風(fēng)電齒輪箱潤滑油靜態(tài)加油量的研究

風(fēng)電齒輪箱潤滑油靜態(tài)加油量的研究

風(fēng)裝置的安裝位置通常位于高山、沼澤和海灘等開口的70多米高，容易被污染和腐蝕。它通常受到無規(guī)律變向和變向的力和強(qiáng)風(fēng)的影響。由于機(jī)槍的內(nèi)部空間狹窄，在出現(xiàn)故障后很難維修。在風(fēng)機(jī)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,齒輪箱潤滑油量的準(zhǔn)確控制是十分關(guān)鍵的。首先,齒輪箱潤滑油量不能過少,油量過少將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)缺油停機(jī)。如某風(fēng)場風(fēng)機(jī)缺油停機(jī)的故障屢屢發(fā)生,據(jù)統(tǒng)計,2010年8-10月期間由于1.5MW齒輪箱箱體內(nèi)部缺油而造成的停機(jī)報警故障達(dá)到60次。另外,齒輪箱潤滑油量也不能過多,齒輪箱內(nèi)部添加潤滑油過多,容易出現(xiàn)在高速端高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,潤滑油沿高速端軸甩出,沿側(cè)壁滴到集油盒內(nèi)和甩到風(fēng)機(jī)艙體內(nèi)壁上,在低速端也容易出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。因此,解決齒輪箱潤滑油量控制這一難題已是迫在眉睫,這將對提高齒輪箱質(zhì)量,減少風(fēng)機(jī)故障率,贏得市場起到極其重要的作用。1工業(yè)齒輪潤滑量q傳統(tǒng)齒輪箱減速機(jī)的油量的確定是:當(dāng)齒輪的圓周速度小于12m/s時,一般齒輪油量只要沒過大齒輪齒高的1~3倍,油箱油量不少于3~5min的用量。工業(yè)齒輪潤滑油量q=4P(1-η),其中,q為潤滑油量,L/min;P為功率,kW;η為效率,η取0.985。近年來,風(fēng)電大兆瓦級齒輪箱興起,其具有體積大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、個別軸承需要浸油潤滑等特點(diǎn),使得潤滑油量的確定不能按照傳統(tǒng)減速機(jī)油量計算方法進(jìn)行計算。1.1潤滑系統(tǒng)模擬分析以主軸內(nèi)置式1.5MW風(fēng)電齒輪箱為例,根據(jù)齒輪箱在風(fēng)機(jī)內(nèi)部實(shí)際安裝位置,即沿傾斜4.5°和設(shè)計油位線繪制存油腔體,如圖1所示。模擬向齒輪箱箱體內(nèi)部添加潤滑油,除去存油腔體后油量,如圖2所示。測得潤滑油體積為517.65L。潤滑油量模擬計算過程中,為了計算方便忽略了潤滑系統(tǒng)管體、閥體、過濾器以及冷卻器和軸承間隙的存油,粗略計算此處存油約15L左右;另外,行星架隨機(jī)旋轉(zhuǎn)停留位置也會對油量略有影響。1.2靜態(tài)油量測試實(shí)驗室1.2.1試驗臺安裝情況根據(jù)1.5MW齒輪箱的實(shí)際運(yùn)行狀況設(shè)計工裝如圖3,4所示。將支撐架、電機(jī)底座、電機(jī)、萬向聯(lián)軸節(jié)和風(fēng)電齒輪箱安裝在試驗工作臺上,如圖5所示。利用事先標(biāo)定好的25L的油桶在實(shí)驗室向傾斜4.5°仰角的風(fēng)電齒輪箱加油,觀測記錄油位值隨加油量的變化,進(jìn)而測得油量和油位計對應(yīng)關(guān)系。1.2.2油位led顯示磁智高亮雙色油位計在主導(dǎo)管內(nèi)有一磁性浮子,浮子內(nèi)磁鋼與容器內(nèi)液面同一高度,油位LED顯示標(biāo)尺內(nèi)裝有半導(dǎo)體磁性傳感器,并和LED發(fā)光模塊有序排列,與磁場相對應(yīng)的半導(dǎo)體磁性傳感器受磁,油位以上LED紅色顯示,油位以下綠色顯示,紅色顯示氣相,綠色顯示液相,紅綠交界就是容器內(nèi)的實(shí)際油位,如圖6所示。1.2.3加油量與油位線對應(yīng)關(guān)系設(shè)計要求油位安裝后靜止?fàn)顟B(tài)下,油位線距齒輪箱箱體中心165~175mm,油位計上有兩條對應(yīng)刻線,如圖7所示。在加油過程中考慮到使用的潤滑油在低溫環(huán)境黏度大(40℃時的黏度值為321.7mm2/s)、流動性差等因素造成的油位顯示遲緩滯后的影響,實(shí)行緩慢間斷性加油,等待油位完全穩(wěn)定后再進(jìn)行油位觀測記錄,繪制加油量與油位線對應(yīng)曲線。如圖8所示為試驗測試1.5MW齒輪箱加油量對應(yīng)液位計刻度值?？梢钥吹?潤滑系統(tǒng)配備完好的齒輪箱,箱體內(nèi)油量油位值隨油量的不斷注入呈現(xiàn)曲線增長趨勢,當(dāng)向齒輪箱體內(nèi)部添加375L潤滑油時,油位計LED燈綠色顯示表明此時油位達(dá)到油位計下孔位置,緩慢間斷性添加油量到525L時,油位線到達(dá)圖7所示的175mm處,添加550L時油位線到達(dá)165mm處。忽略箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、行星架停留位置的隨機(jī)性等影響因素后,結(jié)果顯示,實(shí)驗油量結(jié)果與模擬計算油量相吻合。2油位動態(tài)變化研究2.1轉(zhuǎn)速713采用加油量的試驗由于潤滑油黏度大、流動性差的特點(diǎn),齒輪箱在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中潤滑油油位會發(fā)生明顯變化,潤滑油填補(bǔ)到各軸承側(cè)隙,齒輪箱開啟前潤滑系統(tǒng)首先開啟,潤滑油流入潤滑管路、散熱板、過濾器以及閥體的空間,更重要的是箱體內(nèi)部齒輪件及行星架的轉(zhuǎn)動將潤滑油帶起并甩到箱體內(nèi)壁不能及時回流到箱體底部,造成油位突然下降。油溫隨著齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)逐步升高,黏度值下降,流動性增強(qiáng),油位出現(xiàn)緩慢回升現(xiàn)象。在實(shí)驗室采用固定轉(zhuǎn)速980r/min三相異步電動機(jī),從高速端帶動齒輪箱轉(zhuǎn)動模擬實(shí)際運(yùn)行工況,通過改變箱體內(nèi)的加油量,觀測了油位隨時間變化關(guān)系。圖9示出了加油量分別取525L,510L,490L,482L時,油位隨時間變化關(guān)系。由圖9可觀測到,在525,510,490,482L不同加油量下,初始油位線分別對應(yīng)175,185,195,205mm;在室溫10℃、轉(zhuǎn)速980r/min工況下,啟動液壓泵電機(jī)后,在0~120s內(nèi),油位迅速下降,在120~420s內(nèi),油位處于平穩(wěn)狀態(tài),在420~720s內(nèi),油位緩慢回升,720s后,油位又恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。除加油量為525L的第一次測試外,其余3次測試油位基本恢復(fù)初始油位,原因是第一次測試會有部分潤滑油存留在液壓系統(tǒng)中不能流回油箱。實(shí)驗觀測發(fā)現(xiàn)0~120s之間,加油量為525L時,油位降至刻度線226mm后穩(wěn)定,而加油量為510,490,482L時,油位下降至228mm(228mm刻度線被設(shè)定為齒輪箱嚴(yán)重缺油的報警線)后,油位繼續(xù)下降,最低達(dá)到248mm。表1給出了油位下降值與加油量關(guān)系,可見,加油量越少,油位下降值也越小。由于潤滑體系安裝位置受風(fēng)機(jī)整體布置的限制,存在位置安裝的不確定性,測試發(fā)現(xiàn)潤滑系統(tǒng)內(nèi)部靜態(tài)存油量約為15L。2.2未涉及到油位調(diào)整的設(shè)備(2)出現(xiàn)低油位報警故障時,風(fēng)機(jī)齒輪箱高速端轉(zhuǎn)速有17.84%分布于40~200r/min之間,出現(xiàn)此種現(xiàn)象可以判斷此時齒輪箱內(nèi)的確嚴(yán)重缺油,需要現(xiàn)場查看補(bǔ)充潤滑油。試驗二:隨機(jī)選擇12臺不同風(fēng)場的風(fēng)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場動態(tài)油位測試,結(jié)果如圖11所示(箱體內(nèi)油溫保持在41.4~53.1℃之間)。(1)61#風(fēng)機(jī)(報警)、118#風(fēng)機(jī)(報警1)、118#風(fēng)機(jī)(報警2)共3臺風(fēng)機(jī)齒輪箱在測試前油位刻度線在175mm處,滿足設(shè)計初始加油量要求,風(fēng)速在2~4.5m/s之間,當(dāng)齒輪箱高速端轉(zhuǎn)速達(dá)到500~900r/min時,油位降至228mm報警刻度線,此時風(fēng)機(jī)發(fā)出嚴(yán)重缺油報警信號,然而箱體內(nèi)并不真正缺油,所以定義此時的缺油為假象缺油,在此過程中油位變化值在50~60mm之間,現(xiàn)場測得油位回升時間150~180s。(2)6臺風(fēng)機(jī)齒輪箱在測試前油位刻度線在170~175mm處,滿足設(shè)計初始加油量要求,風(fēng)速在4.5~7.5m/s之間,齒輪箱高速端在轉(zhuǎn)速到達(dá)1100~1300r/min時油位達(dá)到最低點(diǎn),在大于1300r/min(風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電要求的轉(zhuǎn)速)后,油位迅速回升。在此過程中齒輪箱內(nèi)部油位變化值在30~50mm之間,現(xiàn)場測得油位回升時間在60~90s。(3)18#風(fēng)機(jī)、11#風(fēng)機(jī)、44#風(fēng)機(jī)共3臺風(fēng)機(jī)齒輪箱初始油位分別在185,185,205mm,并不滿足設(shè)計初始加油量的要求,風(fēng)速在7.5~9m/s之間,而齒輪箱高速端轉(zhuǎn)速迅速超過1300r/min,油位并未降到228mm報警刻度線就迅速回升。在此過程中油位變化值在10~20mm之間,現(xiàn)場測得油位回升時間在20~30s。2個現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn):上述假象缺油故障報警的頻率與風(fēng)的質(zhì)量(風(fēng)速、湍流強(qiáng)度),即風(fēng)機(jī)齒輪箱高速端啟動的加速度有密切關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)兩者成反比關(guān)系:當(dāng)風(fēng)的質(zhì)量好,齒輪箱高速端啟動時的加速度越大,油位變化值越小,越不容易出現(xiàn)假象缺油故障報警;反之風(fēng)的質(zhì)量越差,齒輪箱高速端啟動時的加速度越小,油位變化值越大,越容易出現(xiàn)假象缺油故障報警。3風(fēng)場油位調(diào)整期2013年7月至今(1)通過計算機(jī)三維實(shí)體模型模擬計算了加油量,并通過實(shí)驗室測試了靜態(tài)加油量,二者結(jié)果基本吻合。(2)齒輪箱潤滑油油位變化幅度不僅與潤滑油溫度、黏度系數(shù)有關(guān),而且與齒輪箱高速端的啟動速度和加速度有關(guān),油位變化幅度與齒輪箱高速端的啟動速度和加速度成反比。(3)試驗得到各種風(fēng)速對應(yīng)的動態(tài)油位回升時間,為風(fēng)機(jī)整機(jī)廠設(shè)定屏蔽假象缺油誤報警信號提供依據(jù)。秋末冬初,室外環(huán)境溫度降低(0~20℃之間),風(fēng)場風(fēng)速和硬度相對較好,此時屬于風(fēng)場油位低報警故障和漏油嚴(yán)重的頻發(fā)期,分別做如下2個試驗:試驗一:選擇同一風(fēng)場3臺頻繁低油位報警故障的風(fēng)機(jī),在8-10月3個月份之間測試故障頻率與風(fēng)速、齒輪箱高速端轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系(箱體內(nèi)油溫保持在40~65℃之間),統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。從3個月的測試統(tǒng)計