文／赵兴明，郑永强，赵丽美·伊莱特能源装备股份有限公司
随着近几年风力发电的快速发展，服务于风电行业的风电增速传动技术也得以高速发展，尤其以大兆瓦风电增速传动技术的研究及应用最为引人注目。风电增速箱主要功能是将风轮在风力作用下产生的动力传递给发电机，通过其内部齿轮传动增速，增速比可达50 ～100 倍，使其转速达到发电机的额定转速，供发电机能正常发电。增速箱在风力发电机组中属于核心且故障率较高的部件，对机组的可靠性及使用周期具有较大影响，因此有效控制增速箱内部锻件的制造质量，保证增速箱机械传动的可靠性对风力发电机组的使用寿命具有重要意义。本文以我公司生产的一种5MW 增速箱轨道行星轮为例，总结阐述风电增速箱锻件的制造及质量控制的技术要点。
风电增速箱的特点
为了使风电增速箱结构紧凑，降低传动比，增加功率分流能力，目前一般采用两级行星齿轮传动或行星与平行轴齿轮组合传动。其特点是：⑴安装空间狭小，要求产品设计的体积小、重量轻；⑵受无规律的变向变负荷及强阵风的冲击；⑶常年受严寒酷暑、极端温差、湿度及盐分大(海上风电)的影响；⑷安装的区域交通不便，拆装运输不便；⑸一旦出现较大故障，维修非常困难。
风电增速箱锻件的制造要求
⑴由于风电机组工作条件的苛刻和特殊性，主机厂往往要求其无大修使用寿命为20 年，对其运行可靠性要求极高。目前已投入运行的增速箱，故障率十分高，轮齿折断、断轴、轴承失效、漏油等屡屡发生，其20 年的运行寿命令人担忧。为保证增速箱的运行可靠性，对增速箱锻件制造提出了更严格的质量要求，从原材料的成分控制、复验、加热、锻造、热处理、机加工等每一个工序都进行严格控制。⑵风电增速箱锻件原材料可采用模铸锭和连铸圆坯，对产品的性能有着至关重要的影响，必须严格控制原材料的成分、均匀性和气体含量。原材料到厂后应对连铸圆坯和开坯后的模铸锭进行化学成分、气体含量及低倍检测。⑶采用模铸锭锻造时，要求开坯锻比≥3。锻造必须经过多次镦粗和拔长，确保锻件心部有足够的塑性变形，镦拔过程不得少于两次。模铸锭总锻造比不小于5，连铸坯料总锻造比不小于6。为保证每次锻造的充分性，分锻比小于1.5 的不计入总锻比。为确保彻底去除原材料心部缺陷，冲孔直径不小于
φ200mm。⑷组织决定性能，使用环境苛刻，受力复杂的增速箱齿轮锻件对金相组织、带状组织、本质晶粒度和实际晶粒度均有严格的要求。⑸风电增速箱锻件大部分时间处于高速运转状态，内部质量对增速箱锻件的使用寿命有至关重要的影响，需要严格按要求进行无损检测。无损检测一般要求距成品行星轮内孔表面1～15mm深度区域及齿部区域按起始记录当量值
φ0.6mm，可允许的单个缺陷当量按照不大于
φ1.0mm 进行评定验收；其余区域可允许的单个缺陷当量按照不大于
φ2.0mm 进行评定验收，所有区域不允许存在密集型缺陷。⑹生产过程中的每个环节都应予以关注，一旦出现质量问题，可能会造成锻件的成批报废；在风机上使用过程中出现问题，维修困难且费用相当高。
风电增速箱锻件制造中的问题及原因分析
总结生产过程中遇到的问题和同行经验，对风电增速箱锻件生产制造中出现的质量问题进行分析，如表1 所示。
表1 前期风电增速箱锻件制造中可能出现的问题及原因分析
风电增速箱锻件制造质量控制
为满足客户对风电增速箱运行可靠性及使用寿命的要求，必须对增速箱锻件的生产制造过程进行严格的质量控制。
风电增速箱锻件质量问题的判断
风电增速箱锻件的内部质量、力学性能和本质晶粒度是产品的关键控制点。原材料和热加工过程对上述指标有至关重要的影响，锻造厂在锻造前应对原材料进行复检，合格后才可使用。在锻件的制造过程中应对加热、锻造、热处理进行严格的质量控制。
增速箱锻件制造过程质量控制
⑴原材料的质量控制。1)冶炼方法：原材料要求采用电弧炉/转炉+精炼炉+真空脱气工艺进行冶炼，采用气体保护法浇铸或真空浇铸或连铸，冶炼过程应控制夹杂物含量和气体含量。2)模铸锭要求进行开坯，开坯锻比不小于3，锻造开坯必须有镦粗、拔长工序且锻后缓冷处理。3)采用模铸锭开坯后的锻坯和连铸坯料均需要检测化学成分、气体含量及低倍等。⑵锻造的质量控制。1)严格控制材料的利用率：模铸锭的两端应保证足够切除量(冒口去除大于15%，水口端去除大于5%)；要求每个锻件能追溯到熔炼炉号、钢锭(连铸坯)编号及在钢锭(连铸坯)中的具体位置。2)加热炉控制：要求严格按加热工艺升温、保温，采用温度检测仪器测定炉内温度的均匀性。3)锻造的控制：锻造必须有反复镦拔过程，锻件心部区域有足够的塑性变形量，不得少于二次镦拔过程。模铸锭锻造比不小于5，连铸坯料锻造比不小于6，最后一火锻造比必须不小于1.5。严格按锻造工艺执行，控制每次的变形量，每次变形应到位，严格控制终锻温度；中间因设备问题或其他原因可以回炉，视后续锻比情况，应进行降温锻造。4)锻件不允许使用合锻工艺；冲孔直径不小于
φ200mm，以便去除心部疏松或裂纹等缺陷。5)锻后缓冷，以消除应力，减少组织不均匀情况。6)锻造中出现裂纹或折伤，视情况进行清除，以免带入下一工序。⑶锻后热处理质量控制。锻件锻后应严格按照热处理工艺的要求，进行等温正火、等温退火或正火+高温回火处理。严格控制装炉量、坯料间距、加热温度、保温时间和冷却速度等影响坯料质量的因素。⑷机械性能的控制。内齿圈需要调质时，锻件应按照客户技术要求提供的热处理工艺进行调质处理，严格控制加热温度、保温时间和出炉时间等影响机械性能的因素。⑸无损检测的控制。锻件粗加工后应逐件进行超声波检测，及时反馈产品检测信息，以便进行后续处理。⑹机加工控制。锻件应严格按照机加工图纸进行加工，严格控制公差尺寸及表面粗糙度，以达到要求；表面粗糙度可用粗糙度对比试块对比或用粗糙度检测仪进行检测。⑺发货的控制。应按工票信息如实填写发货信息、唛头及钢印标识，仔细检查产品表面质量，出现卡爪印迹、锈迹及毛刺等应立即清除。
结束语
风电增速箱是风力发电机组中的关键零部件之一，其内部采用的锻造构件质量对增速箱机械传动的可靠性及风力发电机组的使用寿命是至关重要的，因此必须对其生产过程和产品质量进行严格控制。风电增速箱锻件主要涉及到原材料、加热、锻造、锻后热处理、检测等过程，每个环节都应严格控制才能生产出高质量的锻件产品。本文主要论述了风电增速箱锻件生产制造过程要求及各节点的质量控制要点，对提高风电增速箱锻件质量和一次合格率具有重要的指导意义。
——文章选自：《锻造与冲压》2022年第1期
