摘要：隨著風(fēng)能發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)問題開始日益凸顯，據(jù)報(bào)道有超過65%的風(fēng)機(jī)故障是由于設(shè)備部件的潤滑和疲勞形成的磨損所致。傳統(tǒng)潤滑劑可以改善磨損，但難以對(duì)已形成的磨損進(jìn)行重塑和修復(fù)，以德國瑞威泰?公司為代表的少數(shù)企業(yè)，目前已有成功研制出以硅酸鹽為有效成分磨損自修復(fù)材料，其有效成分可通過潤滑劑為載體作用在金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，重塑金屬表面的摩擦條件，得到超光滑、耐磨損的新保護(hù)層，達(dá)到延長齒輪箱、軸承至少15%的使用壽命，同時(shí)大幅度提供這些部件的綜合性能和可靠性。該技術(shù)對(duì)風(fēng)電廠的運(yùn)維有著重要的經(jīng)濟(jì)效益。
近年來，風(fēng)能行業(yè)在中國發(fā)展迅猛，風(fēng)能發(fā)展較早的歐美等國家的經(jīng)驗(yàn)，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行3-5年后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)開始進(jìn)入一個(gè)故障多發(fā)期，其關(guān)鍵部件如齒輪箱、發(fā)電機(jī)等開始集中出現(xiàn)不同程度的問題。分析故障的成因可發(fā)現(xiàn)，超過65%是由于潤滑和疲勞導(dǎo)致的部件磨損所致。金屬與金屬在接觸應(yīng)力的運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)由于接觸面的疲勞形成細(xì)小裂紋、微點(diǎn)蝕，進(jìn)而擴(kuò)展指金屬剝落等更大的磨損。有時(shí)也會(huì)因?yàn)榫植坑蜏剡^高，接觸區(qū)域出現(xiàn)大面積粘結(jié)的膠合現(xiàn)象。
合理的潤滑可以延緩齒輪、軸承等重要的風(fēng)機(jī)部件的失效，目前很多著名的潤滑油企業(yè)為了提高磨損和老化部件表面光滑度，都在積極研發(fā)有針對(duì)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(jī)金屬氧化層的配方策略取代了傳統(tǒng)的硫-硼酸 EP化合物，但是仍然達(dá)不到對(duì)已有磨損的重塑和修復(fù)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(fā)以潤滑油脂為載體的有效分子。納米技術(shù)的發(fā)展，使得這種技術(shù)成為了可能。納米尺度的精細(xì)有效分子作用到金屬表面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)生成新的保護(hù)層，達(dá)到重塑原表面摩擦特性、改善金屬腐蝕等功效。這種對(duì)金屬表面特性進(jìn)行精細(xì)再造的特殊添加劑，屬于非常有價(jià)值的先進(jìn)科技，特別是對(duì)于高精密度機(jī)器和因磨損磨損造成平均使用壽命偏短的機(jī)器部件尤其有經(jīng)濟(jì)效益。此外，這種技術(shù)甚至對(duì)潤滑油不能迅速解決的緊急情況起到應(yīng)急效果。
含硅酸鹽的納米自修復(fù)劑
通過機(jī)器油箱中現(xiàn)成的潤滑油脂，將以硅酸鹽為主要成分的磨損自修復(fù)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(shù)的成熟代表性產(chǎn)品，其在機(jī)器摩擦的金屬表面形成一層“金屬陶瓷”保護(hù)層，改變了原表面的表面粗糙結(jié)構(gòu)。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(jī)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(jī)器（如齒輪箱、軸承和發(fā)動(dòng)機(jī)）中，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的高溫高壓條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此類活性硅酸鹽原子和金屬表面的金屬原子結(jié)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(fù)技術(shù)可以延長機(jī)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(fēng)電場的陸續(xù)投產(chǎn)建成，以目前主流的1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，每臺(tái)風(fēng)機(jī)齒輪箱更換或大修頻次為0.03次/年/臺(tái)，平均費(fèi)用約120萬元，且停機(jī)待修需至少10個(gè)工作日。 減少50%大修或更換平率即可節(jié)省維修費(fèi)1.8萬元/臺(tái)/年，以及延長使用壽命的發(fā)電收益（1.5WM風(fēng)機(jī)理論年發(fā)電收益約為150萬/年），可見風(fēng)力發(fā)電機(jī)如選擇了正確的維護(hù)品僅一年所帶來經(jīng)濟(jì)效益就相當(dāng)可觀。
下面圖組（圖2）展對(duì)三臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱使用瑞威泰?前后的齒表面修復(fù)狀況的對(duì)比。從照片上可以發(fā)現(xiàn)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(duì)被修復(fù)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(dá)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(duì)表面粗糙度進(jìn)行觀察分析，不難發(fā)現(xiàn)使用瑞威泰?后，表面光滑度大幅度提升（使用瑞威泰?運(yùn)行250小時(shí)后進(jìn)行對(duì)比）。此外，摩擦參數(shù)的測算得出，使用瑞威泰?后的表面摩擦參數(shù)下降至少65%。
除了現(xiàn)代影像技術(shù)所觀察到的磨損修復(fù)變化，還可以根據(jù)應(yīng)力加速試驗(yàn)檢測來測試瑞威泰?的效果。應(yīng)力加速試驗(yàn)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(chǎn)生的。圖5所示數(shù)據(jù)中，首次測量時(shí)間是2011年五月中旬（未使用瑞威泰?產(chǎn)品），第二次測量使用含有瑞威泰?的潤滑脂并運(yùn)行設(shè)備2個(gè)月后，即2011年7月中旬。兩次測量時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)載和速度相同。從圖5的數(shù)據(jù)曲線可明顯發(fā)現(xiàn)接觸能在使用瑞威泰?前后的改變，此外圖6的振動(dòng)數(shù)據(jù)也說明了使用瑞威泰?產(chǎn)品前后振動(dòng)情況的改善。
德國Tnadler齒輪箱公司出具的報(bào)告顯示，使用瑞威泰?產(chǎn)品后的齒輪箱油溫平均可下降6-10度。當(dāng)齒輪負(fù)荷增大，摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)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(duì)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(jìn)行的軸承極限負(fù)荷測試說明了瑞威泰?能夠在極端負(fù)荷的條件下，讓軸承繼續(xù)保持正常運(yùn)作，相較與沒有使用REWITEC的產(chǎn)品可以正常運(yùn)行近3倍的時(shí)間。該測試的條件為：TNT軸承型號(hào)81105，潤滑劑為潤滑脂，負(fù)載力20000牛頓。沒使用瑞威泰?的軸承在極限負(fù)載的情況下僅運(yùn)行了43分鐘，而使用了瑞威泰?的軸承在極限負(fù)載下運(yùn)行了120分鐘。這一點(diǎn)對(duì)于機(jī)械部件在潤滑劑缺失等極端條件下應(yīng)急運(yùn)行尤為重要，在一定程度上可以延緩需更換部件的極限運(yùn)行時(shí)間，為企業(yè)用戶備件提供時(shí)間，最大限度減小誤工造成的損失。
總結(jié)金屬磨損自修復(fù)并不是新的概念，它源自于20多年前的俄羅斯的軍方技術(shù)，其主張的通過修復(fù)和精細(xì)再造超潤滑表面的理論在當(dāng)時(shí)受到冷視，部分原因是因?yàn)樵缙诘挠行Х肿宇w粒尺度較大，反應(yīng)程度不理想而有殘留從而堵塞油道或造成更嚴(yán)重的顆粒磨損；也因?yàn)楫?dāng)時(shí)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?yàn)闈櫥椭髽I(yè)的競爭關(guān)系，使得這種技術(shù)在早期發(fā)展有限。
但是現(xiàn)在，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，這種能與金屬發(fā)生反應(yīng)的硅酸鹽成分可達(dá)到超小尺度，從而解決了對(duì)設(shè)備過濾器和油道的負(fù)面影響；同時(shí)因?yàn)榧{米技術(shù)的微量效應(yīng)，相較與潤滑油脂的使用量，其極小的使用量也不會(huì)對(duì)潤滑油脂本身帶來不良反應(yīng)，以及應(yīng)力加速試驗(yàn)和直觀的映像等觀察測試手段的發(fā)展，為金屬自修復(fù)技術(shù)改善摩擦表面提供了一系列科學(xué)證據(jù)。
目前德國瑞威泰?公司的產(chǎn)品在歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)產(chǎn)品中占有超過12%的市場份額，已經(jīng)受到如CSO ENERGY， GLS Bank， wpd等風(fēng)力發(fā)電機(jī)專業(yè)維護(hù)公司和風(fēng)機(jī)保險(xiǎn)公司的特別推薦，用于作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的延壽和提供綜合效率的養(yǎng)護(hù)品。不可否認(rèn)，這種通過硅酸鹽成分的納米成分和金屬作用產(chǎn)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(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，從而延長機(jī)器部件的生命周期，對(duì)那些提前進(jìn)入老化期的重要部件起到了積極效果，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱、軸承維護(hù)保養(yǎng)的可行方案，同時(shí)可在一定程度上充當(dāng)應(yīng)急方案，為齒輪或軸承臨近生命周期且無備件時(shí)，降低風(fēng)機(jī)停運(yùn)帶來的發(fā)電收益損失。-
上虞風(fēng)機(jī)
