鐵譜分析技術在風電的應用

【摘 ?要】風電機組運行環境惡劣，工況復雜多變，故障維修困難，費用高昂。鐵譜技術是設備磨損監測的重要方法，能有效地監測風機齒輪箱磨損狀況，為日常維護與故障維修工作提供依據。

【關鍵詞】鐵譜分析;風機齒輪箱;磨損故障;監測

1 鐵譜分析技術介紹

鐵譜分析技術是20世紀70年代發明起來的一種機械磨損測試方法，近二十年來發展非常快，應用行業不斷擴大，目前已成為機械故障診斷技術中非常重要的方法了。鐵譜儀是利用高強度磁場，潤滑油經稀釋后在沿傾斜放置的玻璃片上流過，該玻璃片放置在磁場上方，在磁場力、重力、油內摩擦力的共同作用下，潤滑油里的鐵磁性磨屑有規律地在玻璃片上沉積，制成譜片，能夠有效收集到1～200μm金屬顆粒。利用鐵譜顯微鏡或電子顯微鏡對譜片上的磨屑進行觀察，根據磨粒的形態、顏色及尺寸等，與之相關的磨損類型、磨損進程，有非常密切關系。鐵譜技術在診斷設備磨損故障發生的部位、嚴重程度、發展趨勢及產生的原因等方面能發揮作用，并能準確判斷機器部件的磨損類型和磨損程度。通過裝置在顯微鏡上的光密度計對譜片上不同位置處的磨屑覆蓋面積進行讀數，對譜片上的磨粒按大小分類進行定量分析，也可用計算機對磨屑進行圖像處理，以獲取磨屑外形的幾何參數。

鐵譜儀根據其工作方式的不同，主要分為直讀式鐵譜儀、分析式鐵譜儀，實驗室常見應用以分析式鐵譜為主。

分析式鐵譜儀工作原理：油液被稀釋后在自身重力下直接通過薊型玻璃導管，緩慢流過鐵譜基片;油樣中所有鐵磁性顆粒在磁場及重力作用下，沉積到鐵譜基片上，經徹底沖洗、烘干，制作好的譜片。譜片經雙色顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）上進行形貌、大小、數量和成分的觀察，分別記錄小顆粒（AS）和大顆粒（AL）的數量、種類、磨損類型，并以AS和AL為基礎，進而對相應相關設備磨損狀態診斷。

分析式鐵譜儀有如下特點：

①提供的信息豐富，不僅能提供關于磨損程度的信息，而且通過對磨屑形貌及其成份的觀察，還能提供設備磨損發生機理及發生部位的信息。

②制譜過程較慢，制作一個完整的譜片約需半個小時，且制譜實驗要求嚴格，需要依賴有一定經驗工作人員操作、判斷。

2 磨損類型分析

風電機組容易造成磨損的部件主要有增速齒輪組、偏航齒輪組、變槳齒輪組，需要重點定期監測的設備主要是雙饋風電機組的增速齒輪箱，風電齒輪箱內部的主要零部件為軸承及齒輪，根據磨損原因的不同，主要為粘著磨損、磨料磨損、疲勞磨損三種類型。不同類型磨損及特點見下表：

3 鐵譜技術在風電潤滑磨損監測中的應用

風電場的風機大多設在高山、戈壁、海上，運行條件十分惡劣，通常伴隨有風沙、鹽霧、潮濕、嚴寒、高溫、臺風、冰雪等嚴酷環境，強陣風，湍流、切變等復雜多變的風況，功率和載荷時常變化、不規律，齒輪箱作為風電機組的增速部件，是風機最主要的部件之一。齒輪箱出現故障約占風機故障總數的30%，一旦出現故障，費用非常昂貴.如何有效地監測風機齒輪箱磨損狀況，做好日常維護與故障維修工作，就顯得十分重要了。

以下以我公司某風電場C1風機為例，闡述鐵譜技術在風機上的應用。某風電場C1風機為金風科技750KW機型，已并網運行11年，齒輪箱為重慶齒輪箱廠，型號FL800A，一級平行軸，二級斜齒傳動，齒輪傳動比率為1：67，里面的摩擦副主要有齒輪和軸承。實驗室檢測風機相應時期的鐵含量和油品污染度數據，并對鐵含量大于50ppm樣品做鐵譜技術分析。光譜鐵含量分析及油品污染等級數據如下：

在對某風電場C1風機在用油質量連續監測過程中，前三次的鐵含量及污染度都是在較低水平，到了第四次以后顯著增大，第五次的數據遠超過警告值，風電場運維人員采用更換過濾器濾芯等措施，第六次取樣的測得數據還是比較大，并且是大顆粒增加比較多。分別對第5、第6次油樣做鐵譜分析，典型圖譜如下：

鐵譜圖譜顯示，第5次油樣的磨粒非常多，第6次磨粒變大，顏色部分變藍，設備磨損在較短時間內顯著加劇，齒輪箱設備已產生嚴重的滑動磨損和疲勞磨損，并且有瞬時高溫情況。運維人員做內窺鏡檢查齒輪箱發現，齒輪的齒面已產生較嚴重的疲勞磨損和擦傷，同鐵譜分析結果一致。下圖為內窺鏡檢查相片：

4 總結

風力發電機行業近幾年發展較快，大多風電場的設備還在正常磨損期階段，對設備磨損監測還沒引起普遍重視，對設備磨損的危害還是認識不夠。做好科學運維，有效延長風機的使用壽命，做好定期風電齒輪箱油品質量和設備磨損監測工作，對出現異常的情況及早查清原因，做好整改措施，防止情況進一步惡化。對具體出現的異常磨損的部件排查油品質量、設備材料、加工裝配等問題，爭取早期科學處理，防止設備磨損加劇，避免引起更大的故障。

參考文獻：

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（作者單位：華潤電力技術研究院有限公司）