風(fēng)電齒輪難點技術(shù)之歐陽德創(chuàng)編

歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07風(fēng)電齒輪制造中的材料熱處理時間：2021.03.07時間：2021.03.07創(chuàng)作：歐陽德鄭州機械研究所陳國民近幾年，我國風(fēng)電行業(yè)得到快速發(fā)展，按照規(guī)劃，到2010年我國風(fēng)電裝機容量達400萬干瓦,2020年達2000萬千瓦，在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)建成若干個百萬千瓦級風(fēng)電基地。從目前76萬千瓦到400萬干瓦僅風(fēng)電齒輪箱的產(chǎn)值約為25億，從400萬KW到2000萬KW風(fēng)電齒輪箱的產(chǎn)值約為140億。1?風(fēng)電齒輪箱的技術(shù)特點風(fēng)電齒輪箱在技術(shù)上有如下一些特點：服役條件嚴酷由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風(fēng)口處，受無規(guī)律的變向變負荷的風(fēng)力作用以及強陣風(fēng)的沖擊，常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，加之所處自然環(huán)境交通不便，齒輪箱在狹小的機艙不可能像在地面那樣具有牢固的機座基礎(chǔ)，整個傳動系的動力匹配和扭轉(zhuǎn)振動的因素總是集中反映在某個薄弱環(huán)節(jié)上，大量的實踐證明，這個環(huán)節(jié)常常是機組中的齒輪箱。功率大國外主流風(fēng)電機組已達到兆瓦級，丹麥的主流風(fēng)機為2.0?3.0兆瓦，美國主流風(fēng)機為1?5兆瓦，在2004年的漢諾威工博會上4.5兆瓦的風(fēng)電機組也已面世。速差大風(fēng)力發(fā)電機組中的齒輪箱其主要功用是將風(fēng)輪在

風(fēng)力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。通常風(fēng)輪的輸入轉(zhuǎn)速很低，約20r/min,遠達不到發(fā)電機轉(zhuǎn)子所要求的1500-1800r/min轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪多級增速傳動來實現(xiàn)。精度高齒輪箱內(nèi)用作主傳動的齒輪精度，外齒輪不低于5級GB/T10095,內(nèi)齒輪不低于6級GB/T10095。齒部的最終加工是采用磨齒工藝，尤其內(nèi)齒輪磨齒難甚高。使用壽命要求長由于自然環(huán)境條件惡劣，交通又不方便，齒輪箱在數(shù)十米高塔頂部的狹小空間內(nèi)，安裝和維修相當困難，所以要求使用壽命最少20年。可靠性要求高可歳性和使用壽命都提岀了比一般機械高得多的要求。對構(gòu)件材料，除了常規(guī)狀態(tài)下機械性能外，還應(yīng)該具有低溫狀態(tài)下抗冷脆性等特性：對齒輪箱，工作要平穩(wěn)，防止振動和沖擊等。設(shè)計中要根據(jù)載荷譜進行疲勞分析，對齒輪箱整機及其零件的設(shè)計極限狀態(tài)和使用極限狀態(tài)進行動力學(xué)分析、極限強度分析、疲勞分析、穩(wěn)定性和變形極限分析。風(fēng)電齒輪對材料熱處理的技術(shù)要求由于風(fēng)電齒輪的服役條件苛刻，技術(shù)要求高，所以主要都采用滲碳淬火磨齒工藝。在美國ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱設(shè)計規(guī)范》的52項質(zhì)量控制項目中，材料熱處理就占20項。強調(diào)材料熱處理的重要性就是要保證齒輪的疲勞強度和加工精度，由于風(fēng)力發(fā)電機所受風(fēng)載頻繁變化，而且?guī)_擊，所以齒輪表面常常產(chǎn)生微動點蝕而早期失效，這種失效與接觸精度和硬化表層物理冶金因素有關(guān)。另一方面，由于齒輪箱變速比大，所以采用平行傳動+行星傳動方式，而在行星齒輪中，為了提高齒輪強度、傳動平穩(wěn)性及可靠性，同時減小尺寸和重量，就連內(nèi)齒圈也要求采用滲碳淬火磨齒工藝。從目前我國風(fēng)力發(fā)電齒輪的生產(chǎn)來看，要保證20年使用壽命，這一強度難關(guān)道路漫長，尚待努力，而內(nèi)齒圈的滲碳淬火變形由于直接影響現(xiàn)場生產(chǎn)，已經(jīng)成為熱處理工藝中的當務(wù)難題。風(fēng)電齒輪熱處理生產(chǎn)中的質(zhì)量控制為了提高風(fēng)機齒輪的疲勞強度，保證20年的可靠壽命，齒輪生產(chǎn)廠應(yīng)當按ISO6336-5(GB/T3480-5)《齒輪強度和材料質(zhì)量》滲碳齒輪最高級別ME的要求來控制材料熱處理質(zhì)量，見下表。滲碳鋼的質(zhì)量等級序號項UMLMQME1化學(xué)成分3不檢驗100%跟蹤原始鑄件，按ISO10474提交報告。對同一鋼坯切割試樣檢驗，按ISO10474提交報告2端淬淬透性(按GB/T225)不檢驗

序號項目MLMQME3純度及冶煉b不規(guī)定鋼材在鋼包中脫氧及精化措施，經(jīng)用戶同意，最大氧含量25ppm（25度，檢驗面積近200m】ISO10474提交報吿。-煉處理，并經(jīng)真空脫氣，澆鑄過程應(yīng)有防氧鋼在熔煉時最多可加鈣15ppm（15jig/g）。?Mg/g）,按GB/T10561方法B檢驗II區(qū)純允許采用滿足相當潔凈度的其它規(guī)范，按卜?表為夾雜當量尺寸允許值。ABCD細系粗系細系粗系細系粗系細系粗系MQ3.03.02.51.52.51.52.01.5ME3.02.02.51.51.01.01.51.04鍛造比￡不規(guī)定至少3倍5品粒度按ISO643不規(guī)定細品粒，以5級或更細組織為主，按ISO10474提交檢驗報告6粗加工狀態(tài)超聲波探傷，ASTMA388不規(guī)定推薦。對于大直徑工件在切齒前檢査缺陷要求.五件以上產(chǎn)品可抽査按ASTMA388中背反射或參考塊84M00檢測；3?2mm平底孔進行探傷（GB/T133M）。探傷時由外圓至中徑掃描，不指定距離大小的修正曲線（單點DAC）,在保證同等質(zhì)最前提下允許采用供需雙方協(xié)議的檢測方法。表8（續(xù)）序號項HMLMQME7表面硬度7.1工件代表性表面硬度d（見附錄B：維?洛氏硬度換算）最 低55HRC或600HV,抽査?（58?64）HRC或（660?800）HV?抽査（58?M）IIRC或（600?800）HV,同爐熱處理件數(shù)W5時全部檢査，否則抽進?檢査方法要與工件尺寸相稱。7.2模數(shù)M12mm時齒寬中部齒根區(qū)域的表面硬度d不規(guī)定滿足圖樣要求，抽査代表性試樣滿足圖樣要求，每件小齒輪或大輪均須檢驗，或檢査代表性試棒8心部硬度（測量位置：齒寬中部處齒根30°切線的法向上，深度為5倍硬化層深，但不小于1倍模數(shù)）.或按6.5檢査代表性試棒檢驗但不規(guī)定221HRC以上M25HRC。按淬透性曲線計算或檢査代表性試棒?鼻30HRC檢査工件或檢査代表性試棒。9按GB/T9450檢査精加工態(tài)硬化層深度。按代麥性試棒或在齒寬中部位于齒頂圓以下的齒頂高上檢査.有效硬化層深度是指表面到550HV或52HRC硬度處的距離。最小值和最大值應(yīng)在圖紙上標出，在規(guī)定啖化層深度時，應(yīng)注意到對于彎曲強度和接觸強度的最佳值是不一樣的%10各種顯微組織檢査均可按代表性試棒。這種檢査對MQ任選，對ME必須檢査（對ML不要求）10.1表面含碳最限制不規(guī)定合金元素總含量W1.5%時，建議為（0?7%~1?0%）C,合金元素總含量＞1.5%時，建議為（0.65%—0.90%）Co

10.2茨層顯微組織，比較理想的顯微組織中貝氏體含量小于10%不規(guī)定推薦。代表性試棒中以細針狀馬氏體為主?要求。代表性試棒中為細針狀馬氏體。10.3齒根以外部位表層0.1mm范圍內(nèi)的硬度降低（由于脫碳、殘余奧氏體及非馬氏體組織「）-不規(guī)定對于工件或代表性試棒，硬度降低不超過40HV.10.4碳化物析出按圖戒吮許有半連續(xù)狀碳化物網(wǎng).如果需要，在代表性曄上檢査.按圖28b）允許不連續(xù)的碳化物，所有碳化物長度不超過?-02inni（如果需要，在代表性試棒上檢査）。按圖28c）允許彌散狀碳化物，檢査代表性試棒。10.5金相法檢査殘余奧氏體不艇檢査隨爐試樣，25%以下.檢査代表性試棒，25%以下且細小彌散。表8（續(xù)）序號項UMLMQME10.6對非磨削面晶界內(nèi)氣化（IGO）要求，對未腐蝕試樣金相法檢査，允許深度（gm）與滲層深度有關(guān)不規(guī)定滲層深度"mmIGO^/m滲層深度g/nim）eW0?7517eW0?75120.75VW150250?75VfW15020150<e^22538150V&225202.25W.0050225W3.0025Q3.0060Q3.0030若超差，可與用戶協(xié)調(diào)采用控制噴丸或其他合適的捲施進行補救。11表面裂紋.在不影響齒輪完整性并經(jīng)用戶同意可去除表面缺陷?不允許有裂紋。用磁粉探傷或干粉潘析法抽樣檢査.不允許有裂紋，按ASTME1444對50%零件進行磁粉探傷。根據(jù)批量進行抽査。不允許有裂紋，按ASTME1444全部零件進行磁粉探傷.批量件可抽査。12齒部磁粉探傷，ASTME144護不規(guī)定模ft/nim缺陷最大尺寸/nun模數(shù)/nim缺陷最大尺寸Anm1.6W250$2￡</”W8241.6>83.0>82.4

序號項目MLMQME13磨削回火控制，按GB/T17879硝酸溶液腐蝕11所有功能部 位（FB3）允許B級回火,不要求抽査.25%功能部位（FB2）允許B級回火。要求抽査。10%功能部位（FB2）允許B級回火。要求抽査。若超差，可與用戶協(xié)調(diào)采用控制噴丸進行補救.14心部顯微組織（位置同第8項）不規(guī)定馬氏體?針狀鐵素體及貝氏體?不允許有塊狀鐵素體（見第8項）.馬氏體?針狀鐵素體及貝氏體?不允許有塊狀鐵素體，檢査代表性試棒.注：對于碳氮共港鋼目前在標準中還未給出。a選材時可參考ISO683-k?9、-10.?11推薦資料或相關(guān)國家標準；b潔凈度規(guī)定只針對齒坯的兩倍齒高區(qū)域內(nèi)?對于外齒輪?該區(qū)域一般小于半徑的25%；c鍛造比是指總的鍛造比?而與方法無關(guān)?對于連鑄材料?最小鍛造比為5:1；（1冇時齒根硬度與齒面硬度冇差別?與齒輪大小及工藝有關(guān)?該差值可由供需雙方協(xié)商；e其它硬化層深度規(guī)定可參考相關(guān)文獻資料；f檢査表面硬度?允許采用鋰刀法；g任何級別齒輪的輪齒部位都不能存在裂紋、破損.疤痕及皺皮；每25mm齒寬最多只有一個.每個齒面不能超過5個，半齒高以下部位不能允許存在；對于超標缺陷，在不影響齒輪完整性并征得用戶同童情況下可以去除。h經(jīng)供需雙方同意，可采用其它磨削回火控制方法。齒輪生產(chǎn)廠只有通過這種綜合嚴格的質(zhì)量控制，才能保證齒輪的疲勞極限，同時，也為齒輪的熱處理變形控制奠定良好的基礎(chǔ)。風(fēng)電齒輪的滲碳淬火變形控制風(fēng)電齒輪主要采用滲碳淬火，而滲碳淬火變形是齒輪生產(chǎn)中的最大技術(shù)難題之一。齒輪熱處理變形之所以難于控制，一方面是因為影響變形的因素太多（見下表）；而且，這些控制因素還具有以下特點：（1）從技術(shù)的角度，涉及多學(xué)科，（2）從生產(chǎn)的角涉及各道工序,（3）從技術(shù)的角度，涉及多學(xué)科，（2）從生產(chǎn)的角涉及各道工序,（3）從管理的角度，涉及多部門、多環(huán)節(jié),（4）從措施的角度，不僅涉及技術(shù)，還涉及生產(chǎn)成本。正因如此，在2001年彼國組織的一項大型變形研究課題便名謂“畸變工程力，即看著是一項“工程”，所以，我們應(yīng)對熱處理變形這一“系統(tǒng)工程”的內(nèi)涵加深理解。影響齒輪熱處理變形的因素設(shè)計材料鍛造毛坯機械加工滲碳淬火結(jié)構(gòu)形狀，材料選擇，熱處理技術(shù)條件化學(xué)成份，材料純度，淬透性，晶粒度，夾雜物偏析鍛造比，鍛造工藝，鍛后冷卻，鍛后熱處理，予備熱處理材料加工性能，刀具質(zhì)量，切削規(guī)范，加工殘余應(yīng)力夾具設(shè)計，裝夾方法，擺放位置，滲碳工藝，使用設(shè)備，參數(shù)控制加熱設(shè)備，淬火工藝，參數(shù)控制，淬火介質(zhì),淬火槽，油溫，攪拌國外還有文獻列出了26種因素、77個子因子影響熱處理變形，這應(yīng)當是事實。對于這種生產(chǎn)過程影響因素多、而且難于正確確定的齒輪變形問題，是否可以借鑒我國中醫(yī)施治方略中的一些原理。比如“環(huán)境控制刀觀點，在非典時期,中醫(yī)可以在尚弄不清楚非典的致病根源情況下，采用在人體內(nèi)營造一種切斷細菌或病毒的生存環(huán)境，從而控制住非典的蔓延，這屬于一種宏觀的控制方法。齒輪的熱處理變形，由于影響因素太多，要具體指出是哪種原因十分困難，然而，我們可以采用某些宏觀的控制方法，比如鋼材的淬透性、齒坯的等溫正火預(yù)備熱處理、壓床淬火等，讓許多微觀的變形潛勢無力發(fā)揮，從而減小畸變。還有中醫(yī)的“陰陽平衡”觀點認為，人體過熱嘴角就會起泡，過冷肺部就生痰；營養(yǎng)過剩就發(fā)胖，營養(yǎng)不足就貧血，這都是因為失去平衡。齒輪受熱和冷卻不均勻，溫度分布失去平衡便會產(chǎn)生翹曲、橢園、扭曲變形，如果在加熱過程中采取預(yù)熱、階梯升溫的加熱方法；對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的齒輪采用補償墊塊、墊圈、芯軸；淬火冷卻中采用硝鹽、熱油實施等溫淬火等，這些宏觀措施可以使齒輪在加熱中的受熱及冷卻中的散熱比較均勻，讓齒輪心表及各部位的溫度分布趨于平衡，從而就會減小畸變。從宏觀控制和平衡的理念出發(fā)，對于齒輪熱處理變形控制可以采用以下一些措施:全面采用保證淬透性鋼，根據(jù)齒輪類別采用不同的淬透性帶寬；齒輪毛坯的預(yù)備熱處理應(yīng)盡量保證達到組織和硬度均勻性；齒輪的滲碳加熱不應(yīng)忽視。采取合理裝夾、加熱時采用預(yù)熱、階梯升溫方式，有條件可采用去應(yīng)力退火后帶溫入滲碳爐升溫，以盡量減小齒輪各部位在加熱時的溫差；齒輪淬火是影響變形的重要環(huán)節(jié)，采用合適的夾具、合理地裝夾擺放；根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)形狀采用各種平衡補償墊塊、墊圈及芯軸；冷卻介質(zhì)盡量用熱油、有條件采用硝鹽等溫淬火。這些措施在于盡可能地使齒輪各部位冷卻均勻;以上這些變形的宏觀控制措施從技術(shù)上并無新意,而其核心在于創(chuàng)建“均勻性刀--(1)減小齒輪組織狀態(tài)和硬度的差異，提高其均勻性；(2)減小齒輪在受熱和冷卻過程中的溫度分布差異，提高其均勻性。其它熱處理強化方法針對齒輪滲碳淬火變形控制困難，生產(chǎn)中也有采用其它熱處理強化方法的，如感應(yīng)加熱淬火(見圖1),處理大型齒圈直徑達2.4m,已經(jīng)在世界各地多

數(shù)的風(fēng)力發(fā)電廠惡劣環(huán)境下，經(jīng)受了連續(xù)運行20年以上實際運行的考驗，而國內(nèi)還沒有無故障的運行的實際考驗。圖1國內(nèi)有的廠家準備采用滲氮工藝，關(guān)鍵是深度和心部硬度問題。還有