金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用

摘 要：針對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中存在機(jī)械磨損造成機(jī)械漏油、傳動(dòng)部位內(nèi)阻逐步加大、日常維護(hù)量增大、發(fā)電效率下降等問題，運(yùn)用金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)，主要成分為人工合成羥基硅酸鎂，該技術(shù)旨在解決機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中不解體對摩擦副磨損表面進(jìn)行原位自修復(fù)，在摩擦副運(yùn)動(dòng)條件形成金屬陶瓷改性層，達(dá)到使齒輪箱齒面及軸承表面的自我修復(fù)、延長機(jī)組使用壽命、提高機(jī)組平均發(fā)電量、控制齒輪箱潤滑油及軸承溫升等目的。實(shí)際使用結(jié)果表明，該技術(shù)的應(yīng)用可為企業(yè)帶來良好的設(shè)備維護(hù)及增加經(jīng)濟(jì)效益，值得大力推廣。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；抗磨；羥基硅酸鎂；磨損自修復(fù)

中圖分類號：TH133；TQ127.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0132-04

Application of metal nanometer wear resistance andself repair technology in wind turbines

MIAO Baoping，LI Guanping，GAO Ruilin，F(xiàn)AN Zhenhai，ZHANG Lei

（Inner Mongolia Branch of China Guangdong Nuclear New Energy Investment（Shenzhen）Co.，Ltd.，Huhehaote 010020，China）

Abstract：In view of the problems such as mechanical oil leakage caused by mechanical wear during the operationof wind turbine，gradual increase in internal resistance of transmission parts，increase in daily maintenance，and de?crease in power generation efficiency，the metal nano anti-wear self-repair technology was used，which was mainlycomposed of synthetic magnesium hydroxysilicate. This technology aims to solve the problem of in-situ self-healingof worn surfaces of friction pairs without disassembly of mechanical equipment during operation，and form a cermetmodified layer under the movement condition of the friction pair，so as to achieve the purpose of self-repairing thetooth surface and bearing surface of the gearbox，prolonging the service life of the unit，improving the average powergeneration of the unit，and controlling the temperature rise of the gearbox lubricating oil and bearing. The actual useresults indicate that the application of this technology can bring good equipment maintenance and efficiency enhanc?ing economic benefits to enterprises，and is worth vigorously promoting.

Key words：wind turbines；anti wear；magnesium hydroxysilicate；wear self repair

近年來，隨著我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)量越來越大，風(fēng)能這種清潔能源得到了廣泛利用 [1] 。然而，風(fēng)電機(jī)組大多運(yùn)行在惡劣的環(huán)境下，機(jī)械零部件的磨損等問題會造成設(shè)備的損傷 [2] 。尤其是齒輪箱如果出現(xiàn)故障，會影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行效率 [3] 。金屬抗磨納米材料自修復(fù)節(jié)能增效技術(shù)（又稱金屬抗磨修復(fù)劑）是一項(xiàng)世界領(lǐng)先，國內(nèi)外唯一采用人工合成羥基硅酸鎂為主要成分，在摩擦副運(yùn)動(dòng)條件形成金屬陶瓷改性層的高新技術(shù)，該技術(shù)旨在解決機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中：不解體對摩擦副磨損表面進(jìn)行原位自修復(fù) [4-5] 。針對目前風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中存在的問題，通過金屬抗磨納米材料自修復(fù)節(jié)能增效技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)應(yīng)用推廣的可行性和必要性入手，重點(diǎn)介紹了該技術(shù)的自修復(fù)機(jī)理及特點(diǎn)。

1 金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)

金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用以設(shè)備潤滑介質(zhì)（油或脂）為載體，在特定的機(jī)械潤滑摩擦條件下，在設(shè)備摩擦副基體的磨損表面生成一層金屬陶瓷保護(hù)層，因該保護(hù)層摩擦系數(shù)極低且硬度極高、不易脫落，從而大大減緩了摩擦副的磨損，達(dá)到了對設(shè)備摩擦副抗磨減摩的永久保護(hù)效果 [6-7] 。同時(shí)，因減少了摩擦功的能量損失，對設(shè)備的運(yùn)行也起到了一定節(jié)能增效的效果。該技術(shù)基于磨損的自修復(fù)，從使用材料應(yīng)用到形成金屬陶瓷改性層可分為3個(gè)階段：第1階段，超細(xì)研磨。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩物體表面的凹凸部分會進(jìn)行相互摩擦，對羥基硅酸鎂自修復(fù)材料進(jìn)行研磨，在高溫高壓作用下發(fā)生反應(yīng)，在摩擦副表面形成耐磨改性層。第2階段，吸附清理。羥基硅酸鎂自修復(fù)材料具有較強(qiáng)的吸附滲透能力，表面凹坑處存留的污染物被磷酸鹽玻璃體清除，并由被研磨細(xì)化和燒結(jié)融溶狀的羥基硅酸鎂自修復(fù)材料細(xì)粒填充。第3階段，表面修復(fù)。由羥基硅酸鎂自修復(fù)材料通過吸附滲透，利用摩擦功能，在催化劑、活化劑的作用下，大量金屬陶瓷晶體構(gòu)成耐磨改性層 [8-9] 。

金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)的顯著特點(diǎn)：基于設(shè)備的抗磨減摩特效可大幅延長設(shè)備使用壽命和降低運(yùn)行能耗、降低設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)和噪聲、并能使因磨損造成的滲漏油及時(shí)止漏、大幅提高設(shè)備工作精度。

2 金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)應(yīng)用

為驗(yàn)證金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用效果，在某風(fēng)電企業(yè)5臺風(fēng)電機(jī)組05#、10#、21#、28#、35#齒輪箱添加金屬納米修復(fù)材料，機(jī)組連續(xù)3個(gè)月不停機(jī)正常運(yùn)行，調(diào)取5臺機(jī)組加注金屬納米修復(fù)材料前后3個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)對比分析，并且同時(shí)調(diào)取5臺機(jī)組相鄰機(jī)組04#、09#、22#、27#、49#同期運(yùn)行數(shù)據(jù)對比分析。運(yùn)行數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、發(fā)電量、有功功率、齒輪箱油溫度、齒輪箱前后軸承溫度、內(nèi)窺鏡報(bào)告、油樣化驗(yàn)報(bào)告，最終得出加注金屬納米材料前后設(shè)備數(shù)據(jù)變化規(guī)律。

2. 1 齒輪箱運(yùn)行溫升的統(tǒng)計(jì)

考慮在過低風(fēng)速及風(fēng)向突變或風(fēng)力突變的情況下，無法對功率變化及齒輪箱和齒輪箱軸承溫度的變化進(jìn)行有效分析，僅對連續(xù)情況下的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析對比。另外從各機(jī)組的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，一般平均風(fēng)速到9 m/s時(shí)各機(jī)組基本上都達(dá)到了接近高發(fā)的功率，因此，數(shù)據(jù)結(jié)果僅基于處于平均風(fēng)速3 m/s至9 m/s間的數(shù)據(jù)作出統(tǒng)計(jì)分析。另外，考慮環(huán)境溫度對設(shè)備運(yùn)行溫度有一定影響，風(fēng)場加注前3個(gè)月平均氣溫在-8～3 ℃，加注后平均氣溫在-5～9 ℃，比參照這2個(gè)月實(shí)施應(yīng)用納米抗磨修復(fù)技術(shù)前后機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。運(yùn)行對比結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在平均環(huán)境溫度加注后比加注前高3～4 ℃情況下，各機(jī)組的平均油溫和前后軸承溫度對比得出：5#、21#、28#、35#機(jī)組應(yīng)用金屬納米修復(fù)技術(shù)后在平均同風(fēng)速情況下，溫升呈現(xiàn)不升反降的趨勢，說明齒輪箱摩擦副摩擦阻力降低，金屬納米修復(fù)技術(shù)有降低設(shè)備運(yùn)行溫升的效果。

2. 2 發(fā)電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)相鄰機(jī)組在同風(fēng)速等工況相對一致情況下對比分析，分別對5#（加注機(jī)組）與4#、21#（加注機(jī)組）與22#、35#（加注機(jī)組）與49#在相同工況下統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果如表2～表4所示。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，加注后5#比相鄰對照機(jī)組4#機(jī)組發(fā)電量平均提升2.6%。

從表3數(shù)據(jù)可以看出，加注后21#比相鄰對照機(jī)組22#機(jī)組發(fā)電量平均提升6.9%。

從表4數(shù)據(jù)可以看出，加注后35#比相鄰對照機(jī)組49#機(jī)組發(fā)電量平均提升5.9% 2. 3 低風(fēng)速條件下發(fā)電效率對比為驗(yàn)證金屬抗磨納米材料自修復(fù)節(jié)能增效技術(shù)在低風(fēng)速條件下發(fā)電有功功率的變化，應(yīng)用機(jī)組加注前后3個(gè)月小于4 m/s風(fēng)速下的有功功率變化情況。以5號機(jī)組為例，運(yùn)行數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可知，應(yīng)用抗磨修復(fù)技術(shù)機(jī)組前后3個(gè)月0～4 m/s風(fēng)速風(fēng)況下有功功率對比得出：應(yīng)用修復(fù)技術(shù)機(jī)組具有提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速下有功功率，機(jī)組的低風(fēng)速發(fā)電效率能夠得到有效提高。

2. 4 內(nèi)窺鏡檢查

以35#機(jī)組為例，通過某公司檢修中心應(yīng)用前后內(nèi)窺鏡結(jié)果進(jìn)行對比分析，加注前風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)如圖1所示。

由圖1可以看出，內(nèi)齒圈齒面磨損、壓痕明顯；行星齒齒面壓痕較重；中間級齒面、高速級齒面嚙合處壓痕較重；高速級電機(jī)側(cè)軸承滾動(dòng)體磨損；行星輪保持架葉片側(cè)軸承外環(huán)擋板斷裂。以上狀態(tài)需密切關(guān)注，齒輪箱需要限負(fù)荷運(yùn)行。

加注后風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)如圖2所示。

通過35#機(jī)組齒輪箱應(yīng)用金屬納米金屬抗磨自修復(fù)技術(shù)可見，加注后內(nèi)窺鏡檢查齒輪箱、軸承及平行級各齒面、嚙合面的工作齒面劃痕、點(diǎn)蝕、球軸承滾子表面點(diǎn)蝕、亮斑、軸承端面劃痕、內(nèi)圈滾道劃痕、點(diǎn)蝕有明顯的改善，而且在齒輪齒面和軸承滾動(dòng)體明顯眼觀到一層霧狀平滑物修復(fù)改性層，說明修復(fù)后的齒輪、軸承等耐磨耐久性顯著提高。

2. 5 油品檢測

通過某公司檢修中心油品實(shí)驗(yàn)室對應(yīng)用機(jī)組加注前后的潤滑油基本指標(biāo)的檢測來判斷應(yīng)用金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)的效果情況。以10#機(jī)組為例，油品檢測結(jié)果見表6。

通過5#、10#、35#機(jī)組齒輪箱應(yīng)用金屬納米金屬抗磨自修復(fù)技術(shù)前后齒輪油檢測可見，PQ指數(shù)均在規(guī)范范圍內(nèi)，且在加注應(yīng)用后數(shù)據(jù)呈降低趨勢，說明齒輪油中大顆粒磁性物質(zhì)變少。通過元素分析，F(xiàn)e元素含量也呈穩(wěn)定降低趨勢，金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)對油液中的金屬元素進(jìn)行了利用，隨著修復(fù)層形成，PQ值和鐵元素會長期保持在較低水平，說明應(yīng)用后摩擦副磨損率呈下降趨勢。通過運(yùn)動(dòng)黏度40 ℃指標(biāo)表明，加注金屬納米抗磨自修復(fù)劑不改變油品的理化指標(biāo)，不跟油品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，安全有效。

3 結(jié)語

為解決風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中存在機(jī)械磨損造成機(jī)械漏油、傳動(dòng)部位內(nèi)阻逐步加大、日常維護(hù)量增大、發(fā)電效率下降等問題，應(yīng)用金屬納米抗磨自修復(fù)技術(shù)。通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱應(yīng)用金屬納米抗磨修復(fù)技術(shù)后，由于摩擦副表面修復(fù)形成金屬陶瓷層，摩擦系數(shù)顯著降低，表面硬度充分提升，摩擦副耐磨效果明顯，可以促進(jìn)機(jī)組更加安全穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性增加，提升設(shè)備可利用小時(shí)，并降低齒輪箱油溫及軸承運(yùn)行溫升；風(fēng)機(jī)滿發(fā)功率需要的風(fēng)速相應(yīng)降低；提升低風(fēng)速發(fā)電效率；延長潤滑油（脂）使用壽命；摩擦副點(diǎn)蝕、劃痕、磨損等會得到控制和修復(fù)；延長齒輪和軸承壽命物理和修理周期，減少停工損失，風(fēng)機(jī)齒輪箱的機(jī)械效率顯著提高，是一項(xiàng)風(fēng)電機(jī)組能夠有效降低運(yùn)維成本、提高資產(chǎn)效能的技術(shù)手段，具有較好的推廣價(jià)值。

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