风电机组齿轮箱用润滑油的流变特性

文摘 2024-09-18 17:57 河南

《轴承》2024年第9期

引文格式：

雷申，马子魁，栗心明，等.风电机组齿轮箱用润滑油的流变特性[J].轴承，2024（9）：46-51.

LEI Shen，MA Zikui，LI Xinming，et al.Rheological Properties of Lubricating Oils for Wind Turbine Gearboxes[J].Beairng,2024（9）：46-51.

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风电机组齿轮箱用润滑油的流变特性

雷申 ¹ 马子魁 ²栗心明 ³翟绍鹏 ¹邓四二 ¹

（1. 河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2. 舍弗勒贸易（上海）有限公司（研发中心），上海 201804；3. 青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520 ）

DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2024.09.007

摘要为对比不同类型风电齿轮箱润滑油的流变特性及润滑性能，利用球-盘点接触光干涉润滑油膜与摩擦力测量装置对不同类型润滑油（PAG油、PAO油和矿物油）的膜厚和摩擦系数进行测量，采用光干涉法测定了润滑油的黏压系数，并分析不同滑滚比和卷吸速度下润滑油摩擦系数的变化规律，结合最小膜厚明确了润滑状态与热效应机制，对比不同类型润滑油斯特里贝克曲线中摩擦系数的变化，分析其润滑性能优劣。结果表明：PAO油和PAG油动力黏度较小，受热效应的影响较小，矿物油受热效应影响最大；PAG油在较低载荷时几乎没有极限剪应力阶段，具有更好的剪切性能；相同工况下，PAG油的摩擦系数最小，润滑性能优于PAO油。

关键词滚动轴承；风电轴承；风力发电机组；流变特性；摩擦系数；润滑性

合成油通常具有良好的低温性能、黏温性能以及耐辐射、耐磨损等性能，其综合性能远优于矿物油，因此，越来越多的风力涡轮机制造商使用合成油来代替矿物油^［1-2］。目前，风电齿轮箱用润滑油主要为聚α-烯烃（PAO）和聚醚（PAG）等合成油。风力发电机制造商最常见的齿轮油黏度指定等级是ISO 320^［3］，而润滑油的选取不仅要满足风电齿轮箱油所具备的性能，还需考虑油对齿轮箱轴承的影响。滚动轴承在运行过程中各零件之间的接触会使局部产生极高的接触压力，导致润滑油的润滑机制变为弹性流体动力润滑^［4］。主齿轮箱输入端轴承应用于低速重载工况，需要匹配高黏度、高承载力的润滑油；输出端轴承应用于高速剪切工况，需要匹配低黏度、抗剪切性能好的润滑油^［5］。

滚动轴承的使用寿命与润滑油的润滑状态及流变特性紧密相关，因此，国内外学者对高压滚动接触条件下润滑油的流变特性进行了研究^［6-7］，就不同类型润滑油的摩擦性能也进行了相关研究^［8-11］，而国内针对不同类型润滑油流变特性及润滑性能对比的研究较为稀少，因此，有必要开展关于风电机组润滑油流变特性的试验研究。膜厚是表征润滑油性能的重要参数之一，润滑油的膜厚一般在亚微米级^［12］，光干涉法具有精度高、油膜特征直观等优点，成为目前测量膜厚和油膜形状的最有效方法。刘海超等^［13］开发了双色光干涉强度调制技术，进一步提高了光干涉法的测量精度、分辨率和测量范围。

为研究风电机组齿轮箱润滑油的流变特性，本文以PG320，UNISYN CLP320和CLP320（后文分别简称PAG油、PAO油、矿物油）这3种润滑油为研究对象，利用球-盘点接触光干涉润滑油膜与摩擦力测量装置对润滑油膜厚和摩擦系数进行测量，使用光干涉法测定润滑油的黏压系数，分析3种润滑油的流变特性和润滑性能。

1 试验

1.1 润滑油

3种试验润滑油均由舍弗勒贸易有限公司提供，其中，PAG油和PAO油为合成油。各润滑油参数见表1。

表1 润滑油参数Tab. 1 Parameters of lubricating oils

1.2 试验设备

采用光干涉技术在高应力接触下同步测量润滑油的膜厚和摩擦系数。球-盘点接触光干涉润滑油膜与摩擦力测量装置如图1所示，玻璃盘和钢球分别由不同的独立驱动装置进行驱动，通过各自的脉冲控制电动机调整转速，获得不同的滑滚比。

图1 球-盘点接触光干涉润滑油膜与摩擦力测量装置原理图Fig. 1 Schematic diagram of ball-and-disc point-contact optical interferometric lubricating oil film and friction force measuring device

钢球的驱动轴系和加载单元位于转盘轴承上，驱动轴系的两端分别连接钢球和同步带轮，与加载板相连的电动机能够驱动钢球的回转，当球-盘接触副滑动时，加载板将产生回转趋势，进而产生压力并被传感器捕获，最终获取摩擦力数值。其中，加载板上砝码的重力等效为球-盘之间压力的2倍。接触区内润滑油膜干涉图经显微镜后被CCD相机捕获并储存，进而实现摩擦力与膜厚的同步测量，储存的干涉图采用双色光调制光强技术进行离线处理。

1.3 试验方法

试验玻璃盘为K9玻璃，直径为150 mm，表面粗糙度Ra₁值为20 nm，与钢球接触的表面镀有Cr膜；试验钢球为G5钢球，直径为25.4 mm，表面粗糙度Ra₂值为14 nm。

定义滑滚比S_RR、膜厚比λ分别为

S_RR=，

（1）

；u₁≥u₂，

，

（2）

式中：Δu为两接触表面速度差；u_e为卷吸速度；，分别为玻璃盘和钢球在接触点处的表面线速度；h_min为最小油膜厚度。当S_RR值为0时，玻璃盘和钢球之间的接触状态为纯滚动，S_RR值为2时，玻璃盘和钢球之间的接触状态为纯滑动，即钢球静止，圆盘运动。

试验在室温（21 ~ 23 ℃）下进行，采用砝码加载，试验载荷取40 N，对应赫兹应力0.548 GPa。通过注射器布油，每次布油前对球-盘表面进行清洁，使球-盘处于刚刚接触状态，设置低速纯滚动工况，再将注射器针头置于接触区入口处，缓慢匀速供油，直至润滑油均匀分布于玻璃盘轨道上。

1.3.1 润滑油膜厚拟合方程

试验接触副为纯滚动，通过观察不同卷吸速度下润滑油膜的干涉图像，确保接触副始终处于富油润滑状态，对干涉图像进行离线处理，获得膜厚实测值，并对其进行拟合。润滑油的黏压系数可通过经典的中心膜厚公式^［14-15］获得

，

（3）

，

式中：H_c为量纲一的中心膜厚；G为量纲一的材料参数；U为量纲一的速度；W为量纲一的载荷；为椭圆率，值约为1；h_c为中心膜厚；为钢球半径；α为黏压系数；E′为两接触物体等效弹性模量；η为常压下的动力黏度；w为载荷；ν₁，ν₂分别为玻璃盘和钢球材料的泊松比；E₁，E₂分别为玻璃盘和钢球材料的弹性模量。

将（3）式两边取对数得

，

（4）

A=2.69（1-0.61e^-0.73^k），

其中，设

，

综上可得润滑油膜厚拟合方程为

。

（5）

1.3.2 斯特里贝克曲线

斯特里贝克曲线用以表征不同润滑状态下摩擦系数的变化情况，可将润滑状态分为边界润滑、混合润滑和流体润滑。本文试验是在球-玻璃盘接触（即点接触）状态下进行的，对于点接触，将斯特里贝克曲线的原横坐标调整为^［17］，其中，平均压力P为

，

（6）

，

（7）

式中：a为赫兹接触区直径（球-盘点接触的赫兹接触区为圆形）；为当量弹性模量。

2 润滑油性能分析与讨论

2.1 黏压系数

滚动体与内外圈接触点处的润滑油膜厚在很大程度上取决于润滑油的动力黏度和压力-黏度系数。CHITTENDEN等^［14］和HAMROCK等^［15］提出了中心油膜厚度公式，并通过计算获得了润滑油的黏压系数，偏差较小，约5%。

3种润滑油在双对数坐标下量纲一的中心膜厚随量纲一的速度的变化如图2所示，由中心膜厚公式拟合得出矿物油、PAO油和PAG油拟合曲线的斜率分别为0.650 55，0.670 19和0.644 55，均接近0.67，表明拟合结果符合经典中心膜厚公式，利用拟合结果反推出3种润滑油黏压系数见表2。

图2 量纲一的中心膜厚随量纲一的速度的变化Fig. 2 Centre film thickness dimensionless parameter varies with velocity dimensionless parameter

表2 润滑油的黏压系数Tab. 2 Viscosity-pressure coefficients of lubricating oils

2.2 流变特性

3种润滑油在不同卷吸速度下的摩擦系数随滑滚比的变化曲线如图3所示。

图3 不同卷吸速度下润滑油摩擦系数随滑滚比变化的曲线Fig. 3 Variation curves of friction coefficients of lubricating oils with slip-roll ratios under different entrainment velocities

分析卷吸速度对摩擦系数的影响可知：1）对于矿物油，在256，512 mm/s的卷吸速度下依次出现了摩擦系数随滑滚比线性增长的牛顿流体阶段、“屈服”并趋于平缓的剪稀效应阶段、近乎水平的极限剪应力阶段和热效应主导的下落阶段；在64，128 mm/s的卷吸速度下仅出现前3个阶段。2）对于PAO油，在256，512 mm/s的卷吸速度下依次出现了牛顿流体、剪稀效应以及极限剪应力阶段；在64，128 mm/s的卷吸速度下仅出现牛顿流体和剪稀效应阶段。3）对于PAG油，仅在256 mm/s的卷吸速度下出现前3个阶段。

分析滑滚比对摩擦系数的影响可知：相同滑滚比下，矿物油的摩擦系数最大，PAO油次之，PAG油最小。1）当滑滚比小于0.1时，3种润滑油的摩擦系数均呈线性增大，且矿物油的摩擦系数增长最快，PAG油最慢，表明在试验条件下矿物油的动力黏度最高，PAG油最低。2）当滑滚比大于0.1，摩擦系数开始“屈服”偏离线性并趋于平缓，此阶段主要由剪切稀化效应引起，相同卷吸速度下，矿物油更快“屈服”，表明其受剪切稀化影响更大。3）当滑滚比进一步增大，摩擦系数将出现一个最大值，即极限剪应力点，矿物油和PAO油的摩擦系数最大值均随卷吸速度增大而减小，且卷吸速度越大，摩擦系数最大值所对应的滑滚比越小，此现象与文献［16］的试验结果相同。这是因为卷吸速度升高，相同滑滚比下的滑差升高，润滑油膜内温度升高，导致润滑油黏度和极限剪切应力降低，从而降低摩擦系数。4）在256，512 mm/s的卷吸速度下，当矿物油的滑滚比进一步增大，其摩擦系数呈现下降趋势，此阶段是热稀效应与剪稀效应共同作用导致的，热稀效应起主要作用。这是因为随卷吸速度的增大，润滑油膜厚增加，热效应的影响变大，黏度大幅降低，摩擦系数显著减小。

润滑油膜厚和接触区内润滑油含量主要取决于入口区域油品动力黏度、黏压系数和卷吸速度。3种润滑油在不同卷吸速度下的最小膜厚随滑滚比变化的曲线如图4所示：1）3种润滑油的最小膜厚均随卷吸速度的增大而增大，这是因为卷吸速度增大，进入接触区的润滑油含量增多，使得膜厚增大；2）相同卷吸速度下，相比于PAO油和PAG油，矿物油的膜厚最大。另外，润滑油膜厚还受热效应的影响，温度升高造成膜厚减小，矿物油由于动力黏度较大，在256，512 mm/s的速度下热效应的影响较为显著，导致膜厚随滑滚比的增大而减小，而PAO油和PAG油因动力黏度较小，受热效应的影响较小。

图4 不同卷吸速度下润滑油最小膜厚随滑滚比变化的曲线Fig. 4 Variation curves of minimum film thicknesses of lubricating oils with slip-roll ratios under different entrainment velocities

卷吸速度为64 mm/s时：矿物油在滑滚比为0时膜厚最小，为169.523 nm，其膜厚比λ>3，表明试验过程中矿物油的润滑状态始终为全膜润滑；PAO油在滑滚比为1.2时膜厚最小，为66.537 nm，膜厚比1<λ<3，表明PAO油处于混合润滑状态，此时摩擦系数仍未达到最高点且有升高的趋势；PAG油在滑滚比1.2时膜厚最小，为97.325 nm，膜厚比λ>3，表明PAG油始终为全膜润滑状态，呈现出经典的弹流油膜特征。

卷吸速度为512 mm/s时，3种润滑油在不同滑滚比下的油膜干涉图如图5所示，随滑滚比的增大，油膜表面的凹陷特征更明显，这是因为受黏压效应的影响，接触区内润滑油的动力黏度迅速增大，油膜在承受较大剪切时热黏度楔效应导致其表面凹陷，且矿物油的黏压系数较大，因此其随滑滚比增大凹陷特征显得更明显，受热效应的影响更大。该试验结果与图4的曲线趋势一致，也印证了在512 mm/s速度下膜厚随滑滚比增大而减小是热效应影响的结果。

图5 不同滑滚比润滑油下的油膜干涉图Fig. 5 Oil film interference diagrams of lubricating oils under different slip-roll ratios

2.3 润滑性能

3种润滑油的斯特里贝克曲线如图6所示：1）随横坐标的增大，PAG油的摩擦系数先减小后增大，而PAO油的摩擦系数先减小后增大，随后再次减小，这是由于高速工况下的PAO油受热效应影响，导致其摩擦系数增至一定程度后减小；2）PAO油和PAG油对应的斯特里贝克曲线的谷底位置几乎一致，说明这2种润滑油进入弹流润滑区的难易程度相近，但PAG油摩擦系数明显低于PAO油，表明PAG油的润滑性能优于PAO油；3）随横坐标的增大，矿物油的摩擦系数先增大后减小，且下降趋势比PAO油更明显，这是因为矿物油的摩擦系数受热效应的影响最大，高速工况下摩擦系数下降的更明显；4）从各曲线的谷底所在位置可知，相同试验工况下矿物油更容易进入弹流润滑区，但其摩擦系数明显高于PAG油和PAO油。综上可知，矿物油的润滑性能比合成油更差，PAG油的润滑性能优于PAO油。

图6 3种润滑油的斯特里贝克曲线Fig. 6 Stribeck curves for three lubricating oils

3 结论

本文利用球-盘点接触光干涉润滑油膜与摩擦力测量装置对3种风电齿轮箱润滑油的膜厚和摩擦系数进行了测量，对比分析了不同类型润滑油的流变特性及润滑性能，得到以下结论：

1）相较于PAO油和PAG油，矿物油能够更快进入剪稀效应区域，达到极限剪应力，矿物油受到热效应的影响更大，而PAO油和PAG油因动力黏度较小，受到热效应的影响较小。

2）PAG油在较低载荷时几乎没有极限剪应力阶段，其具有更好的剪切性能，且摩擦系数小。

3）相同工况下，矿物油的摩擦系数最大，PAG油的摩擦系数最小，其润滑性能优于PAO油。

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Rheological Properties of Lubricating Oils for Wind Turbine Gearboxes

LEI Shen ¹ MA Zikui ²LI Xinming ³ZHAI Shaopeng ¹DENG Si’er ¹

（1. School of Mechatronics Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2. Schaeffler Trading （Shanghai） Co.， Ltd.， Shanghai 201804，China；3. School of Mechanical and Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao 266520，China ）

Abstract: In order to compare the rheological properties and lubrication performance of different types of lubricating oils for wind turbine gearboxes， the film thicknesses and friction coefficients of different types of lubricating oils （PAG oil， PAO oil and mineral oil） are measured on a ball-and-disc point-contact optical interferometric lubricating oil film and friction force measuring device. The viscosity-pressure coefficients of lubricating oils are determined using optical interferometry. The change rule of friction coefficients of lubricating oils under different slip-roll ratios and entrainment velocities is analyzed， and the lubrication state and thermal effect mechanism are clarified in combination with minimum film thickness. The change of friction coefficients in Stribeck curves of different types of lubricating oils is compared to analyze the lubrication performance. The results show that PAO oil and PAG oil have smaller dynamic viscosity and are less affected by thermal effect， while mineral oil is most affected by thermal effect；PAG oil has better shear performance because it has almost no limit shear stress stage under lower load；under same working conditions， the friction coefficient of PAG oil is the smallest， and the lubrication performance is better than that of PAO oil.

Keywords: rolling bearing；wind turbine bearing；wind turbines；rheological property；friction coefficient；lubricity

作者简介：雷申（1998—），男，硕士研究生，研究方向为滚动轴承设计及理论，E-mail：l13271689956@163.com。

通讯作者：邓四二（1963—），男，教授，研究方向为滚动轴承设计及理论，E-mail：dse@haust.edu.cn。

基金信息：国家自然科学基金面上项目（52005158）；国家自然科学基金资助项目（52275196）

中图分类号： TH133.33

文章编号：1000-3762（2024）09-0046-06

文献标识码： B

收稿日期：2023-12-05

修回日期：2024-01-30

出版日期：2024-09-05

网刊发布日期：2024-09-02

本文编辑：李畅

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轴承杂志社

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风电机组齿轮箱用润滑油的流变特性

《轴承》2024年 第9期

雷申，马子魁，栗心明，等.风电机组齿轮箱用润滑油的流变特性[J].轴承，2024（9）：46-51.

风电机组齿轮箱用润滑油的流变特性

1 试验

1.1 润滑油

1.2 试验设备

1.3 试验方法

2 润滑油性能分析与讨论

2.1 黏压系数

2.2 流变特性

2.3 润滑性能

3 结论

Rheological Properties of Lubricating Oils for Wind Turbine Gearboxes

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