研發(fā)以潤滑油脂為載體的有效分子
2017-07-12 23:35:51
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摘要：隨著風(fēng)能發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組的運行維護問題開始日益凸顯，據(jù)報道有超過65%的風(fēng)機故障是由于設(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，但難以對已形成的磨損進行重塑和修復(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(shù)對風(fēng)電廠的運維有著重要的經(jīng)濟效益。
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，在風(fēng)機運行3-5年后，風(fēng)力發(fā)電機開始進入一個故障多發(fā)期，其關(guān)鍵部件如齒輪箱、發(fā)電機等開始集中出現(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(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(tǒng)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(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(jīng)濟效益。此外，這種技術(shù)甚至對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(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(fā)動機）中，在機器運轉(zhuǎn)時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)電機為例，每臺風(fēng)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(jié)省維修費1.8萬元/臺/年，以及延長使用壽命的發(fā)電收益（1.5WM風(fēng)機理論年發(fā)電收益約為150萬/年），可見風(fēng)力發(fā)電機如選擇了正確的維護品僅一年所帶來經(jīng)濟效益就相當(dāng)可觀。
下面圖組（圖2）展對三臺風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱使用瑞威泰?前后的齒表面修復(fù)狀況的對比。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(fā)現(xiàn)使用瑞威泰?后，表面光滑度大幅度提升（使用瑞威泰?運行250小時后進行對比）。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)力加速試驗檢測來測試瑞威泰?的效果。應(yīng)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(chǎn)生的。圖5所示數(shù)據(jù)中，首次測量時間是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?的潤滑脂并運行設(shè)備2個月后，即2011年7月中旬。兩次測量時的運轉(zhuǎn)負載和速度相同。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的振動數(shù)據(jù)也說明了使用瑞威泰?產(chǎn)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(chǎn)品后的齒輪箱油溫平均可下降6-10度。當(dāng)齒輪負荷增大，摩擦產(chǎn)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(xù)保持正常運作，相較與沒有使用REWITEC的產(chǎn)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(yīng)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(yè)用戶備件提供時間，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)和精細再造超潤滑表面的理論在當(dāng)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(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；也因為當(dāng)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(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)的硅酸鹽成分可達到超小尺度，從而解決了對設(shè)備過濾器和油道的負面影響；同時因為納米技術(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對潤滑油脂本身帶來不良反應(yīng)，以及應(yīng)力加速試驗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)電機組的維護產(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)電機專業(yè)維護公司和風(fēng)機保險公司的特別推薦，用于作為風(fēng)力發(fā)電機組的延壽和提供綜合效率的養(yǎng)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(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器運轉(zhuǎn)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(fēng)力發(fā)電機齒輪箱、軸承維護保養(yǎng)的可行方案，同時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，降低風(fēng)機停運帶來的發(fā)電收益損失。
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