风电机组的润滑磨损状态监测及视情维护

元素的浓度
油品变质等
用物理磁性法将油中磨损金属颗粒、污染杂质颗 评定设备磨损故障的部位、原
粒分离出来，用显微镜检测其形貌、尺寸和数量。 因和程度，污染来源
红外分析 污染分析
分析油品在使用过程中所产生的氧化物、硝化物、 评定油品劣化程度、新油质量
胶质和积碳颗粒的相对含量
等
主要用于分析油中固体污染颗粒的数量、液压油 评定油品的污染程度、设备磨
广州机械院八十年代初期就开始进行机械设备润滑与磨损状态监测与故障诊断技术的应用研究， 是国内最早从事该项技术研究和推广应用的单位，成为国内著名的油液监测技术服务机构。从 2006 年 开始与多家风电设备厂商与风电业主开展合作，通过油液监测技术对风电设备润滑磨损状态监测与故
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障分析，为众多风企业的设备润滑管理、状态维护及故障诊断提供了有力的技术支持，同时也积累了 大量的诊断经验与监测案例。本文介绍了风电机组的润滑磨损特点，以及该院在风电行业油液监测方 面的经验与案例，与国内的风电同行分享。
Key words: wear condition monitoring; oil analysis; condition based maintenance; fault diagnosis;
1 前言
2003 年以来，我国的风电装机容量得到快速增长，目前已经突破了 900 万千瓦。在装机容量节节 攀升的同时，风电机组的运行维护也开始受到重视。风电业主关心风机的生产率，运维人员关心风电 系统的可靠性。资料显示，欧美风电行业 20 年来总投资的 65%~90%都消耗在运行维护上，而非计划 停机又占据了其中的 75%。国际工程保险协会支付给丹麦风电业的理赔费用中的 40%是由于机械故障， 主要是齿轮箱与轴承的故障。
由于风力发电机多安装在偏远、空旷、多风地区，如我国的新疆、内蒙古及沿海等地区，增速齿 轮箱的工作环境温度变化大，沿海湿度大，加上较大的扭力负荷及负荷不恒定性，同时风场一般处于 相对偏远的地区，维修不便，因此要求风机齿轮油具有良好的极压抗磨性能、热氧化稳定性、水解安 定性、抗乳化性能、粘温性能、低温流动性能以及较长的使用寿命，还应具有较低的摩擦系数以降低 齿轮传动中的功率损耗。 （2）发电机轴承及主轴承
风电设备由于装配、使用和设备质量问题，不时会发生有关部件的异常磨损，分析异常磨损的原 因对于企业的运行管理是很重要的。通过对风机在用油中磨损金属颗粒的定量和定性分析，能有效诊 断设备主要摩擦副的磨损失效状态及原因，指导企业及时采取视情维修措施，保证设备安全运行。找 到润滑磨损故障的根源，避免事故的进一步恶化。
常用颗粒计数器法
损程度等
3.2 风电机组润滑磨损状态监测的技术内容 （1）润滑油脂的选型评价
在风电场的全面润滑管理体系中，润滑油的选型占有重要的地位。原来设备选择什么油品，往往 是润滑油供应商与风机制造厂家的推荐，由于风机制造厂商对于润滑知识不一定有专业的认识，其所 推荐的油品未必就是最合适的，甚至是错误的。正确的做法是根据设备结构（是否含有对某些添加剂 敏感的金属如铜）、运转速度、负荷、温度等综合考虑选取合适的油品。许多企业的润滑油品牌的选择 较多，造成了难于管理与浪费的现象。经广研检测对各种润滑油的检测与比较，结合现场实际工作情 况，这些企业在润滑油的选择方面已经形成了一整套严格而又合理的制度，确保了新进润滑油的质量。 （2）润滑磨损故障的诊断
偏航减速器的工作特点是间歇工作，起停较为频繁，传递扭矩较大，传动比高。多采用蜗轮蜗杆 机构或多级行星减速机构。一般推荐低温性能好、粘温指数高、极压抗磨性能和抗氧化性能好的合成 型齿轮油。部分大功率的风力发电机上配有变桨控制系统，它的润滑需求与偏航控制系统相似，油品 选型要求也基本一致。 （4）液压刹车系统
Abstract: Main lubrication components, Lubrication characteristics and special performance requirement to lubricant of wind turbine are introduced based on the analysis on construction and application environment of wind turbine. The function of oil analysis in lubrication monitoring and condition based maintenance of wind turbine is discussed and meaning of oil analysis in wind turbine lubrication management including lubricant optimization, fault diagnosis and condition monitoring are put forward. Typical case analysis demonstrates the benefit and effect of oil analysis further.
风电机组的润滑磨损状态监测与视情维护
贺石中，陈闽杰，钟龙风
（广州机械科学研究院设备状态检测研究所 广东广州 510701）
摘要：通过对风力发电机的润滑结构与应用场合的分析，阐述了风电机组的主要润滑部位、润滑特点与对润滑油脂 的特殊性能要求；研究了油液监测技术在风电行业润滑磨损状态监测与视情维护中的作用；提出了油液监测在风电场的 设备润滑管理中具有新油选型、故障诊断、状态监测等三个方面的重要意义；通过具体的案例分析，说明了油液监测技 术在指导风电场设备润滑管理和视情况维护中的作用与效益。
当风速超快、振动过大、电机温度过高、刹车片的磨损等故障时，通过变速传动机构中的液动制 动装置的动作来实现紧急停机。可以看出安全液压制动系统在保证风力发电机组正常运行发电、防止 事故发生、对风机起动和停机控制起着不可或缺的作用。刹车系统的动力来自液压制动系统，推动高 速主轴上圆盘式刹车等执行动作，属于失效－安全保护模式。
关键词：磨损状态监测；油液分析；视情维护；故障诊断；
Lubrication condition monitoring and condition-based maintenance of wind turbine
He Shizhong, Chen Minjie, Zhong Longfeng (GMERI Equipment Condition Detect Institute Guangzhou 510701, China)
表 2 风机主要润滑油脂定期监测项目
油品类型 分析检测项目
油品类型 分析检测项目
油品类型 分析检测项目
大型风力发电机常采用电动的偏航系统来调整机组并使其对准风向，使风轮扫掠面积总是垂直于 主风向，以得到最大的风力利用率。偏航系统一般包括感应风向的风向标、偏航电机、偏航行星齿轮 减速器、回转体大齿轮等。
偏航系统驱动电机速度不高，偏转轴承和齿轮承受的负荷较大，回转体大齿轮一般为开式结构， 自身产生热量相对少，受湿气、灰尘、温度等环境因素影响大。主要润滑部位是开放式的回转体大齿 轮，使用的润滑脂要求具有优良的极压抗磨性能、低温性能、粘附性能和防腐蚀性能。国外一般推荐 使用含固体添加剂的低温润滑脂，要求在－40℃以下仍能有效润滑。
图 2 直驱式风源自文库结构示意图 2.2 风电机组的主要部件的润滑要求及油脂性能要求 （1）增速齿轮箱
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齿轮箱是双馈式风力发电机的主要润滑部位，用油量占风力发电机用油量的 3/4 左右。齿轮箱可以 将很低的风轮转速（600kW 的风力发电机通常为 27r/min）变为很高的发电机转速（通常 1500r/min）， 多采用油池飞溅式润滑或压力强制循环润滑。
2 风电机组的润滑特点
2.1 不同类型机组润滑特点 （1）双馈式风机
双馈式风力发电机采用的是交流励磁电机，由于这种电机的发电转速比风机风轮的转速要高很多， 二者转速不匹配，所以这种技术的风力发电机上都需要配备增速齿轮箱，如图 1 所示。
双馈式风机润滑部位包括齿轮箱、液压刹车系统、叶片轴承、主轴承、发电机轴承、偏航系统轴 承、偏航齿轮等。
发电机轴承的工作特点为相对高速、轻载、高温，因此对润滑脂的性能要求多为在能够减少摩擦 阻力，降低运转温度的同时，能满足轴承运转的低噪音需求。由于电机的轴承再润滑困难，有时也选 用合成型长寿命润滑产品。
根据主轴承结构布置上的差异，可分为用润滑油润滑和用润滑脂润滑。目前多采用润滑脂润滑， 要求润滑脂具有良好的承载能力、粘度性能和防腐性能。风力发电机组夏日在旷野地带受太阳直射， 机舱内的温度会很高，通常在 20－40℃，此时需考虑所选润滑脂的高温使用性能；纬度较高的地区， 冬季机舱内的温度会低至－30℃左右，此时需要考虑润滑脂的低温启动性能，用低温启动力矩测试性 能来表示。 （3）偏航系统与变桨系统的轴承和齿轮
由于风力发电机因其设备昂贵，工作环境恶劣、地点偏远，设备的高度较高，维修保养工作十分 不便，当发生润滑故障，风电场必需支付设备调配费用、能源生产损失、每千瓦时猛增的费用、更换 部件时的延误费用。因此，确保可靠稳定的长周期运转，加强平时主动维护，避免被动维修是最核心 的要求。对风电机组的润滑磨损状态进行检测，并在此基础上开展视情维护对风电场的长期效益有着 非常积极的作用。
映出来，这如同人体身体状况会通过血液中病理指标反映出来一样，我们可以通过对血液的化验来对
人体内部病患进行诊断，同样，对于风电设备也可通过对风电设备在用润滑油油质状况、油中磨损金
属颗粒和污染杂质颗粒等项目的跟踪监测分析，来获得有关润滑油状态与设备摩擦副润滑磨损状态的
各种信息。油液监测技术就是通过对设备在用润滑油的的定期跟踪监测，及时了解掌握设备的润滑和
风力发电机液压刹车系统采用全寿命油润滑，要求油品具有良好的粘温性能、防腐防锈性能及优 异的低温性能、过滤性能，以适应高空寒冷或沿海地区的潮湿环境。目前普遍推荐低温抗凝、高粘度 指数的低凝型抗磨液压油。
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3 油液监测技术在风电机组运行维护中的作用
3.1 油液监测技术概述
风电设备的润滑、摩擦、磨损状态的重要信息都会在其所使用的润滑油品中以各种指标的变化反
图 1 双馈式风机结构示意图 （2）直驱式风机
直驱式风力发电机采用永磁同步发电机，主要特点是直径小、重量轻，是一种由风力直接驱动发 电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮 箱这一传统部件，如图 2 所示。
直驱式风机润滑部位包括主轴承、发电机轴承、叶片轴承、液压刹车系统、偏航系统轴承等。
污染分析等。表 1 列举了油液监测技术的主要方法、原理和目的。
表 1、油液监测技术的主要方法、原理及目的
分析方法
简要原理和分析内容
分析目的
理化分析 光谱分析 铁谱分析
分析油品的常规理化指标，主要有：粘度、粘度 评定新油质量、油品变质、
指数、闪点、水份、总酸值、锥入度、滴点等 油品误用、油品污染等
主要用于分析油中磨损金属、污染元素和添加剂 评定磨损故障、污染来源、
磨损状态信息，诊断设备磨损故障的类型、部位和原因的一门应用技术。油液监测技术能有效指导风
电企业进行设备的状态维修和润滑管理，从而预防设备重大事故发生的发生，降低设备维护费用。油
液监测是风电企业开展设备润滑管理、设备状态维修的重要基础工作，是提高风电设备可靠性、保证
设备安全运行的重要手段。
油液监测技术是由多种油液分析方法组成，主要有理化分析、光谱分析、铁谱分析、红外分析和
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（3）日常润滑磨损状态监测
通过对风机在用润滑油脂主要理化指标的定期跟踪监测，及时发现设备用油的劣化程度及污染原
因，评价设备的润滑状态，指导企业采用合理的润滑方式和换油周期。各种设备用油的理化检测项目
有数十项，但从长期跟踪监测的经济性考虑，要选择最合理的检测项目，达到最大的检测目的，既能
实现设备的润滑与磨损状态监测，又能为企业节省检测费用。表 2 为风机常见润滑油脂的检测内容。