风电机组齿轮箱润滑油泡沫的产生原因、危害及处理措施

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摘 要：润滑油在使用过程中产生泡沫不仅会发生气阻和断流现象，而且还会导致疲劳磨损和润滑油消耗，因此，要求润滑油具有良好的抗泡性能。简要分析润滑油泡沫形成的原因及危害，并归纳了常见减少泡沫的物理、化学方法及其作用机理，列举了添加抗泡添加剂和预加热润滑油控制泡沫含量的案例。

在风电机组齿轮箱的运行过程中，由于受到振荡搅拌等作用，润滑油中不可避免地会混有空气，并随着润滑油使用过程中消泡剂的损耗，使得齿轮箱内产生大量泡沫。泡沫会导致油品抗氧化性能和润滑性能下降、齿轮和轴承的擦伤及点蚀等许多严重危害，因此，控制齿轮箱运行中的泡沫含量，对风电机组的运行可靠性有重要作用。

在GB/T33540.3—2017《风力发电机组专用润滑剂第3部分：变速箱齿轮油》标准中规定了针对风电机组用润滑油的泡沫特性指标。润滑油的泡沫特性是以油品生成泡沫的倾向及泡沫的稳定性来评定，评定方法主要有GB/T12579—2002(等效采用ISO6247—1998)《润滑油泡沫性质测定法》和ASTMD892—2018《润滑油起泡特性的标准试验方法》[1]。抗泡性好的润滑油起泡倾向小，泡沫稳定性低。

1、泡沫形成原因

润滑油里泡沫过多的原因按其来源不同可分为两类：润滑油本身的原因以及与设备相关的原因。

1.1润滑油本身的原因

润滑油与环境里的空气接触，空气会自然地溶解到油里。润滑油里可以溶解多少空气，取决于温度、压力，还有润滑油本身对空气的溶解度。常压下，在矿物油中空气一般占其体积的9%[2]。随着压力的升高，空气在润滑油中的溶解量也增加；压力下降时，部分空气从润滑油中分离出来，达到新的溶解平衡。分离出来的空气被油膜包围形成气泡。另外，润滑油中的空气分离还受温度变化的影响。

新油生产后抗泡性能不合格，存储过程中抗泡剂失效，或者抗泡剂被滤芯滤掉均可能导致油品使用后泡沫过多。润滑油在使用过程中老化变质，致使油品的表面张力下降，也会导致泡沫产生。润滑油中含有各种性质不同的添加剂，这些添加剂多数是极性化合物，具有表面活性作用，促使油品产生泡沫。

1.2与设备相关的原因

齿轮箱在运行中一般会将部分空气卷入润滑油中，形成气泡。常见原因：1)吸油管、油泵阀件和密封等漏气导致吸入空气；2)回油管位置不妥，油流湍急发生搅动，卷入空气；3)齿轮箱受到污染，如水、其他油类、液体、化学物质以及杂质等；4)管路内有空气或罐装时混入空气；5)油温低、黏度大，泵送供油系统发生气阻。

2、泡沫的危害

润滑油在使用中产生泡沫并难以消失时，通常有以下危害：

(1)使油品体积增大。泡沫没能及时消除使得润滑油体积增大，从油箱呼吸孔、注油管中溢出；或者油液面指示器中会显示假液面，致使供油不足，摩擦副供油不足，则会造成磨损或烧结。

(2)影响动力传递。一方面增大润滑油的压缩性，影响压力传递；另一方面产生气阻，致使供油不足，影响动力传递。

(3)散热性质变差。油中含有的大量空气影响到润滑油的冷却作用和对机械的散热效果。

(4)加速氧化变质。增大润滑油与空气接触面积，加速油品的氧化变质以及油箱底部的油泥淤积。

(5)引起设备气蚀。泡沫携带大量空气进入润滑油，会使设备发生气蚀。

3、减少润滑油中泡沫的方法

减少润滑油中泡沫的方法分可分为两个方面，即物理机械抗泡和化学添加剂抗泡。整体思路是防止气泡产生、减小泡沫倾向性的“抑泡”和将已产生的气泡消除掉、降低泡沫稳定性的“破泡”。

3.1物理机械抗泡法

从物理机械角度影响润滑油泡沫的原因有很多，如润滑油的液面高度、油温的变化、齿轮的结构形式、轴的转速以及齿轮箱的密封性等，但是这些因素大多由实际工况确定，消除泡沫比较困难。从日常运维角度，控制润滑油清洁度、油温变化和液面高度可行性较高。

3.1.1改善润滑油清洁度

润滑油的清洁度测定依据ISO4406标准[3]。齿轮箱润滑油杂质来源较多，控制杂质进入齿轮箱可从齿轮箱和润滑油两个方面考虑。

在风电机组现场针对齿轮箱方面：

1)齿轮箱入厂时，确保出厂试验后的残油全部放掉；

2)定期对齿轮箱过滤器和滤芯进行检查，如有杂质需清洗干净，如有破裂应及时更换；

3)检查空气滤清器中干燥剂是否有效，如失效应及时更换。

在风电机组现场针对润滑油方面：

1)抽检新油，润滑油入厂时应观察其外观，通常清澈、透明、无固体悬浮物，检测指标主要包括黏度、清洁度、含水量(不大于质量分数0.03%[4])等，如不达标需返厂处理；

2)根据齿轮箱润滑油不同来源，表1中列出了润滑油清洁度的推荐值；

3)要求的润滑油清洁度等级需要在风力发电机组制造商、齿轮箱制造商以及轴承制造商之间达成一致。连续运行时，齿轮箱润滑油稳定的清洁度等级不得低于-/17/14[5]，如不达标需更换新润滑油或更换滤芯。

3.1.2控制油温变化

环境和设备的运行方式是造成润滑油温度急剧变化的主要原因，而温度和黏度是两个相互影响的因素，通常风电机组齿轮箱所用润滑油黏度较大，当温度升高，黏度下降到一定的范围时，润滑油最容易产生泡沫。过大或过小的黏度范围都会降低润滑油起泡倾向和泡沫稳定性。黏度小时，气泡膜表面液体很容易流失，气泡壁变薄，从而导致气泡破裂；黏度太大时，不易产生泡沫，即便形成泡沫也难以浮到润滑油表面上来。风电机组现场可根据实际情况增加加热和冷却装置以控制油温，防止润滑油温度急剧变化产生泡沫。

表1风电机组齿轮箱用润滑油清洁度推荐等级[5]

3.1.3控制润滑油液面高度

油位过高或过低都容易将空气带入润滑油中，为保证齿轮箱内传动系统润滑充分，液面高度一般不允许低于最小轴承滚子或者相关齿轮的分度圆半径，考虑到飞溅润滑的状况，同时保证油浴润滑的搅油量，一般情况下液面也必须高于高速小齿轮的齿顶圆[6]，应定期观察油标，保证正确油位。

3.2化学抗泡法

化学抗泡法有添加与发泡物质发生化学反应或溶解发泡物质的化学品以及添加抗泡剂等方法，通常在油品中加入抗泡剂效果最好且方法简单，因此被国内外广泛采用。

3.2.1抗泡剂作用机理

低表面张力的抗泡剂与定向气泡膜的局部相互作用，致使气泡膜的力学平衡受到破坏，而导致泡沫破灭。

具体消泡的微观过程相对复杂，说法众多，当前主流观点认为是附着在气泡膜表面的抗泡剂粒子使液膜的表面张力降低，在表面张力的作用下，导致泡沫破裂，其消泡过程如图1所示。此外，根据Young-Laplace公式中附加压力与曲率半径成反比，小气泡内的压力大于大气泡，因此，小泡会通过液膜向大泡排气，大泡变大且液膜进一步变薄，最后破裂。抗泡剂的渗透作用增强了空气对气泡膜的渗透性，加速泡沫的合并，从而达到破泡的目的。

图1  抗泡剂消泡过程图

3.2.2抗泡剂的种类及性能

风电机组齿轮箱润滑油中的抗泡剂主要可分为3种，即含硅型抗泡剂、非硅型抗泡剂和复合抗泡剂[7]，其性能比较如表2所示。

表2 常见含硅型、非硅型和复合型抗泡剂性能比对表

通过表2可看出，不同类型抗泡剂性能差距显著，在风电机组齿轮箱用润滑油的实际使用过程中其作用特点对比如表3所示。

表3 聚硅氧烷和聚丙烯酸酯典型作用特点对比

因此，考虑到风电机组齿轮箱润滑系统多配备过滤装置，在油品抗泡剂的选择时除符合其抗泡性能要求外，还需注重抗泡剂颗粒在润滑油中的分散直径，以防被过滤后影响油品抗泡性能。

4、案例

4.1化学抗泡法

4.1.1问题描述

甘肃地区某风电场装备远景EN77-1500kW型机组，多台机组频繁出现齿轮箱油位低报警故障。润滑油生产商技术人员检查其中5台，发现齿轮箱在用油气泡超过正常范围。在用油中由于混入了过多的气泡，致使油品渗漏影响齿轮箱清洁，机组油位报警，从而被迫停机。

4.1.2原因分析

对泡沫严重的2台机主取样进行油液检测，检测结果显示齿轮箱在用润滑油的抗泡性能较差。同时检查发现，润滑油起泡后，齿轮箱润滑油比重小于浮子的比重，浮子逐渐下降到底部触动感应开关(见图2)，不断报出油位低故障而被迫停机。

图2 泡沫异常的液位计中浮子下降到底部

油品检测显示该润滑油抗泡剂含硅元素，含硅型抗泡剂对极性金属材料表面有较强的亲和力，而齿轮箱油中的微量金属悬浮颗粒被滤芯过滤后粘附在滤芯表面，进而导致润滑油中含硅抗泡剂被吸附，从润滑油中析出。

4.1.3解决方案

与润滑油生产商沟通，获得新型不易被过滤掉的抗泡剂，按照厂商给出的添加工艺说明，给问题机组齿轮箱润滑油补充新的抗泡剂。

在下一个换油周期时，对全部机组更换非硅型抗泡剂润滑油，从而避免类似事件发生，风电机组齿轮箱新油的抗泡性应符合GB/T33540.3—2017中泡沫特性的要求。

与齿轮箱供应商协调，重新设计并更换新式油位计浮子，大大提高了浮子的浮力。图3为STAUFF公司提供的新设计浮子在某品牌40℃运动黏度为320mm2/s的油气混合物中的浮力曲线。

图3新型浮子试验浮力曲线图

4.2物理抗泡法

4.2.1问题描述

内蒙古地区某风电场联合动力UP86-1500kW型机组，配FD1660F型齿轮箱，多台机组频繁出现齿轮箱油位低报警故障，现场检查齿轮箱油位计发现泡沫异常增多。

4.2.2原因分析

运维人员通过对泡沫严重机组现场环境巡视发现，这些机组多处于风力较强、环境温度偏低的位置。受到限电、运维等原因的影响，机组需多次启停。现场在停运后未对已冷却的润滑油进行预加热而直接启动，导致润滑油启动温度低，油品黏度过大，油泵未能完全送油，带入大量空气，导致供油系统发生气阻。

4.2.3解决方案

根据温度传感器的数据，结合不同齿轮箱润滑系统说明书中油泵和加热器启动条件的要求，对油品进行预加热。若原齿轮箱无加热装置，可与齿轮箱厂协调设计安装。以FD1660F型齿轮箱为例，依据其润滑系统使用说明书规定，加热装置启动条件如表4所示。

表4 FD1660F型齿轮箱润滑油不同油温条件下运行情况

5、结束语

风电机组齿轮箱润滑油在泡沫较多时，会导致油品抗氧化性能和润滑性能下降，齿轮箱使用寿命降低，增加风电机组的运行维护成本。通过采取控制润滑油清洁度，控制加入齿轮箱前及在运行中润滑油的温度，控制齿轮箱内油位高度等方法，结合化学抗泡法添加适量抗泡剂，可有效避免和消除风电机组齿轮箱润滑油产生泡沫，对确保风电机组安全稳定运行具有十分重要的意义。