Что такое поковки коробки передач ветряных турбин?

Поковки коробки передач ветряных турбин представляют собой стальные компоненты прецизионной штамповки, составляющие внутреннюю структуру передачи мощности редуктора ветряной турбины, изготовленные с помощью процессов горячей ковки или штамповки в закрытых штампах, которые выравнивают зернистую структуру стали для обеспечения максимальной усталостной прочности и несущей способности. Основными коваными компонентами редуктора ветряной турбины являются коронная шестерня, сателлиты, водило сателлитов, солнечная шестерня, входной и выходной валы и шестерни. Эти детали изготавливаются коваными, а не литыми, поскольку коробка передач работает под постоянными переменными нагрузками от переменного воздействия ветра, а плотная, бездефектная металлическая конструкция, полученная ковкой, обеспечивает усталостную долговечность, необходимую для соответствия типичному 20-летнему расчетному сроку службы современной ветряной турбины (Источник: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Ковка не является взаимозаменяемой с литьем для компонентов коробки передач, поскольку различия в механических свойствах между двумя процессами напрямую определяют, как долго коробка передач выдержит реальные рабочие нагрузки.

Роль коробки передач в ветряной турбине

Чтобы понять, почему качество ковки компонентов коробки передач имеет такое большое значение, необходимо понять, что делает коробка передач внутри турбины и в какой суровости механическая среда, в которой она работает.

Ротор ветряной турбины медленно вращается в ответ на ветер, обычно со скоростью от 10 до 22 оборотов в минуту для большой турбины мощностью в несколько мегаватт. Генератор, преобразующий механическую энергию в электричество, должен вращаться с гораздо более высокой скоростью, обычно от 1000 до 1500 оборотов в минуту или более. Коробка передач компенсирует эту разницу в скорости. Fuhong Steel напрямую описывает эту функцию: ветроэнергетический редуктор является основным компонентом ветряной турбины, основная функция которого заключается в преобразовании кинетической энергии, генерируемой ветроколесом под действием ветра, в механическую энергию и, наконец, передаче ее генератору (Источник: Fuhong Steel, Специальная сталь для поковок ветроэнергетического оборудования). Заявка на патент, описывающая узел коробки передач, подтвердила, что вал ротора обеспечивает низкоскоростной входной сигнал с высоким крутящим моментом на коробку передач, который затем конфигурируется для преобразования этого входного сигнала в высокоскоростной выходной сигнал с меньшим крутящим моментом, который приводит в движение генератор (Источник: Патент USPTO 11085421, Планетодержатель коробки передач ветряной турбины с улучшенным смазочным каналом).

Механические требования к этому преобразованию чрезвычайно высоки. Редуктор должен выдерживать плавно изменяемые крутящие нагрузки при изменении скорости ветра, внезапных ударных нагрузках во время порывов, непрерывной циклической усталости в течение 20 и более лет, и все это надежно выполнять в гондоле, расположенной высоко над землей, где обслуживание дорого, а замена основных компонентов может стоить сотни тысяч долларов за событие. Именно из-за этих требований каждый основной конструктивный компонент внутри коробки передач изготавливается из поковки, а не отливки.

Основные кованые компоненты коробки передач ветряной турбины

Редуктор ветряной турбины – это не единая кованая деталь. Это совокупность нескольких отдельных кованых компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию в планетарных и косозубых ступенях передачи, составляющих полную повышающую скорость трансмиссию.

Кольцевая шестерня (кольцевая шестерня)

Кольцевая шестерня — это большая внешняя шестерня с внутренними зубьями, образующая внешнюю границу ступени планетарной передачи. Планетарные шестерни зацепляются за его внутреннюю поверхность, вращаясь вокруг солнечной шестерни, а кольцевая шестерня либо остается неподвижной, либо вращается в зависимости от конструкции коробки передач. Поскольку кольцевая шестерня передает всю крутящую нагрузку планетарной ступени и находится в постоянном контакте зубьев с тремя или более планетарными шестернями одновременно, свойства ее материала и точность размеров имеют решающее значение для производительности всей коробки передач. В патенте USPTO, описывающем процесс изготовления зубчатого венца, отмечается, что зубчатый венец обычно формируется посредством ковки и впоследствии должен подвергаться термообработке для получения необходимой твердости, и что точность размеров в процессе ковки и термообработки имеет решающее значение, поскольку термообработка может вызвать искажение размеров, которое требует коррекции механической обработки (Источник: Патент USPTO 10495210, Интегральная кольцевая шестерня и моментный рычаг для коробки передач ветряной турбины).

Планета передач

Планетарные шестерни — это промежуточные шестерни, которые вращаются между коронной шестерней и солнечной шестерней, передавая крутящий момент между ними, а также вращаясь вокруг своих собственных осей. В планетарной ступени большой ветряной турбины обычно три или четыре планетарные шестерни разделяют общую нагрузку, распределяя ее по нескольким контактам зубьев одновременно. Такое расположение обеспечивает высокую плотность крутящего момента в компактном корпусе, но это также означает, что каждая планетарная шестерня несет значительную часть общей нагрузки при непрерывном циклическом усталостном цикле. Zhangqiu Heavy Forging подтверждает, что после закалки и отпуска кованые водила планетарных шестерен могут выдерживать длительные переменные нагрузки со сроком службы, равным в 2-3 раза дольше чем компоненты, произведенные обычными процессами, соотношение, которое в равной степени применимо и к самим планетарным шестерням (Источник: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Планетарный перевозчик

Водило сателлитов — это конструктивный элемент, который удерживает валы сателлитов в правильном орбитальном положении относительно друг друга, а также кольцевой и солнечной шестерен. Он должен сохранять точную точность позиционирования под нагрузкой, чтобы одновременно удерживать все сателлиты в правильном зацеплении, что требует как высокой жесткости, так и превосходной усталостной прочности. Zhangqiu Heavy Forging описывает ключевые требования к кованому водило сателлитов: процесс формования, близкий к заданному, в сочетании с точной обработкой обеспечивает строгий контроль точности размеров и позиционных допусков, обеспечивая точное взаимодействие с планетарными шестернями, солнечными шестернями и выходными валами, снижая потери и шум в трансмиссии (Источник: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Материалы, используемые для водил сателлитов, включают высокопрочные легированные стали 42CrMo, 20CrMnTi и 35CrMo с последовательностями термической обработки, состоящей из закалки и отпуска, а также цементации для достижения правильного баланса твердости поверхности и ударной вязкости сердечника (Источник: Zhangqiu Heavy Forging).

Солнечная шестерня и шестерни

Солнечная шестерня расположена в центре планетарной ступени и одновременно входит в зацепление со всеми планетарными шестернями, а шестерни появляются на винтовых ступенях многоступенчатой коробки передач, где требуется дополнительное увеличение скорости. Оба типа должны быть выкованы из легированных марок стали с достаточной прокаливаемостью для достижения цементации боковых поверхностей зубьев путем цементации или азотирования после черновой обработки, что обеспечивает твердость поверхности, необходимую для противодействия точечной коррозии и усталости боковых поверхностей зубьев в течение десятилетий циклической нагрузки.

Входной и выходной валы

Входной вал соединяет вал несущего винта с первой планетарной ступенью редуктора, а высокоскоростной выходной вал соединяет конечную ступень редуктора с муфтой генератора. Оба вала испытывают разные профили нагрузки: входной вал испытывает высокий крутящий момент на низкой скорости с высокими изгибающими моментами от ротора, тогда как выходной вал несет меньший крутящий момент на высокой скорости с крутильной усталостью из-за переходных процессов нагрузки генератора. Tiptop Heavy Forging отмечает, что высокоскоростной вал в системе ветряной турбины расположен после редуктора, вращаясь намного быстрее, но передавая меньший крутящий момент на генератор, и что оба типа вала требуют больших размеров и прочных кованых материалов (Источник: Tiptop Heavy Forging, Вал ветряной турбины: структура, материалы и поковка).

Почему ковка является обязательным процессом для компонентов коробки передач

Решение ковать, а не отливать компоненты коробки передач не является предпочтением; это требование обусловлено требованиями к усталостному ресурсу эксплуатации ветряных турбин.

Поток зерна и механическое превосходство

Ковка формирует металл под воздействием высокой сжимающей силы, которая закрывает внутренние пустоты, измельчает зеренную структуру и выравнивает поток зерен по геометрии детали. В результате получается деталь со значительно более высоким пределом текучести, пределом прочности и усталостной прочностью, чем деталь той же геометрии, полученная литьем из того же сплава. Tiptop Heavy Forging объясняет, что ковка меняет внутреннюю структуру металла таким образом, что помогает производить большие и надежные компоненты для работы в тяжелых условиях, и что главные валы ветряных турбин обычно изготавливаются из кованой стали, а не отливаются специально из-за этого структурного различия (Источник: Tiptop Heavy Forging, Вал ветряной турбины).

Усталостная долговечность при циклической нагрузке

Компоненты редуктора ветряной турбины испытывают усталостную нагрузку при каждом обороте ротора, а 20-летний расчетный срок службы при рабочей скорости соответствует сотням миллионов циклов напряжений на зубьях шестерен и поперечных сечениях валов. Литые детали содержат усадочную пористость, газовые включения и случайную ориентацию зерен, которые создают концентрации напряжений, при которых могут возникать и распространяться усталостные трещины. Кованые детали с закрытой пористостью и выровненной зеренной структурой обеспечивают значительно более высокий предел выносливости, позволяя им выдерживать одну и ту же амплитуду напряжения в течение гораздо большего количества циклов до возникновения трещины. Документация компании Zhangqiu Heavy Forging о кованых водилах планетарных шестерен, срок службы которых в 2–3 раза превышает срок службы обычных процессов, прямо количественно определяет это преимущество в усталости с точки зрения конкретного применения (Источник: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Стабильность размеров под нагрузкой

Точность зубчатого зацепления зависит от стабильности размеров каждой кованой детали как при статической, так и при динамической нагрузке. Если водило сателлитов прогибается под нагрузкой таким образом, что изменяется относительное положение валов сателлитов, распределение нагрузки между сателлитами становится неравномерным, и перегруженные сателлиты преждевременно выходят из строя. Кованые детали с предсказуемыми, однородными свойствами материала легче моделировать и проектировать с учетом требований жесткости, чем отливки с переменными свойствами по сечению.

Марки стали, используемые в поковках коробок передач ветряных турбин

Выбор материала для поковок редукторов обеспечивает баланс между прокаливаемостью, ударной вязкостью, обрабатываемостью и доступностью в глобальных цепочках поставок.

Fuhong Steel подтверждает, что 18CrNiMo7-6 и 8620 — это типы стали, которые в основном используются европейскими и американскими клиентами для редукторов ветроэнергетических установок, что отражает различные предпочтения в отношении стандартов материалов, которые сложились на каждом крупном рынке (Источник: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Выбор между этими марками определяется функцией передачи, необходимой глубиной гильзы после цементации, твердостью сердечника, необходимой для конкретного напряженного состояния, и сертификационными требованиями OEM-производителя.

Последовательность термообработки поковок коробок передач

Поковка в исходном состоянии не обладает механическими свойствами, необходимыми для эксплуатации коробки передач. Термическая обработка после ковки и черновой обработки необходима для достижения сочетания твердости поверхности и прочности сердечника, необходимого для зубьев шестерен и поперечного сечения вала.

1. Нормализация: применяется после ковки для снятия остаточных напряжений, гомогенизации структуры и подготовки материала к последующей механической и термообработке без искажений, которые могут возникнуть в ненормализованных поковках.
2. Закалка и отпуск: используется для компонентов конструкций, таких как водило сателлитов и валы, для придания высокой прочности и ударной вязкости сердечника; Скорость закалки и температура отпуска выбираются с учетом удельного предела текучести и энергии удара, требуемых стандартом проектирования.
3. Науглероживание и цементация: используется для зубьев планетарных шестерен, солнечных шестерен, кольцевых шестерен и шестерен; углерод диффундирует в поверхностный слой на заданную глубину корпуса, после чего следует закалка для достижения твердости поверхности, обычно в диапазоне от 58 до 62 HRC, при этом сердечник остается прочным.
4. Азотирование: используется там, где деформация из-за цементации недопустима или когда состав сплава подходит для диффузионной закалки азотом; обеспечивает твердый корпус при более низких температурах и с меньшими изменениями размеров, чем при цементации
5. Индукционная закалка: используется для отдельных поверхностей валов, таких как гнезда подшипников скольжения, где необходима локальная поверхностная закалка без затрат на полную цементацию.

Zhangqiu Heavy Forging описывает выбор материала и термической обработки для водил сателлитов: используются предпочтительные процессы штамповки и свободной ковки с использованием таких материалов, как высокопрочные легированные стали 42CrMo, 20CrMnTi и 35CrMo в сочетании с закалкой и отпуском, а также цементацией и закалкой для достижения баланса между прочностью и ударной вязкостью, необходимыми для этого компонента (Источник: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Стандарты качества и испытаний поковок коробок передач ветряных турбин

Поковки редукторов ветряных турбин производятся в соответствии с отслеживаемыми стандартами материалов и размеров с документированными протоколами испытаний, которые сопровождают компоненты по всей цепочке поставок и остаются доступными в течение всего срока службы турбины.

1. Проверка химического состава путем спектрографического анализа каждой плавки для подтверждения марки материала в пределах спецификаций применимого стандарта.
2. Испытание механических свойств образцов-купонов из поковки или образца, выкованного в тех же условиях, включая прочность на разрыв, предел текучести, удлинение, уменьшение площади и энергию удара по Шарпи при указанной температуре испытания.
3. Ультразвуковой контроль всего объема поковки для обнаружения внутренних дефектов, включений или сегрегации, которые не видны на поверхности, но могут снизить усталостную прочность при эксплуатации.
4. Магнитопорошковый контроль или капиллярный контроль поверхностей для обнаружения поверхностных трещин, возникших во время ковки или термообработки.
5. Контроль размеров с учетом допусков чертежей с использованием координатно-измерительных машин для сложной геометрии и прецизионного контроля критических диаметров отверстий и шпоночных пазов.
6. Проверка твердости методом Бринелля или Роквелла в определенных положениях для подтверждения того, что термическая обработка достигла требуемых свойств по сечению.

Процесс ACE Поковки коробки передач ветряных турбин производятся в соответствии с этим полным стандартом качества, с сертификатами материалов, отчетами о механических испытаниях, протоколами неразрушающего контроля и документацией по проверке размеров, прилагаемой к каждой поковке для поддержки требований отслеживаемости и сертификации OEM-производителей ветряных турбин и их органов по сертификации.