葉縣國(guó)博大石崖風(fēng)力發(fā)電有限公司 韋 廣 中原新華水利水電投資有限公司 馬紫晨 田居易 魯書萌 北京國(guó)網(wǎng)信通埃森哲信息技術(shù)有限公司 陳玉杰

在推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略過程中，可再生再次成為能源發(fā)展的關(guān)鍵所在。風(fēng)電行業(yè)作為清潔能源的重要分支，在推進(jìn)新能源發(fā)展中具有重大的作用。我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量、發(fā)電量成為全球增長(zhǎng)最快的地區(qū)，更是排在新能源的首席位置，這得益于宏觀層面的推動(dòng)，也有賴于廣大能源參與主體的戰(zhàn)略眼光和前期投入。隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)并網(wǎng)數(shù)量擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)運(yùn)維的市場(chǎng)也是前所未有的增長(zhǎng)。潤(rùn)滑系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部件，強(qiáng)化整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的潤(rùn)滑管理和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可減少備件的磨損和更換，提高裝置運(yùn)行的可靠性[1]。

潤(rùn)滑功能的管控作為降本增效的重要環(huán)節(jié)，可以通過減緩?fù)C(jī)頻率，同時(shí)可以延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高風(fēng)電場(chǎng)的效益。但由于前期風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展過速、技術(shù)不完善以及維護(hù)保養(yǎng)不到位，導(dǎo)致機(jī)組頻繁下架維修。目前從故障數(shù)據(jù)分析判定，主要為潤(rùn)滑不充分，齒輪及軸承從微點(diǎn)蝕剝落開始慢慢變成斷齒造成齒輪箱損壞。通過必要技術(shù)改善設(shè)計(jì)及組裝缺陷造成的主軸軸承齒輪箱過度磨損，增加齒輪箱的潤(rùn)滑，提高發(fā)電量并且可以降低因齒輪之間運(yùn)行摩擦產(chǎn)生的熱量。結(jié)合相關(guān)優(yōu)勢(shì)，大力推廣在風(fēng)電維護(hù)后市場(chǎng)，創(chuàng)造共贏的價(jià)值。根據(jù)未來市場(chǎng)規(guī)劃，加快相關(guān)技術(shù)及風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，做到有計(jì)劃、有步驟實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)，為風(fēng)電領(lǐng)域創(chuàng)造更多效益。

風(fēng)電設(shè)備常年受惡劣自然環(huán)境影響，軸承磨損嚴(yán)重。潤(rùn)滑技術(shù)一直備受相關(guān)領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，是延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組壽命的關(guān)鍵技術(shù)。為了降低由于軸承運(yùn)行故障導(dǎo)致的運(yùn)維成本增加、發(fā)電質(zhì)量降低、客戶滿意度下降的問題，本研究通過對(duì)相關(guān)術(shù)背景的研究和修復(fù)機(jī)理的研究進(jìn)行試用測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，從多個(gè)方面、多個(gè)角度進(jìn)行考察評(píng)價(jià)，制訂具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。通過加入針對(duì)粘度、抗微點(diǎn)蝕、抗磨損、軸承保護(hù)、耐水性、氧化穩(wěn)定性、泡沫和空氣釋放性、過濾性、防腐防銹等方面潤(rùn)滑添加劑可以有效增加齒輪箱潤(rùn)滑劑使用壽命，降低齒輪箱故障。

1 理論分析

1.1 技術(shù)原理

1.1.1 精細(xì)研磨

在反應(yīng)表面存在著雙向鋸齒狀的平臺(tái)。表面具有凹凸不平的特點(diǎn)，注入的抗磨自修復(fù)材料被這一表面產(chǎn)生的摩擦效應(yīng)進(jìn)行研磨。通過物理反應(yīng)得到細(xì)化研磨，為下階段反應(yīng)提供物理基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 精細(xì)研磨作用機(jī)理示意圖 圖2滲透清除作用機(jī)理示意圖

1.1.2 滲透清除

精細(xì)研磨后，自修復(fù)材料經(jīng)過物理作用在吸附后不斷滲透至發(fā)生摩擦的雙表面。主要成分為磷酸鹽的玻璃體清除了凹陷處原有的污染物，前面研磨之后的玻璃體不斷填充前面被清除的凹陷空間，如圖2所示。

1.1.3 化學(xué)反應(yīng)

物理反應(yīng)瞬間會(huì)產(chǎn)生閃溫，這就為化學(xué)反應(yīng)提供了外部條件。催化劑、活化劑作用于自修復(fù)材料，便會(huì)發(fā)生燒結(jié)、微冶金等化學(xué)反應(yīng)過程?；瘜W(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)，即金屬陶瓷修復(fù)層。如圖3。

圖3 化學(xué)反應(yīng)效果示意圖

1.1.4 保持鞏固

越是磨損嚴(yán)重時(shí)表面的摩擦面，表面就更加凹凸明顯。結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)帶來的直接結(jié)果就是運(yùn)動(dòng)時(shí)較多機(jī)會(huì)產(chǎn)生更高的閃溫。金屬抗磨自修復(fù)材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)就越多。隨著化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生金屬陶瓷修復(fù)層不斷占據(jù)凹陷位置修復(fù)磨損部位，結(jié)構(gòu)上留給形成修復(fù)層的空間越來越少，形成了相對(duì)穩(wěn)定的修復(fù)層（圖4）。

圖4 保持鞏固作用機(jī)理示意圖

1.2 技術(shù)特點(diǎn)及機(jī)組選擇

1.2.1 摩擦系數(shù)低

通過試驗(yàn)檢討金屬抗磨自修復(fù)材料的抗磨性能。試驗(yàn)采用裝備再制造國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MM-10W 型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。選用坦克50CC 機(jī)油作為基礎(chǔ)油。試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為120分鐘，試驗(yàn)基礎(chǔ)載荷200N。試驗(yàn)步驟為向基礎(chǔ)油中加入不同含量抗磨修復(fù)材料，驗(yàn)證摩擦系數(shù)的變化。摩擦系數(shù)從0.125開始不斷降低，摩擦系數(shù)最小為0.0487（含量在每升基礎(chǔ)油中加入10%）。

1.2.2 硬度高

采用45#鋼基體進(jìn)行硬度試驗(yàn)。開展摩擦表面納米壓痕測(cè)試，試驗(yàn)金屬抗磨自修復(fù)材料潤(rùn)滑下的磨損表面硬度值?？梢钥吹交A(chǔ)硬度3.85GPa 提升至5.97GPa，結(jié)果顯示金屬磨損表面形成了具有較高硬度的表面修復(fù)層，驗(yàn)證了金屬抗磨自修復(fù)材料可以提高抗磨性能。

1.2.3 耐磨性好

圖4是端面摩擦磨損比較試驗(yàn)的過程。反映了金屬抗磨自修復(fù)材料潤(rùn)滑下，坦克機(jī)油于磨損表面形貌SEM 照片。圖5a、圖5b 是采用基礎(chǔ)油潤(rùn)滑時(shí)，磨損表面磨損嚴(yán)重，伴隨著大量深劃痕和粘著現(xiàn)象。圖5c、圖5d 是金屬抗磨自修復(fù)材料潤(rùn)滑下的磨損表面具有平整、劃痕少、磨損輕的特點(diǎn)，體現(xiàn)了良好抗磨性能。

圖5 基礎(chǔ)油潤(rùn)滑與金屬抗磨自修復(fù)材料潤(rùn)滑效果比較示意圖

機(jī)組選擇：安排風(fēng)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)機(jī)組應(yīng)遵循下列原則：應(yīng)選擇主流機(jī)型；風(fēng)電機(jī)組主軸軸承應(yīng)具有在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及在線溫度檢測(cè)系統(tǒng)；應(yīng)選擇至少5臺(tái)，以防止偶然性。

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 數(shù)據(jù)采集

了解電站運(yùn)營(yíng)基本情況以及機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)過去同期3個(gè)月內(nèi)機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)以及最近一次的油脂檢測(cè)結(jié)果，以此作為項(xiàng)目施工前后數(shù)據(jù)的比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 制定項(xiàng)目實(shí)施方案

在機(jī)組主軸承取5瓶1kg 的潤(rùn)滑脂進(jìn)行油品分析化驗(yàn)，并將相關(guān)化驗(yàn)數(shù)據(jù)存檔備案；根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的潤(rùn)滑脂用量加入相對(duì)應(yīng)配比的抗磨納米修復(fù)材料；在研究持續(xù)運(yùn)營(yíng)3個(gè)月達(dá)到穩(wěn)定效果后，再次對(duì)比檢測(cè)3個(gè)月的同工況加注修復(fù)材料效果，經(jīng)雙方確認(rèn)后以此數(shù)據(jù)作為在機(jī)組不更換潤(rùn)滑脂的前提下，本項(xiàng)目的修復(fù)性能及其效果將會(huì)持續(xù)保持。實(shí)時(shí)進(jìn)行效果跟蹤，以此確保效果及數(shù)據(jù)持續(xù)穩(wěn)定，并隨時(shí)根據(jù)項(xiàng)目小組反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要維護(hù)。

性能基礎(chǔ)要求如下：

1.3.2.1 微保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電變速箱一般是緊湊設(shè)計(jì)方式，目的是最大程度減輕塔身上部的重量。齒輪表面通常采用硬化設(shè)計(jì)，一般通過滲碳、氮化、感應(yīng)和火焰淬火等表面硬化處理方式。這樣的處理方式在復(fù)雜的氣候條件和運(yùn)行負(fù)荷下容易產(chǎn)生微點(diǎn)蝕的現(xiàn)象。選用的齒輪潤(rùn)滑必須具有防止此類磨損的功能。一般采用通過抗微點(diǎn)蝕性能測(cè)試來測(cè)量相關(guān)的影響，微點(diǎn)蝕保護(hù)功效高低用高/中/低耐久性來分級(jí)表示，對(duì)保護(hù)功效用數(shù)字來表示，潤(rùn)滑對(duì)微點(diǎn)蝕的保護(hù)要求不小于10級(jí)。

1.3.2.2 抗磨損

當(dāng)齒輪劑的劑膜厚度不足時(shí)，齒輪間的金屬部件直接接觸，磨損將一直持續(xù)以致不得不提早更換齒輪。風(fēng)機(jī)變速箱中的齒輪潤(rùn)滑劑要求一般用失效級(jí)數(shù)(FLS)表示，采用FZG 磨損測(cè)試方法進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)，要求潤(rùn)滑劑抗的擦傷和抗磨損性能失效級(jí)數(shù)大于12。

1.3.2.3 黏溫

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特殊運(yùn)行環(huán)境要求潤(rùn)滑劑必須具有相當(dāng)黏溫性能，從而適應(yīng)濕度、高運(yùn)行強(qiáng)度、極值高溫、低溫等極端運(yùn)行環(huán)境。一般是要求黏度指數(shù)為不小于110。風(fēng)電設(shè)備變速箱用劑中大多采用合成劑，主要是合成潤(rùn)滑劑的黏溫性能。相比較礦物劑基潤(rùn)滑劑可以在不同溫度環(huán)境下保持突出的潤(rùn)滑能力。

1.3.2.4 過濾清潔

主變速箱齒輪劑對(duì)清潔度要求程度高。齒輪劑的過濾性是指在實(shí)際運(yùn)行條件下，齒輪劑通過過濾器并且不堵過濾器的能力[2]。過濾性能界定為微米等級(jí)，2～3μm 的腎形回路過濾器、5μm 主過濾器是風(fēng)電設(shè)備的主流過濾器，有效保護(hù)風(fēng)機(jī)變速箱部件、延長(zhǎng)零部件的使用壽命。

1.3.2.5 抗乳化

變速箱用的齒輪劑必須不易吸水，不允許混入水分。還必須在少量水的情況下仍能給設(shè)備充足的潤(rùn)滑保護(hù)。風(fēng)機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)，變速箱運(yùn)行溫度超過75℃。停止旋轉(zhuǎn)冷卻后從空氣中吸取水分或濕氣，風(fēng)機(jī)里的劑和水不可能完全分離，一些水分不可避免進(jìn)入變速箱?？谷榛阅懿畹凝X輪劑會(huì)因水分的進(jìn)入產(chǎn)生劑泥和水解，從而導(dǎo)致設(shè)備故障[3]。抗乳化性能與分離性能是不可或缺的重要屬性，以抗乳化試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試[4]。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組專用潤(rùn)滑劑（GB/T 33540.1-2017），風(fēng)力發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑劑運(yùn)行檢測(cè)規(guī)程（NB/T 10111—2018）。

2 研究結(jié)果及結(jié)論

風(fēng)機(jī)齒輪箱劑溫降低，表面點(diǎn)蝕、劃痕、摩擦痕修復(fù)，振動(dòng)、噪音降低，軸承運(yùn)行溫度降低，潤(rùn)滑脂使用壽命延長(zhǎng)1倍以上，軸承震動(dòng)頻率幅度減少，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性增加，且不會(huì)對(duì)主軸承潤(rùn)滑脂性能參數(shù)（工作錐入度、腐蝕、防腐蝕和相似粘度等）改變，不會(huì)對(duì)主軸軸承造成不可逆的損傷[5]。

主要技術(shù)指標(biāo)：形成的修復(fù)層厚度≧2μm；風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑劑（脂）摩擦因數(shù)降低50%；風(fēng)機(jī)應(yīng)用摩擦表面硬度提高1～2倍；不解體修復(fù)設(shè)備；延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；增加發(fā)電量1%以上；降低齒輪箱及軸承劑脂溫度5%的目的。

本項(xiàng)目研究對(duì)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、自主創(chuàng)新等方面具有重要意義，且獲得的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。按目前主流1.5兆瓦額定風(fēng)機(jī)機(jī)組，正常情況下由于風(fēng)速變化（3m/s 以下以及3～12m/s、12m/s 以上發(fā)電量有所不同）按照日均發(fā)電量計(jì)算的理論值。如下：

顯性效益：齒輪箱劑溫可降低3℃以上；軸承溫度可降低5℃左右；風(fēng)機(jī)滿發(fā)功率需要的風(fēng)速相應(yīng)降低；以一般陸上風(fēng)電1.5MW 機(jī)組計(jì)算，理論統(tǒng)計(jì)每天可發(fā)電36000度，應(yīng)用修復(fù)劑后每天可至少提升發(fā)電量為1400度電，風(fēng)電標(biāo)桿電價(jià)以0.5元計(jì)算，每臺(tái)風(fēng)機(jī)提高產(chǎn)值為不低于700元/天；(上網(wǎng)電價(jià)北方低于0.5、南方高于0.5，陸上低于0.5、海上大于0.5，平均0.5左右)。

隱性效益：提升低風(fēng)速發(fā)電效率；延長(zhǎng)潤(rùn)滑劑（脂）使用壽命1倍以上；齒輪箱由于磨損造成滲漏劑可得到有效控制；摩擦副點(diǎn)蝕會(huì)得到控制和修復(fù)；齒輪和軸承壽命可延長(zhǎng)一倍以上；風(fēng)機(jī)震動(dòng)可得到減緩；風(fēng)機(jī)維保費(fèi)用和相應(yīng)勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)減少；延長(zhǎng)機(jī)組正常使用周期。