目前中國風力發電行業正處于高速發展階段， 截止到 2021 年底，風電裝機總量達到 168690 MW， 占全球風電累計裝機總量的 34.7% 。風電機組主 齒輪箱是整機傳動鏈的核心部件，其主要功能是通過齒輪副增速將葉片轉動產生的動力傳遞給發電機，以達到發電機發電所要求的轉速。相關文獻指出，近年來中國眾多風場的齒輪箱由于潤滑方式不當、潤滑效果差而頻繁出現故障，導致售后維修和維護費用很高，并且在風電機組中主齒輪箱的初裝潤滑油量最大，也最易產生潤滑故障。因此，齒輪箱潤滑管理對于風電機組長期穩定可靠運轉具有重要意義。
風力發電機組齒輪箱種類有主齒輪箱、偏航和變槳齒輪箱，本文主要對主齒輪箱潤滑系統做出概述。
一、主齒輪箱構造
主齒輪箱一般由箱體、主軸、軸承、齒輪副、行星架、減噪減震裝置和潤滑冷卻系統等組成。
主齒輪箱箱體在機組工作過程中需要同時承受靜荷載和動荷載，靜荷載部分來源于箱體本身的重量，傳動軸和聯軸器的剛度與質量、發電機的特性直接影響其動荷載，因此齒輪箱箱體作為機組傳送動力的核心部件，需要有足夠的剛度、強度以滿足軸承、外部附件和軸的安裝要求，還需要有良好的密封性能，避免環境中的水分、灰塵和其他雜質進入箱體內部。
主齒輪箱主軸通過法蘭盤與風輪相連接，風輪是將風能轉變為大扭矩、低轉速的動能裝置，而主軸就是這一動能轉換的承載體，因此其除了用來支撐旋轉部件還要同時承受較大彎矩和轉矩，因此主軸材料需要具有足夠的強度和剛度。
主齒輪箱軸承是用來支撐主軸以及軸上零部件的裝置，其還需要控制主軸的旋轉精度以達到減小主軸和支撐部件之間的摩擦。
主齒輪箱之所以能夠將葉輪轉動獲得的低轉速機械能轉變為高轉速機械能主要是通過齒輪副實現的，通經過齒輪副作用以達到發電機發電所要求的轉速，齒輪副主要由直齒斜齒齒輪副和行星齒輪系組成。一個或者多個行星輪在自轉的同時還繞著 太陽輪公轉即是行星齒輪系，其包括太陽輪、行星架、行星小齒輪和齒圈，具有增速比較大、體積小、重量輕、承載力高等優點，構造圖詳見圖 1。
圖1行星齒輪系原理
二、主齒輪箱潤滑系統
主齒輪箱潤滑系統要求
齒輪箱潤滑系統一般由電動泵、過濾裝置、機械泵、油風冷卻器、壓力傳感器、連接管路等組成。考慮到主齒輪箱摩擦副既有高速輕載亦有低速重載工況，工作環境惡劣，為保證機組的正常穩定運轉齒輪箱潤滑系統必須滿足以下幾點要求：一是能滿足齒輪箱內各運動部件的強制潤滑要求;二是具有能夠排除系統中氣泡的要求，因為氣泡會使齒輪箱造成損壞; 三是需具有一定的冷卻功能，能通過風扇將箱體內熱空氣排出箱體外，四是潤滑系統對其使用的潤滑油具有相應運動黏度、極壓抗磨性能、抗乳化性能、氧化安定性和熱安定性能、防銹防腐蝕性能、抗泡沫等要求。
主齒輪箱潤滑油選型
主齒輪箱使用潤滑油數量較大，約占風電機組總用油量的 75% ，現多采用強制循環潤滑和油池飛濺式潤滑，使用 VG320 型合成齒輪油居多，比較注重油品黏溫、極壓抗磨減摩等性能。
三、主齒輪箱潤滑油取樣、監測規范及推薦使用年限
主齒輪箱潤滑油取樣規范
主齒輪箱潤滑油取樣要求和位置：主齒輪箱潤滑油取樣人員需熟悉主齒輪箱潤滑油系統，遵守 DL /T 796 和 DL /T 666 的規定，在取樣時需采取防護措施，如佩戴防滑手套、穿防護服，佩戴面罩以防止吸入油霧或油蒸氣。
主齒輪箱潤滑油所取樣品要有代表性，能反應系統中油液的品質，并能夠反應齒輪箱內各部件的磨損狀態。
主齒輪箱一般設有專用的潤滑油取樣口，需依次按照箱體專用取樣口、過濾器入口處測壓閥、過濾器頂端透氣孔的順序選擇取樣位置，并且應保證每次取樣都在同一點、采用同樣的取樣方法和工器具。
主齒輪箱潤滑油取樣工具和取樣時間： 主齒輪箱油取樣工具一般包括未經污染的取樣瓶、干燥清潔的取樣管和測壓軟管、標簽紙和抹布等。
取樣時間一般要求風力發電機組處于維護服務 模式后才能取樣，且需確保取樣時風機運行至正常工作溫度。
主齒輪箱潤滑油取樣步驟： 將取樣口周圍的灰塵、油漬用抹布擦拭干凈，打開取樣閥口，放出 50 ～ 100 mL 的油液倒入廢液桶中，然后用干凈取樣瓶進行取油，每個取樣瓶所取樣品量不超過取樣瓶容積的 3 /4。取樣量需滿足檢測用量。取樣結束后立即用瓶蓋封口并及時貼標簽，標簽信息應至少包含樣品編號、風電場和風力發電機組編號、油品牌號、取樣位置、取樣時間等信息。樣品密封好后放置在干燥、避光的環境下保存。
主齒輪箱潤滑油監測規范
主齒輪箱潤滑油監測周期： 主齒輪箱潤滑油若使用時間在 3 a 以內則每年監測 1 次，3 a 以上每年監測 2 次; 在機組出質保前 3 個月需監測 1 次，作為出質保時大部件運行狀態判定的依據之一; 另外再換油后三個月亦需監測 1 次。
主齒輪箱潤滑油監測指標： 主齒輪箱潤滑油監測指標包括運動黏度( 40 ℃ ) 、元素含量、水分含量、紅外分析、PQ 指數， 選做指標有鐵譜分析、清潔度、酸值。主齒輪箱潤滑油指標控制標準詳見表 1。
表 1 風電主齒輪箱潤滑油指標控制標準
主齒輪箱潤滑油推薦使用年限
主齒輪箱潤滑油若是合成油推薦使用期限為 7 a，非合成油推薦使用期限為 4 a，達到推薦使用期限后建議及時換油。對于未達到使用期限，但出現主齒輪箱潤滑油劣化、齒輪箱磨損等情況時，或者在油液監測報告里明確建議換油的，應及時更換主齒輪箱潤滑油。
四、主齒輪箱潤滑油更換方案
隨著風力發電機組運行年限的增加，齒輪箱油會由于氧化變質、損耗、剪切等原因使其潤滑性能逐漸下降，所以油品是有使用壽命的，需要根據齒輪油檢測報告、風電機組運轉時間以及油品的性能指標進行不定期更換油品。此外，由于風力發電機組長期處于極端高( 低) 溫、灰塵大、濕氣大的環境中，工作環境相當惡劣，因此，風電機組潤滑油在使用過程中會被氧化產生油泥、磨損、有外界污染物如水蒸氣、沙塵等進入油內，這些因素也會影響到油品的潤滑效果。風場進行更換主齒輪箱油的目的在給齒輪箱創造一個干凈、良好的潤滑環境，從而讓齒輪箱良好運轉，讓整個發電機組穩定高效運行。
主齒輪箱潤滑油更換參考指標
各個風電場的現場實際情況不同，為了不出現過早換油造成油品浪費或盲目延長換油周期造成設備嚴重損壞的情況，每個風電場應根據自己實際情況制定較為合理的換油指標。表 2 為某風電場的換油指標。
表 2 某風電場主齒輪箱潤滑油換油指標
主齒輪箱潤滑油更換步驟
更換潤滑油的準備工作：更換潤滑油的作業人員需佩戴好個人防護措施，如安全帽、防護服和防護手套等; 準備好干凈且可密封的油桶; 準備好油品取樣工具和清洗齒輪箱工具( 清洗油、過濾網、管路連接器等) ; 準備好同型號的合格潤滑油、濾芯等。
舊油排放：風電機組在停機后應趁熱將主齒輪箱里潤滑油通過專用放油閥放出，在此之前需卸下齒輪箱頂部的空氣過濾器，再打開過濾器底部放油閥放出過濾器里的金屬屑、殘渣等，直至不再有油從箱體流出。然后檢查并清除殘留在箱體內的黏質物、金屬屑和殘渣等。
工作油沖洗：在加入沖洗油前先檢查空氣過濾器的干燥劑是否失效，如已失效則進行更換。注入清洗油約 300 L，待主齒輪箱油循環 1 h 后放出，此過程中盡量保持潤滑油的溫度在正常工作范圍內，約 40 ～ 60 ℃，且應保持流動速度在允許范圍內盡可能的高，以達到較好的清洗效果。
新油加注：清洗完成后，按照齒輪箱的維護使用操作規程的要求加注新油至要求的液位，并重新裝上空氣過濾器。
確認換油成功： 在新油加注完成后，待機組穩定運轉 1 ～ 2 d 后，檢查齒輪箱潤滑系統是否通暢，是否有漏油、異常噪聲等現象發生，并檢查齒輪箱油位是否在達到規定的油位，如若沒有，則需要補充新油至規定油位。一般情況下，需要在機組運轉 30 d 后抽取油樣進行化驗檢測，以確認換油后各項指標合格。
五、主齒輪箱潤滑系統的管理措施
近年來全國眾多風場的齒輪箱由于潤滑方式不當、潤滑效果差而頻繁出現故障，導致售后維修和維護費用居高不下。因此，風電場應該采取以下 6 方面措施來進行主齒輪箱潤滑管理，以達到預防潤滑油劣化、保證機組高效穩定運轉的目的。
一是新油品是潤滑管理的源頭，因此要控制好新油品的質量。風場要對新油品的合格證、使用說明書等質量證明文件進行檢查，并要對新油品進行抽檢，檢測運動黏度、氧化值、水分和 PQ 指數等特征因子是否滿足技術使用要求，防止以舊充新、以次充好等情況的發生。另外，一般情況下不同名牌的油禁止混用，除非通過性能檢測，確保混用后能夠符合技術要求，才能混用;
二是當潤滑油用量不足時，應及時向設備補充同牌號潤滑油，并應經過過濾處理; 在此過程中要求人員要嚴格按照換油操作規程進行操作，嚴禁將標識不清的油品加入齒輪箱;
三是要按計劃定期對主齒輪箱油進行取樣監測，且當監測指標如鐵元素、PQ 指數和運動黏度等異常時要加強監測周期或者增加監測指標;
四是當潤滑油定期監測指標出現異常或者報告建議更換油品時，風場要引起重視;
五是新油注入齒輪箱前需進行過濾處理除去雜質，還要做好干燥劑的及時更換，預防潮濕空氣進入箱體內，還應盡量避免齒輪箱油超高溫運行;
六是對出質保期的機組要加強潤滑管理，要求機組在出質保期前后進行油液取樣監測，通過檢測數據對設備的整體運行狀況做出合理評估，這樣即可以做到預警故障還可預防隱患，為風電場消除潤滑故障隱患。
六、主齒輪箱潤滑油系統對機組正常運轉的重要性分析
在風力發電機組正常運轉時，齒輪箱的潤滑系統必須始終保持良好狀態，否組就會損壞齒面或軸承。主齒輪箱良好的潤滑系統具有以下作用: 一是能夠對齒輪或軸承起到較好的保護作用，能夠減小振動對機組的傷害，提高設備的穩定性，減少停機損失和維修費用; 二是具有冷卻、抗腐蝕和防銹功能，還能夠傳遞動力，防止齒輪或軸承疲勞點強，三是可以吸收沖擊，減小摩擦和增大抗磨性，具有較高的承載能力并防止膠合; 四是可以延長設備的使用壽命，降低設備購置費; 五是可以延長潤滑油的使用周期和壽命，降低潤滑油油耗，以減少對環境的污染。
綜上所述，齒輪箱的潤滑系統在風電機組正常運轉中起著關鍵作用，其會直接影響到整個機組設備的安全，所以對運行中的齒輪箱潤滑系統必須做到應檢必檢，及時發現齒輪箱中的故障隱患，嚴格按照操作規程保持潤滑系統長期處于最佳潤滑狀態， 以減少非正常停機和風機故障的維修費用。
七、結論
主齒輪箱是風力發電機組的“心臟”，而潤滑油又是主齒輪箱設備的“血液”，因此潤滑系統的失效能導致主齒輪箱內所有運動零部件出現磨損、失效和故障等狀況。齒輪箱的良好潤滑系統可以延長油品使用壽命以減少油品油耗，延長供油泵、濾芯和零部件壽命，減少停機損失和維修費用，進而提高產能和生產安全。因此，風場良好的潤滑管理體系對于建設資源節約型、環境友好型社會具有重要意義。
參考文獻略