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特种修复技术在风电齿轮箱零部件维修方面的应用

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吴佳

摘 要:本文主要介绍了几种特种修复技术及其在风电齿轮箱金属零部件出现失效后的维修方案。实践表明,适当采用特种修复技术可有效延长零件的使用寿命,降低齿轮箱维修成本。

关键词:风电齿轮箱;金属零部件;特种修复技术;使用寿命

0 引言

上世纪90年代,国家意识到风电将在国民经济中发挥重要作用,于是开始鼓励风电产业发展。从2005年开始,我国风电装机容量飞速增长,风机总装机容量也在逐年增加,风电运维市场已成为行业关注的新增长点。风电机组的高可靠性是风力发电的根本要求,但由于沙尘、低温、冰雪、雷电、风暴等恶劣环境,加上载荷、风速的巨大波动,使得机组工作时工况及其复杂,极易导致风电机组传动系统和叶片在寿命期内出现故障,从而影响机组的安全性和可靠性[1]。据统计,陆上风电场运行与维护费用占发电总成本的10%~20%[2]。降低运行及维修费用主要靠早期探测以减少后期维修,或者采用维修优化技术降低维修成本。在可维修范围内,特种修复技术对于提高风电机组运行的可靠性及降低维修成本具有非常重要的意义。

1 特种修复技术种类

特种修复技术是相对传统维修技术手段的一个统称,在机械再制造行业有着极其广泛的应用,包括激光熔覆、超音速火焰喷涂、贴片式冷焊、电刷镀等,本文主要介绍在风电齿轮箱运维方面有成功使用经验的几种特种修复技术。

1.1 激光熔覆

激光熔覆是利用高能密度激光将熔覆材料与基材一起熔凝,并形成冶金结合涂层的再制造技术。该技术稀释度小、熔覆层组织致密、涂层与基体结合好,主要应用在材料表面改性和产品表面修复上。

激光熔覆工艺过程:

去疲劳层→激光熔覆→探伤→机加工→探伤→检验

1.2 超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧,产生高达3200℃的高温高压燃气,焰流速度高达1500m/s,将粉末送进火焰中,产生熔化或半熔化的粒子,高速撞击在基体表面上沉积形成涂层,获得比普通火焰喷涂或等离子喷涂几何强度更高的致密涂层。超音速喷涂组织致密、涂层硬度高,耐磨性好,涂层结合强度可达100MPa以上,该技术在耐磨、耐蚀和机械零件修复领域应用广泛。

超音速火焰喷涂工艺过程:

去疲劳层→超音速火焰喷涂→探伤→磨削加工→探伤→检验

1.3 贴片式冷焊

贴片式冷焊是应用机械力、分子力或电力使得厚度为0.05~0.2mm的不锈钢薄片焊材粘附到零件表面从而达到修复磨损零件的一种工艺方法。该技术修复零件时发热很小,因此可以避免传统焊接变形、裂纹、变色等缺点。此外,该技术使用的设备体积小、重量轻,可实现现场快修。

贴片式冷焊工艺过程:

打磨→计量→冷焊不锈钢薄片→打磨→计量

以上特种修复技术修复周期通常为3~5天,相对于传统的新制零件或新制轴套工艺,可大大缩短齿轮箱维修的供货期,为风电齿轮箱运维降本增效做出实质贡献。

2 齿轮箱主要故障形式及特种修复技术维修建议

风电齿轮箱金属零部件主要有箱体、bwinapp最新版座、转架等铸件,齿轮件、轴类、主轴等锻件。不同零件根据使用需求、维修场地的不同选择最佳的维修方式进行修复,下面对典型的几种风电零件的故障形式给出维修方案建议。

2.1 箱体

箱体的常见故障形式主要表现在bwinapp最新版孔磨损,严重时出现箱体断裂、裂纹、止口变形等。除了箱体bwinapp最新版孔磨损外,其他如断裂、裂纹等故障形式的箱体理应报废。针对bwinapp最新版孔磨损,一般选用打胶、贴片式冷焊、激光熔覆、镶套等方法进行修复。打胶及贴片式冷焊一般应用在塔上修复中,可以减少维修周期、降低维修成本。当磨损量大于0.2mm时打胶已不能满足维修需求,故采用贴片式冷焊技术进行修复。贴片式冷焊维修时需保证在磨损bwinapp最新版孔同一轴线上具有一段2cm左右的未磨损基准面,此外借助定心工装保证维修bwinapp最新版孔符合圆柱度要求,双重保障修复bwinapp最新版孔的几何尺寸。当齿轮箱bwinapp最新版孔磨损非常严重时需下架返修,返厂后一般选择镶套或激光熔覆技术修复箱体bwinapp最新版孔,由于镶套在风电运维方面有着较长时间的使用经验,且价格较低,故?先选择镶套,无法满足镶套条件时即采用激光熔覆。

2.2 转架

转架故障一般在齿轮箱下架拆箱后发现,故障形式主要体现在轴颈磨损和转架内孔拉毛。考虑到转架受扭力较大,一般采用涂层结合性较好的激光熔覆技术进行修复,修?基本步骤与箱体相同,拉毛严重时需对较深凹坑进行打磨后局部熔覆填补,再进行整体熔覆罩面。

2.3主轴

主轴故障通常表现在bwinapp最新版轴颈磨损或拆卸时轴颈拉毛,由于主轴运行时受到极大的扭力,修复时对涂层的结合性要求非常高,故通常采用激光熔覆技术进行修复。自2016年至今,已有近百根主轴修复后投入运行,目前一切正常。

2.4 轴类零件

对于花键轴、高速轴等轴类零件,在其轴颈磨损失效后可采用超音速火焰喷涂或激光熔覆技术进行修复。花键轴壁薄,传统的镶套工艺、堆焊工艺较难满足修复要求,而超音速喷涂热输入小,不仅可以修复磨损的尺寸,还能使得修复后的花键轴轴颈具有优异的耐磨性。高速轴轴颈磨损时,激光熔覆仍是首选的较为安全可靠的修复技术。

以上零件在实际维修中会根据需求采用不同的特种修复技术进行修复,投入使用时间3~5年不等,且仍在正常运行中。在安全可靠运行的前提下,特种修复技术结合传统修复工艺可以最大程度降低零件报废率,降低风电齿轮箱运维成本。

3 零件维修经济性分析

3.1 零件修复经济性计算公式

零件维修中最受关注的因素包括维修成本、维修周期、维修后零件的使用期等。维修成本直接决定零件维修的可能性;维修周期在风电齿轮箱运维过程中显得尤为重要,因为长时间停机必将给风电场带来巨大的经济损失;维修后零件的使用期是评价维修方法可靠有效的重要指标。零件维修经济性主要由修复零件费用、零件修复后的使用期及新零件制造成本和使用期决定。

零件修复经济性计算公式如下:

S修——修复旧零件的费用(元);

T修——零件修复后的使用期(月);

S新——新零件的制造成本或购买新零件的费用(元);

T新——新零件的使用期(月)。

一般情况下,

<,即表示此种修复工艺经济可取,且系数越低说明修复经济性越好。在制定零件维修方案时,可参照此计算公式进行评估选择。

3.2 修复经济性评估案例

以激光熔覆修复某机型主轴轴颈为例,新主轴制造费用合计约100000元,使用期一般为8-10年,按120个月计,主轴修复费用合计25000元,修复后可质保5年,使用期按60个月计,则=<,则该主轴采用激光熔覆工艺维修时,经济性良好,可以维修。

4 结论

本文对几种特种修复技术进行了简单说明,并对可修复的风电齿轮箱零件给出了维修方案建议,这为风电运维市场的维修方式提供了更多的选择。在制定零件修复方案时可参考零件修复经济性计算公式进行评估,在维修质量可靠的条件下,以评估维修方案的经济性。

参考文献

[1] 张晓玲.试论风电机组维修策略与故障统计[J].设备管理与改造,2013,18:68-69.

[2] 翟长武,董玉亮.风电机组关键部件维修优化[J].技术,2016,2:110-113.

作者:南京安维士传动技术股份有限公司  

吴佳(1988- ),女,工程师,主要从事特种修复及热处理相关工作。

来源:《第六届中国风电后市场交流合作大会论文集》2019年