Lợi ích của việc sử dụng vòng bi oxy hóa màu đen trong Tuabin

Kích thước ngày càng tăng của các tuabin gió để tạo ra nhiều năng lượng hơn đang đặt ra yêu cầu cao hơn đối với các hệ thống truyền lực.

Trong quá trình vận hành, tuabin gió phải chịu một loạt các nhiệt độ, tốc độ và tải trọng khác nhau. Những điều kiện vận hành này, kết hợp với những ảnh hưởng bất lợi tiềm tàng từ ô nhiễm rắn và tấn công hóa học do ô nhiễm dầu và nước, có thể dẫn đến thiệt hại vòng bi, sẽ rút ngắn đáng kể tuổi thọ của vòng bi.

Một trong những yêu cầu để ngăn chặn những hỏng hóc này là hiệu suất bề mặt vượt trội, ủng hộ quá trình chạy, chống ăn mòn và trơ với các phản ứng bất lợi từ hóa chất bôi trơn tích cực. Thông qua sự tham gia lâu dài của SKF với ngành năng lượng gió, công ty đã xác định quá trình oxy hóa đen là một trong nhiều giải pháp để cải thiện độ tin cậy hoạt động.

Quá trình oxy hóa
Ôxít đen là một quá trình xử lý bề mặt được hình thành bởi phản ứng hóa học ở lớp bề mặt của thép chịu lực và được tạo ra khi các bộ phận được ngâm trong dung dịch muối kiềm hoạt động ở nhiệt độ khoảng 130 đến 150 ° C. Phản ứng giữa sắt của hợp kim sắt và thuốc thử tạo ra một lớp oxit ở lớp ngoài của các thành phần ổ trục, bao gồm một hỗn hợp được xác định rõ của FeO, Fe ₂ O ₃ và tạo ra Fe ₃ O ₄. Kết quả là một lớp bề mặt đen sẫm có độ dày xấp xỉ 1 Hay2 mm. Toàn bộ quá trình bao gồm khoảng 15 bước ngâm khác nhau, trong đó có thể thay đổi thành phần hóa học, nồng độ, nhiệt độ, thời gian ngâm và hành vi chất lỏng trong bể.

Lợi ích của quá trình oxy hóa đen
Chỉ có những tác động có lợi nhất của quá trình oxy hóa đen đối với ngành công nghiệp gió được tóm tắt ở đây. Chúng được mô tả ngắn gọn bởi ba loại và chứng minh làm thế nào quá trình oxy hóa đen có thể giúp giảm thiểu rủi ro sau mỗi cơ chế thất bại.

1. Giảm nguy cơ hỏng hóc sớm
Ở một số hệ thống truyền động tuabin gió, vòng bi, bạc đạn của hộp số gió có thể bị hỏng sớm do vết nứt, vết nứt hoặc vết nứt khắc trắng không đều (WEC). WEC đề cập đến sự xuất hiện của cấu trúc thép thay đổi khi đánh bóng và khắc kính hiển vi. Lỗi có thể được tìm thấy tại một số vị trí ổ trục trong thiết kế hộp số gió, chẳng hạn như vòng bi hành tinh, trục trung gian và vòng bi trục tốc độ cao.

Sự cố xảy ra do WEC được thảo luận rộng rãi trong ngành công nghiệp gió và đang được điều tra độc lập bởi các nhà sản xuất tuabin gió, nhà sản xuất hộp số và nhà cung cấp ổ trục cũng như các trường đại học và viện độc lập. Nhiều giả thuyết hiện nay tập trung vào các vấn đề liên quan đến bề mặt, chẳng hạn như thâm nhập hydro và tác động lẫn nhau với các vùi dưới bề mặt hoặc hoàn toàn căng thẳng / phát triển cơ học liên quan đến hoạt động bề mặt. Để biết thêm thông tin về các giả thuyết nguyên nhân thất bại của WEC.

Theo các cuộc điều tra và thông tin đang diễn ra từ các tài liệu, các cơ chế khác nhau có thể góp phần giảm rủi ro cho các thất bại của WEC, như:

• giảm các cuộc tấn công về mặt hóa học và hóa học
• giảm khuếch tán hydro vào thép chịu lực
• chống ăn mòn 
• ổn định cấu trúc vi mô mương

Quá trình oxy hóa đen có thể góp phần bảo vệ các thành phần ổ trục khỏi cơ chế hỏng hóc nói trên. Sau đây, một số thử nghiệm và điều tra trong phòng thí nghiệm cho thấy những lợi thế của quá trình oxy hóa đen.

1.1 Tấn công hóa học từ dầu nhờn và phụ gia
Dầu bánh răng được phát triển để tối ưu hóa hiệu suất bánh răng. Trong hầu hết các trường hợp, chất phụ gia chống mài mòn và chất ức chế ăn mòn được thêm vào dầu hộp số để tăng hiệu suất bánh răng. Thật không may, hóa học dầu bánh răng không phải luôn luôn ủng hộ hoạt động vòng bi. Trong các tiếp xúc răng bánh răng, độ trượt vĩ mô lớn hơn đáng kể (tỷ lệ trượt trên cuộn lên đến 30%) so với trong vòng bi (tỷ lệ trượt trên cuộn lên đến 4%, tùy thuộc vào loại vòng bi). Do đó, động lực (hình thành và loại bỏ) của các lớp phản ứng trong bánh răng khác với các lớp trong vòng bi.

Khi vòng bi hoạt động trong điều kiện bôi trơn biên (biên và hỗn hợp), các phản ứng xảy ra giữa các chất phụ gia trong dầu bánh răng và bề mặt thép trong các tiếp xúc lăn. Năng lượng hóa học phát huy trong quá trình hình thành lớp phản ứng cùng với năng lượng hoạn nạn có khả năng thay đổi cấu trúc vi mô bề mặt gần của thép chịu lực. Sự thay đổi của cấu trúc vi mô bề mặt gần dẫn đến sự thay đổi tính chất cơ học của bề mặt và do đó hiệu suất của hệ thống (ma sát, mài mòn và mỏi bề mặt). Nếu các phản ứng không thuận lợi, thì những thay đổi cấu trúc vi mô bề mặt đáng kể sẽ xảy ra, sau đó là sự khởi đầu của vi nứt bề mặt.

Dầu thử nghiệm, Pasaribu và Lugt đã cho thấy mối tương quan dương giữa độ dày của các lớp oxit và hiệu suất chịu lực. Điều này chỉ ra rằng sự thụ động của các bề mặt ổ trục làm chậm lại các phản ứng bất lợi giữa dầu bánh răng và bề mặt ổ trục. Do đó, các lớp oxit được chuẩn bị trước ~ 1-2 mm như lớp oxit đen làm giảm nguy cơ phản ứng bất lợi giữa dầu bánh răng và bề mặt ổ trục.

Lợi thế của việc xử lý oxy hóa đen trong việc ngăn ngừa sự hình thành vết nứt bề mặt có thể được đánh giá bằng cách đưa các bề mặt bị oxy hóa màu đen vào các tiếp xúc bộ lạc được bôi trơn ranh giới. Một ví dụ về thử nghiệm như vậy là quả bóng được bôi trơn xiên trên đĩa. Bóng và đĩa được điều khiển độc lập, cho phép kiểm soát tỷ lệ trượt-lăn có liên quan đến hoạt động của ổ trục.

1.2 Sự hấp thụ hydro
Quá trình oxy hóa đen, như một phương pháp xử lý thụ động bề mặt, có thể làm giảm hiệu quả sự xâm nhập của hydro nguyên tử và tấn công hóa học vào thép chịu lực. Tính chất này được đánh giá trong các kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của C-ring và H-permeation.

Một giàn thử vòng chữ C được thiết kế đặc biệt đã được phát triển để đánh giá vết nứt ăn mòn do ứng suất hydro (HERCC) gây ra trong các tiếp điểm bôi trơn. Hình dưới cho thấy một vòng trong của ổ trục hình trụ có phân đoạn cắt ra. Vòng được tải thông qua một ốc vít để tạo ra ứng suất kéo xác định trên bề mặt. Các vết nứt bắt đầu bề mặt dưới ứng suất kéo được thúc đẩy bởi sự hấp thụ hydro từ môi trường bôi trơn. Tuổi thọ của vòng C, được định nghĩa là thời gian cho đến khi vòng C bị nứt dưới tải trọng kéo xác định, đang phản ánh khả năng chống lại HERCC. Các đồ thị trong hình cho thấy các vòng chữ C bị oxy hóa màu đen có tuổi thọ cao hơn so với các mẫu không được phủ.

Khả năng chống oxy hóa đen đối với sự hấp thụ hydro cũng có thể được đánh giá trong một thử nghiệm thẩm thấu H điện hóa, trong đó hydro nguyên tử được tạo ra bằng cách sạc điện hóa. Hydro thấm qua tấm thép và được đo bằng quá trình oxy hóa điện hóa khi được giải phóng khỏi một mặt khác của tấm thép. Sự xâm nhập hydro thông qua một lớp phủ bề mặt có thể được đánh giá bằng cách so sánh thông lượng thẩm thấu hydro (dòng điện) thu được với mẫu từ mẫu không phủ. Hình cho thấy các tấm thép có bề mặt oxy hóa màu đen cho thông lượng thẩm thấu H thấp hơn đáng kể so với mẫu không tráng. Điều này là do, khác với khuếch tán trong thép khối, hydro nguyên tử phải được ion hóa (dưới dạng proton) để đi qua một lớp oxit. Sự tương tác mạnh mẽ giữa các nguyên tử hydro bị ion hóa và các anion trong oxit sắt tạo ra một lớp oxit đen đóng vai trò như một rào cản làm giảm tốc độ thẩm thấu.

1.3 Hư hỏng ăn mòn độ ẩm (ăn mòn bế tắc)
Độ dốc nhiệt độ lớn thúc đẩy sự ngưng tụ nước từ không khí ẩm. Mặc dù nguy cơ ô nhiễm nước thường không được đề cập trực tiếp cho các ứng dụng gió, nhưng người ta đã biết rằng nước hòa tan có thể làm giảm chức năng của các chất phụ gia chống mài mòn và nước tự do thúc đẩy sự ăn mòn và hấp thụ hydro. Nguy cơ ăn mòn trở nên cao hơn khi gặp phải tình trạng bế tắc trong khoảng thời gian thuê chính của tuabin gió hoặc không có gió.

Cấu trúc vi mô của oxit đen có độ xốp nhất định, có thể làm tăng ái lực của chất bôi trơn hoặc chất bảo quản lên lớp phủ và cải thiện khả năng chống ẩm hoặc ăn mòn. Trong một thử nghiệm tủ phun muối, mẫu vật bị oxy hóa màu đen cho thấy khả năng chống ăn mòn cao hơn đáng kể so với mẫu vật không tráng.

2. Các điều kiện vận hành khắc nghiệt với đủ bôi trơn hoặc bề mặt tổn thương

2.1 Độ bám dính; làm hỏng hoặc trượt thiệt hại
Nếu vòng bi lăn quá tải nhẹ (dưới tải tối thiểu yêu cầu), nó có thể dẫn đến sự không phù hợp đáng kể giữa tốc độ quay của vòng trong và bộ con lăn, từ đó dẫn đến trượt cao giữa các phần tử lăn và vòng trong [ 18]. Đối với các ứng dụng đòi hỏi như trục tốc độ cao của hộp số gió, điều kiện chạy không tải và thay đổi vùng tải đôi khi có thể dẫn đến điều kiện trượt cao. Do đó, có nguy cơ cao gây ra thiệt hại bôi nhọ.

Kết quả thử nghiệm không tải hộp số gió đã cho thấy hiệu quả bảo vệ được cải thiện của lớp phủ oxit đen chống lại hư hỏng bôi trơn trong vòng bi trục tốc độ cao. Hình dưới cho thấy thiệt hại bôi nhọ xuất hiện trên con lăn không tráng và bề mặt vòng trong sau 45 phút trong điều kiện hoạt động không tải, trong khi vòng oxy hóa màu đen không cho thấy thiệt hại đáng kể sau 30 giờ.

Cơ chế bảo vệ của các bề mặt bị oxy hóa màu đen có thể được giải thích bằng cách giảm ma sát sau khi chạy vào, cũng như sự bám dính được cải thiện của chất bôi trơn với bề mặt so với các bề mặt không được phủ.

2.2 Sự cố bề mặt  là sự mệt mỏi do bề mặt bắt đầu ở mức độ tương ứng với điều kiện bôi trơn kém, tương ứng với lực kéo bề mặt (ma sát) cao. Nó xảy ra đặc biệt trên răng bánh răng, nhưng đôi khi cũng trên vòng bi. Nếu nó xảy ra với vòng bi, sự cố bề mặt có thể đặc biệt bất lợi cho chức năng vòng bi.

Không nhất thiết phải là chế độ thất bại chính cho vòng bi lăn, nó có thể tạo điều kiện hoặc tăng tốc sự xuất hiện của các chế độ hỏng hóc khác như vết lõm mảnh vỡ, nứt vỡ bắt đầu bề mặt và co giật. Chẳng hạn, có thể giảm nguy cơ bị suy yếu bề mặt bằng cách giảm ma sát bề mặt, phân phối lại ứng suất gần bề mặt theo cách thuận lợi hoặc giảm áp lực bôi trơn hỗn hợp hoặc tối ưu hóa quá trình chạy. Một cách để nhận ra kịch bản này là sử dụng lớp phủ bảo vệ, chẳng hạn như quá trình oxy hóa màu đen.

Mặc dù số lượng lớn công việc lý thuyết và thực nghiệm về suy thoái bề mặt nói chung (xem ví dụ tổng quan tài liệu trong [21]), cho đến nay, ảnh hưởng của lớp phủ lên sự suy yếu bề mặt vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Do đó, một loạt các thí nghiệm với các con lăn oxy hóa màu đen đã được thực hiện [23] trên thiết bị thử nghiệm sự cố bề mặt trong điều kiện phòng thí nghiệm , trong đó ngụ ý tỷ lệ trượt trên cuộn, điều kiện bôi trơn, nhiệt độ, tải và tốc độ. Đơn vị tải của giàn kiểm tra sự cố bề mặt được thể hiện dưới dạng sơ đồ : một con lăn quay tiếp xúc với ba đĩa, tất cả đều được làm bằng thép chịu lực. Nó bao gồm một con lăn nhỏ (đường kính 12 mm) được lấy từ ổ trục hình cầu và ba thân máy lớn hơn là vòng trong hình trụ con lăn. Con lăn và vòng có thể được hoàn thành bằng cách mài và / hoặc mài theo một mẫu nhám mong muốn. Vật liệu của các con lăn được kiểm tra và các bộ đếm là thép chịu lực ANSI-52100. Các điều kiện bôi trơn trong các thử nghiệm thay đổi từ ranh giới đến bôi trơn hỗn hợp. Sau các thử nghiệm, bề mặt của các con lăn đã được kiểm tra sự cố bề mặt. Kết quả được so sánh với các con lăn oxy hóa không tráng và đen trong các điều kiện giống hệt nhau.

Các kết quả thí nghiệm thu được với thiết bị thử nghiệm sự cố bề mặt cho thấy khả năng chống oxy hóa đen bề mặt nhất định trong toàn bộ phạm vi của các điều kiện thử nghiệm.

Hơn nữa, một phân tích tham số của mô hình suy thoái bề mặt đã được thực hiện cho các bề mặt được phủ, bao gồm các ảnh hưởng của ma sát, độ cứng và độ dày của lớp phủ. Sự tồn tại của độ dày lớp phủ tối ưu đáp ứng với thiệt hại suy giảm bề mặt tối thiểu đã được tìm thấy. Như thể hiện qua cả kết quả thực nghiệm và lý thuyết, xử lý oxit đen mở rộng phạm vi điều kiện vận hành an toàn bề mặt so với bề mặt thép chịu lực không tráng.

3. Thử nghiệm
Vòng bi SKF và kinh nghiệm thực địa Thử nghiệm vòng đời vòng bi đã được thực hiện với vòng bi oxy hóa đen ở điều kiện bôi trơn hỗn hợp nghiêm trọng. Hiệu quả tích cực của vòng bi oxy hóa đen so với vòng bi không tráng đối với điều kiện chạy trong [24] và điều kiện bôi trơn kappa thấp có thể được xác nhận.

Trong thử nghiệm này, tất cả các vòng bi oxy hóa màu đen đã vượt qua thời gian thử nghiệm được xác định mà không có bất kỳ thất bại nào. Thật vậy, kết quả chỉ ra ước tính tuổi thọ L ₁₀ cao gấp hai đến ba lần so với ước tính tuổi thọ L ₁₀ của vòng bi không tráng.

Ngoài các thử nghiệm thành phần trên và kết quả thử nghiệm mang, lợi ích của quá trình oxy hóa đen trong việc giảm nguy cơ thất bại sớm được chứng minh bằng kinh nghiệm thực địa. Báo cáo từ nhà sản xuất hộp số và OEM tua-bin gió xác nhận một sự cải thiện đáng kể trong việc giảm tỷ lệ thất bại vòng bi bằng cách sử dụng vòng bi oxy hóa màu đen, so với vòng bi không tráng.

Hơn nữa, người ta đã quan sát thấy rằng việc hâm nóng nhẹ dưới nhiệt độ ủ hoặc biến đổi có thể giúp tối ưu hóa và củng cố cấu trúc vi mô mà không làm giảm độ cứng và do đó kéo dài tuổi thọ mỏi của ổ trục. Theo khái niệm này, quá trình oxy hóa đen ở nhiệt độ tương tự có thể giúp tạo ra các hiệu ứng vi cấu trúc có lợi bên trong bề mặt thép bên ngoài, điều này được phản ánh bằng việc giảm giá trị tối đa một nửa chiều rộng (FWHM hoặc b / B) của các đỉnh XRD> 0,1 độ.

Kết luận
Một số tác dụng có lợi của oxit đen đã được chứng minh bằng cách kết hợp điều tra trong phòng thí nghiệm, thử nghiệm mang và kinh nghiệm thực địa. Ôxít đen cung cấp một sự bảo vệ nhất định chống lại sự tấn công của tribochemical, làm giảm sự thẩm thấu của hydro và tăng khả năng chống lại sự phá hủy độ ẩm (như ăn mòn bế tắc). Hơn nữa, bề mặt thép chịu lực oxy hóa màu đen cải thiện giới hạn an toàn, khi nhìn vào các chế độ thất bại như hao mòn / bôi nhọ dính hoặc làm hỏng bề mặt. Kinh nghiệm lĩnh vực tích cực nhấn mạnh những phát hiện này.

Tóm lại, quá trình oxy hóa đen được SKF sử dụng cung cấp sự bảo vệ nâng cao chống lại thiệt hại cho các bộ phận ổ trục. Vòng bi, bạc đạn SKF được xử lý oxy hóa màu đen có thể – bên cạnh việc được sử dụng trong thiết bị ban đầu – được sử dụng làm vật thay thế thả vào cho vòng bi thông thường như một phần của thói quen bảo trì trang trại gió. Điều này có nghĩa là những lợi ích của quá trình oxy hóa đen có thể được áp dụng cho tất cả các loại ổ trục được sử dụng trong các hệ thống hộp số tua bin gió chính trên toàn bộ ngành công nghiệp năng lượng gió. SKF khuyến nghị rằng cả vòng trong và vòng ngoài cũng như các phần tử lăn phải được oxy hóa màu đen để có hiệu suất tối ưu.