淺談風(fēng)電機(jī)組主齒輪箱和液壓站的潤(rùn)滑系統(tǒng)

來源：2022年電力行業(yè)技術(shù)監(jiān)督工作交流會(huì)暨專業(yè)技術(shù)論壇

作者：晁衛(wèi)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，風(fēng)電作為Z清潔的能源之一越來越引起重視，而風(fēng)力機(jī)組是風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行維護(hù)極其重要。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作環(huán)境極其惡劣，其長(zhǎng)期處于極端高低溫、濕氣大、灰塵大的環(huán)境中，且大都處于較偏遠(yuǎn)地區(qū)，維修不便，因此確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)是Z基本的要求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于大型轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，其潤(rùn)滑的重要性不言而喻。

眾所周知，針對(duì)不同的潤(rùn)滑對(duì)象則需要配置不同的潤(rùn)滑劑，風(fēng)電機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)主要包括兩部分，一是主齒輪箱、偏航變槳齒輪箱和液壓系統(tǒng)部件采用的液體潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，二是主軸軸承、偏航齒圈、變槳軸承等采用的半固體的潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。風(fēng)電機(jī)組各重要部位使用的潤(rùn)滑劑情況詳見表1。

一、主齒輪箱潤(rùn)滑

除了直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組外，其他形式的機(jī)組都要應(yīng)用齒輪箱，齒輪箱是通過齒輪副進(jìn)行動(dòng)力傳輸?shù)模L(fēng)電機(jī)組主齒輪箱見下圖1。

主齒輪箱的部件組成

常用齒輪副：主齒輪箱常用的齒輪副包括直齒和斜齒圓柱齒輪副、行星齒輪系兩大部分。

(1)直齒和斜齒圓柱齒輪副由一對(duì)轉(zhuǎn)軸相互平行的齒輪構(gòu)成。直齒圓柱齒輪的齒與齒輪軸平行，而斜齒圓柱齒輪的齒與軸線呈一定角度。人字齒輪在每個(gè)齒輪上都有兩排傾斜方向的斜齒。

(2)行星齒輪系是一個(gè)或多個(gè)所謂的行星輪繞著一個(gè)太陽(yáng)輪公轉(zhuǎn)，本身又自轉(zhuǎn)的齒輪傳動(dòng)輪系，其原理圖見下圖2。

實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主齒輪系中，Z常見的形式是由行星齒輪系和平行軸輪系混合構(gòu)成的。在直齒輪、斜齒輪、人字齒輪中Z常用的齒形是漸開線齒形。這種齒形意味著當(dāng)基圓勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒面產(chǎn)生勻速位移，接觸線是一條直線。

齒輪箱分類：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的種類很多，按照傳統(tǒng)類型可分為圓柱齒輪箱、行星齒輪箱以及它們互相組合起來的齒輪箱;按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)齒輪箱;按照傳動(dòng)的布置形式又可分為展開式、分流式、同軸式以及混合式等。

箱體和軸承構(gòu)造：傳動(dòng)齒輪副置于箱體之中，要求箱體必須具備足夠的剛性承受力和力矩，以防止變形，保證傳動(dòng)的質(zhì)量。箱體在進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，常采用球墨鑄鐵和其他高強(qiáng)度鑄鐵的箱體，其減振性好，且易于切削加工，而進(jìn)行單件、小批量生產(chǎn)時(shí)，常采用焊接或者焊接與鑄造相結(jié)合的箱體。

為了便于裝配和定期檢查齒輪的嚙合狀態(tài)，在箱體上通常設(shè)有觀察窗，且機(jī)座旁一般設(shè)有連體吊鉤，供起吊整臺(tái)齒輪箱用，另外會(huì)把齒輪箱安裝在由高強(qiáng)度橡膠和鋼墊做成的彈性支座上，以達(dá)到減小齒輪箱傳到機(jī)艙機(jī)座振動(dòng)的目的，在箱體上還設(shè)有透氣罩油位指示器、注油器和放油孔。齒輪箱上常采用的軸承有圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心滾子軸承等，而在所有滾動(dòng)軸承中，調(diào)心滾子軸承的承載能力Z大，且能夠廣泛應(yīng)用在承受較大負(fù)載或者難以避免同軸誤差和撓曲較大的支承部位。

密封裝置：齒輪箱軸伸部位的密封裝置一方面能夠防止?jié)櫥屯庑梗硪环矫婺芊乐闺s質(zhì)進(jìn)入箱體內(nèi)。常用的密封裝置有非接觸式密封和接觸式密封兩種。

(1)非接觸式密封：常用的有氣膜密封和濾膜密封，其可以實(shí)現(xiàn)密封介質(zhì)的零泄漏，徹底消除對(duì)環(huán)境的污染，且所有的非接觸式密封均不會(huì)產(chǎn)生磨損，使用時(shí)間長(zhǎng)。

(2)接觸式密封：接觸式密封是使用密封件的密封，密封件應(yīng)可靠、耐久、摩擦阻力小、容易裝拆，應(yīng)能隨壓力的升高而提高密封能力和有利于自動(dòng)補(bǔ)償磨損。旋轉(zhuǎn)軸常用唇形密封圈。

主齒輪箱潤(rùn)滑油的工況要求

作為風(fēng)電機(jī)組核心傳動(dòng)部件，考慮到主齒輪箱摩擦副既有低速重載工況、又有高速輕載工況，且所處環(huán)境惡劣，對(duì)其使用的潤(rùn)滑油運(yùn)動(dòng)粘度、極壓抗磨性能、抗乳化性能、氧化?定性和熱安定性能、防銹防腐蝕性能、抗泡沫性能都有較高要求。

主齒輪箱潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)指標(biāo)和周期

(1)監(jiān)測(cè)必做指標(biāo)：運(yùn)動(dòng)粘度(40℃)、水分含量、元素含量、PQ 指數(shù)、紅外分析，分析鐵譜、清潔度、酸值為主齒輪箱油液監(jiān)測(cè)的選做指標(biāo)。

(2)監(jiān)測(cè)周期：每年監(jiān)測(cè)一次，監(jiān)測(cè)結(jié)果異常的，根據(jù)油液報(bào)告進(jìn)行復(fù)檢;機(jī)組出質(zhì)保前三個(gè)月需監(jiān)測(cè)一次，作為出質(zhì)保時(shí)大部件運(yùn)行狀態(tài)判定的依據(jù)之一，此次監(jiān)測(cè)可包含在上述所規(guī)定的監(jiān)測(cè)頻次內(nèi)。

二、偏航和變槳齒輪箱潤(rùn)滑

偏航機(jī)構(gòu)與機(jī)組控制系統(tǒng)配合，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)艙使風(fēng)輪掃掠面與風(fēng)向保持垂直，使風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有Z大的發(fā)電能力，偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖3;變槳機(jī)構(gòu)是通過改變安裝在輪轂上的葉片槳距角的大小，使葉片剖面的攻角發(fā)生變化來迎合風(fēng)速變化，從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善，變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖4。

偏航和變槳齒輪箱部件的組成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航和變槳齒輪箱上有可直接安裝伺服電機(jī)軸的電機(jī)法蘭，齒輪箱上具有四級(jí)或五級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，每級(jí)行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均具有太陽(yáng)輪、行星輪、行星軸、行星架，齒輪箱的輸入軸與一級(jí)太陽(yáng)輪嚙合。另外主流的偏航和變槳齒輪箱都采用了NGW行星傳動(dòng)，其具有功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比大、運(yùn)行平穩(wěn)、抗沖擊和抗振動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

偏航和變槳齒輪箱潤(rùn)滑油的工況要求

偏航和變槳齒輪箱均存在低速重載、啟停較頻繁、扭矩較大等特點(diǎn)。變槳齒輪箱隨槳葉360度旋轉(zhuǎn)，受到的沖擊更大，且大部分時(shí)間在工作，理論上工況更惡劣，對(duì)可靠性要求更高;而偏航齒輪箱僅部分時(shí)間工作，立式安裝在機(jī)艙內(nèi)，維護(hù)較變槳稍方便一些。但由于被動(dòng)偏航等非正常工況存在，對(duì)其使用的潤(rùn)滑油要有承載能力高、極壓抗磨性能好、稠度大等特性，一般使用VG320或VG220合成型齒輪油。

偏航和變槳齒輪箱潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)指標(biāo)和周期

(1)監(jiān)測(cè)必做指標(biāo)：運(yùn)動(dòng)粘度、元素含量、PQ指數(shù)、紅外分析。

(2)監(jiān)測(cè)周期：機(jī)組出質(zhì)保前需按機(jī)組數(shù)量20%的比例對(duì)全場(chǎng)機(jī)組偏航和變槳齒輪箱油進(jìn)行抽檢，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果不合格的應(yīng)與整機(jī)廠商協(xié)商更換。

三、液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑

液壓系統(tǒng)是以有壓液體為介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸和運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)械單元，其具有傳動(dòng)平穩(wěn)、功率密度大、容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、易于更換元器件和過載保護(hù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。

在定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，液壓系統(tǒng)主要用于空氣動(dòng)力制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)，以及偏航驅(qū)動(dòng)與制動(dòng);在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，液壓系統(tǒng)主要用于控制變距機(jī)構(gòu)和機(jī)械制動(dòng)，也用于偏航驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)。此外液壓系統(tǒng)還常用于齒輪箱潤(rùn)滑油液的冷卻和過濾、發(fā)電機(jī)水冷、變流器的溫度控制、開關(guān)機(jī)艙和驅(qū)動(dòng)起重機(jī)等，風(fēng)電機(jī)組液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下圖5。

液壓系統(tǒng)的部件組成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的液壓系統(tǒng)是一個(gè)公共服務(wù)系統(tǒng)，它為風(fēng)力發(fā)電機(jī)上一切使用液壓驅(qū)動(dòng)力的裝置提供動(dòng)力，其主要功能是為變漿控制裝置、安全漿距控制裝置、偏航驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)裝置、停機(jī)制動(dòng)裝置提供液壓驅(qū)動(dòng)力。

液壓系統(tǒng)由動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件組成。動(dòng)力元件將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓力能，如液壓泵;控制元件控制系統(tǒng)壓力、流量、方向以及進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大，作為控制元件的主要是各類液壓閥;執(zhí)行元件將流體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)各類機(jī)構(gòu)，如液壓缸;輔助元件為保證系統(tǒng)正常工作除上述3種元件外的裝置，如油箱、過濾器、蓄能器、管件等。

液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑油的工況要求

在定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，液壓系統(tǒng)的主要任務(wù)是驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的氣動(dòng)剎車和機(jī)械剎車;在變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，液壓系統(tǒng)主要控制變距機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制、功率控制，同時(shí)也制控機(jī)械剎車機(jī)構(gòu)，其使用的液壓油要具有良好粘溫性能、防銹防腐性能、清潔度等性能，多采用VG32合成液壓油。

液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)指標(biāo)和周期

(1)監(jiān)測(cè)指標(biāo)：包含運(yùn)動(dòng)粘度(40℃)、水分含量、元素含量、PQ指數(shù)、清潔度、紅外分析。

(2)監(jiān)測(cè)周期：機(jī)組出質(zhì)保前三個(gè)月需對(duì)全部機(jī)組液壓油監(jiān)測(cè)一次，對(duì)于檢測(cè)不合格的液壓油應(yīng)與整機(jī)廠商協(xié)商更換;使用時(shí)間達(dá)到5年時(shí)，對(duì)全部機(jī)組液壓油定檢1次，之后每?jī)赡隀z測(cè)1次，對(duì)于定檢過程中發(fā)現(xiàn)的異常案例應(yīng)按照油液監(jiān)測(cè)報(bào)告建議適當(dāng)增加取樣頻次或更換液壓油。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組主齒輪箱、偏航變槳齒輪箱、液壓系統(tǒng)潤(rùn)滑方面的簡(jiǎn)介，體現(xiàn)了潤(rùn)滑管理在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中重要性，做好潤(rùn)滑油的化驗(yàn)工作，掌握潤(rùn)滑油物化特性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組大部件的磨損狀況，可以有效提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱、偏航變槳齒輪箱、液壓系統(tǒng)的介紹，反應(yīng)潤(rùn)滑對(duì)于風(fēng)電機(jī)組大部件的安全穩(wěn)點(diǎn)運(yùn)行具有重要意義，直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的可靠性和發(fā)電量，并且對(duì)運(yùn)行中的潤(rùn)滑油的化驗(yàn)指標(biāo)和周期加以闡述。