《风电齿轮箱润滑油的发展及技术要点》

风电齿轮箱润滑油的发展及技术要点  一、风力发电齿轮箱润滑油的发展过程  自上世纪四五十年代大型风力发电机组问世以来，到今天，新的机型不推出，功率不断提升，对齿轮箱用油的选择也在不断升级。从早期的矿物型润滑到目前广泛使用的PAO（聚α烯烃）合成润滑剂，设计人员不断的追求寿命更长、更加洁净、运行更可靠的润滑剂，以降低设备维护成本提升运行可靠性。  PAO（聚α烯烃）合成润滑剂是上世纪四十年代合成成功，至今已在工业生产的各个方面广泛使用，PAO以其合成良好的均一性在抗氧化、低温、积碳倾向等诸多性能方面超越了矿物油，在风电行业也受到了一致的青睐。 随着风电机组功率的不断增大，使用经验的逐渐积累，齿面在更高的压强出现的点蚀等问题也渐渐地引起了注视，新的润滑剂升级必然出现，PAG（聚醚）齿轮油在测试和使用在悄然进行中。未来，随着环保观念的重视，海上风电的兴起，生物降低的问题也将呈现在我们的面前，ESTER（酯类）润滑剂，这种生物降解速度快，对环境污染更小的润滑剂或许在不久的将来也会广泛使用。 未来是否还有更佳优异的润滑剂出现？答案是肯定的，我们拭目以待。  二、在国内外的测试结果比较  2.1、国外的经验（引自Lubrication Selection for the Horns Reef Project‐‐‐‐H.MOLLER  ELSAM Engineering A/S,Vodskov,Denmark）： 测试起因：“在90年代中期，风电齿轮箱问题—甚至是刚刚使用的齿轮箱，经受着轴承及齿牙失效的困扰。 此时一个众所周知的‘微点蚀’问题困扰着风电的发展。”‐‐‐‐‐引自测试报告 2004年ELSAM能源公司在丹麦Horns Rev风场为改善齿轮箱点蚀及失效做的测试：  测试风场：Klim风场，此风场为离岸海上风场；  测试机型：Vestas V44‐600kW，所在测试机型在满负荷下工作；  测试油品：4种矿物油、2种PAO、2种PAG。       时代矿物油PAO PAG ESTER功率5310.5 通过3年的测试，ELSAM能源公司在丹麦的Horns Rev风场得到如下测试结果，在润滑失效率方面：PAG油品的为0，而PAO型及矿物型油品的失效率在2~5之间；金属磨损方面：PAG无磨损，而PAO及矿物型润滑油均产生少量或一定程度的磨损；粘度方面：PAG与PAO略有下降，矿物油无改变；酸值方面：少量添加剂的矿物油增加，而高添加剂矿物油及PAO酸值无改变，PAG油的酸值下降；含水量方面：这组数据非常有趣，PAG的含水量很高，而其它润滑剂的含水量都不高，这是为什么呢，为什么这么高的水没有造成酸值升高及磨损呢？！       图1：低添加剂矿物油使用4年后表现出中度/可接受的微点蚀； 图2：高添加剂矿物油使用3年表现出广泛的点蚀及明显的灰亮的划痕；当然，齿轮的表面粗糙度、负载、油的洁净度等因素都影响着微点蚀的形成，但所有使用1、2类油（低添加剂、高添加剂）的齿轮箱出现了相同的现象。 图3：同期使用PAG油齿轮箱几乎没有微点蚀产生。‐‐‐‐‐引自测试报告          生物降解的酯类油，在测试的3台风机中表现如图4、5、6所显，在为期2年的测试中，由于酯类油的可降解性，使得油液的TAN值在第二年已增加很高，粘度在第二年下降了15%，铁含量也增加较快。     测试表明，酯类油因其生物降解性能致使油液寿命短，不适合用于风电齿轮箱。    测试结论：PAG用做润滑剂。从Klim风场的经验表现出如下的品质： ‚减少齿轮箱失效的风险 ‚有着卓越的抗微点蚀性能 ‚减少磨损 ‚降低油箱温度，也就是降低了摩擦功耗 ‐‐‐‐‐引自测试报告   2.2、国内的经验（引自新疆天风达板城风场测试报告，２００７年６月２１日在金达坂一电场的Ｃ６号机组使用PAG油，于８月７日、９月２６日登机检查；６月２１日Ｃ４号机组更换使用原齿轮箱PAO齿轮油） 测试机型：金风S43/600 齿轮箱型号：ＤＰＳ６００／ＪＡ 测试油品：2种PAO型、一种PAG型齿轮油，部分指标见表1；   由于PAG油的粘度指数高，可达248，而PAO油为160，所以PAG油有着更为优异的低温启动性能。见表2；  在表3及表4中，将使用PAO油的C4齿轮箱与使用PAG油的C6齿轮箱在输出功率，齿轮箱温度两方面做比较。可以看出，使用PAG油的风机输出功率大于使用PAO油的风机，同时，齿轮箱的温度低10%左右。                   从以上C6齿轮箱的齿面照片来看，虽然在滑动方向上仍有形成间隔不均匀，长短不一的细纹沟槽（原加工纹路）形成沿齿高方向的拉痕，但可以看出经过近一年的使用齿面光洁度得以改善，点蚀得到抑制。 以下引用机械工业油品检验评定中心对三种油样（PAO1、PAO2、PAG）各项使用1年后指标对比，综合结论内容： 从粘度指数看，这三种油均为合成齿轮油。 A1（PAO1）总酸值较高，结合光谱元素分析，油中酸性金属盐添加剂含量高，有导致机件受到酸性物质腐蚀的可能，同时在使用中存在添加剂消耗过快的风险。在用油高温时泡沫倾向性明显，可能与添加剂的损耗有关。 B1（PAO2）新油抗泡沫性质正常。从使用效果来看，在用油B2和B3泡沫倾向性明显。 C1（PAG）粘度指数特别高，粘温特性很好，这在新疆昼夜温差变化很大，夏冬两季气温相差十分明显的环境中具有优势。从使用效果来看，在用油C2和C3磨损状态很好，虽然C2受到较多水分污染，但未造测试结PAG油异。  三、分对比PA3.1  PAPA油基，都达到   3.2  PAPA非极性们直接序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 造成齿轮箱明结论： 油在粘度指数分析原因 AG与PAO基AG的抗磨性AG在所有情在FZG试验到或超过10级AG的清净性AG的氧化产性的，它们的接生成油泥和 性能 分子特性 粘度指数 抗点蚀性能添加剂感受溶解水能力清净性 润滑性 低温启动性材料相容性基础油相容显的磨损变化、抗磨性、低基础油： 性： 况下（不同验中（由德国级。另外的研性： 产生极性含氧的氧化产物是漆膜的趋向PA极240~能 优受性优力 优优优性 中性 中容性差化。 低温启动性能的成分）不管标准化组织研究报告在F氧产物，PAG极性的，由过。 原为PAO，AG PA性 非极~250 140优 中优 差优 差优 中优 差中 优中 优差 优能方面优于如左9、从性蚀性风电在材      管加不加添加公布，A/8，FZG齿轮试验本身也是极性过氧化物和羰改为聚醚后AO 极性 0~160 中 差 差 中 差 优 优 优 PAO油，在节左表，在PAG10项PAO占性能对比可以性、清净性、电齿轮油应具材料相容性、加剂，在改善3/90DIN513验中（A/16，性的，可溶解羰基化物组成后运行2000小节能、降低齿与PAO性能占优。 以得出这样的、添加剂感受具备的重要性、基础油相容善摩擦和磨损354）不加EP6/140）PAG解这些氧化产成，油不溶解小时  齿轮箱油温方能中，1~8项P的结论，润滑受性、低温启性能中，PAG性方面，PAG损行为上PAGP添加剂时所的负荷为1产物。相反的解这类极性物方面表示优PAG点优，滑性、抗点启动性这些更好。而不如PAO。G都优于石所有的聚醚2级。 的石油基是物，促使它  3.3  水在以上a)使b)在c)使d)产但在以水在a)b)c)由液中时出现，油由于溶解状溶的溶解成氢键均衡的响油液水溶解力： 上的两个例子使基础油发生在高温下气化使基础油乳化产生电介质以上的例子中在油中有三种悬浮状。水乳化状。指中。 溶解状。水于大多数基时，只有很少这两种状态于与溶解水的状存在，所以溶解力实际上解力是因为聚键，也就是具的水含量大约液的性能。 子中，我们发现生水解和氧化化； 化，使油液TA（溶解添加剂并没有看到种状态： 水分以水滴形指水分的极细水分以溶解于础油溶解水的一部分能够溶态是对油液产能力强，即使不会影响油液上是一种分子聚醚结构中含具有更强的分为 2000 – 3原为矿物油现PAG油的化； TAN升高；剂及氧化生成油液变质、T形态悬浮于油细小的水滴状于油之中形式的能力有限，溶解，大多以生负面影响的使大量的水进液的性能。子间的作用力含量很多的氧分子间作用力000 ppm（约，该为聚醚含水量都比较成的有机酸）TAN升高、油油中。 状均匀分散于式存在。 ，当有水进入以悬浮和乳化的根源，而进入系统也将，即范德华氧原子与水中力 。在工作条约70 ℃），而后运行2000较高，通常，效果，对金属油品乳化、金于油入油化状PAG将以力。PAG中的氢形条件下，而不会影0小时 ，油中含水会属产生腐蚀。金属腐蚀等现会造成以下影。 现象，这是为影响： 为什么呢？ 3.4  材料相容性 虽然PAG能与弹性体相容，应在换用前进行评估，聚碳酸酯和聚亚胺酯机械部件有时被软化或脆化，聚碳酸酯常作为润滑油箱的侧盖玻璃。密封件方面，采用NBR（丁腈橡胶）确保安全。好的溶解性能可能使油漆变软或脱落，在作为美化的外部油漆时，采用催化环氧、环氧酚及改性酚涂层没有问题，内部漆应采用环氧漆或不涂漆。  3.5  基础油的相容性 由于因为高含氧量，与矿物油和PAO不相容，增加环氧丙烷含量并改进结构可以改进与矿物油和PAO的相容性。所以在改用PAG油时，充分地清洗齿轮箱是必要的。   四、结论 通过如上的转述我们可了得出以下结论： PAG油以其诸多优异性能将在风电行业广泛采用，通过它的使用，可以有效的减少齿轮箱的点蚀及轴承失效，提高风电设备的可靠性。 酯类由于良好的生物降解性能，也导致其很难胜任长期的润滑工作，原因是其水解。但我们不排除未来会有性能更恰当的酯型风电齿轮润滑剂。  目前世界上合成基础油的制造商： 本文主要讨论四种常见的合成润滑油基础油：聚α‐烯烃基础油(PAO)、聚乙二醇基础油(PAG)、酯类润滑油和磷酸酯基础油。 PAO重量级重量级生产企业，埃克森美孚公司(Exxon Mobil)和雪佛龙菲利浦化学公司(Chevron Philips)； PAG生产商有陶氏化学、科宁Cognis、科聚亚公司、斯泰潘Stepan。 酯型基础油生产商Hatco公司、美国尤尼罗尔公司(Uniroyal)以及大湖化工公司(Great Lakes Corporation)。阿克苏诺贝尔公司(Akzo Nobel)将磷酸酯基础油业务卖给了旭瑞达有限公司(Supresta)；后者之后不久又被以色列化学有限公司(Israel Chemicals Limited)收购了。    编后语：本文以将事实展现在读者面前为初衷，将国内外资料转述编辑，未经个人评论分析，对文中所列测试资料如愿索取，定当毫无保留。珠海经济特区顺益发展有限公司，张志翰，0756‐8803829、8116158，[e-mail]。