风电齿轮难点技术之欧阳德创编

欧阳德创编 欧阳德创编 2021.03.07欧阳德创编 欧阳德创编 2021.03.07风电齿轮制造中的材料热处理时间：2021.03.07时间：2021.03.07创作：欧阳德郑州机械研究所陈国民近几年，我国风电行业得到快速发展，按照规划，到2010年我国风电装机容量达400万干瓦,2020年达2000万千瓦，在风能资源丰富的地区建成若干个百万千瓦级风电基地。从目前76万千瓦到400万干瓦仅风电齿轮箱的产值约为25亿，从400万KW到2000万KW风电齿轮箱的产值约为140亿。1・风电齿轮箱的技术特点风电齿轮箱在技术上有如下一些特点：服役条件严酷由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自然环境交通不便，齿轮箱在狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。功率大国外主流风电机组已达到兆瓦级，丹麦的主流风机为2.0〜3.0兆瓦，美国主流风机为1・5兆瓦，在2004年的汉诺威工博会上4.5兆瓦的风电机组也已面世。速差大风力发电机组中的齿轮箱其主要功用是将风轮在

风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的输入转速很低，约20r/min,远达不到发电机转子所要求的1500-1800r/min转速，必须通过齿轮多级增速传动来实现。精度高齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5级GB/T10095,内齿轮不低于6级GB/T10095。齿部的最终加工是采用磨齿工艺，尤其内齿轮磨齿难甚高。使用寿命要求长由于自然环境条件恶劣，交通又不方便，齿轮箱在数十米高塔顶部的狭小空间内，安装和维修相当困难，所以要求使用寿命最少20年。可靠性要求高可歳性和使用寿命都提岀了比一般机械高得多的要求。对构件材料，除了常规状态下机械性能外，还应该具有低温状态下抗冷脆性等特性：对齿轮箱，工作要平稳，防止振动和冲击等。设计中要根据载荷谱进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零件的设计极限状态和使用极限状态进行动力学分析、极限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析。风电齿轮对材料热处理的技术要求由于风电齿轮的服役条件苛刻，技术要求高，所以主要都采用渗碳淬火磨齿工艺。在美国ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《风力发电机齿轮箱设计规范》的52项质量控制项目中，材料热处理就占20项。强调材料热处理的重要性就是要保证齿轮的疲劳强度和加工精度，由于风力发电机所受风载频繁变化，而且带冲击，所以齿轮表面常常产生微动点蚀而早期失效，这种失效与接触精度和硬化表层物理冶金因素有关。另一方面，由于齿轮箱变速比大，所以采用平行传动+行星传动方式，而在行星齿轮中，为了提高齿轮强度、传动平稳性及可靠性，同时减小尺寸和重量，就连内齿圈也要求采用渗碳淬火磨齿工艺。从目前我国风力发电齿轮的生产来看，要保证20年使用寿命，这一强度难关道路漫长，尚待努力，而内齿圈的渗碳淬火变形由于直接影响现场生产，已经成为热处理工艺中的当务难题。风电齿轮热处理生产中的质量控制为了提高风机齿轮的疲劳强度，保证20年的可靠寿命，齿轮生产厂应当按ISO6336-5(GB/T3480-5)《齿轮强度和材料质量》渗碳齿轮最高级别ME的要求来控制材料热处理质量，见下表。渗碳钢的质量等级序号项UMLMQME1化学成分3不检验100%跟踪原始铸件，按ISO10474提交报告。对同一钢坯切割试样检验，按ISO10474提交报告2端淬淬透性(按GB/T225)不检验

序号项目MLMQME3纯度及冶炼b不规定钢材在钢包中脱氧及精化措施，经用户同意，最大氧含量25ppm（25度，检验面积近200m】ISO10474提交报吿。-炼处理，并经真空脱气，浇铸过程应有防氧钢在熔炼时最多可加钙15ppm（15jig/g）。?Mg/g）,按GB/T10561方法B检验II区纯允许采用满足相当洁净度的其它规范，按卜•表为夹杂当量尺寸允许值。ABCD细系粗系细系粗系细系粗系细系粗系MQ3.03.02.51.52.51.52.01.5ME3.02.02.51.51.01.01.51.04锻造比£不规定至少3倍5品粒度按ISO643不规定细品粒，以5级或更细组织为主，按ISO10474提交检验报告6粗加工状态超声波探伤，ASTMA388不规定推荐。对于大直径工件在切齿前检査缺陷要求.五件以上产品可抽査按ASTMA388中背反射或参考块84M00检测；3・2mm平底孔进行探伤（GB/T133M）。探伤时由外圆至中径扫描，不指定距离大小的修正曲线（单点DAC）,在保证同等质最前提下允许采用供需双方协议的检测方法。表8（续）序号项HMLMQME7表面硬度7.1工件代表性表面硬度d（见附录B：維•洛氏硬度换算）最 低55HRC或600HV,抽査・（58〜64）HRC或（660〜800）HV•抽査（58〜M）IIRC或（600〜800）HV,同炉热处理件数W5时全部检査，否则抽进•检査方法要与工件尺寸相称。7.2模数M12mm时齿宽中部齿根区域的表面硬度d不规定满足图样要求，抽査代表性试样满足图样要求，每件小齿轮或大轮均须检验，或检査代表性试棒8心部硬度（测量位置：齿宽中部处齿根30°切线的法向上，深度为5倍硬化层深，但不小于1倍模数）.或按6.5检査代表性试棒检验但不规定221HRC以上M25HRC。按淬透性曲线计算或检査代表性试棒•鼻30HRC检査工件或检査代表性试棒。9按GB/T9450检査精加工态硬化层深度。按代麦性试棒或在齿宽中部位于齿顶圆以下的齿顶高上检査.有效硬化层深度是指表面到550HV或52HRC硬度处的距离。最小值和最大值应在图纸上标出，在规定啖化层深度时，应注意到对于弯曲强度和接触强度的最佳值是不一样的%10各种显微组织检査均可按代表性试棒。这种检査对MQ任选，对ME必须检査（对ML不要求）10.1表面含碳最限制不規定合金元素总含量W1.5%时，建议为（0・7%~1・0%）C,合金元素总含量＞1.5%时，建议为（0.65%—0.90%）Co

10.2茨层显微组织，比较理想的显微组织中贝氏体含量小于10%不规定推荐。代表性试棒中以细针状马氏体为主・要求。代表性试棒中为细针状马氏体。10.3齿根以外部位表层0.1mm范围内的硬度降低（由于脱碳、残余奥氏体及非马氏体组织「）-不规定对于工件或代表性试棒，硬度降低不超过40HV.10.4碳化物析出按图戒吮许有半连续状碳化物网.如果需要，在代表性曄上检査.按图28b）允许不连续的碳化物，所有碳化物长度不超过«-02inni（如果需要，在代表性试棒上检査）。按图28c）允许弥散状碳化物，检査代表性试棒。10.5金相法检査残余奥氏体不艇检査随炉试样，25%以下.检査代表性试棒，25%以下且细小弥散。表8（续）序号项UMLMQME10.6对非磨削面晶界内氣化（IGO）要求，对未腐蚀试样金相法检査，允许深度（gm）与渗层深度有关不规定渗层深度"mmIGO^/m渗层深度g/nim）eW0・7517eW0・75120.75VW150250・75VfW15020150<e^22538150V&225202.25W.0050225W3.0025Q3.0060Q3.0030若超差，可与用户协调采用控制喷丸或其他合适的捲施进行补救。11表面裂纹.在不影响齿轮完整性并经用户同意可去除表面缺陷«不允许有裂纹。用磁粉探伤或干粉潘析法抽样检査.不允许有裂纹，按ASTME1444对50%零件进行磁粉探伤。根据批量进行抽査。不允许有裂纹，按ASTME1444全部零件进行磁粉探伤.批量件可抽査。12齿部磁粉探伤，ASTME144护不规定模ft/nim缺陷最大尺寸/nun模数/nim缺陷最大尺寸Anm1.6W250$2£</”W8241.6>83.0>82.4

序号项目MLMQME13磨削回火控制，按GB/T17879硝酸溶液腐蚀11所有功能部 位（FB3）允许B级回火,不要求抽査.25%功能部位（FB2）允许B级回火。要求抽査。10%功能部位（FB2）允许B级回火。要求抽査。若超差，可与用户协调采用控制喷丸进行补救.14心部显微组织（位置同第8项）不规定马氏体•针状铁素体及贝氏体•不允许有块状铁素体（见第8项）.马氏体•针状铁素体及贝氏体•不允许有块状铁素体，检査代表性试棒.注：对于碳氮共港钢目前在标准中还未给出。a选材时可参考ISO683-k・9、-10.・11推荐资料或相关国家标准；b洁净度规定只针对齿坯的两倍齿高区域内•对于外齿轮•该区域一般小于半径的25%；c锻造比是指总的锻造比•而与方法无关•对于连铸材料•最小锻造比为5:1；（1冇时齿根硬度与齿面硬度冇差别•与齿轮大小及工艺有关•该差值可由供需双方协商；e其它硬化层深度规定可参考相关文献资料；f检査表面硬度•允许采用锂刀法；g任何级别齿轮的轮齿部位都不能存在裂纹、破损.疤痕及皱皮；每25mm齿宽最多只有一个.每个齿面不能超过5个，半齿高以下部位不能允许存在；对于超标缺陷，在不影响齿轮完整性并征得用户同童情况下可以去除。h经供需双方同意，可采用其它磨削回火控制方法。齿轮生产厂只有通过这种综合严格的质量控制，才能保证齿轮的疲劳极限，同时，也为齿轮的热处理变形控制奠定良好的基础。风电齿轮的渗碳淬火变形控制风电齿轮主要采用渗碳淬火，而渗碳淬火变形是齿轮生产中的最大技术难题之一。齿轮热处理变形之所以难于控制，一方面是因为影响变形的因素太多（见下表）；而且，这些控制因素还具有以下特点：（1）从技术的角度，涉及多学科，（2）从生产的角涉及各道工序,（3）从技术的角度，涉及多学科，（2）从生产的角涉及各道工序,（3）从管理的角度，涉及多部门、多环节,（4）从措施的角度，不仅涉及技术，还涉及生产成本。正因如此，在2001年彼国组织的一项大型变形研究课题便名谓“畸变工程力，即看着是一项“工程”，所以，我们应对热处理变形这一“系统工程”的内涵加深理解。影响齿轮热处理变形的因素设计材料锻造毛坯机械加工渗碳淬火结构形状，材料选择，热处理技术条件化学成份，材料纯度，淬透性，晶粒度，夹杂物偏析锻造比，锻造工艺，锻后冷却，锻后热处理，予备热处理材料加工性能，刀具质量，切削规范，加工残余应力夹具设计，装夹方法，摆放位置，渗碳工艺，使用设备，参数控制加热设备，淬火工艺，参数控制，淬火介质,淬火槽，油温，搅拌国外还有文献列出了26种因素、77个子因子影响热处理变形，这应当是事实。对于这种生产过程影响因素多、而且难于正确确定的齿轮变形问题，是否可以借鉴我国中医施治方略中的一些原理。比如“环境控制刀观点，在非典时期,中医可以在尚弄不清楚非典的致病根源情况下，采用在人体内营造一种切断细菌或病毒的生存环境，从而控制住非典的蔓延，这属于一种宏观的控制方法。齿轮的热处理变形，由于影响因素太多，要具体指出是哪种原因十分困难，然而，我们可以采用某些宏观的控制方法，比如钢材的淬透性、齿坯的等温正火预备热处理、压床淬火等，让许多微观的变形潜势无力发挥，从而减小畸变。还有中医的“阴阳平衡”观点认为，人体过热嘴角就会起泡，过冷肺部就生痰；营养过剩就发胖，营养不足就贫血，这都是因为失去平衡。齿轮受热和冷却不均匀，温度分布失去平衡便会产生翘曲、椭园、扭曲变形，如果在加热过程中采取预热、阶梯升温的加热方法；对于结构形状复杂的齿轮采用补偿垫块、垫圈、芯轴；淬火冷却中采用硝盐、热油实施等温淬火等，这些宏观措施可以使齿轮在加热中的受热及冷却中的散热比较均匀，让齿轮心表及各部位的温度分布趋于平衡，从而就会减小畸变。从宏观控制和平衡的理念出发，对于齿轮热处理变形控制可以采用以下一些措施:全面采用保证淬透性钢，根据齿轮类别采用不同的淬透性带宽；齿轮毛坯的预备热处理应尽量保证达到组织和硬度均匀性；齿轮的渗碳加热不应忽视。采取合理装夹、加热时采用预热、阶梯升温方式，有条件可采用去应力退火后带温入渗碳炉升温，以尽量减小齿轮各部位在加热时的温差；齿轮淬火是影响变形的重要环节，采用合适的夹具、合理地装夹摆放；根据齿轮结构形状采用各种平衡补偿垫块、垫圈及芯轴；冷却介质尽量用热油、有条件采用硝盐等温淬火。这些措施在于尽可能地使齿轮各部位冷却均匀;以上这些变形的宏观控制措施从技术上并无新意,而其核心在于创建“均匀性刀--(1)减小齿轮组织状态和硬度的差异，提高其均匀性；(2)减小齿轮在受热和冷却过程中的温度分布差异，提高其均匀性。其它热处理强化方法针对齿轮渗碳淬火变形控制困难，生产中也有采用其它热处理强化方法的，如感应加热淬火(见图1),处理大型齿圈直径达2.4m,已经在世界各地多

数的风力发电厂恶劣环境下，经受了连续运行20年以上实际运行的考验，而国内还没有无故障的运行的实际考验。图1国内有的厂家准备采用渗氮工艺，关键是深度和心部硬度问题。还有