风电齿轮难点技术.docx
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风电齿轮制造中的材料热处理郑州机械研究所 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 万千 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400万千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：（1）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2）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3） 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4） 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齿部的最终加工是釆用磨齿工艺，尤其内齿轮磨齿难度甚高5） 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6） 可靠性要求高 可靠性和使用寿命都提出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2. 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3. 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 ISO 6336-5(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目MLMQME1化学成分a不检验100%跟踪原始铸件，按ISO 10474 提交报告对同一钢坯切割试样检验，按ISO 10474提交报告2端淬淬透性(按GB/T225)不检验3纯度及冶炼b不规定钢材在钢包中脱氧及精炼处理，并经真空脱气，浇铸过程应有防氧化 措施，经用户同意，钢在熔炼时最多可加钙15ppm (15pg/g)最大 氧含量25ppm (25pg/g),按GB/T 10561方法B检验II区纯度，检 验面积近200mm2.允许采用满足相当洁净度的其它规范，按 ISO 10474提交报告。
下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c不规定至少3倍5晶粒度按ISO 643不规定细晶粒，以5级或更细组织为主，按ISO 10474提交检验报告6粗加工状态超声波探伤，ASTM A388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8-0400检测；3.2mm平底孔进行探伤 (GB/T 13304探伤时由外圆至中径60扫描，不指定距离大小的修正曲 线(单点DAC),在保证同等质量前提下允许采用供需双方协议的检测方表8 （续）序号项目MLMQME7表面硬度7.1工件代表性表面硬度d （见附录B：维■洛氏硬度换算）最 低55HRC 或 600HV，抽 査58~64)HRC 或(660-8O0)HV抽査（58〜4）HRC 或（60（〜800）HV 同炉 热处理件数W时全部检査,否则抽 査检査方法要与工件尺寸相称7.2模数$12mm时齿宽中 部齿根区域的表面硬度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M21HRC以上M25HRC按淬透性曲线计算或 检査代表性试棒M30HRC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 表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，在规定硬化层深度时，应注意到对于弯曲强度和 接触强度的最佳值是不一样的e10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表面含碳量限制不规定合金元素总含量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%） Co10.2表层显微组织，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f）不规定对于工件或代表性试棒，硬度降低不超过0HV10.4碳化物析出按图28a）允 许有半连续 状碳化物网。
如果需要，在 代表性试棒 上检杳按图28b）允许不连续的碳化物，所 有碳化物长度不超过）.02mm （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金相法检查残余奥氏 体不规定检査随炉试样,25%以下检査代表性试棒,25%以下且细小 弥散表8 （续）序号项目MLMQME10.6对非磨削面晶界内氧 化（IGO）要求，对未 腐蚀试样金相法检査， 允许深度（“m）与渗层 深度有关不规定渗层深度e/mmIGO/im渗层深度e/mm）IGO/tmeW0.7517eW0.75120.75
批量M 5件可抽查12齿部磁粉探伤，ASTME1444g不规定模数/mm缺陷最大尺/mm模数/mm缺陷最大尺寸mW2.51.6W2.50.82.5VmW82.42.5VmW81.6>83.0>82.413磨削回火控制，按GB/T 17879硝酸溶液腐蚀h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 火要求抽查若超差，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，检查代表性 试棒.注：对于碳氮共渗钢目前在标准中还未给出a选材时可参考ISO 683-1、-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；d有时齿根硬度与齿面硬度有差别，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检查表面硬度，允许采用锉刀法；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意情况下可以去除。
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4. 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）从生产的角度，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年德国组织的一项大型变形研究课题便名谓“畸变工程”，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。
