铁谱分析技术在风电的应用

【摘  要】风电机组运行环境恶劣，工况复杂多变，故障维修困难，费用高昂。铁谱技术是设备磨损监测的重要方法，能有效地监测风机齿轮箱磨损状况，为日常维护与故障维修工作提供依据。

【关键词】铁谱分析;风机齿轮箱;磨损故障;监测

1 铁谱分析技术介绍

铁谱分析技术是20世纪70年代发明起来的一种机械磨损测试方法，近二十年来发展非常快，应用行业不断扩大，目前已成为机械故障诊断技术中非常重要的方法了。铁谱仪是利用高强度磁场，润滑油经稀释后在沿倾斜放置的玻璃片上流过，该玻璃片放置在磁场上方，在磁场力、重力、油内摩擦力的共同作用下，润滑油里的铁磁性磨屑有规律地在玻璃片上沉积，制成谱片，能够有效收集到1～200μm金属颗粒。利用铁谱显微镜或电子显微镜对谱片上的磨屑进行观察，根据磨粒的形态、颜色及尺寸等，与之相关的磨损类型、磨损进程，有非常密切关系。铁谱技术在诊断设备磨损故障发生的部位、严重程度、发展趋势及产生的原因等方面能发挥作用，并能准确判断机器部件的磨损类型和磨损程度。通过装置在显微镜上的光密度计对谱片上不同位置处的磨屑覆盖面积进行读数，对谱片上的磨粒按大小分类进行定量分析，也可用计算机对磨屑进行图像处理，以获取磨屑外形的几何参数。

铁谱仪根据其工作方式的不同，主要分为直读式铁谱仪、分析式铁谱仪，实验室常见应用以分析式铁谱为主。

分析式铁谱仪工作原理：油液被稀释后在自身重力下直接通过蓟型玻璃导管，缓慢流过铁谱基片;油样中所有铁磁性颗粒在磁场及重力作用下，沉积到铁谱基片上，经彻底冲洗、烘干，制作好的谱片。谱片经双色显微镜或扫描电子显微镜（SEM）上进行形貌、大小、数量和成分的观察，分别记录小颗粒（AS）和大颗粒（AL）的数量、种类、磨损类型，并以AS和AL为基础，进而对相应相关设备磨损状态诊断。

分析式铁谱仪有如下特点：

①提供的信息丰富，不仅能提供关于磨损程度的信息，而且通过对磨屑形貌及其成份的观察，还能提供设备磨损发生机理及发生部位的信息。

②制谱过程较慢，制作一个完整的谱片约需半个小时，且制谱实验要求严格，需要依赖有一定经验工作人员操作、判断。

2 磨损类型分析

风电机组容易造成磨损的部件主要有增速齿轮组、偏航齿轮组、变桨齿轮组，需要重点定期监测的设备主要是双馈风电机组的增速齿轮箱，风电齿轮箱内部的主要零部件为轴承及齿轮，根据磨损原因的不同，主要为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损三种类型。不同类型磨损及特点见下表：

3 铁谱技术在风电润滑磨损监测中的应用

风电场的风机大多设在高山、戈壁、海上，运行条件十分恶劣，通常伴随有风沙、盐雾、潮湿、严寒、高温、台风、冰雪等严酷环境，强阵风，湍流、切变等复杂多变的风况，功率和载荷时常变化、不规律，齿轮箱作为风电机组的增速部件，是风机最主要的部件之一。齿轮箱出现故障约占风机故障总数的30%，一旦出现故障，费用非常昂贵.如何有效地监测风机齿轮箱磨损状况，做好日常维护与故障维修工作，就显得十分重要了。

以下以我公司某风电场C1风机为例，阐述铁谱技术在风机上的应用。某风电场C1风机为金风科技750KW机型，已并网运行11年，齿轮箱为重庆齿轮箱厂，型号FL800A，一级平行轴，二级斜齿传动，齿轮传动比率为1：67，里面的摩擦副主要有齿轮和轴承。实验室检测风机相应时期的铁含量和油品污染度数据，并对铁含量大于50ppm样品做铁谱技术分析。光谱铁含量分析及油品污染等级数据如下：

在对某风电场C1风机在用油质量连续监测过程中，前三次的铁含量及污染度都是在较低水平，到了第四次以后显著增大，第五次的数据远超过警告值，风电场运维人员采用更换过滤器滤芯等措施，第六次取样的测得数据还是比较大，并且是大颗粒增加比较多。分别对第5、第6次油样做铁谱分析，典型图谱如下：

铁谱图谱显示，第5次油样的磨粒非常多，第6次磨粒变大，颜色部分变蓝，设备磨损在较短时间内显著加剧，齿轮箱设备已产生严重的滑动磨损和疲劳磨损，并且有瞬时高温情况。运维人员做内窥镜检查齿轮箱发现，齒轮的齿面已产生较严重的疲劳磨损和擦伤，同铁谱分析结果一致。下图为内窥镜检查相片：

4 总结

风力发电机行业近几年发展较快，大多风电场的设备还在正常磨损期阶段，对设备磨损监测还没引起普遍重视，对设备磨损的危害还是认识不够。做好科学运维，有效延长风机的使用寿命，做好定期风电齿轮箱油品质量和设备磨损监测工作，对出现异常的情况及早查清原因，做好整改措施，防止情况进一步恶化。对具体出现的异常磨损的部件排查油品质量、设备材料、加工装配等问题，争取早期科学处理，防止设备磨损加剧，避免引起更大的故障。

参考文献：

[1]林丽，高建华，王海洋，张秀丽，宋鹏，胡志红，张向军.磨粒对齿轮箱磨损状态的影响[J].材料保护，2018，51（06）：33-37.

[2]欧焕飞.风力发电机齿轮箱磨损监测探讨[J].科技风，2018（27）：213.

[3]李焱琪.风电机组齿轮箱故障与对策分析[J].工程技术：文摘版：00221-00221.

（作者单位：华润电力技术研究院有限公司）