齿轮箱的故障及原因分析

一、齿轮箱的故障及原因分析
二、齿轮油的工作原理
三、齿轮油的要求及标准
四、奥吉娜产品的优势
五、世界先进的检测设备
一、齿轮箱的故障及原因分析
风电场的核心是风力发电机组
风电机组的核心是齿轮箱
国内风力发电机组80%的停机故障是因为齿轮箱问题。

风机齿轮箱出现故障的零部件及概率分别为：轴承81%，齿轮14%，泵4%，机架1%。

从齿轮箱区域划分看，行星轮组是变速箱最易出现故障的部位，故障率为55%，是一个太阳轮行星轮机构，它是实现变速的核心。

从现象的划分方式：轴承损坏、齿轮损伤、断轴和渗漏油、油温高等。

无论从技术、成本还是质量方面，齿轮箱都是核心
轴承的故障是因为：
润滑: 34%
疲劳: 34%
安装：16%
污染：16%
个人观点：轴承的不对中、不平衡、机件松动、轴的弯曲等对轴承的寿命都会有影响。

按照统计，70%的轴承没有到设计寿命。

主轴的断裂大多是：制造水平问题，没有消除交变应力因素。

表面的光洁度和轴的刚度是决定性因素。

改进方式
1、齿轮设计
2、材料选用
3、表面硬度（热处理、表面渗碳）
4、加工精度（磨齿工艺，齿轮级别从6级提高到4级甚至3级）
5、装配工艺（对中找正）
6、润滑
二、齿轮油的工作原理
风力发电机组的齿轮箱是闭式齿轮传动
润滑油的设计和选用涉及到：
齿轮润滑和滚动轴承润滑
因齿轮润滑条件恶劣，所以，齿轮啮合的传动润滑设计的结果，适用于滚动轴承的润滑
齿轮润滑设计主要要考虑两个方面：
1、抗点蚀能力
2、抗胶合能力
齿轮齿廓曲率小，形成油楔条件差
齿轮接触压力高，而且即滚动又滑动，滑动的方向和速度变化快
油膜形成条件差，每次都形成新的油膜，润滑是断续性的。

齿轮负荷大，摩擦产生的热量也大，油温升温快，加速油膜的破坏
齿轮的材料、热处理、加工和装配精度及齿面粗糙度等影响因素。

润滑油设计计算
一、粘度计算选择：根据力/速度因子的结果选择
二、齿轮油品种计算选择：
1、根据齿面接触应力选择
2、根据齿面积分温度选择：齿面积分温度<胶合临界温度
齿轮动压油膜很难形成，靠极压化学膜保护金属表面，所以选择时可以适当的降低润滑油的粘度。

有兴趣的可以研究一下
润滑对点蚀的影响
点蚀的程度和发生的时间，主要取决于接触应力大小，载荷循环数、材料硬度、表面微观几何形状及润滑状态和润滑膜厚度。

因此，如果润滑油选用不当，或润滑方式不良，均会引起或促使疲劳点蚀。

影响的方式主要有：
1、粘度
使用低粘度油，因为流动性较好，容易渗人表面裂纹中，加速裂纹的发展和金属块的脱落，引起点蚀。

高粘度的油对于渗入裂纹的作用没有稀油活泼，同时，粘度高有利于油膜的建立和油膜厚度的增大，并且油的弹性可缓和冲击，使接触应力的分布更趋于均匀，相对地降低了最大应力值，增强了齿面的耐点蚀能力。

所以适当提高润滑油的粘度，可以减少表面疲劳点蚀的发生和扩展。

2、添加剂
润滑油中的添加剂对点蚀也有影响，特别是极压添加剂，如果使用不当，往往造成腐蚀加速点蚀生成。

为了防止点蚀，使用极压添加剂必须慎重考虑，对添加剂的组分，用量，齿轮的材质，接触应力，负荷性质，速度，环境温度等都应十分注意，不能随便采用。

3、润滑方式
3、润滑方式与抗点蚀能力的关系：
油浴法比循环喷油法抗点蚀能力高11%
油浴法：啮出侧比啮入侧抗点蚀能力高8%
循环喷油法啮出侧比啮入侧抗点蚀能力高20%
当润滑油达到粘着极限时，点蚀倾向随油量增大而增加
润滑方式与供油量对点蚀也影响。

从防疲劳点蚀出发，供油量不宜过多。

供油量过多，会有部分油因在啮合的齿面间，受到挤压，从而产生局部高压，增加接触应力。

同时油在高压作用下渗人裂纹的量
也多，促进疲劳点蚀的发生和发展。

但是为防止粘着，又必须有充分的渍量，所以，应综合全面考虑供油量的多少，以取得良好的润滑效果。

润滑对胶合(粘着)的影响
润滑可以阻止胶合粘着的产生。

影响的方式主要有：
1、粘度
对不含油性剂和极压剂的矿物油，若油的粘度愈高，形成的油膜愈厚，粘附性愈强，容易阻止齿面的直接接触，抵抗粘着磨损的能力愈强。

2、添加剂
对于在矿物油中加入油性剂和复合基础油，它可以用物理和化学的吸附方式，形成比纯矿物油更牢固的边界油膜，抵抗粘着磨损的效果更显著;对含有极压剂的极压齿轮油，它能与齿轮表面发生化学反应，生成无机物覆盖膜，使胶合磨损失去产生的机会。

极压添加剂的品种和添加数量不同，对粘着的影响也不一样。

一般来说，极压油比非极压油抗粘性能好。

3、润滑方式
供油量和供油方式对粘着也影响。

供油量充足，可以提高抗粘着的极限负荷。

喷油方式比油浴方式的润滑冷却效果好，油温低，抗粘着磨损的能力强。

从齿轮啮出侧喷油，比啮入侧喷油效果好。

齿轮油添加剂的组成分三大类：
一、保护金属表面的添加剂
1、油性剂：极性较强的油性物质。

在低温低压下，形成物理吸附膜，在较高温度下，形成化学吸附膜。

油性剂在边界润滑条件下，增加了边界油膜的牢固性
2、极压添加剂：硫磷氯的有机极性化合物。

在高温高压下，释放活性物质，与金属表面形成低熔点、高塑性的化学反应膜，对防止胶合有显著的作用
3、防锈剂：极性型的表面活性剂，优先吸附与金属表面，形成隔水保护膜。

4、防腐剂：防止工作表面的腐蚀
二、改善润滑性能的添加剂
1、破乳剂：乳化的危害有两点：水与工作表面接触，容易生锈，另外是降低润滑油系统的稳定性。

破乳剂的作用就是使油水分离。

2、降凝剂：吸附于润滑油中的石蜡结构上，阻止形成网状结构，使润滑油的分子不再被晶体吸附，出现稠化，改善低温性能
3、粘附剂：增加润滑油的粘附性，防止滴落或被离心力甩掉
4、粘度指数改进剂：增加润滑油的粘度指数
三、保护润滑油本身的添加剂
1、抗氧剂：阻止氧化
2、抗泡剂：泡沫存在的危害有两个：一是促进氧化，一是切破油膜.加剧磨损。

抗泡剂的作用是降低泡沫吸附膜的稳定性，缩短泡沫存在的时间。

三、齿轮油的要求及标准
目前国际上对齿轮油要求比较严格的标准，主要有以下几种：
1、美国齿轮制造商协会AGMA 250.04√
2、美国钢铁公司USS224EP√
上述两个标准在美国比较通用。

3、德国 DIN51517-3√
4、David Brown 公司产品标准
以上两个标准在欧洲比较通用。

ASTM：美国材料试验学会
ISO：国际标准化组织
奥吉娜满足的产品保准：
1、美国齿轮制造商协会AGMA 250.04√
2、美国钢铁公司USS224EP√
3、德国 DIN51517-3√
4、德国FLENDER 产品标准√
一、极压抗磨性能：
主要的测试都是通过模拟试验来判断的，常用的有以下几种：
1、DIN51354的FZG A/8.3/90评级（不小于12级）和DIN51819 FE8磨损量（轴承不超过30mg）
2、ASTM D-2783,测试磨损指数（441.27N）和烧结负荷（2451.5N）
3、ASTM D-2893 D-Timken OK(266.09N)
4、USS S205 四球磨损试验（不大于0.35mm）
二、抗点蚀能力：
也是通过模拟试验来测量的，目前主要的方法是：
FVA Proc No.54 微点蚀试验
要求通过级别不低于10级
美孚、壳牌都是通过的这个测试，佛兰德也有相应的要求
三、使用寿命要长，因为换油的成本很高。

所以对齿轮油的热稳定性、氧化安定性、蒸发损失、水解安定性等都有要求。

ASTM D-4310:通过氧化安定性试验后，综酸值判断。

另一个苛刻的试验是热安定性试验，加热1000H后酸值、粘度的变化和沉淀物多少来判定其热稳定性。

ASTM D-2619 水解安定性试验，通过铜片损失和总酸值判定润滑油的水解稳定性
旋转氧弹看氧化速度判断其氧化安定性，NOVAK蒸发损失法通过残余量看其工作稳定性
四、很高的防腐能力：在工作中，海水或低温水分凝结
是不可避免的，齿轮油必须有很好的油水分离性和抗腐
蚀能力。

主要的测试有：
1、ASTM D-665 锈蚀保护（看腐蚀的状态）
2、ASTM D-130 铜片腐蚀（氧化铜是最好的催化剂）
3、ASTM D-1401 抗乳化性（40/37/3在一定温度下分离
的时间）
4、ASTM D-892 泡沫测试（在一定温度下，出入气体，
看泡沫的高度和破灭的时间）
五、宽的工作温度范围：风电机组一年四季在运转，所以要求齿轮油有在低温和高温下提供保护的能力
1、ASTM D-92 闪点（安全性）
2、ASTM D-97 倾点（失去流动能力的温度）
3、ASTM D-2270 粘度指数（粘度随温度变化的性能，一般要求越高越好）
4、ASTM D-2983 低温粘度（低温流动性）
六、系统相容性：对整个齿轮箱的管路、弹性密封件以及端面密封有良好的相容性。

ASTM D-2240
ASTM D-471
橡胶的硬度、弹性、延长率、体积等指标的变化
四、奥吉娜产品的优势
目前的风电行业，齿轮油大多数采用粘度级别为320#的全合成齿轮油。

全合成油与基础油相比，在各个性能上都有显著的提高：极压抗磨性能、抗点蚀能力、使用温度范围、抗腐蚀能力、氧化安定性等方面
所以：
1、更好的适应风力机组恶劣的工况
2、给设备更好的保护
3、更长的使用寿命和换油周期
全合成齿轮油又分为PAO和合成酯型。

PAO与合成酯的对比：
一、合成烃油：包括α-烯烃齐聚物、烷基苯及合成环烷烃等油品。

它们具有粘度指数高、倾点低、蒸发损失小的特点，最高使用温度为232℃。

适用于制备寒区、严寒区用内燃机油、齿轮油、液压油、空气压缩机油、冷冻机油及各种用途的白油。

合成环烷烃具有较高的牵引系数，主要用作无级变速装置的传动油。

二、酯类油：包括双酯、多元醇酯和复酯，其特点是粘度指数高，蒸发损失小，加入添加剂后热氧化安定性好，可在175～200℃下长期使用，是一类各方面性能均比较优良的合成润滑油。

主要用于制备各种航空润滑油、内燃机油、空气压缩机油、高温仪表油、金属加工用润滑剂及纺织、合成纤维工业用油剂。

PAO全合成齿轮油与合成酯全合成齿轮油的对比：
一、PAO全合成齿轮油工作范围宽：闪点高，倾点低。

二、PAO比合成酯的使用周期长：氧化安定性要好，水解安定性要高更多（合成酯是脂肪酸和脂肪醇脱水的产物，一定条件下可逆）。

三、PAO与系统的相容性要比合成酯优越得多：PAO即合成烃，与基础油类似，符合Flender公司提到的：与弹性密封件、内侧涂料、残留的磨合油、防锈油与哦很好的相容性。

奥吉娜的SHG系列就是PAO合成油
与其他PAO产品的比较
指标项目奥吉娜
SHG-320 美孚
SHC-XMP320
运动粘度40，CST 331 335
运动粘度100，CST 39.0 38.3
粘度指数VI 169 164
倾点-46 -38
闪点251 242
抗乳化性(82-40/37/3,min) 9 10
四球抗磨试验（1800r/54/60m/20kg）0.22 0.25
一、中国风电场分布，北部的亚寒带大陆性气候地区，和以东南沿海的季风性气候带为主。

与同纬度的地区相比，我国为温度最低的地区。

奥吉娜针对不同的地区可以调整不同的配方，以不同的性能满足风电机组的使用工况。

二、提供优异的技术支持服务。

通常，齿轮箱的以2月为一个检测周期。

检测的内容：
1、通常只提供理化指标检测服务
比如粘度、水分、酸值、抗乳化、闪点、机杂、腐蚀、抗氧化稳定性等等，与标准对比即可。

2、磨屑检测：
a、铁谱议：利用高梯度强磁场将润滑油样品中的磨粒制成铁谱片，借助光学或者电子显微镜，确定磨粒或者碎片的形状、尺寸、数量以及材料成分，从而判断设备的磨损状态和趋势。

范围：0.1-100微米。

主要的形式有：直接式、分析式、双联式和旋转式等。

在机器故障诊断方面，铁谱可以起决定性的作用。

但是缺点也是有的：铁谱只能侧到5微米以上的磨粒，但是5微米已经超过了微量的范围；铁谱对非金属元素检测能力差；在谱片的大颗粒区易有小颗粒沉积，测量准确度降低；对取样要求高，取到有代表性的油样难度较大；而且对分析的可靠性过分依赖人的经验。

b、光谱仪：分析油中金属磨粒的化学元素含量，对比使用时间和油中金属含量的增加速度，分析设备摩擦副中的磨损情况。

特定是不需要对油样进行预处理，重复性好，自动化程度高，分析速度快，读数准确。

但是在判断磨损类型、预报故障部位等方面存在困难。

光谱仪主要分：发射式光谱仪ICP（转盘发射光谱）和吸收式光谱仪FTIR（付氏变换红外光谱）。

a、发射式光谱仪主要用来分析油品中所含的金属元素（添加剂、磨损、污染）的种类和含量。

在很短的时间内能完成几十种元素的分析，并与标准样品对比。

b、吸收式光谱仪主要用来分析有机化合物中有效组分和基因。

对油品在工作过程中，受摩擦热等作用，生成的化学变化产生的酸化物、硝化物、胶质和积碳等，进行检测和分析。

三、强有力的润滑油质量保证手段：
1、质量来源与策划，配方的合理性与先进性是奥吉娜的核心竞争力。

奥吉娜的英文即original,意思是“独创、创新”的意思，秉承这样的理念，以留法博士魏国平为首的开发团队，在润滑油产品的研发上奋斗不止。

与高等院校和高科技人才展开的合作也为奥吉娜的技术发展，提供了平台。

三、润滑油的质量保证手段：
2、润滑油是由基础油和添加剂构成的，保证基础油和添加剂的质量，是产品合格的先决条件。

国际四大添加剂巨头：
路博润
润英联（壳牌-美孚）
也是奥吉娜的供应商
乙基
雪弗龙
奥吉娜的全合成基础油是自己生产的，也是国内唯一PAO生产基地
3、检测水平与润滑油行业的发展是同步的。

奥吉娜拥有国内最大的检测中心，价值2000多万的检测设备，为奥吉娜公司的技术创新和产品质量提供了良好的保证。

奥吉娜公司是中国唯一一家通过FLENDER公司风力发电机组专用齿轮油产品认证的润滑油企业。

五、世界先进的检测设备
工况特点：
属于闭式齿轮传动类型。

低转速、高转速并存，有振动负荷和冲击负荷，高负荷，气候温差、湿度等影响较大，维修不便
润滑要求：
采用油池飞溅式润滑或压力强制循环润滑。

我国风力发电机多安装在我国的新疆、内蒙古、甘肃及沿海等地区，润滑油受气候温差、湿度等影响较大，并且处于相对偏远的地区，维修不便，因此设计要求齿轮箱使用寿命长、承受负荷大等，所用的齿轮油除了具有良好的极压抗磨性能、冷却性能和清洗性能外，还应具有良好的热氧化稳定性、水解安定性、抗乳化性能、粘温性能、低温性能以及长的使用寿命，同时还应具有较低的摩擦系数以降低齿轮传动中的功率损耗。

定期更换润滑油，第一次换油应在首次投入运行500小时后进行，以后的换油周期为每运行5，000~10，000小时。

推荐油品：美孚齿轮油SHC XMP 320
工况特点：
长期运转温度可达80℃以上，夏天在旷野地带受太阳直射，温度会更高；功率较大,高负荷，冲击负荷。

润滑要求：
所用油品应具有良好高温性能、抗磨极压性能、抗氧化性能和防锈性能。

国外主要推荐使用2#～3#稠度的负荷极压锂基润滑脂，要求粘附性好，使用温度范围为-30～150℃。

多采用定期人工加注润滑脂的方式来保证发电机的正常运转。

推荐产品：美孚SHC润滑脂460WT
变桨轴承：
工况特点：
受环境影响大，功率较大，高负荷，冲击负荷。

润滑需求：
提高风力发电机在地理位置布局方面的灵活性，要有出众的零部件抗磨保护性能，低温
条件下轻松完成起动；处长更换油品间隔，降低服务。

推荐产品：美孚SHC润滑脂460WT
径节齿轮：
工况特点：
功率较大，高负荷，冲击负荷，受环境、气温影响大，环境潮湿。

润滑要求：
所用油品应具有良好高温性能、抗磨极压性能、抗氧化性能和防锈性能；使用寿命长。

推荐油品：
美孚齿轮油SHC XMP系列、SHC600系列等。

液压系统/Hydraulic System
油品推荐：
美孚液压油SHC524。