增速箱齿轮油性能系列讲座之一-优异的抗微点蚀性能

奥吉娜风电润滑油性能系列讲座之一——优异的抗微点蚀性能风电作为可再生能源中的佼佼者，以其清洁、安全、永续等特点，在各国能源战略中的地位不断的提高。风电同时也作为中国新能源发展战略，迅猛发展，累计装机容量跃居世界第一，但行业规模发展时间较短，各项标准相对不够完善，而且风电场存在地理位置偏僻、机组分散、运行环境恶劣等不利因素，使风电机组维修存在很多困难。所以如何保护风机零部件长寿命、高效率运转显得尤为重要。据统计，引起风电机组非计划停机因素中，主齿轮箱故障约占35%，是风电机组可靠运行的最主要影响因素。而齿轮箱故障多半是由于齿轮产生微点蚀引起的。本文力图通过对微点蚀的产生原因进行分析，提出对应的控制和预防措施以期为避免或减轻微点蚀提供方案。图1风电机组非计划性停机的因素微点蚀，又称“灰斑”，普遍存在于齿轮副表面，是一种表面疲劳并伴有材料脱落的磨损形式。显微镜下观察，会看到密密麻麻成片的小坑或微小裂纹。尽管微点蚀不是一个新现象，由于微点蚀导致设备失效是一个较漫长的过程，所以人们对微点蚀的危害性认识不足。因风电机组运行环境恶劣，常年经受变风向、变负荷作用，频繁出现微点蚀从而导致风机齿轮箱失效，所以在风电机组运行维护的过程中，风机齿轮的微点蚀问题日益突出。齿轮箱35%发电机12%其他16%电力11%转动叶片7%风力6%控制技术6%转子制动器6%风电机组中微点蚀主要发生在低速重载齿轮面上，在齿面啮合过程中，在较高的接触应力和相对摩擦作用下，导致齿面局部温度升高，润滑油膜破裂，齿面间的润滑方式呈边界润滑状态，使得两齿面的波峰发生直接接触，进而导致微点蚀。齿面表面一旦产生微点蚀，将降低风电机组齿轮组齿牙的精确度，增加动态负荷，进而造成噪音增加、振动加强，并增加齿轮疲劳失效的机会，严重时可导致点蚀、剥落甚至断齿（见图2）。另外，还有研究表明风电齿轮由于微点蚀产生的硬质碎片颗粒进入到润滑系统中，会造成风电齿轮轴承的失效，平均降低轴承使用寿命20%以上，所以说微点蚀的产生对于风电齿轮箱的长期、高效运转产生极大危害。图2由微点蚀引起的失效齿轮表面对于微点蚀的控制及预防主要有两方面的措施，一方面是从材料冶金及齿轮加工工艺着手，利用淬透、渗碳、研磨、感应淬火和渗氮等热处理工艺，同时提高齿轮的弯曲及接触强度，降低齿轮加工表面的粗糙度，从而控制微点蚀发生的倾向。另一方面是从润滑角度出发，改进风电润滑油配方，利用PAO全合成型齿轮油，也是目前较为推崇的控制和预防微点蚀的方案，因为材料冶金和加工技术通过多年发展，已经较为成熟，控制微点蚀方面没有更大的空间。并且对于风电齿轮箱润滑油的抗微点蚀性能的评价，目前利用标准化的FVA54模拟试验方法有效的判定润滑油的抗微点蚀能力，在风电齿轮油配方设计过程中，根据FVA54的评价等级来开发具有优异抗微点蚀能力的产品。改善风电齿轮的抗微点蚀能力，主要从润滑油的粘度和添加剂的极压性两个方面入手。而润滑油粘度是首要考虑影响因素，当环境温度较高时，要保证粘度不会太小，从而确保足够的油膜厚度；并且粘度过小容易是润滑油进入到裂纹中，在齿轮高负荷运转过程中，会在裂纹内受到挤胀，从而加快裂纹的扩展；当环境温度较低时，要保证粘度不会太大，因为在启动时过大粘度的润滑油不能及时泵送到齿轮箱各润滑点，从而形成干摩擦，导致齿轮失效，所以必须选择高粘度指数的PAO全合成型润滑油，也就是说要保证润滑油粘度随温度变化的程度小，而且通过FVA54抗微点蚀试验结果表明合成型齿轮油显著优于矿物型齿轮油。另外，经大量试验研究发现，在低速重载齿轮运行中，齿面逐步趋近于边界润滑状态，这时润滑油的粘度已不起作用，物理油膜首先被破坏了。为了提高齿轮的抗微点蚀能力，降低摩擦系数，提高边界润滑油膜的强度，需在风电齿轮油中加入特殊配方的油性剂和极压、抗磨剂，与齿轮表面形成稳定的化学油膜，来满足风电齿轮箱长时间经受变向、变载荷等恶劣工况条件。基于以上理论依据，奥吉娜研发团队经过多年研究试验，研发出了SHG320全合成型风电专用齿轮油，不仅满足风电齿轮箱苛刻的运行环境，而且已通过Flender齿轮箱FVA54抗微点蚀实验的最高等级-10级，表明该产品具有优异的抗微点蚀能力。通过上述讲解，希望风机制造者及使用者更加重视风电齿轮油对齿轮箱的抗微点蚀保护，从而减少非计划停机带来的人力、物力损失，延长设备使用寿命，使风电机组创造更大的经济价值。