风电设备的润滑与磨损

风电设备的润滑与磨损广州机械科学研究院一、风电行业概括•国家“十一五”规划，大力发展风电，全国已有近百个风力发电场共安装了数千余台风力发电机组。•我国与风力发电相关的制造企业也有近百家。•预计到2020年世界电力需求上升到约26万亿千瓦时，到时即使只成功利用了三分之一的风能资源，即可满足世界电力需求。•风力发电成本将大幅降低，技术装备国产化比例提高，海上风力发电将成为重要能源形式。•中国将成为世界上最大的风电市场和风能设备制造中心，我国风电可能在2020年之后，将成为第三大主力发电电源。广州机械科学研究院广州机械科学研究院二、风电设备及运行特点•风力发电机组设备昂贵•工作环境恶劣，大多在山谷旷野处和近海地区的•现场不便对主要部位进行拆卸维修•确保可靠稳定的长周期运转，是最机组根本运行条件•要求风力发电机组具有极高的可靠性•要注重风力发电机组平时的维护，而不是维修广州机械科学研究院三、润滑在风力发电机组运行中的重要性•风能设备投资成本高，根据美国斯坦福大学的调研，以1.5MW的风力发电机组的单位发电成本计算，每年的运行和维护成本约占18％。•因此要加大对整个风力发电机组的润滑管理与状态监测，减少备件的磨损和更换，提高装置运行可靠性，提高风力发电机的盈利能力。•润滑油脂作为风力发电机正常运转的不可缺少的重要部件，它的选择和维护直接影响到风力发电机的正常运转和发电成本。广州机械科学研究院•国际上一些组织机构，针对日益增长的风力市场，纷纷制定了相关的润滑维护指导，以便提高风力发电设备的运转可靠性。•如丹麦能源局2002年颁布了风力发电机技术指导，美国国家标准协会（ANSI）、美国齿轮制造商协会（AGMA）、美国风能协会（AWEA）联合制定了ANSI/AGMA/AWEA6006-A03风力发电机用齿轮箱的设计与规格的标准。•针对齿轮箱、液压站、轴承等部件的安装、维修、维护进行指导和规范。•其中对润滑油脂的维护与监测都有具体的要求。广州机械科学研究院四、风力发电机组的润滑特点及技术要求风力发电机主要的润滑部位：•齿轮箱•主轴承•发电机轴承•叶片轴承•偏航系统轴承与齿轮•液压刹车系统广州机械科学研究院（一）齿轮箱磨损、润滑特点和技术要求•齿轮箱是风力发电机的主要润滑部位，用油量占风力发电机用油量的3/4左右。•齿轮箱可以将很低的风轮转速（600kW的风力发电机通常为27r/min）变为很高的发电机转速（通常1500r/min），多采用油池飞溅式润滑或压力强制循环润滑。•齿轮箱润滑油受气候温差、湿度等影响较大，并且处于相对偏远的地区，维修不便，因此设计要求齿轮箱使用寿命长、承受负荷大等广州机械科学研究院齿轮的材料1.齿轮材料的基本要求：（1）应使齿面具有足够的硬度和耐磨性；（2）齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效；（3）同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。2.常用的齿轮材料：各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般多采用锻件或轧制钢材。（1）当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢件；（2）开式低速传动时，可采用灰口铸铁或球墨铸铁（3）低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材；（4）高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料；受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。3.钢制齿轮的热处理：●表面淬火表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高。耐磨性好；由于齿心部分未淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。钢制齿轮的热处理：●渗碳淬火渗碳淬火常用于低碳钢和低碳含金钢，如20、20Cr钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，而齿轮心部仍保持较高的韧性。轮齿的抗弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。三、风力发电机齿轮箱的失效形式•轮齿折断•齿面点蚀•齿面磨损•齿面胶合•塑性变形（一）轮齿折断：1.由于多次重复的弯曲应力和应力集中造成的疲劳折断；2.由于突然严重过载或冲击载荷作用所引起的过载折断。（二）齿面点蚀：齿轮工作时，在齿面啮合处，由于循环交变应力长期作用，当应力峰值超过材料的接触疲劳极限，经过一定应力循环次数后，先在节线附近的齿轮表面产生细微的疲劳裂纹。随着裂纹的扩展，将导致小块金属剥落，产生齿面点蚀。•点蚀•点蚀是由于接触面上金属疲劳而形成细小的疲劳裂纹，裂纹的扩展造成的金属剥落现象。•点蚀常发生在齿轮和滚动轴承表面，如果点蚀状态不得到及时控制，会引起更严重的设备损坏问题，引起噪音、振动，点蚀不断扩大，最终导致断齿失效。•形成点蚀的原因很多，齿轮和轴承表面粗糙、材料缺陷、润滑油选择不当都是形成点蚀的主要原因。•磨损金属成为污染物进入润滑油，这些金属颗粒在齿轮箱中循环，被挤压，镶嵌在齿轮和轴承表面上，这些碎片会缩短轴承预期使用寿命30%以上。广州机械科学研究院（三）齿面磨损：1.灰尘、金属微粒等污染颗粒进入齿面间引起的磨料磨损；2.齿面间相对滑动摩擦引起的磨损，与润滑油有直接关系。•齿面磨损•正常磨损：齿面上的相对滑动会引起磨损，凡磨损率不影响齿轮在预期寿命内的功能的磨损，称正常磨损。正常磨损的齿面，光亮平滑，没有宏观擦痕，润滑状态良好。•磨粒磨损：当齿轮在啮合过程中，由于落在齿面上的微小颗粒而引起的齿面磨损，称为磨粒磨损。磨粒磨损的磨损率较正常磨损大，齿面发暗，沿滑动速度方向有条横。微小颗粒可来自灰尘、油脂中的杂质和污物、铁屑等。•污染控制：按照现代设备润滑的污染控制实践，对齿轮油的污染控制能有效地延长齿轮箱的使用寿命。广州机械科学研究院（四）齿面胶合：高速重载传动时，啮合区载荷集中，温升快，因而易引起润滑失效；低速重载时，油膜不易形成，使两齿面金属直接接触而熔粘到一起，随着运动的继续而使软齿面上的金属被撕下，在轮齿工作表面上形成与滑动方向一致的沟纹，这种现象称为齿面胶合。（五）齿面塑性变形：低速重载传动时，若齿轮齿面硬度较低，当齿面间作用力过大，啮合中的齿面表层材料就会沿着摩擦力方向产生塑性流动，这种现象称为塑性变形。齿轮传动的润滑润滑可以减小齿轮的摩擦、磨损，同时也可以起到冷却、防锈、降低噪声、改善齿轮的工作状态、延长齿轮的使用寿命等作用。齿轮箱的润滑风力齿轮箱的润滑特点：（1）形成油膜的条件差（2）齿轮的接触压力非常高；（3）齿面间同时有滚动和滑动（4）润滑是断续性的（5）齿轮的材料、热处理、机械加工等对润滑也有影响。2.齿轮润滑剂的作用（1）减少齿轮和相邻运动部件的磨损；（2）减少摩擦力和功损失；（3）散热，冷却作用；（4）减少噪声、振动和齿轮间的冲击；（5）排除脏物；风力发电机齿轮油的技术要求•很好的极压抗磨性能•良好的冷却性能和清洗性能•良好的热氧化稳定性•良好的水解安定性、抗乳化性能•很好的粘温性能、低温性能•较长的使用寿命•较低的摩擦系数，降低齿轮传动中的功率损耗广州机械科学研究院影响风电机组齿轮和轴承失效的因素•属于安装方面的原因占16%，•属于污染方面的原因也占16%，•属于润滑方面的原因占34%•属于材料疲劳方面的原因也占34%，•使用中70%以上的齿轮和轴承达不到预定寿命。广州机械科学研究院（二）液压刹车系统的特点和润滑要求•重要性：当风速超快、振动过大、电机温度过高等故障时，通过液动制动装置的动作来实现紧急停机。液压制动系统在保证机组正常运行、防止事故发生、对风机起动和停机控制起着重要作用。•制动形式：风力发电机中的制动系统分为机械刹车与气动刹车，其刹车系统的动力来自液压制动系统，推动高速主轴上圆盘式刹车等执行动作。•液压油的作用：实现制动系统的动作，并对液压元件起到润滑保护作用。广州机械科学研究院液压油的技术要求•优异的粘温性能•良好的抗磨性能•良好的防腐、防锈性能•优异的低温性能和过滤性能•优异的清洁程度•良好的空气释放性•良好的抗氧化性能好•良好的水解安定性和抗乳化性能广州机械科学研究院（三）发电机轴承润滑脂的技术要求•轴承是发电机的主要润滑部位，长期运转温度可达80℃以上，夏天在旷野地带受太阳直射，温度会更高。•要求发电机轴承润滑脂能够在高温下保持良好的润滑而不流失，要求润滑脂具有良好的高温性能；在低温下又有较好流动性，使润滑脂具有良好的粘附性和，使用温度范围为-30～150℃。•发电机功率较大，要求润滑脂具有良好的抗磨极压性能、抗氧化性能和防锈性能。广州机械科学研究院（四）风电机组润滑油液的抗氧化性•抗氧化性能风电机组润滑油液的重要指标，其直接影响油品的使用寿命、润滑效果和设备的磨损状态。•氧化后生成的胶质、沥青质和油泥等，使油品粘度上升；粘度过大，齿轮工作时克服润滑油内部摩擦所消耗的功率就增大，使得传动功率降低。其循环流动速度也就慢，冷却散热作用的效果就差，•粘度过大，滤清效果差，不能及时将磨损下来的金属屑、碳粒和尘土等杂质从摩擦表面上洗滤掉，加剧系统的磨损。•由于油的氧化生成酸性产物，酸性物质会对金属产生腐蚀。•油品氧化后使油品功能添加剂不断消耗，其抗氧化性能、抗磨能力、抗泡等性能都会逐渐下降，严重影响润滑效果。•油品中的金属粉末和氧化产物又促进了氧化反应的进一步深化，因此新油的抗氧化性能，和在用油的清洁程度是很重要的指标。广州机械科学研究院五、风电机组日常润滑管理的技术要点•选择好初装油，制度新油质量把关制度。•保证在用油液的清洁，再好质量的润滑油，若混入灰尘等固体颗粒物，都会对系统中的齿轮表面、液压泵阀、轴承等产生极大的擦伤磨损，缩短抗疲劳使用寿命。•保证油品的干燥，水分的污染将引起部件腐蚀，破坏边界润滑保护层，水分还会使添加剂发生化学反应，缩短油品使用寿命。•保证油品的运转温度适宜，及时清理散热片，排除故障，提高散热效果。•建立油液定期监测制度，及时了解机组的润滑与磨损状态，指导机组的润滑管理与视情维护。广州机械科学研究院