风力发电齿轮箱生产工艺技术研究

风力发电齿轮箱生产工艺技术研究

云峰

内蒙古电力科学研究院内蒙古自治区呼和浩特市，010020

摘要：21世纪能源已成为各国关注的焦点，风能是一种清洁的可再生能源。随着我国经济和社会的不断发展，本世纪风力发电设备的研究逐渐取得了成果。当今我国已经掌握了兆瓦以下风力发电增速齿轮箱的设计制造技术。然而，风电齿轮箱的制造技术仍然十分匮乏，这是我国风电国产化项目中一个明显的薄弱环节。本文就我国风力发电机组齿轮箱研究的现状入手，重点的论述了风力发电机组齿轮箱功能、齿轮箱的生产工艺技术及工艺改进等方面。

关键词：风力发电；齿轮箱；生产工艺

前言：目前我国已经基本掌握了兆瓦以下的风力发电增速箱的设计制造技术，批量生产的主力机型，例如600kw-2000kw，已经在多家公司投产。但即便如此，我国的风力发电齿轮箱仍然是国产化中较为薄弱的环节，对于市场的巨大需求量还是力不从心。我国从国外引进的电机组技术只是发电机组的集成技术，其中并不涉及齿轮箱的设计制造。因此国内的齿轮箱的实际制造基本上是参照引进技术的规范进行的，通过类比的方式进行设计，因此谈不上完全的掌握先进的制造技术。总的来说，我国的相关研究起步较晚，由于相关人才的缺乏，再加上基础薄弱，极大的限制了此领域的进展。

一、风力发电机组齿轮箱研究现状

风力发电技术的兴起始于20世纪80年代，并且受到世界各国的重视。风力发电机组的重要零部件之一，风力发电机组齿轮箱是必不可少的一部分，诸多行业都表现出对此浓厚的兴趣，关注度颇高。而发电机组齿轮的工作原理是由风力产生作用力，并传递给最终发电机，使之高速运转，产生电能。各行各业对发电机的高度关注是合乎情理的，要想保护环境、利用新能源就必须更好地利用此技术，找到其核心实质意义。虽然部分国家对齿轮箱的研究设计技术已经日趋成熟，但是齿轮箱的故障也是令人头疼的一个问题。导致风力发电机发生故障的最主要原因就是齿轮箱故障。其故障比例占总故障的20%左右。而我国的大型风力发电机设备大多靠国外成熟技术的支持，本国的技术设计水平普遍不成熟，因而改善并研究高效率、高质量的发电机组齿轮箱就显得尤为重要。

二、风力发电机组齿轮箱的功能

风力发电项目的关键在于风力发电机，风力发电机将空气动能也就是风能转化为电能供人类利用。最早的风能利用是一种叫做风力提水机的设备，在此基础上，风力发电的技术才得到了之后的发展。现在的风力发电技术已经结合了先进的计算机管理系统，使风力发电的安全性、效益都有了显著提升。总体来说，风力发电已经具有了与常规发电并网运行的资格，而且总能源清洁性和经济效益来讲都非常不错。常规的普通发电机组都需要达到一定的转速才能试运转发电，但是风力发电机的转速由于风力原因显然不高，所以风力发电机的风轮轴需要经过增速箱增速才能达到发电机的转速要求，而齿轮箱就是传递风轮动力并且使转速明显提升的关键设备。风轮的转速越低，齿轮箱的增速比要求也就越高，相应的复杂性、造价都会有很大的提升。所以齿轮箱是希望风轮的转速越高越好的。但是现在国际上风力发电的基本趋势是风轮为三叶片，而且叶越来越长，风轮的半径越来越大，这就要求了齿轮箱的技术越来越复杂与精密。

三、风力发电机组齿轮箱生产工艺

（一）齿轮

齿轮的设计时要考虑到减速传动与增速传动的区别，在选择变位系数时要遵循降低滑差的原则，根据载荷的实际情况设计齿向与齿廓；同时内齿圈轮缘的厚度要大于模数的3倍，外齿轮使用渗碳淬火配合磨齿工艺，热处理的等级要不低于MQ，齿轮的精度要在5级以上。齿轮的疲劳强度要参照用户提供的载荷谱，但是由于此谱难以获得，为此还要依据额定功率与使用系数进行计算。但是由于风力发电齿轮箱的载荷变化很复杂，并且不是连年的工作，因此其计算的精度要考虑好多的因素。

（二）轴承

由于风力发电工作环境的特殊性以及载荷复杂性，轴承成为了齿轮箱中较为薄弱的环节。据统计，现在风力发电的故障中有一半是因轴承问题引发的。为此要在齿轮箱的设计及运行中对轴承的类型、润滑油的清洁度以及润滑方式、寿命计算给予重视。

四、风力发电机组齿轮箱生产工艺改进

（一）主要工艺流程改进

传统的齿轮箱的制造工艺流程分为锻造、正火、高温回火、粗加工、去毛刺清洗、渗碳淬火、清理抛丸、磨齿、检验等步骤。这种传统的齿轮箱适合船舶等高安全系数的制造中，但是近些年在一些从国外引进的某些产品或者某些科技前沿的产品中使用时发现了容易失效的问题。而近些年出现了一些改进之后的工艺流程，改进后的工艺流程分为锻造、正火、高温回火、较高精度粗加工、去毛刺清洗、预热、重行奥氏体化渗碳淬火、清理抛丸、少余量缓进给磨齿、检验等步。这一工艺流程比较符合国产化的齿轮箱的制造现状，该工艺过程提高了粗加工精度，增加了渗碳前的预先热处理工艺，这是为了减少渗碳淬火过程的变形并减少磨削余量。磨削过程中了采用少余量缓进给磨削，使齿面保留较大的压应力状态并提高精度与粗糙度。采用重行奥氏体化渗碳淬火工艺能够提高齿轮的耐磨性和承载能力。

（二）工艺参数设计

对显著影响齿轮的承载能力和国内外制造水平差异明显的工艺需要较详细的设计。首先，渗碳层的含碳量：除非有严重的冲击载荷而需要考虑低周疲劳问题。在渗碳工艺中应考虑生产成本和渗层的内氧化。含碳量应选择0.77-1.0%。但是接近亚共析成分(0.5-0.7%)的隐针马氏体的接触性能最好，在共析点和1%之间的含碳量表面容易得到优良的组织。从而具备较好的接触疲劳寿命。过高的表面碳浓度容易得到过多表面碳化物和残余奥氏体。从而降低接触疲劳寿命。过低的含碳量又容易形成贫碳的非马氏组织，也降低了接触疲劳性能。其次，渗碳温度和淬火温度：提高渗碳温度能够缩短时间，即提高劳动生产率，降低成本，但是会引起变形加大，渗层也不均匀，温度过低，保温时间过长，成本高。淬火温度比较明显的影响表面组织和芯部硬度。这两个温度主要由材料的化学成分和零件的特点决定。最后，表面组织和芯部强度的配合：一般表面组织要求细小的马氏体和少量的残余奥氏体，尽量少的碳化物和铁素体，对芯部强度主要应该考虑芯部强度对弯曲疲劳的影响，但是针对风力发电的实际特点，对每一级传动的齿轮由于结构力学的特点，情况都有所不同，尤其是高速级齿轮，要承受过载和较高PV值下润滑不良工况，因此要求齿面有较高的耐磨性(较多的细小碳化物)，较高的强韧性和较高的弯曲疲劳强度。

结语：想要加速提升齿轮箱的生产工艺和质量，我们要做的不只是重视齿轮和轴承的设计、工艺参数的选择和工艺改进，还需要拥有完整的研究数据、专业的高素质人才、大型的测试和实验装置以及与市场的相互交流等等。所以说提升不是速成，我们还需要做出更多的努力，付出更多的汗水才能最终收获完整的先进齿轮箱生产工艺。

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