目前中国风力发电行业正处于高速发展阶段， 截止到 2021 年底，风电装机总量达到 168690 MW， 占全球风电累计装机总量的 34.7% 。风电机组主 齿轮箱是整机传动链的核心部件，其主要功能是通过齿轮副增速将叶片转动产生的动力传递给发电机，以达到发电机发电所要求的转速。相关文献指出，近年来中国众多风场的齿轮箱由于润滑方式不当、润滑效果差而频繁出现故障，导致售后维修和维护费用很高，并且在风电机组中主齿轮箱的初装润滑油量最大，也最易产生润滑故障。因此，齿轮箱润滑管理对于风电机组长期稳定可靠运转具有重要意义。
风力发电机组齿轮箱种类有主齿轮箱、偏航和变桨齿轮箱，本文主要对主齿轮箱润滑系统做出概述。
一、主齿轮箱构造
主齿轮箱一般由箱体、主轴、轴承、齿轮副、行星架、减噪减震装置和润滑冷却系统等组成。
主齿轮箱箱体在机组工作过程中需要同时承受静荷载和动荷载，静荷载部分来源于箱体本身的重量，传动轴和联轴器的刚度与质量、发电机的特性直接影响其动荷载，因此齿轮箱箱体作为机组传送动力的核心部件，需要有足够的刚度、强度以满足轴承、外部附件和轴的安装要求，还需要有良好的密封性能，避免环境中的水分、灰尘和其他杂质进入箱体内部。
主齿轮箱主轴通过法兰盘与风轮相连接，风轮是将风能转变为大扭矩、低转速的动能装置，而主轴就是这一动能转换的承载体，因此其除了用来支撑旋转部件还要同时承受较大弯矩和转矩，因此主轴材料需要具有足够的强度和刚度。
主齿轮箱轴承是用来支撑主轴以及轴上零部件的装置，其还需要控制主轴的旋转精度以达到减小主轴和支撑部件之间的摩擦。
主齿轮箱之所以能够将叶轮转动获得的低转速机械能转变为高转速机械能主要是通过齿轮副实现的，通经过齿轮副作用以达到发电机发电所要求的转速，齿轮副主要由直齿斜齿齿轮副和行星齿轮系组成。一个或者多个行星轮在自转的同时还绕着 太阳轮公转即是行星齿轮系，其包括太阳轮、行星架、行星小齿轮和齿圈，具有增速比较大、体积小、重量轻、承载力高等优点，构造图详见图 1。
图1行星齿轮系原理
二、主齿轮箱润滑系统
主齿轮箱润滑系统要求
齿轮箱润滑系统一般由电动泵、过滤装置、机械泵、油风冷却器、压力传感器、连接管路等组成。考虑到主齿轮箱摩擦副既有高速轻载亦有低速重载工况，工作环境恶劣，为保证机组的正常稳定运转齿轮箱润滑系统必须满足以下几点要求：一是能满足齿轮箱内各运动部件的强制润滑要求;二是具有能够排除系统中气泡的要求，因为气泡会使齿轮箱造成损坏; 三是需具有一定的冷却功能，能通过风扇将箱体内热空气排出箱体外，四是润滑系统对其使用的润滑油具有相应运动黏度、极压抗磨性能、抗乳化性能、氧化安定性和热安定性能、防锈防腐蚀性能、抗泡沫等要求。
主齿轮箱润滑油选型
主齿轮箱使用润滑油数量较大，约占风电机组总用油量的 75% ，现多采用强制循环润滑和油池飞溅式润滑，使用 VG320 型合成齿轮油居多，比较注重油品黏温、极压抗磨减摩等性能。
三、主齿轮箱润滑油取样、监测规范及推荐使用年限
主齿轮箱润滑油取样规范
主齿轮箱润滑油取样要求和位置：主齿轮箱润滑油取样人员需熟悉主齿轮箱润滑油系统，遵守 DL /T 796 和 DL /T 666 的规定，在取样时需采取防护措施，如佩戴防滑手套、穿防护服，佩戴面罩以防止吸入油雾或油蒸气。
主齿轮箱润滑油所取样品要有代表性，能反应系统中油液的品质，并能够反应齿轮箱内各部件的磨损状态。
主齿轮箱一般设有专用的润滑油取样口，需依次按照箱体专用取样口、过滤器入口处测压阀、过滤器顶端透气孔的顺序选择取样位置，并且应保证每次取样都在同一点、采用同样的取样方法和工器具。
主齿轮箱润滑油取样工具和取样时间： 主齿轮箱油取样工具一般包括未经污染的取样瓶、干燥清洁的取样管和测压软管、标签纸和抹布等。
取样时间一般要求风力发电机组处于维护服务 模式后才能取样，且需确保取样时风机运行至正常工作温度。
主齿轮箱润滑油取样步骤： 将取样口周围的灰尘、油渍用抹布擦拭干净，打开取样阀口，放出 50 ～ 100 mL 的油液倒入废液桶中，然后用干净取样瓶进行取油，每个取样瓶所取样品量不超过取样瓶容积的 3 /4。取样量需满足检测用量。取样结束后立即用瓶盖封口并及时贴标签，标签信息应至少包含样品编号、风电场和风力发电机组编号、油品牌号、取样位置、取样时间等信息。样品密封好后放置在干燥、避光的环境下保存。
主齿轮箱润滑油监测规范
主齿轮箱润滑油监测周期： 主齿轮箱润滑油若使用时间在 3 a 以内则每年监测 1 次，3 a 以上每年监测 2 次; 在机组出质保前 3 个月需监测 1 次，作为出质保时大部件运行状态判定的依据之一; 另外再换油后三个月亦需监测 1 次。
主齿轮箱润滑油监测指标： 主齿轮箱润滑油监测指标包括运动黏度( 40 ℃ ) 、元素含量、水分含量、红外分析、PQ 指数， 选做指标有铁谱分析、清洁度、酸值。主齿轮箱润滑油指标控制标准详见表 1。
表 1 风电主齿轮箱润滑油指标控制标准
主齿轮箱润滑油推荐使用年限
主齿轮箱润滑油若是合成油推荐使用期限为 7 a，非合成油推荐使用期限为 4 a，达到推荐使用期限后建议及时换油。对于未达到使用期限，但出现主齿轮箱润滑油劣化、齿轮箱磨损等情况时，或者在油液监测报告里明确建议换油的，应及时更换主齿轮箱润滑油。
四、主齿轮箱润滑油更换方案
随着风力发电机组运行年限的增加，齿轮箱油会由于氧化变质、损耗、剪切等原因使其润滑性能逐渐下降，所以油品是有使用寿命的，需要根据齿轮油检测报告、风电机组运转时间以及油品的性能指标进行不定期更换油品。此外，由于风力发电机组长期处于极端高( 低) 温、灰尘大、湿气大的环境中，工作环境相当恶劣，因此，风电机组润滑油在使用过程中会被氧化产生油泥、磨损、有外界污染物如水蒸气、沙尘等进入油内，这些因素也会影响到油品的润滑效果。风场进行更换主齿轮箱油的目的在给齿轮箱创造一个干净、良好的润滑环境，从而让齿轮箱良好运转，让整个发电机组稳定高效运行。
主齿轮箱润滑油更换参考指标
各个风电场的现场实际情况不同，为了不出现过早换油造成油品浪费或盲目延长换油周期造成设备严重损坏的情况，每个风电场应根据自己实际情况制定较为合理的换油指标。表 2 为某风电场的换油指标。
表 2 某风电场主齿轮箱润滑油换油指标
主齿轮箱润滑油更换步骤
更换润滑油的准备工作：更换润滑油的作业人员需佩戴好个人防护措施，如安全帽、防护服和防护手套等; 准备好干净且可密封的油桶; 准备好油品取样工具和清洗齿轮箱工具( 清洗油、过滤网、管路连接器等) ; 准备好同型号的合格润滑油、滤芯等。
旧油排放：风电机组在停机后应趁热将主齿轮箱里润滑油通过专用放油阀放出，在此之前需卸下齿轮箱顶部的空气过滤器，再打开过滤器底部放油阀放出过滤器里的金属屑、残渣等，直至不再有油从箱体流出。然后检查并清除残留在箱体内的黏质物、金属屑和残渣等。
工作油冲洗：在加入冲洗油前先检查空气过滤器的干燥剂是否失效，如已失效则进行更换。注入清洗油约 300 L，待主齿轮箱油循环 1 h 后放出，此过程中尽量保持润滑油的温度在正常工作范围内，约 40 ～ 60 ℃，且应保持流动速度在允许范围内尽可能的高，以达到较好的清洗效果。
新油加注：清洗完成后，按照齿轮箱的维护使用操作规程的要求加注新油至要求的液位，并重新装上空气过滤器。
确认换油成功： 在新油加注完成后，待机组稳定运转 1 ～ 2 d 后，检查齿轮箱润滑系统是否通畅，是否有漏油、异常噪声等现象发生，并检查齿轮箱油位是否在达到规定的油位，如若没有，则需要补充新油至规定油位。一般情况下，需要在机组运转 30 d 后抽取油样进行化验检测，以确认换油后各项指标合格。
五、主齿轮箱润滑系统的管理措施
近年来全国众多风场的齿轮箱由于润滑方式不当、润滑效果差而频繁出现故障，导致售后维修和维护费用居高不下。因此，风电场应该采取以下 6 方面措施来进行主齿轮箱润滑管理，以达到预防润滑油劣化、保证机组高效稳定运转的目的。
一是新油品是润滑管理的源头，因此要控制好新油品的质量。风场要对新油品的合格证、使用说明书等质量证明文件进行检查，并要对新油品进行抽检，检测运动黏度、氧化值、水分和 PQ 指数等特征因子是否满足技术使用要求，防止以旧充新、以次充好等情况的发生。另外，一般情况下不同名牌的油禁止混用，除非通过性能检测，确保混用后能够符合技术要求，才能混用;
二是当润滑油用量不足时，应及时向设备补充同牌号润滑油，并应经过过滤处理; 在此过程中要求人员要严格按照换油操作规程进行操作，严禁将标识不清的油品加入齿轮箱;
三是要按计划定期对主齿轮箱油进行取样监测，且当监测指标如铁元素、PQ 指数和运动黏度等异常时要加强监测周期或者增加监测指标;
四是当润滑油定期监测指标出现异常或者报告建议更换油品时，风场要引起重视;
五是新油注入齿轮箱前需进行过滤处理除去杂质，还要做好干燥剂的及时更换，预防潮湿空气进入箱体内，还应尽量避免齿轮箱油超高温运行;
六是对出质保期的机组要加强润滑管理，要求机组在出质保期前后进行油液取样监测，通过检测数据对设备的整体运行状况做出合理评估，这样即可以做到预警故障还可预防隐患，为风电场消除润滑故障隐患。
六、主齿轮箱润滑油系统对机组正常运转的重要性分析
在风力发电机组正常运转时，齿轮箱的润滑系统必须始终保持良好状态，否组就会损坏齿面或轴承。主齿轮箱良好的润滑系统具有以下作用: 一是能够对齿轮或轴承起到较好的保护作用，能够减小振动对机组的伤害，提高设备的稳定性，减少停机损失和维修费用; 二是具有冷却、抗腐蚀和防锈功能，还能够传递动力，防止齿轮或轴承疲劳点强，三是可以吸收冲击，减小摩擦和增大抗磨性，具有较高的承载能力并防止胶合; 四是可以延长设备的使用寿命，降低设备购置费; 五是可以延长润滑油的使用周期和寿命，降低润滑油油耗，以减少对环境的污染。
综上所述，齿轮箱的润滑系统在风电机组正常运转中起着关键作用，其会直接影响到整个机组设备的安全，所以对运行中的齿轮箱润滑系统必须做到应检必检，及时发现齿轮箱中的故障隐患，严格按照操作规程保持润滑系统长期处于最佳润滑状态， 以减少非正常停机和风机故障的维修费用。
七、结论
主齿轮箱是风力发电机组的“心脏”，而润滑油又是主齿轮箱设备的“血液”，因此润滑系统的失效能导致主齿轮箱内所有运动零部件出现磨损、失效和故障等状况。齿轮箱的良好润滑系统可以延长油品使用寿命以减少油品油耗，延长供油泵、滤芯和零部件寿命，减少停机损失和维修费用，进而提高产能和生产安全。因此，风场良好的润滑管理体系对于建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。
参考文献略