特種修復技術在風電齒輪箱零部件維修方面的應用

2020-10-14

吳佳

摘　要：本文主要介紹了幾種特種修復技術及其在風電齒輪箱金屬零部件出現失效后的維修方案。實踐表明，適當采用特種修復技術可有效延長零件的使用壽命，降低齒輪箱維修成本。

關鍵詞：風電齒輪箱；金屬零部件；特種修復技術；使用壽命

0　引言

上世紀90年代，國家意識到風電將在國民經濟中發揮重要作用，于是開始鼓勵風電產業發展。從2005年開始，我國風電裝機容量飛速增長，風機總裝機容量也在逐年增加，風電運維市場已成為行業關注的新增長點。風電機組的高可靠性是風力發電的根本要求，但由于沙塵、低溫、冰雪、雷電、風暴等惡劣環境，加上載荷、風速的巨大波動，使得機組工作時工況及其復雜，極易導致風電機組傳動系統和葉片在壽命期內出現故障，從而影響機組的安全性和可靠性[1]。據統計，陸上風電場運行與維護費用占發電總成本的10%~20%[2]。降低運行及維修費用主要靠早期探測以減少后期維修，或者采用維修優化技術降低維修成本。在可維修范圍內，特種修復技術對于提高風電機組運行的可靠性及降低維修成本具有非常重要的意義。

1　特種修復技術種類

特種修復技術是相對傳統維修技術手段的一個統稱，在機械再制造行業有著極其廣泛的應用，包括激光熔覆、超音速火焰噴涂、貼片式冷焊、電刷鍍等，本文主要介紹在風電齒輪箱運維方面有成功使用經驗的幾種特種修復技術。

1.1 激光熔覆

激光熔覆是利用高能密度激光將熔覆材料與基材一起熔凝，并形成冶金結合涂層的再制造技術。該技術稀釋度小、熔覆層組織致密、涂層與基體結合好，主要應用在材料表面改性和產品表面修復上。

激光熔覆工藝過程：

去疲勞層→激光熔覆→探傷→機加工→探傷→檢驗

1.2 超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂是利用丙烷、丙烯等碳氫系燃氣或氫氣與高壓氧氣在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒，產生高達3200℃的高溫高壓燃氣，焰流速度高達1500m/s，將粉末送進火焰中，產生熔化或半熔化的粒子，高速撞擊在基體表面上沉積形成涂層，獲得比普通火焰噴涂或等離子噴涂幾何強度更高的致密涂層。超音速噴涂組織致密、涂層硬度高，耐磨性好，涂層結合強度可達100MPa以上，該技術在耐磨、耐蝕和機械零件修復領域應用廣泛。

超音速火焰噴涂工藝過程：

去疲勞層→超音速火焰噴涂→探傷→磨削加工→探傷→檢驗

1.3 貼片式冷焊

貼片式冷焊是應用機械力、分子力或電力使得厚度為0.05~0.2mm的不銹鋼薄片焊材粘附到零件表面從而達到修復磨損零件的一種工藝方法。該技術修復零件時發熱很小，因此可以避免傳統焊接變形、裂紋、變色等缺點。此外，該技術使用的設備體積小、重量輕，可實現現場快修。

貼片式冷焊工藝過程：

打磨→計量→冷焊不銹鋼薄片→打磨→計量

以上特種修復技術修復周期通常為3~5天，相對于傳統的新制零件或新制軸套工藝，可大大縮短齒輪箱維修的供貨期，為風電齒輪箱運維降本增效做出實質貢獻。

2　齒輪箱主要故障形式及特種修復技術維修建議

風電齒輪箱金屬零部件主要有箱體、軸承座、轉架等鑄件，齒輪件、軸類、主軸等鍛件。不同零件根據使用需求、維修場地的不同選擇Z佳的維修方式進行修復，下面對典型的幾種風電零件的故障形式給出維修方案建議。

2.1 箱體

箱體的常見故障形式主要表現在軸承孔磨損，嚴重時出現箱體斷裂、裂紋、止口變形等。除了箱體軸承孔磨損外，其他如斷裂、裂紋等故障形式的箱體理應報廢。針對軸承孔磨損，一般選用打膠、貼片式冷焊、激光熔覆、鑲套等方法進行修復。打膠及貼片式冷焊一般應用在塔上修復中，可以減少維修周期、降低維修成本。當磨損量大于0.2mm時打膠已不能滿足維修需求，故采用貼片式冷焊技術進行修復。貼片式冷焊維修時需保證在磨損軸承孔同一軸線上具有一段2cm左右的未磨損基準面，此外借助定心工裝保證維修軸承孔符合圓柱度要求，雙重保障修復軸承孔的幾何尺寸。當齒輪箱軸承孔磨損非常嚴重時需下架返修，返廠后一般選擇鑲套或激光熔覆技術修復箱體軸承孔，由于鑲套在風電運維方面有著較長時間的使用經驗，且價格較低，故?先選擇鑲套，無法滿足鑲套條件時即采用激光熔覆。

2.2 轉架

轉架故障一般在齒輪箱下架拆箱后發現，故障形式主要體現在軸頸磨損和轉架內孔拉毛。考慮到轉架受扭力較大，一般采用涂層結合性較好的激光熔覆技術進行修復，修?基本步驟與箱體相同，拉毛嚴重時需對較深凹坑進行打磨后局部熔覆填補，再進行整體熔覆罩面。

2.3主軸

主軸故障通常表現在軸承軸頸磨損或拆卸時軸頸拉毛，由于主軸運行時受到極大的扭力，修復時對涂層的結合性要求非常高，故通常采用激光熔覆技術進行修復。自2016年至今，已有近百根主軸修復后投入運行，目前一切正常。

2.4 軸類零件

對于花鍵軸、高速軸等軸類零件，在其軸頸磨損失效后可采用超音速火焰噴涂或激光熔覆技術進行修復。花鍵軸壁薄，傳統的鑲套工藝、堆焊工藝較難滿足修復要求，而超音速噴涂熱輸入小，不僅可以修復磨損的尺寸，還能使得修復后的花鍵軸軸頸具有優異的耐磨性。高速軸軸頸磨損時，激光熔覆仍是首選的較為安全可靠的修復技術。

以上零件在實際維修中會根據需求采用不同的特種修復技術進行修復，投入使用時間3~5年不等，且仍在正常運行中。在安全可靠運行的前提下，特種修復技術結合傳統修復工藝可以Z大程度降低零件報廢率，降低風電齒輪箱運維成本。

3　零件維修經濟性分析

3.1 零件修復經濟性計算公式

零件維修中Z受關注的因素包括維修成本、維修周期、維修后零件的使用期等。維修成本直接決定零件維修的可能性；維修周期在風電齒輪箱運維過程中顯得尤為重要，因為長時間停機必將給風電場帶來巨大的經濟損失；維修后零件的使用期是評價維修方法可靠有效的重要指標。零件維修經濟性主要由修復零件費用、零件修復后的使用期及新零件制造成本和使用期決定。

零件修復經濟性計算公式如下：