風電齒輪箱的技術(shù)特點分析

近幾年，我國風電行業(yè)得到快速發(fā)展，按照相關(guān)規(guī)劃，到2010年我國風電裝機容量達400萬kW,2020年達2000萬kW,在風能資源豐富的地區(qū)建成若干個百萬千瓦級風電基地。 　　 　　目前從76萬kW到400萬kW僅風電齒輪箱的產(chǎn)值約為25億，從400萬kW到2000萬kW風電齒輪箱的產(chǎn)值約為140億。 　 　　1.風電齒輪箱的技術(shù)特點 　?。?）服役條件嚴酷由于機組安裝在高山、荒野、海灘、海島等風口處，受無規(guī)律的變向、變負荷的風力作用及強陣風的沖擊，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)常是機組中的齒輪箱。 　?。?）功率大主流風電機組已達到兆瓦級，丹麥的主流風機為2.0～3.0MW,美國主流風機為1.5MW,在2004年的漢諾威工博會上4.5MW的風電機組也已面世。 　　（3）速差大風力發(fā)電機組中的齒輪箱，其主要功用是將風輪在風力作用下所產(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的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪多級增速傳動來實現(xiàn)。 　　（4）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。齒部的最終加工是采用磨齒工藝，尤其內(nèi)齒輪磨齒難度甚高。 　?。?）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。 　?。?）可靠性要求高與使用壽命都提出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)下力學性能外，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)進行動力學分析、極限強度分析、疲勞分析，以及穩(wěn)定性和變形極限分析。 　　2.熱處理生產(chǎn)中的主要技術(shù)難度 　　由于風電齒輪的服役條件苛刻，技術(shù)要求高，在美國ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《風力發(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。一方面，由于風力發(fā)電機所受風載頻繁變化，而且?guī)_擊，所以齒輪表面常產(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，內(nèi)齒圈也要求采用滲碳淬火磨齒工藝。 　　從目前我國風力發(fā)電齒輪的生產(chǎn)來看，要保證20年使用壽命，這一關(guān)道路漫長，尚待考驗，而對于內(nèi)齒圈的滲碳淬火變形，由于直接影響生產(chǎn)已經(jīng)成為熱處理中的一大難題。 　　3.風電齒輪的熱處理質(zhì)量標準 　　為了提高風機齒輪的疲勞強度，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的要求來控制材料的熱處理質(zhì)量。 　　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)。 　　對于熱處理設(shè)備及工藝材料生產(chǎn)廠，建議拓寬思路，不只限于提高自己產(chǎn)品的質(zhì)量水平，還應(yīng)去了解風機齒輪熱處理生產(chǎn)中有何特殊要求，由此開發(fā)新產(chǎn)品，既推動齒輪熱處理工藝水平的提高，又可開拓新的產(chǎn)品市場。近年來齒輪加工設(shè)備制造廠，如重慶機床廠、秦川機床廠瞄準風電齒輪開發(fā)大型、高精的滾齒機和磨齒機，從而開拓出新的市場局面。 　　4.影響齒輪的熱處理變形的因素 　　齒輪熱處理變形，特別是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，主要是因為影響變形的因素太多，而且，這些控制因素還具有以下特點： 　?。?）從技術(shù)的角度，涉及多學科。 　?。?）從生產(chǎn)的角度，涉及各道工序。 　　（3）從管理的角度，涉及多部門、多環(huán)節(jié)。 　?。?）從措施的角度，涉及生產(chǎn)成本。 　　正因如此，在2001年德國組織的一項大型變形研究課題便名謂“畸變工程”,可見，熱處理變形不是單純的一項技術(shù)，而是一項“系統(tǒng)工程”。 　　除了以上的討論內(nèi)容外，我想還應(yīng)對熱處理變形這一項“系統(tǒng)工程”的內(nèi)涵和理念進行討論和理解。 　　另外，根據(jù)我國的生產(chǎn)實踐，討論提出若干項帶行業(yè)性的關(guān)鍵控制技術(shù)，比如，近年來我國在齒輪毛坯預(yù)處理中采用等溫正火工藝，這對減小齒輪變形很有實效，已被齒輪行業(yè)認可。