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摘要：偏航变桨齿轮箱是风力发电机组中的重要组成部分，齿轮箱是风机中的重要传动部件。本文主要介绍了风力发电机组中的偏航变桨齿轮箱油品检测关键指标和控制范围。
关键词：偏航变桨；风力发电；齿轮箱；油品；检测
众所周知，机械部件的运转都伴有摩擦和发热，这就需要一种介质来加入到相互接触的两个表面，因此人们在很早就发明和使用了润滑剂。上世纪初便有了完整的提取轻、中、重基础油的技术手段，如今，更是发展出了有各类特殊添加剂的合成油，本文就对偏航变桨齿轮箱中使用到的合成油的检测做个简要的分析。
1.偏航变桨齿轮箱油品检测的重要作用
偏航变桨齿轮箱安装在百米高空，对可靠性要求极高，且因地处偏僻，维保不宜，无法像传统工业齿轮箱那样实时的监测设备运行，在地面人员监控到风机有故障时，往往齿轮箱内部已有恶性损坏。因此，如何能早期预警齿轮箱的运行故障成为风电从业者的迫切需求，而通过润滑油来监控齿轮箱的状态由此应运而生。
常用的润滑油检测工业标准和规范有，ASTM-美国材料与试验学会，DIN-德国标准，JIS-日本标准，API-美国石油学会，ISO-国际标准化组织，GB-国标及行业标准等等，其中ASTM的应用比较广泛。
2.偏航变桨齿轮箱油品的通用性能指标
2.1色度
外观色度测试标准为ASTM D1500，和GB/T 6540，标准中定义的色度由0.5至8.0不等，为目视清澈无沉淀透亮，水分超过0.05%的油品目视会有雾化性状。因齿轮油灌装到齿轮箱以后，除非进行理化指标检测，否则能观察到的只有色度，故各主机厂家和风场业主均对润滑油的色度非常敏感，故笔者在此对色度稍作阐述。
色度产生的原理为光线透过油品后，肉眼观察并通过大脑感应形成图像与油品颜色。在检测色度时建议将油品放置在洁净的玻璃器皿中，在充足的光照下比对标准色卡。不同油品的颜色差异，取决于光谱中哪一种频率的光被油品悬浮物所吸收或过滤掉。很少量的色团添加剂（ppm级）即可带来颜色变化（指新油）。
润滑油的色度差异，不同新油的色度差异与该基础油的基础油、添加剂的组成有很大的关系。在同一家炼油或化工装置上，生产出不同批次的基础油色度会有轻微的变化，这与原油的来源地不同有关。基于相同的原油，一个通用的理解是，基础油的色度越轻，其提炼的程度越高。部分添加剂性能的不稳定可能会造成润滑油在加入到设备后短时间内出现色度变化。
2.2闪点
在规定的条件下油液上方蒸气产生火花的最低温度，有开口闪点和闭口闪点两个指标。闪点是润滑油存储、运输和使用的一个安全指标。
2.3倾点
润滑油最低可流动的温度，在高纬度严寒地区运行的设备需考虑该指标。具体为记录样品在水平位置停止流动的温度。
2.4氧化安定性
对试样进行加热，使之加速氧化，检测油品的抗氧化能力。测定样品达到2.0mgKOH/g所需要的小时数。
2.5抗泡性
泡沫测试 ASTM D892和弗兰德泡沫测试，二者均是在一定的条件下使油品和空气混合，记录油品泡沫产生的量来评估油品的抗泡性。
3.偏航变桨齿轮箱油品的关键性能指标
3.1粘度
润滑油的运动粘度指的是流体抵抗流动能力的性能指标，粘度是形成润滑油油膜的最主要的因素，同时也影响着润滑剂的承载能力。流体粘度与温度的关系为，温度升高粘度下降，温度降低，粘度升高，一般测试40摄氏度和100摄氏度下的粘度。粘度的常用SAE/ISO级别来表示大小单位为cSt，mm2/s，测试方法一般为ASTM D 455运动粘度的标准测试方法，也可参考国标GB/T265。偏航变桨齿轮箱因其工况的需求，常用的粘度有ISO VG 150，ISO VG 220，ISO VG 320。
其中粘度指数 ASTM D2270，粘度指数反映润滑油的粘度随着温度变化的特性。通常而言，偏航变桨齿轮箱的润滑油要求较高的粘度指数，这是防止在严寒的工况下，润滑油较为粘稠，偏航变桨无法启动，电机堵转烧毁。
3.2总酸值
TAN酸值是表示润滑油中含有酸性物质的指标。总酸值的测试方法为，ASTM D 644采用电位滴定法测定油液酸值的标准测试方法，具体为用来中和1克润滑油试样中的酸性物质所需要的碱物质，单位为mgKOH/g。
酸值的升高通常表示油品已开始氧化，油液的润滑性能已下降，同时还伴随着油品粘度的升高；随着齿轮箱运行时间的增加，油品粘度都会有增加，一般而言，总酸值不宜过高，因各家的基础油添加剂配方各不相同，故各油品厂家建议的总酸值行动值也各不同，风电用偏航变桨合成油的总酸值最高值一般不要超过2，个别油品可以放宽至3。
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3.3.元素分析
元素分析指采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ASTM D5185），可以测定润滑油中各种元素的含量及添加剂、磨损元素和污染元素含量。通过该测试能分析推断出设备的磨损程度，比如出现较高的铜元素，较大可能来自轴承的铜保持架，可预警此齿轮箱的某个轴承出现了损坏。再比如出现了较高的铁元素，较大可能来自于齿轮箱的齿面磨损，可预警齿轮箱内部出现了异常，某一级的齿轮副出现了啮合不良。
磨损金属：铁、铬、铜、铅是常见的磨损金属，来自于齿轮箱内部的齿轮轴承轴等部件的磨损。
污染物元素：钠、钾、硅是来自环境或冷却系统的污染元素。
添加剂元素：钙、镁、锌、钼、磷是润滑油中常见的添加剂元素。
PQI指数
PQI指数是一个没有单位的定量的数字，它的测试原理是磁力场感应，PQI指数与试样中的铁屑的量及颗粒的大小呈一定的线性关系。磨损颗粒对磁场有不同的影响，可用来辅助评估磨损的程度。小的铁屑（小于10微米）对磁场的影响比较小，而大一些的铁屑（大于35微米）会随着尺寸的增加产生较大的影响。通过对比ICP元素分析和PQ指数，我们可以为用户界定出偏航变桨齿轮箱处于哪一种磨损状态。
正常磨损：PQI值低铁元素值高，表明有大量小尺寸（小于10微米）的摩擦磨损颗粒和固体污染物，应注意其趋势；
显著磨损：PQI值与铁元素值相当，表明有中等大小的颗粒的产生，异常的工况、不良的机加工和装配条件，不符合工况要求的润滑介质会引发齿轮箱内部中等颗粒的产生，这些颗粒还会诱发产生更大的颗粒。
异常（严重）磨损：PQI值高铁元素低，表明有较大颗粒，磨损物可能是由于零部件的疲劳失效导致，这些大颗粒的产生通常会引发更为恶劣的磨损，进而导致齿箱内部进一步的损坏如断齿或断轴、轴承损坏。
3.4.水分测试
水分测试指采用卡尔.费休试剂滴定法测试润滑油（ASTM D6304），使用I2气体氧化二氧化硫消耗一定量的水的原理测定试样中的水分，发生电解反应的过程中消耗一定的电量，通过消耗的电能来计算试样中的水含量。
测试的方法蒸馏法（ASTM D95）测定水分，此方法适用于水含量比较高，测试约消耗500ml油样，将试样与无水的有机溶剂混合，加热蒸馏并分离出水分，并测出水分的含量。水含量的检测范围在300～500ppm。若水分小于300ppm则称为痕迹。
在没有上述仪器的工厂可使用爆裂实验定性的检测水，“爆裂”试验表明油液中有水，原理是将少量的油液倒在加热板上听是否有爆裂声。根据实验现象可得出如下的结论，无可见的气泡、爆裂声，可判断油样中无自由水和乳化水。
对于润滑油而言，水分的测试非常重要，油液中水分的存在会破坏油膜，对添加剂也会造成额外的损耗并对设备内的轴承齿轮造成腐蚀，对于偏航变桨齿轮箱来说，建议含水量不要超过1000ppm。
3.5油液清洁度
油液清洁度检测一般采用ISO 4406中的颗粒计数法，ISO标准中定义了油品的颗粒度。
3.5.1污染物
油液中的污染物可分为两类，可溶性污染物和不可溶污染物。
可溶性污染物，化学清洗液、溶剂、除锈剂、不相容油品、冲洗油、氧化产物、密封胶等，这些可溶性污染物不容易被过滤设备过滤，通常需要更换润滑油解决。
不可溶污染物，是指各种金属颗粒、纤维、灰尘、细沙及其他非金属颗粒。此类污染物通常是因为加工制造不当、运输和存储不当等导致。
油液清洁度的表示方法有，ISO 4406（GB/T 14039），NAS 1638，SAE 749D。测定方法有自动颗粒度计数器法，显微镜计数法，称重法等。
3.5.2测定方法的优势和不足
显微镜计数法：将定量的润滑油试样在真空条件下通过滤膜过滤，固体的颗粒物会被收集在滤膜表面，观察滤膜可确定比对颗粒的数目尺寸。显微镜计数法不会将油液中的抗泡剂、水滴和气泡误认为污染颗粒；处理和化验的所需的时间较久。
激光颗粒计数法：将一束校准后的激光束穿过一个狭缝，使得激光透射油液，射到对面的光检测器，传感器根据光的强度给出脉冲信号，经过处理，信号转化为颗粒数。激光颗粒计数法可以快速的得出测试结果，颗粒分布准确；会被油中的抗泡剂、水滴、气泡等影响从而使得结果不准确。
3.5.3清洁度检测注意事项
须确保取样瓶、取样装置足够干净，取样流程正确。不洁的样品会严重干扰测试的准确性，这在清洁度测试上尤为重要。
油液清洁度的指标易受到外界的影响，各个设备厂家对清洁度的要求不一，建议在实际生产使用中评价油品清洁度指标时结合ICP金属元素分析和PQI指数一同综合分析。
结束语
偏航变桨齿轮箱因其特殊的工况，以及故障后导致风机停摆的巨大损失，故要求其有极高的可靠性。而又因风场地处偏远位置分散，无法有效的对每台风机每台齿轮箱进行有效的监控。为保证设备的稳定运行，可通过定期的油品检测来评估偏航变桨齿轮箱的运行状态，使得齿轮箱在出现某种早期失效表象时尽早的干预，消除隐患，保障风力发电机组的正常运行。
论文作者:徐栋
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/3
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