风电齿轮箱的技术特点分析

近几年，我国风电行业得到快速发展，按照相关规划，到2010年我国风电装机容量达400万kW,2020年达2000万kW,在风能资源丰富的地区建成若干个百万千瓦级风电基地。 　　 　　目前从76万kW到400万kW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 　　（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，这个环节常是机组中的齿轮箱。 　　（2）功率大主流风电机组已达到兆瓦级，丹麦的主流风机为2.0～3.0MW,美国主流风机为1.5MW,在2004年的汉诺威工博会上4.5MW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的转速，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。齿部的最终加工是采用磨齿工艺，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）可靠性要求高与使用寿命都提出了比一般机械高得多的要求。对构件材料，除了常规状态下力学性能外，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，以及稳定性和变形极限分析。 　　2.热处理生产中的主要技术难度 　　由于风电齿轮的服役条件苛刻，技术要求高，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。一方面，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，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，这一关道路漫长，尚待考验，而对于内齿圈的渗碳淬火变形，由于直接影响生产已经成为热处理中的一大难题。 　　3.风电齿轮的热处理质量标准 　　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的要求来控制材料的热处理质量。 　　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。 　　对于热处理设备及工艺材料生产厂，建议拓宽思路，不只限于提高自己产品的质量水平，还应去了解风机齿轮热处理生产中有何特殊要求，由此开发新产品，既推动齿轮热处理工艺水平的提高，又可开拓新的产品市场。近年来齿轮加工设备制造厂，如重庆机床厂、秦川机床厂瞄准风电齿轮开发大型、高精的滚齿机和磨齿机，从而开拓出新的市场局面。 　　4.影响齿轮的热处理变形的因素 　　齿轮热处理变形，特别是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，主要是因为影响变形的因素太多，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，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”,可见，热处理变形不是单纯的一项技术，而是一项“系统工程”。 　　除了以上的讨论内容外，我想还应对热处理变形这一项“系统工程”的内涵和理念进行讨论和理解。 　　另外，根据我国的生产实践，讨论提出若干项带行业性的关键控制技术，比如，近年来我国在齿轮毛坯预处理中采用等温正火工艺，这对减小齿轮变形很有实效，已被齿轮行业认可。