共計704個鐵元素檢測數(shù)據(jù)，鐵元素含量隨不同時間的趨勢圖及建立的一元線性回歸方程如圖1所示。

　　由圖1可知：

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

　　(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，L 2-320有84組數(shù)據(jù)超出75 mg / kg，L1- 320 無數(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)警值是風機運行900 天(2. 5 年)以后，磨損鐵元素連續(xù)超過預(yù)警值，預(yù)示著齒輪油需要更換新油，而風機廠商提供給風機運營商的風機維護手冊上是齒輪油更換周期為1 825天(5年)，分析發(fā)現(xiàn)L 2-320油品的使用年限比計劃年限縮短了50% 。

　　7個不同風電場齒輪箱磨損鐵元素變化對比分析結(jié)果如表1所示。

　　3. 2　 L1-320和L2-320對齒輪箱磨損影響分析

　　某風電場同機型、同品牌齒輪箱使用L1-320和L2-320，檢測160個鐵元素數(shù)據(jù)，建立鐵元素含量的趨勢圖，如圖2所示。

　　由圖2可知：某風電場L2-320 Fe平均值等于48. 62 mg / kg;L1-320 Fe平均值等于29. 98 mg / kg。L 2-320 Fe磨損平均值是L1-320 Fe磨損平均值的1. 62倍。有17個監(jiān)測數(shù)據(jù)9臺風機齒輪油磨損鐵元素含量超出75 mg / kg。理論上說明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可利用小時數(shù))對比分析

　　本研究數(shù)據(jù)來源同機型、同品牌的齒輪箱，不同風電場送檢在用齒輪油檢測數(shù)據(jù)，通過式(1)統(tǒng)計計算L2-320和L1-320共計172 個ΔQFe數(shù)據(jù)，建立ΔQFe數(shù)據(jù)趨勢圖和的一元線性回歸方程，如圖3所示。

　　由圖3可知： (1)L2-320統(tǒng)計數(shù)據(jù)111個，L1-320統(tǒng)計數(shù)據(jù)61個，從圖中可以看出L2-320數(shù)據(jù)點分布高于L1-320數(shù)據(jù)點分布，而且L2-320ΔQFe數(shù)據(jù)趨勢線高于L1-320ΔQFe數(shù)據(jù)趨勢線;

　　(2)L 2 -320ΔQFe平均值等于1. 01 mg / kg，L1 - 320ΔQFe平均值等于0. 53 mg / kg，L 2 -320ΔQFe平均值是L1 -320ΔQFe平均值的1. 91倍，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，理論上說明使用L1-320 的齒輪箱壽命是使用L2-320齒輪箱壽命的1. 91倍。

　　6個不同風電場齒輪箱磨損ΔQFe變化對比分析結(jié)果如表2所示。

　　3. 4　 L1-320ΔQFe和L2-320ΔQFe對齒輪箱磨損影響分析

　　某風電場ΔQFe趨勢如圖4所示。由圖可知：某風電場L 2-320ΔQFe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。

　　4　 結(jié)束語

　　通過對在用風機齒輪油的監(jiān)測以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析齒輪油中磨損鐵元素的變化，說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，通過使用Spectro油料光譜分析儀測試分析得出L1-320極壓-抗磨性能優(yōu)于L 2-320。在風電油液監(jiān)測分析中，通過監(jiān)測磨損鐵元素含量，在計算出每100 可利用小時數(shù)鐵元素增量ΔQFe，能夠反映出風機齒輪箱磨損情況，從而為風電機組齒輪箱預(yù)防維修提供考參依據(jù)。