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浅谈风电主齿轮箱用油第一章 合成润滑油基础知识1合成基础油种类润滑油由基础油以及不同种类的添加剂调和而成。根据基础油的不同，润滑油可分为矿物油和合成润滑油。顾名思义，合成润滑油是合成基础油和添加剂调和而成。通常，合成润滑油的性能远优于矿物油，主要原因是合成基础油的性能远优于矿物基础油。合成基础油是指采用化学原料，在添加剂条件下使用化学聚合方法生成的基础油,与矿物基础油从原油中蒸馏、精制、脱蜡、加氢的生产工艺相比：分子结构单一、纯净，可根据性能要求设计不同的分子结构。合成基础油分为：PAO（聚烯烃），Ester（酯），PAG（聚醚），硅油, 含氟油, 磷酸酯等。其中，最常用的合成基础油有PAO（聚烯烃），Ester（酯），PAG（聚醚）。2PAO（聚烯烃）的性能特点 由C8-C10的烯烃三聚或四聚而成，分子中为C和H两种元素，其化学结构与矿物油最接近，长链分子结构单一、纯净，粘温特性优异，低温流动性较好。 3RCH=CH2 CH3CHCH2CH CH2CH2 R R R n 为3-5, R为CmH2m+1 (m: 6-8)左边的图例：四球磨斑测试为美国西南研究院的测试结果：纯PAO基础油的磨斑最大，抗磨能力最差；PAG基础油的磨斑最小，抗磨能力最好。由于分子中仅有C、H元素，PAO分子没有极性，基础油的抗磨极压能力较差，甚至低于矿物基础油，但加抗磨添加剂调和后，其抗磨极压能力明显优于矿物油，这是因为矿物基础油中的一些硫、氧元素存在加强了极性和润滑抗磨性能，但一些杂质也降低了抗磨极压添加剂的效果发挥；PAO由于分子结构单一，在加入少量酯类后，改善抗磨极压添加剂效果发挥。四球抗磨磨斑直径测试在氧化稳定性方面同样如此，深度加氢的三类矿物基础油比不加抗氧剂的PAO的抗氧效果更好，但在加抗氧剂后，PAO 型润滑油的抗氧效果则优于添加抗氧剂的三类矿物基础油调和的润滑油。PAO基础油与添加剂调和后的润滑油具有以下优点： 粘度范围广，高粘度指数,粘温性能好，很好的低温流动性,倾点低。 低挥发性，油耗少 加抗氧剂,氧化稳定性和高温稳定性好 高粘度油与密封材料相容性较好 摩擦性能好 与矿物油和酯类油相容性很好 抗腐蚀性好。PAO型润滑油也有以下缺点： 抗擦伤性、抗磨性能远不如酯类和聚醚润滑油 在高温运行条件下、清洁性不如酯类和聚醚润滑油 粘度指数与聚醚型润滑油相比低很多，相同粘度的PAO润滑油比聚醚润滑油的低温流动性差，能耗较高以下是PAO润滑油的主要应用主要应用性能特点汽车发动机油车用齿轮油 ATF工业齿轮油压缩机油低温液压油食品级润滑油脂航空液压油清净性好,高温氧化稳定性好,改善燃油经济性,低温性能优良,便于低温启动,换油期延长粘度指数高, 易调和75W-90, 80W-140等级别齿轮油, 抗剪切能力强. 低温性能优异, 高温抗氧化性能优异, 换油周期延长. 抗磨损能力优良,保护齿轮,延长传动系统寿命. 改善燃油经济性.高粘度指数, 优良的抗剪切能力,热氧化稳定性, 优异的低温性能,低挥发损失高粘度指数,优良的抗剪切性能. 工作温度范围宽, 优良的低温性能和高温氧化稳定性.抗磨极压效果比矿物油好. 低摩擦系数,减少能耗,与矿物油相比,传动效率提高优良的高温氧化稳定性和水解稳定性,清净性好,不易积碳, 换油周期延长,降低能耗, 改善抗磨性能,延长部件寿命,低温性能良好,可用于严寒地区高粘度指数, 优异的低温性能无色,无毒闪点高,难燃, 与密封件相容性好3PAG（聚醚）的性能特点PAG聚醚是使用最广泛的一类合成润滑油，以环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷、四氢呋喃等为原料，在催化剂作用下开环均聚或共聚制得的线形聚合物。以水或醇为起始剂，通过烷氧基化（环氧乙烷或环氧丙烷等）聚合可生成三种不同结构的聚醚，并可控制得到所需的性能。由于PAG分子结构中含有C、H、O元素，其中氧元素在聚醚分子结构中表现非常强的极性，因此，PAG基础油有很强的极性，在相互运转、摩擦的金属表面能形成吸附能力很强的化学吸附膜，具有很强的抗磨极压性能。从以上四球抗磨磨痕测试结果可以发现，PAG基础油是极性、抗磨性能最好的合成基础油，性能远优于PAO基础油。由于PAG特殊的分子结构特点，PAG润滑油具有以下优点： 粘度范围宽广，高粘度指数,粘温性能很好（通常可以达到200以上） 低倾点、非常好的低温流动性（比相同粘度等级的其他润滑油具有低很多的低温布鲁克菲尔粘度），在低温条件下节能效果更好 使用温度宽广 高承载能力，优异的抗磨极压性能 加抑制剂,氧化稳定性好，使用寿命长 摩擦特性很好,特别对钢/磷青铜摩擦副 良好的抗腐蚀性 不生成焦炭、油泥 无毒PAG的缺点是：普通PAG与矿物油、PAO不相容，在替代矿物油和PAO润滑油时，需要有专门的清洗程序。以下为聚醚润滑油的应用主要应用性能特点高温润滑油抗燃液压油金属加工液组分/淬火液工业齿轮油空气压缩机油气体压缩机油汽车空调压缩机油加抗氧剂后，氧化稳定性好，清净性好，不产生油泥沉积物漆质粘度指数高，抗剪切性能好，用作增稠剂冷却性好，稳定性好，抗菌能力强，寿命长，逆溶性好粘度指数高，摩擦系数低，优异的润滑特性和负载能力，提高传动效率，延长换油周期，节省油耗，更经济聚醚聚酯型压缩机油：高粘度指数，氧化稳定性好，良好的低温性能优异的润滑特性，清净性好，延长换油周期，节能，更经济解决润滑油稀释问题，油耗低与134a以及其他HFC制冷剂O2有良好的相容性,良好的低温性能和抗磨性能第二章 风电齿轮油的性能要求及规范1齿轮箱的工作环境、危害和对润滑油的要求 工作环境 危害 对润滑油要求温差很大（高温低温） 降低材料可靠性、冷脆 低温启动性好、高温油膜厚工作温度高 高温油泥、齿轮箱内清洁性 高温稳定性好、抗氧化性能好 差， 产生酸性物、腐蚀部件 残炭少、抗腐蚀性能好 风向、风速常变化 冲击、振动、不能平稳工作 足够的油膜强度、缓冲抗振受力情况复杂、过载 齿面胶合、点蚀、微点蚀 油膜厚、高抗磨抗极压、抗微过高的交变应力,齿轮 断齿（冲击、疲劳等原因） 蚀、点蚀能力强及轴承应力集中 轴承点蚀、微点蚀、损坏密封件、齿轮箱体内 密封件失效、涂料脱落造成齿 与密封件、涂料的相容性好上涂料 轮和轴承磨损 齿轮箱在塔顶的狭小 发生故障不易维修、维护，换 油的高温稳定性、抗氧化性能空间内，不易维护 油不便 好，寿命长、换油周期长 2齿轮箱常见的问题 齿轮磨损：擦伤、胶合、微点蚀、点蚀，产生裂纹，乃至齿根断裂 轴承失效：交变应力产生微点蚀、点蚀、裂纹，剥落乃至失效，对齿轮箱的破坏极大 齿轮箱内油泥、沉积物多、齿面有积炭，并产生磨损和腐蚀，齿轮油的寿命缩短 振动、冲击大、噪音大，缩短齿轮箱内部件的寿命 断轴 油温高 3关于点蚀 微点蚀、点蚀在风电齿轮箱运行一定周期后产生的较普遍、严重的问题，这是由于增速齿轮箱中齿轮和轴承运行条件恶劣，在重载、乃至冲击负荷情况下，材料逐渐从表面剥落，最开始的时候，产生非常微小的凹坑，深度约10um-20um，此为微点蚀。随着表面疲劳的加剧以及过载的原因，微点蚀小凹坑进一步扩展，成为肉眼能非常清楚地看到的凹坑，此为点蚀。 产生点蚀和微点蚀的机理很复杂，既有机械、金相组织方面的原因，也有材料的分子吸引方面的因素存在。微点蚀、点蚀是逐步形成的，危害很大。微点蚀、点蚀会在表层或次表层造成裂纹，导致齿根断裂、失效的后果。 解决或减轻微点蚀、点蚀问题可以从以下几个方面进行：齿轮和轴承 提高齿轮和轴承的加工精度，提高表面光洁度 通过热处理和表面处理提高抗疲劳强度 提高转速（保持适当的油膜）齿轮油 提高油膜厚度，采用高粘度、粘度指数基础油 提高油膜强度、抗磨抗极压性能，选择合成润滑油（合成基础油），精选添加剂 提高润滑油的抗乳化性能，防止油膜失效 优异的高温稳定性和氧化稳定性、抗泡沫特性，选择合成润滑油，精选添加剂 改善润滑条件，把边界润滑或混合润滑条件改善为弹性流体润滑条件，即能在最大程度上减轻微点蚀、点蚀造成的问题。润滑油膜/表面粗糙度综合值， 3, 为弹性流体润滑，即润滑油膜足够厚或表面光洁度很高，能很有效地改善微点蚀、点蚀问题。4风电齿轮油的功能 降低摩擦，保证传动系统的机械效率 减少磨损（胶合、磨料磨损等），减少微点蚀及点蚀，防止断齿和齿轮失效，延长齿轮和轴承寿命 降低传动系统振动和噪音 减小冲击负荷对机组的影响 冷却齿轮及轴承，提供传动部件的可靠性，延长部件的寿命 提供传动部件抗腐蚀能力 清洁功能：带走污染物和磨损产生的铁屑 长寿命5风电齿轮油的性能要求 合适的粘度：VG320/VG220 高粘度指数：合成基础油（聚-烯烃、聚醚、酯型） 抗剪切性能好：合成基础油 高温稳定性能好：合成基础油 氧化稳定性好：合成基础油抗氧剂 倾点低、低温流动性好：合成基础油（或矿物油降凝剂） 低摩擦系数：合成基础油 抗磨、极压性能好：合成基础油、抗磨极压添加剂 抗微点蚀、点蚀性能好：足够的粘度，合成基础油、精选添加剂 防锈抗蚀性能好：防锈抗蚀添加剂 抗乳化性好：合成基础油、抗乳剂 清净性：合成基础油（抗氧化性能好：防止产生油泥、 沉积物） 密封件和涂料相容性：精选基础油6风电齿轮油的测试标准 ISO 3104/ ASTM D-445 ： 粘度 cSt （ 40C/100 C) ISO 2909/ ASTM D-2270 ： 粘度指数 ISO 2592/ ASTM D-92 ： 闪点 ISO 3016/ ASTM D-97 ： 倾点 DIN 51757/ ASTM D-4052 ： 密度 ISO 6618： 总酸值 ISO 2160： 铜蚀测试 ISO 7120： 钢蚀测试 ISO 6247： 泡沫测试 DIN 51599/ASTM D1401： 抗乳化性测试 ASTM D943： 氧化稳定性测试 DIN 53521： 密封件相容性测试 Flender GC-V 425 ： 弗兰德泡沫测试 FVA 54/1-IV： 抗微点蚀测试 FZG A/16,6/90： FZG负荷失效测试 ASTM D-417： 四球抗磨测磨斑直径 DIN 51527/III 抗磨极压齿轮油标准 7国外风电齿轮油的最新发展机组尤其是齿轮箱的发展，对齿轮油提出了更多、更苛刻的性能要求：轴承测试： 满足DIN 51517/III 的FAG FE8 其它也在进行之中静密封/动密封测试：要求相容性更好、寿命更长微点蚀测试：FVA 54/I-IV（90 C、60 C）长寿命化： 抗乳化（或水溶性聚醚） 高温抗氧化性更好 更加清洁抗锈蚀性能更好：不再使用活性强的EP添加剂（硫磷型）生物降解：（尤其是海上风力发电机组）：采用酯型齿轮油热稳定性、氧化稳定性和清净性：齿轮箱容积更小、负荷增加、运行条件更加恶劣，导致油温升高，要求齿轮油的热稳定性和氧化稳定性更高，并且对齿轮油的沉积物控制要求更为严格，要求齿轮油的清净分散性更好。更高的运行温度：合成油被广泛运用，比如聚a-烯烃型齿轮油和聚醚型齿轮油 防止污染：在运行的工况下控制及防止污染对优化润滑油的性能非常重要第三章 PAO型风电齿轮油的性能特点PAO（聚烯烃）型风电齿轮油是较广泛使用的合成型风电齿轮油，与矿物型风电齿轮油相比，拥有很多优良的性能： PAO基础油的粘度指数较高，粘温性能优良 倾点低、低温流动性好，高温稳定性好，可在较宽广的温度范围内运行 氧化稳定性好，尤其在高温条件下，长时间使用后，清洁性好。使用寿命长。 具有一定的抗擦伤、抗微蚀、抗点蚀性能以下是PAO齿轮油知名产品的一些情况：通过标准： DIN 51517 Part 3 (CLP)齿轮箱制造商批准： Hensen, David Brown, Flendar, Jahnel-keseermann粘度(40C)： 335cSt粘度(100 C)： 38.3 cSt粘度指数： 164倾点： -38 C闪点： 242 C抗微点蚀, FZG, FVA No.54：10 四球抗磨20kg,54 C,1800转，60分钟，磨斑直径：0.25mm近年来，在欧美国家，风电齿轮油由传统的矿物型齿轮油和PAO型齿轮油逐步朝环保和高性能方向发展，由此，合成酯型风电齿轮油和PAG聚醚型风电齿轮油被广泛使用。合成酯型齿轮油的特性是生物降解，废油处理时不对环境产生污染；而PAG聚醚型风电齿轮油采用精选的聚醚，性能更加优异，在大型机组上更是广泛使用，比如：Vestas 2MW 及以上功率的机组主要采用科宁Breox SL320 聚醚型齿轮油。第四章 Breox SL 320 最新一代风电齿轮油的性能特点科宁公司在上世纪90年代中期开始研发高性能的风电齿轮油，通过对一系列合成基础油进行严格苛刻的测试后发现，特选的PAG基础油与最新科技的添加剂复合后的综合性能远优于市场上销售的PAO型齿轮油，经过为时三年的不断改进和研发，在1999年推出最新一代高性能风电齿轮油Breox SL320, 从99年开始，科宁公司持续不断与风电机组OEM 如Vestas、 Nordex、Simens Bonus、Gamesa、Made, 齿轮箱制造商Flender Winergy、Hansen、Moventus、Bosch Rexoth，风电轴承制造商SKF、FAG、NSK，风电场如全球最大的海上风电场Horn Rev, 丹麦最大的风电场Elsam 公司的Emmerlev等合作使用和测试Breox SL320，所有的测试均表明Breox SL320 是各种产品中最成功、性能最优异的风电齿轮油。由于长达5年的测试、合作证明Breox SL320无与伦比的优异性能，Vestas欧洲已然全面使用科宁公司Breox SL320，其他OEM的运用正在进行中。1科宁公司Breox SL320 产品本身的特点： 精选的PAG基础油，极性非常强，油膜强度很高 采用最新一代添加剂包复合而成，抗氧、抗锈蚀效果优异 粘度指数为252，某PAO型风电齿轮油164，Breox SL320的粘温性能远为优异以上图表的温度粘度数值如下：油温某PAO型风电齿轮油 粘度cStBreox SL 320 粘度 cSt-10C 10000 5000175010C2150116540C33533970C89.4107.880C82.598.590C51.776.6100C38.360.9 清净性好，不会形成油泥 与普通金属和有色金属良好的相容性 与密封件良好的相容性 倾点低、低温流动性好 水溶性聚醚，防止水污染2Breox SL320产品数据通过标准： DIN 51517 Part 3 (CLP)风电机组OEM认证批准：Vestas, Siemens Bonus 。 Gamesa（进行中）风电齿轮箱制造商认证批准：Flender, David Brown, Hensen, Bosch Rexoth, Moventus风电轴承制造商认证批准：SKF, FAG。 NSK（进行中）标准： DIN 51517-3 CLP粘度(40C)： 339cSt粘度(100 C)： 60.9 cSt粘度指数： 252倾点： -39 C闪点： 282 C抗微点蚀, FZG, FVA No.54：10 3Breox SL 320 与竞争PAO型产品对比产品特性Breox SL 320VG320（PAO基础油)粘度 cSt 40C339335粘度 cSt 100C60.938.3粘度指数252164倾点 C-39-38闪点 C282242水污染水溶（无游离水）40/37/3/10某PAO型风电齿轮油在长期使用后，粘度下降很多，这是由于为提高粘度指数，该产品配方中含有聚合物增稠剂，在运转中不断剪切作用下，聚合物长链被剪断，粘度下降，而Breox SL320 没有此问题，其基础油与生俱来的极高粘度指数，不添加任何聚合物增稠剂，保证了长期运行下粘度的稳定。另外，该PAO齿轮油在FAG轴承负荷测试中 3级失效，而Breox SL320性能优异，通过4级。4. Breox SL320 更加优异的性能： 与PAO型风电齿轮油相比，更加优异的抗擦伤、抗微点蚀及抗点蚀性能。PAO型风电齿轮油的抗擦伤、抗微点蚀及抗点蚀功能全部来自于添加剂。PAO基础油本身并不具备良好的抗磨极压、抗微点蚀功能，而是通过添加剂形成的化学膜保护金属表面，长期使用中，化学膜、添加剂会消耗、化学降解，降低乃至消除保护金属免于擦伤和点蚀的功能，这也是在很多使用较长时间（3年以上甚或更短）的风电齿轮箱采用PAO型风电齿轮油后也会产生严重点蚀、擦伤现象的原因。 Breox SL320则不然，通过精选的PAG基础油以及最新一代的添加剂复合而成，其抗磨、抗擦伤、抗微点蚀及抗点蚀的功能来自于PAG基础油以及添加剂的协同作用。其中，极性非常强的PAG基础油是其抗磨极压功能的最大保障：与金属表面形成长期有效的化学膜保护免于磨损、刮擦、微点蚀及点蚀，其油膜强度很高。在长期使用中，PAG基础油不易发生化学降解（Breox SL320可以在200C密封齿轮箱中长期使用而不降解），而且由于其粘度指数高，在高温下仍能形成较厚的油膜保护金属表面。某PAO型风电齿轮油使用4000小时后的微点蚀情况不理想，如图使用4000小时的Breox SL320的情况，没有发现任何微点蚀 润滑油寿命更长，更加清洁、无油泥，齿面更加清洁。由于Breox SL320 采用精选的PAG基础油并选用最新一代的添加剂配方复合，其氧化稳定性、高温稳定性非常优异，寿命更长。以下图例反映了以上性能