風力發(fā)電機齒輪箱經(jīng)受著大自然從狂風到微風，瞬間再從微風到狂風的高跨度變動和迅速反轉(zhuǎn)等極端苛刻的操作條件。同時，風機需要盡可能的緊湊和輕便、低噪音、能忍受極高和極低苛刻的溫度條件，并提供長達 20 年的使用壽命。
風力發(fā)電機大部分都分布在偏遠的地區(qū)，本身的特點決定了維修和保養(yǎng)的難度，并且需要耗費大量時間和超高的費用。盡管風力發(fā)電機的設計使用壽命是 20 年，每 2 年保養(yǎng)一次，但實際使用發(fā)現(xiàn)，有的齒輪箱剛剛運行一年就不能工作了。在齒輪箱失效原因中，軸承失效導致齒輪箱失效占比最高，齒輪磨損導致齒輪箱失效也是常見原因。
據(jù)統(tǒng)計每臺風力發(fā)電機不可預見的停機是 280hrs/y ，35% 是由齒輪箱軸承失效造成的。失效原因分析發(fā)現(xiàn)，20%失效原因與潤滑油中固體顆粒污染有關。固體顆粒污染物會導致齒輪表面磨損產(chǎn)生金屬屑，磨損產(chǎn)生的金屬屑導致更多的磨損顆粒，不僅如此，固體顆粒污染物還會破壞抗磨添加劑油膜的形成(參考 Ref 1)。另一項德國 Schleswig‐HolsteinLand Wirtschafts Kammer (LWK)調(diào)查研究結(jié)果顯示，在 1993‐2004 期間，由于齒輪箱失效導致的風力發(fā)電機停機率最高(圖 1)。
由于軸承磨損產(chǎn)生的污染物最終導致風機齒輪箱內(nèi)齒牙磨損。典型的齒輪箱失效，就是從軸承磨損開始的。軸承磨損產(chǎn)生金屬屑，金屬屑導致更多的磨損，磨損產(chǎn)生大量的污染物進一步導致齒輪與齒輪箱的運動間隙平行度偏移，齒輪嚴重磨損，最終導致齒輪箱失效。風力發(fā)電機齒輪的維修和替換不可能在風機上完成，只能整體齒輪箱更換(其吊裝、更換以及運輸?shù)馁M用是非常昂貴的)。
齒輪箱潤滑依靠高性能的潤滑流體，包括精制礦物油、合成油或半合成混合油。風力發(fā)電機是典型的低速重載運行設備，是彈性流體動力潤滑(EHL)模式，滑動和滾動過程使部分金屬表面直接接 觸是普遍存在的。這些條件下要求使用的潤滑油具有加強型添加劑，最佳操作粘度和清潔度。
AGMA/AWEA 6006:2003 《風機齒輪箱設計標準和規(guī)范》是風電齒輪箱制造行業(yè)具有權(quán)威性和全面性的標準。依據(jù) AGMA 標準，確定合適的組件、過濾器尺寸、高效過濾介質(zhì)的責任，是由買方、齒輪箱制造方和過濾器供應方共同協(xié)商確定。買方提供齒輪制造廠家風機預期安裝地點的環(huán)境條件。
為得到齒輪和軸承的最佳使用壽命，AGMA/AWEA 6006:2003 標準中給出了維護潤滑油清潔度的指導(表 1)：
風機齒輪箱潤滑系統(tǒng)包含過濾固體顆粒金屬屑的過濾裝置，要求油箱油清潔度維持在 ISO 4406 ‐/16/13 以上。按維護手冊要求, 第一次取樣不能超過 4000 小時，隨后按 3‐6 個月固定周期取樣檢測。軸承使用壽命按 ISO 4406 ‐/17/14 計算，但齒輪制造商要求在生產(chǎn)/驗收每個齒輪箱的試驗用油清潔度為 ISO ‐/15/12 (Ref 2)。
風機齒輪箱潤滑系統(tǒng)根據(jù)設計要求采用一個或多個過濾系統(tǒng)。過濾系統(tǒng)通常包含油冷卻系統(tǒng)和在線過濾器壓力潤滑系統(tǒng)。在線過濾器可以是獨立的潤滑系統(tǒng)或與離線(獨立循環(huán))過濾系統(tǒng)一起提供設計需求的清潔度以及齒輪和軸承所需潤滑油量。離線過濾系統(tǒng)通常是與壓力噴濺潤滑系統(tǒng)分離的。無論安裝位置如何，從離線系統(tǒng)出來的清潔油直接進入齒輪箱來沖刷齒輪箱。
在線過濾器通常是由高效精過濾器作為主過濾器部分，金屬網(wǎng)過濾器作為粗過濾器，兩部分過濾器做成一體。主過濾器尺寸和精度的選擇要提供流體需要的清潔度和使用壽命。二級過濾器比較粗，壓力低，當冷啟動情況下，流體粘度較高，通過主過濾器阻力較大，旁通閥打開，流體直接通過二級過濾器。
風機行業(yè)的做法是設計一個具有高納污能力的可以實現(xiàn)七個月使用壽命的主過濾器，半年濾芯更換周期一到，統(tǒng)一更換濾芯。同樣道理，十四個月的使用壽命的過濾器，到十二個月時統(tǒng)一更換濾芯。對風電場運營商來說，從維護和節(jié)約成本的角度上，更長使用壽命的過濾器濾芯是非常可取的。重要的是延長使用壽命期間過濾器濾芯需要保持其顆粒的去除性能和保留住捕獲的污染物。在許多冷啟動和極端的溫度下，過濾器承受的應力是需要過濾介質(zhì)及其支撐結(jié)構(gòu)設計來處理的。
中國北方風電場，1.5 MW 風機上安裝了許多頗爾公司專利生產(chǎn)的漸變孔徑、合成玻璃纖維過濾器。該過濾器隨同齒輪箱潤滑系統(tǒng)一起提供，包括完整的電泵、相關閥門、軟管、DP 報警和風冷器等。Figure2 展示安裝在齒輪箱上的過濾系統(tǒng)。過濾器濾芯為高納污能力設計，并有支撐層和外面螺旋纏帶固定結(jié)構(gòu)。過濾器期望保持潤滑油清潔度高于ISO-/16/13并且提供至少12個月的使用壽命。本文隨機選取四臺風機跟蹤監(jiān)測過濾器的性能。四臺風機中，三臺風機在線過濾過濾系統(tǒng)精過濾濾芯安裝了顆粒過濾比β1000≥12μm濾芯(Pall“S”級濾材),一臺風機安裝了顆粒過濾比β1000≥7μm(Pall“N”級濾材)濾芯，四個風機粗過濾均為25μm金屬網(wǎng)。所有風機在2010年5月開始運行，齒輪箱潤滑油使用的是ISO VG320合成油(PAO based)。Figure 3所示為潤滑系統(tǒng)示意圖，最大流量為116LPM,系統(tǒng)油共約320L。
為了記錄過濾器的性能，從2012年7月更換過濾器濾芯開始取樣跟蹤，取樣點在過濾器的上游，目標跟蹤一年，使用期間流體清潔度高于等于ISO4406-/16/13。過濾器使用壽命終止由油品清潔度或濾芯壓差(設置壓差3.0 bard)決定，其中一項達到，使用壽命終止。
由于風場地處偏遠地區(qū)，冬季天氣惡劣，大雪封山時無法按計劃取樣，所以個別結(jié)果缺失。流體樣品按ISO4406清潔度標準分析給出，使用金屬網(wǎng)堵塞法設備(Ref:3)檢測。由于齒輪油粘度太高，遮光法或光散射法自動顆粒計數(shù)器被證實不能正常檢測。所取樣品還采用1.2μm分析膜片法來驗證金屬網(wǎng)堵塞法的結(jié)果，以及查看不正常顆粒或污染物。
由于過濾器使用過程中捕捉磨損顆粒，過濾介質(zhì)纖維矩陣內(nèi)的空隙體積逐漸被占據(jù)，導致阻力增加，這主要表現(xiàn)在濾芯的壓差(DP)增長。壓差增長跟濾芯堵塞的程度成正比，在濾芯安裝使用12個月后我們進行了濾芯壓差檢測。
壓差檢測使用Y型接口安裝到過濾器濾頭的DP指示器接口上，通過傳感器檢測壓差(圖4)。因為，在維修檢測過程中，風機不允許運行，所以壓差檢測是在電動泵高速運轉(zhuǎn)68 LPM下測得。報告中給出的數(shù)據(jù)是根據(jù)當時的溫度和粘度條件，進一步換算成風機滿負荷全流量116LPM運轉(zhuǎn)時、油溫40oC時的壓差。第一套濾芯使用12個月后，齒輪油清潔度狀況良好，壓差值均低于3 bard報警壓差值，因此決定暫不更換濾芯，繼續(xù)跟蹤清潔度和壓差情況。又跟蹤4個月后，停止，第一套濾芯總共使用16個月。
16 個月時的壓差情況如圖 5，第二套濾芯的壓差在后面討論。
第二套濾芯仍然安裝在這四臺風機上。新濾芯有三支 12µm(Pall“S”級濾材)安裝在三臺風機上，一支 7µm(Pall“N”級濾材)安裝 #56 風機上，粗過濾仍然是 25µm 的金屬網(wǎng)過濾器。同第一套一樣，定期取樣檢測齒輪箱油的清潔度和濾芯的壓差，直到 21 個月四支濾芯壓差都沒有到達 3 bard 報警值(注#48 風機第 19 個月因為齒輪箱維修，無法得到壓差值)。但整體壓差變化趨勢看，從 19 個月開始壓差開始加速增長，指示著濾芯快速堵塞，濾芯壽命即將結(jié)束(圖 6)。建議風場開始更換新的濾芯。
參考(圖 5)第 16 個月末第一套和第二套濾芯壓差比較圖，#41 和#48 風機上第二套濾芯壓差明顯比第一套低。這是因為第一套濾芯已經(jīng)將齒輪箱內(nèi)磨損顆粒清理干凈，減低了第二套濾芯的截污量，因此降低了第二套濾芯第 16 個月末的壓差。#56 風機第一套精度為 12µm，第二套濾芯精度為 7µm，更細精度的過濾器進 一步清潔系統(tǒng)油品，因此第二套濾芯第 16 個月末的壓差比第一套高些。#57 風機第一套精度為 7µm，第二套濾芯精度為 12µm，原本潔凈的齒輪箱內(nèi)部，第二套濾芯第 16 個月末自然截留污染物少，壓差低。第一套濾芯 16 個月得到的樣品清潔度評估結(jié)果如表 2，第一套濾芯 21 個月得到的樣品清潔度評估結(jié)果如表 3。
圖 7 顯示齒輪箱潤滑油清潔度自監(jiān)測以來 37 個月的趨勢圖。曲線表示流體中≥6µm(c)顆粒數(shù)變化情況，即體現(xiàn)的是 ISO4406 清潔度等級的中間數(shù)字(參考圖 8 按 ISO4406 清潔度評級系統(tǒng)描述)(Ref 4)。紅色水平虛線繪制在代碼 16 上，根據(jù) AGMA 標準，這是風機齒輪箱潤滑油要求的清潔度水平的上限，代碼越小，清潔度越高。從圖 7 看出，從過濾器的安裝使用后，整體清潔度代碼在要求范圍內(nèi)呈下降趨勢，說明清潔度在不斷改進。監(jiān)測的四臺風機在第二套濾芯使用 21 個月，總共跟蹤 37 個月時停止試驗。根據(jù)這個風場的經(jīng)驗，建議提高濾芯的更換周期從 12 個月提高到 18 個月。
將來，具有較高的納污能力的濾材和創(chuàng)新的濾材結(jié)構(gòu)、較低的凈壓差、更大的過濾面積的濾芯，將同樣的風電機組潤滑油過濾器的使用壽命達到 24 個月。這些計劃正在貫徹實施，未來的文章將介紹這些過濾器的相關應用經(jīng)驗。
參考文獻略.