齿轮箱的可靠性和长寿命对风力发电机成功运行起着重要作用。齿轮箱过滤系统是用来保持齿轮润滑油的清洁，防止齿轮箱的主要部件如齿轮和轴承的过度磨损。结构设计和质量较好的，符合 ISO 16889 多通实验，过滤比(Beta 值) 为 1000 的高效、高纳污能力的过滤器是必需的，它能够确保过滤系统的油品的清洁度保持最佳状态。本文讨论的是中国北方一个风场 1.5MW 风机安装高效过滤器的应用经验。

　　风力发电机齿轮箱经受着大自然从狂风到微风，瞬间再从微风到狂风的高跨度变动和迅速反转等极端苛刻的操作条件。同时，风机需要尽可能的紧凑和轻便、低噪音、能忍受极高和极低苛刻的温度条件，并提供长达 20 年的使用寿命。

　　风力发电机大部分都分布在偏远的地区，本身的特点决定了维修和保养的难度，并且需要耗费大量时间和超高的费用。尽管风力发电机的设计使用寿命是 20 年，每 2 年保养一次，但实际使用发现，有的齿轮箱刚刚运行一年就不能工作了。在齿轮箱失效原因中，轴承失效导致齿轮箱失效占比最高，齿轮磨损导致齿轮箱失效也是常见原因。

　　据统计每台风力发电机不可预见的停机是 280hrs/y ，35% 是由齿轮箱轴承失效造成的。失效原因分析发现，20%失效原因与润滑油中固体颗粒污染有关。固体颗粒污染物会导致齿轮表面磨损产生金属屑，磨损产生的金属屑导致更多的磨损颗粒，不仅如此，固体颗粒污染物还会破坏抗磨添加剂油膜的形成(参考 Ref 1)。另一项德国 Schleswig‐HolsteinLand Wirtschafts Kammer (LWK)调查研究结果显示，在 1993‐2004 期间，由于齿轮箱失效导致的风力发电机停机率最高(图 1)。

　　由于轴承磨损产生的污染物最终导致风机齿轮箱内齿牙磨损。典型的齿轮箱失效，就是从轴承磨损开始的。轴承磨损产生金属屑，金属屑导致更多的磨损，磨损产生大量的污染物进一步导致齿轮与齿轮箱的运动间隙平行度偏移，齿轮严重磨损，最终导致齿轮箱失效。风力发电机齿轮的维修和替换不可能在风机上完成，只能整体齿轮箱更换(其吊装、更换以及运输的费用是非常昂贵的)。

　　齿轮箱润滑依靠高性能的润滑流体，包括精制矿物油、合成油或半合成混合油。风力发电机是典型的低速重载运行设备，是弹性流体动力润滑(EHL)模式，滑动和滚动过程使部分金属表面直接接 触是普遍存在的。这些条件下要求使用的润滑油具有加强型添加剂，最佳操作粘度和清洁度。

　　AGMA/AWEA 6006:2003 《风机齿轮箱设计标准和规范》是风电齿轮箱制造行业具有权威性和全面性的标准。依据 AGMA 标准，确定合适的组件、过滤器尺寸、高效过滤介质的责任，是由买方、齿轮箱制造方和过滤器供应方共同协商确定。买方提供齿轮制造厂家风机预期安装地点的环境条件。

　　为得到齿轮和轴承的最佳使用寿命，AGMA/AWEA 6006:2003 标准中给出了维护润滑油清洁度的指导(表 1)：

　　风机齿轮箱润滑系统包含过滤固体颗粒金属屑的过滤装置，要求油箱油清洁度维持在 ISO 4406 ‐/16/13 以上。按维护手册要求, 第一次取样不能超过 4000 小时，随后按 3‐6 个月固定周期取样检测。轴承使用寿命按 ISO 4406 ‐/17/14 计算，但齿轮制造商要求在生产/验收每个齿轮箱的试验用油清洁度为 ISO ‐/15/12 (Ref 2)。

　　风机齿轮箱润滑系统根据设计要求采用一个或多个过滤系统。过滤系统通常包含油冷却系统和在线过滤器压力润滑系统。在线过滤器可以是独立的润滑系统或与离线(独立循环)过滤系统一起提供设计需求的清洁度以及齿轮和轴承所需润滑油量。离线过滤系统通常是与压力喷溅润滑系统分离的。无论安装位置如何，从离线系统出来的清洁油直接进入齿轮箱来冲刷齿轮箱。

　　在线过滤器通常是由高效精过滤器作为主过滤器部分，金属网过滤器作为粗过滤器，两部分过滤器做成一体。主过滤器尺寸和精度的选择要提供流体需要的清洁度和使用寿命。二级过滤器比较粗，压力低，当冷启动情况下，流体粘度较高，通过主过滤器阻力较大，旁通阀打开，流体直接通过二级过滤器。

　　风机行业的做法是设计一个具有高纳污能力的可以实现七个月使用寿命的主过滤器，半年滤芯更换周期一到，统一更换滤芯。同样道理，十四个月的使用寿命的过滤器，到十二个月时统一更换滤芯。对风电场运营商来说，从维护和节约成本的角度上，更长使用寿命的过滤器滤芯是非常可取的。重要的是延长使用寿命期间过滤器滤芯需要保持其颗粒的去除性能和保留住捕获的污染物。在许多冷启动和极端的温度下，过滤器承受的应力是需要过滤介质及其支撑结构设计来处理的。

　　中国北方风电场，1.5 MW 风机上安装了许多颇尔公司专利生产的渐变孔径、合成玻璃纤维过滤器。该过滤器随同齿轮箱润滑系统一起提供，包括完整的电泵、相关阀门、软管、DP 报警和风冷器等。Figure2 展示安装在齿轮箱上的过滤系统。过滤器滤芯为高纳污能力设计，并有支撑层和外面螺旋缠带固定结构。过滤器期望保持润滑油清洁度高于ISO-/16/13并且提供至少12个月的使用寿命。本文随机选取四台风机跟踪监测过滤器的性能。四台风机中，三台风机在线过滤过滤系统精过滤滤芯安装了颗粒过滤比β1000≥12μm滤芯(Pall“S”级滤材),一台风机安装了颗粒过滤比β1000≥7μm(Pall“N”级滤材)滤芯，四个风机粗过滤均为25μm金属网。所有风机在2010年5月开始运行，齿轮箱润滑油使用的是ISO VG320合成油(PAO based)。Figure 3所示为润滑系统示意图，最大流量为116LPM,系统油共约320L。

　　为了记录过滤器的性能，从2012年7月更换过滤器滤芯开始取样跟踪，取样点在过滤器的上游，目标跟踪一年，使用期间流体清洁度高于等于ISO4406-/16/13。过滤器使用寿命终止由油品清洁度或滤芯压差(设置压差3.0 bard)决定，其中一项达到，使用寿命终止。

　　由于风场地处偏远地区，冬季天气恶劣，大雪封山时无法按计划取样，所以个别结果缺失。流体样品按ISO4406清洁度标准分析给出，使用金属网堵塞法设备(Ref:3)检测。由于齿轮油粘度太高，遮光法或光散射法自动颗粒计数器被证实不能正常检测。所取样品还采用1.2μm分析膜片法来验证金属网堵塞法的结果，以及查看不正常颗粒或污染物。

　　由于过滤器使用过程中捕捉磨损颗粒，过滤介质纤维矩阵内的空隙体积逐渐被占据，导致阻力增加，这主要表现在滤芯的压差(DP)增长。压差增长跟滤芯堵塞的程度成正比，在滤芯安装使用12个月后我们进行了滤芯压差检测。

　　压差检测使用Y型接口安装到过滤器滤头的DP指示器接口上，通过传感器检测压差(图4)。因为，在维修检测过程中，风机不允许运行，所以压差检测是在电动泵高速运转68 LPM下测得。报告中给出的数据是根据当时的温度和粘度条件，进一步换算成风机满负荷全流量116LPM运转时、油温40oC时的压差。第一套滤芯使用12个月后，齿轮油清洁度状况良好，压差值均低于3 bard报警压差值，因此决定暂不更换滤芯，继续跟踪清洁度和压差情况。又跟踪4个月后，停止，第一套滤芯总共使用16个月。

　　16 个月时的压差情况如图 5，第二套滤芯的压差在后面讨论。

　　第二套滤芯仍然安装在这四台风机上。新滤芯有三支 12µm(Pall“S”级滤材)安装在三台风机上，一支 7µm(Pall“N”级滤材)安装 #56 风机上，粗过滤仍然是 25µm 的金属网过滤器。同第一套一样，定期取样检测齿轮箱油的清洁度和滤芯的压差，直到 21 个月四支滤芯压差都没有到达 3 bard 报警值(注#48 风机第 19 个月因为齿轮箱维修，无法得到压差值)。但整体压差变化趋势看，从 19 个月开始压差开始加速增长，指示着滤芯快速堵塞，滤芯寿命即将结束(图 6)。建议风场开始更换新的滤芯。

　　参考(图 5)第 16 个月末第一套和第二套滤芯压差比较图，#41 和#48 风机上第二套滤芯压差明显比第一套低。这是因为第一套滤芯已经将齿轮箱内磨损颗粒清理干净，减低了第二套滤芯的截污量，因此降低了第二套滤芯第 16 个月末的压差。#56 风机第一套精度为 12µm，第二套滤芯精度为 7µm，更细精度的过滤器进 一步清洁系统油品，因此第二套滤芯第 16 个月末的压差比第一套高些。#57 风机第一套精度为 7µm，第二套滤芯精度为 12µm，原本洁净的齿轮箱内部，第二套滤芯第 16 个月末自然截留污染物少，压差低。第一套滤芯 16 个月得到的样品清洁度评估结果如表 2，第一套滤芯 21 个月得到的样品清洁度评估结果如表 3。

　　图 7 显示齿轮箱润滑油清洁度自监测以来 37 个月的趋势图。曲线表示流体中≥6µm(c)颗粒数变化情况，即体现的是 ISO4406 清洁度等级的中间数字(参考图 8 按 ISO4406 清洁度评级系统描述)(Ref 4)。红色水平虚线绘制在代码 16 上，根据 AGMA 标准，这是风机齿轮箱润滑油要求的清洁度水平的上限，代码越小，清洁度越高。从图 7 看出，从过滤器的安装使用后，整体清洁度代码在要求范围内呈下降趋势，说明清洁度在不断改进。监测的四台风机在第二套滤芯使用 21 个月，总共跟踪 37 个月时停止试验。根据这个风场的经验，建议提高滤芯的更换周期从 12 个月提高到 18 个月。

　　将来，具有较高的纳污能力的滤材和创新的滤材结构、较低的净压差、更大的过滤面积的滤芯，将同样的风电机组润滑油过滤器的使用寿命达到 24 个月。这些计划正在贯彻实施，未来的文章将介绍这些过滤器的相关应用经验。

　　参考文献略.