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  • 研發以潤滑油脂為載體的有效分子

    2017-07-12 23:35:51 21

    摘要:隨著風能發展,風力發電機組的運行維護問題開始日益凸顯,據報道有超過65%的風機故障是由于設備部件的潤滑和疲勞形成的磨損所致。傳統潤滑劑可以改善磨損,但難以對已形成的磨損進行重塑和修復,以德國瑞威泰?公司為代表的少數企業,目前已有成功研制出以硅酸鹽為有效成分磨損自修復材料,其有效成分可通過潤滑劑為載體作用在金屬表面發生化學反應,重塑金屬表面的摩擦條件,得到超光滑、耐磨損的新保護層,達到延長齒輪箱、軸承至少15%的使用壽命,同時大幅度提供這些部件的綜合性能和可靠性。該技術對風電廠的運維有著重要的經濟效益。

    環保設備廠家

    近年來,風能行業在中國發展迅猛,風能發展較早的歐美等國家的經驗,在風機運行3-5年后,風力發電機開始進入一個故障多發期,其關鍵部件如齒輪箱、發電機等開始集中出現不同程度的問題。分析故障的成因可發現,超過65%是由于潤滑和疲勞導致的部件磨損所致。金屬與金屬在接觸應力的運動過程中,會由于接觸面的疲勞形成細小裂紋、微點蝕,進而擴展指金屬剝落等更大的磨損。有時也會因為局部油溫過高,接觸區域出現大面積粘結的膠合現象。
    合理的潤滑可以延緩齒輪、軸承等重要的風機部件的失效,目前很多著名的潤滑油企業為了提高磨損和老化部件表面光滑度,都在積極研發有針對性的添加劑。如,Lubrication Engineers (Monolec? and Duolec?), BP Castrol (TGOA? and MicroFlux Trans?), Whitmores (Eutectic?) and Schaeffer ManufacturingCo.(Micro Moly?),他們用有機金屬氧化層的配方策略取代了傳統的硫-硼酸 EP化合物,但是仍然達不到對已有磨損的重塑和修復效果。
    目前一些公司從綜合考慮改善原表面的摩擦特性著手,研發以潤滑油脂為載體的有效分子。納米技術的發展,使得這種技術成為了可能。納米尺度的精細有效分子作用到金屬表面發生物理化學反應生成新的保護層,達到重塑原表面摩擦特性、改善金屬腐蝕等功效。這種對金屬表面特性進行精細再造的特殊添加劑,屬于非常有價值的先進科技,特別是對于高精密度機器和因磨損磨損造成平均使用壽命偏短的機器部件尤其有經濟效益。此外,這種技術甚至對潤滑油不能迅速解決的緊急情況起到應急效果。
    含硅酸鹽的納米自修復劑
    通過機器油箱中現成的潤滑油脂,將以硅酸鹽為主要成分的磨損自修復材料作用到原來的金屬表面,就像抗生素隨著血液流到身體特定部位來治療疾病一樣。德國瑞威泰?就是這種技術的成熟代表性產品,其在機器摩擦的金屬表面形成一層“金屬陶瓷”保護層,改變了原表面的表面粗糙結構。該金屬陶瓷層類似于高硬度和耐磨損的陶瓷表面,相較于原先的金屬摩擦表面,更光滑、更耐磨損,更抗氧化腐蝕??梢杂行а娱L機械部件至少15%的生命周期,減少50%的維修和更換頻次,提供部件的綜合效率。
    瑞威泰?有效成分為多種硅酸鹽。該成分通過潤滑油/潤滑脂被作用于機器(如齒輪箱、軸承和發動機)中,在機器運轉時的高溫高壓條件下發生化學反應。此類活性硅酸鹽原子和金屬表面的金屬原子結合,形成類似陶瓷的金屬-硅酸鹽層,具體見圖1。
    這種金屬磨損修復技術可以延長機械部件至少15%的生命周期,減少50%維修和更換頻次。 隨著我國大型特大型風電場的陸續投產建成,以目前主流的1.5MW風力發電機為例,每臺風機齒輪箱更換或大修頻次為0.03次/年/臺,平均費用約120萬元,且停機待修需至少10個工作日。 減少50%大修或更換平率即可節省維修費1.8萬元/臺/年,以及延長使用壽命的發電收益(1.5WM風機理論年發電收益約為150萬/年),可見風力發電機如選擇了正確的維護品僅一年所帶來經濟效益就相當可觀。
    下面圖組(圖2)展對三臺風力發電機齒輪箱使用瑞威泰?前后的齒表面修復狀況的對比。從照片上可以發現肉眼可見的顯著改善,原本已受損的表面變得更為光潔平整。
    對被修復的表面拍攝切片電鏡照片,可以在原金屬表面觀察到最高可達30微米厚的新的金屬陶瓷層。再利用MuSurf(μSurf) Topometry三維表面形貌儀觀察儀對表面粗糙度進行觀察分析,不難發現使用瑞威泰?后,表面光滑度大幅度提升(使用瑞威泰?運行250小時后進行對比)。此外,摩擦參數的測算得出,使用瑞威泰?后的表面摩擦參數下降至少65%。
    除了現代影像技術所觀察到的磨損修復變化,還可以根據應力加速試驗檢測來測試瑞威泰?的效果。應力加速試驗檢測是備受推薦的用于檢測表面接觸能的測試,表面接觸能是由不良的潤滑油膜、粗糙的表面和表面裂紋產生的。圖5所示數據中,首次測量時間是2011年五月中旬(未使用瑞威泰?產品),第二次測量使用含有瑞威泰?的潤滑脂并運行設備2個月后,即2011年7月中旬。兩次測量時的運轉負載和速度相同。從圖5的數據曲線可明顯發現接觸能在使用瑞威泰?前后的改變,此外圖6的振動數據也說明了使用瑞威泰?產品前后振動情況的改善。
    德國Tnadler齒輪箱公司出具的報告顯示,使用瑞威泰?產品后的齒輪箱油溫平均可下降6-10度。當齒輪負荷增大,摩擦產生的熱量會使油溫升溫快,從而加速潤滑油膜的破壞,降低潤滑油的油溫對防止局部油溫過高而造成的膠合損傷有著重要意義。
    日本TNT軸承公司進行的軸承極限負荷測試說明了瑞威泰?能夠在極端負荷的條件下,讓軸承繼續保持正常運作,相較與沒有使用REWITEC的產品可以正常運行近3倍的時間。該測試的條件為:TNT軸承型號81105,潤滑劑為潤滑脂,負載力20000牛頓。沒使用瑞威泰?的軸承在極限負載的情況下僅運行了43分鐘,而使用了瑞威泰?的軸承在極限負載下運行了120分鐘。這一點對于機械部件在潤滑劑缺失等極端條件下應急運行尤為重要,在一定程度上可以延緩需更換部件的極限運行時間,為企業用戶備件提供時間,最大限度減小誤工造成的損失。
    總結金屬磨損自修復并不是新的概念,它源自于20多年前的俄羅斯的軍方技術,其主張的通過修復和精細再造超潤滑表面的理論在當時受到冷視,部分原因是因為早期的有效分子顆粒尺度較大,反應程度不理想而有殘留從而堵塞油道或造成更嚴重的顆粒磨損;也因為當時測試能力有限,難以觀察到這種通過重塑表面特性帶來改善磨損的功效;再者是因為潤滑油脂企業的競爭關系,使得這種技術在早期發展有限。
    但是現在,隨著納米技術的發展,這種能與金屬發生反應的硅酸鹽成分可達到超小尺度,從而解決了對設備過濾器和油道的負面影響;同時因為納米技術的微量效應,相較與潤滑油脂的使用量,其極小的使用量也不會對潤滑油脂本身帶來不良反應,以及應力加速試驗和直觀的映像等觀察測試手段的發展,為金屬自修復技術改善摩擦表面提供了一系列科學證據。
    目前德國瑞威泰?公司的產品在歐洲風力發電機組的維護產品中占有超過12%的市場份額,已經受到如CSO ENERGY, GLS Bank, wpd等風力發電機專業維護公司和風機保險公司的特別推薦,用于作為風力發電機組的延壽和提供綜合效率的養護品。不可否認,這種通過硅酸鹽成分的納米成分和金屬作用產生改善摩擦磨損的效果是顯著的。其在一定程度上降低了表面粗糙度和機器運轉壓力,從而延長機器部件的生命周期,對那些提前進入老化期的重要部件起到了積極效果,是風力發電機齒輪箱、軸承維護保養的可行方案,同時可在一定程度上充當應急方案,為齒輪或軸承臨近生命周期且無備件時,降低風機停運帶來的發電收益損失。
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