風(fēng)電機(jī)組鑄鋼行星架鑄造工藝

邱桂永，楊智勇，管遵輝，徐洪德

（1.南車四方車輛有限公司，山東青島市 266300;2.北京交通大學(xué)軌道車輛結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)用檢測技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100044）

風(fēng)電機(jī)組鑄鋼行星架鑄造工藝

邱桂永1，楊智勇2，管遵輝1，徐洪德1

（1.南車四方車輛有限公司，山東青島市 266300;2.北京交通大學(xué)軌道車輛結(jié)構(gòu)可靠性與運(yùn)用檢測技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100044）

針對1.5MW風(fēng)電機(jī)組行星架鑄造成型存在的技術(shù)難度進(jìn)行工藝研究，重點(diǎn)從造型材料、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、熱處理等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

風(fēng)電機(jī)組；行星架；鑄鋼；鑄造工藝

近年來，隨著我國能源的持續(xù)緊缺及生態(tài)環(huán)境的日益惡化，風(fēng)能作為最有開發(fā)利用前景和技術(shù)最成熟的一種可再生的清潔能源，越來越受到重視。我國的風(fēng)能資源非常豐富，風(fēng)電技術(shù)也日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展非常迅速。風(fēng)電齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中的核心部件，對可靠性的要求也極為苛刻。大型風(fēng)電齒輪箱均采用行星傳動，通過行星架輸入風(fēng)輪葉片傳來的轉(zhuǎn)矩，行星架是典型的低速、重載、變轉(zhuǎn)矩和增速傳動件。在齒輪箱的故障率中行星傳動的故障率約占40%[1]，行星架質(zhì)量的可靠性對機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要影響。1.5MW級機(jī)組用鑄鋼行星架鑄件輪廓尺寸?1200mm×1200 mm，毛坯重約4.4t；受力很復(fù)雜，機(jī)組對行星架強(qiáng)度、剛度和內(nèi)在質(zhì)量都有很高的要求；材料采用超高強(qiáng)度等級的G32NiCrMo8-5-4，該材料合金含量較高，鋼液流動性差，有一定的鑄造難度。本文針對1.5MW機(jī)組用鑄鋼行星架為研究對象，以MAGMA-soft軟件為模擬手段，通過對其凝固過程模擬分析和工藝優(yōu)化，形成了行星架鑄件的成套生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出的行星架合格率高、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性好，具備了批量工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

1 鑄件結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求

1.1 行星架簡介

由圖1可見，行星架是齒輪箱的核心部件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時(shí)，其支撐主軸、承受縱向力。因風(fēng)電機(jī)組必須滿足長期工作免維護(hù)的要求，故系統(tǒng)對行星架有很高的可靠性要求。

1.2 鑄造質(zhì)量要求

行星架選用的材料是G32NiCrMo8-5-4，有良好的強(qiáng)韌性、較高的屈強(qiáng)比。鑒于行星架在齒輪箱中的重要性，行星架鑄件不得有影響強(qiáng)度的缺陷，輪轂處及各孔處等主受力部位應(yīng)經(jīng)超聲波探傷（UT），探傷部位如圖3所示，質(zhì)量要求不低于JB/T5000.14—1998技術(shù)條件中的2級。鑄件外表面及內(nèi)表面經(jīng)濕法熒光磁粉探傷（MT）檢查，不應(yīng)有裂紋。

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)及其模擬分析

2.1 行星架的鑄造工藝

為確保鑄件內(nèi)、外質(zhì)量，決定采用透氣性和潰散性均較優(yōu)的酯硬化水玻璃砂造型[2]，局部砂芯和圓角處采用水玻璃鉻鐵礦砂-CO2硬化。

采用底注式澆注系統(tǒng)，以使鋼液平穩(wěn)進(jìn)入鑄型。直澆道直徑?80mm，橫澆道2道，直徑為?60mm，內(nèi)澆道4道，直徑為?60mm。形成開放式澆注系統(tǒng)，各截面的比例為：F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶1.125∶2.25。開放式澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是鋼液平穩(wěn)進(jìn)入鑄型，能避免鋼液飛濺產(chǎn)生鐵豆。

為了提高冒口的補(bǔ)縮效率，采用階梯式澆注系統(tǒng)，在接近冒口根部設(shè)置階梯內(nèi)澆道，直徑為?80mm。當(dāng)澆注鋼液到達(dá)冒口根部高度時(shí)，階梯澆口開始進(jìn)鋼液，冒口進(jìn)入高溫鋼液，以提高冒口的補(bǔ)縮效率。

鑄件設(shè)置一個(gè)頂冒口,直徑?940mm,高度550mm。鋼液澆注完畢后在冒口液面覆蓋冒口發(fā)熱劑（加入量為鋼液量的1.5%），以減緩冒口的冷卻速度，提高冒口的補(bǔ)縮效率。

鑄件澆注溫度為1550～1560℃，漏包澆注，澆注口直徑?60mm，單件澆注7200kg，每包澆2件。

2.2 化學(xué)成分優(yōu)化

為提高G32NiCrMo8－5－4鋼的鑄造工藝性能和焊修性能，在保證滿足力學(xué)性能的前提下，決定將C及Ni、Mo、Cr等合金元素控制在表1規(guī)定值的下限，制定了冶煉時(shí)的內(nèi)控化學(xué)成份指標(biāo)，如表1所示。

表2 試樣的力學(xué)性能

2.4 力學(xué)性能要求

隨爐砂型單鑄試棒力學(xué)性能見表2。

表1 化學(xué)成分控制（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.4 鑄造工藝模擬

為確保上述澆注參數(shù)選擇合理，使用澆注分析軟件MAGMA－soft進(jìn)行了凝固溫度場分析，圖4是模擬計(jì)算得出的鑄件澆注75min后的溫度場分布圖。由圖示溫度分布可知，鑄件在凝固過程中形成由下而上到冒口，溫度逐步升高的溫度場分布形式，這種溫度場分布形式有利于鑄件的凝固補(bǔ)縮。因此可以認(rèn)為鑄件的澆注參數(shù)設(shè)計(jì)是合理的。

3 試制中出現(xiàn)的問題及其解決措施

3.1 試制中出現(xiàn)的問題

用上述工藝試制了94版和03版兩個(gè)規(guī)格的鑄鋼行星架，鑄件力學(xué)性能、內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量等雖然基本達(dá)到了用戶要求，但存在鑄件表面和內(nèi)部缺陷較多，焊修工作量大、成本和廢品率較高等缺點(diǎn)。經(jīng)對缺陷進(jìn)行技術(shù)分析，主要有以下幾類:

（1）二次夾渣

對行星架進(jìn)行濕法熒光磁粉探傷時(shí)，鑄件表面局部有大量的毛細(xì)裂紋狀缺陷，對這些缺陷進(jìn)行分析，實(shí)際上均是夾渣。圖5是行星架鑄件缺陷部位的取樣。

圖6（a）中試樣的表面形貌呈流態(tài)狀，能譜分析結(jié)果表明成分主要由 Fe、Si、Mn、Cr、O 等元素組成，表明該處是 Fe、Si、Mn、Cr的氧化夾渣。

（2）氣孔

在澆注結(jié)束后可以在冒口中看到不斷有氣泡冒出，說明鋼液中產(chǎn)生了氣體，在凝固過程中析出。氣體的來源有三種可能：

第一種可能是鋼液含氣量高，隨著鋼液溫度降低，氣體從鋼液中析出。

第二種可能是鋼液與造型材料（型砂或涂料）發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氣體，氣體進(jìn)入鋼液形成氣泡，氣泡不斷上升從冒口析出。然而，根據(jù)澆注后鑄件的表面質(zhì)量分析，鑄件表面光滑，沒有發(fā)生鋼液/造型材料反應(yīng)的跡象。

第三種可能是造型材料發(fā)氣。造型材料在高溫鋼液加熱下發(fā)氣，產(chǎn)生的氣體進(jìn)入鋼液形成氣泡，一部分氣泡不斷上升從冒口析出，來不及溢出的氣泡在鑄件中形成氣孔。

因此，鋼液質(zhì)量和造型材料發(fā)氣是產(chǎn)生氣孔的根源。

（3）行星架上下法蘭間的3個(gè)三角立柱跟部裂紋

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，3個(gè)三角立柱根部沒有裂紋的鑄件約占20%，1處有裂紋的鑄件約占20%，2處有裂紋的鑄件約占60%，沒有發(fā)現(xiàn)3個(gè)三角立柱根部都有裂紋的鑄件。這一方面與鑄件凝固收縮受阻有關(guān)，而且還與鑄件凝固過程中徑向溫度場分布不均勻有關(guān)。

3.2 解決措施

針對行星架鑄件的缺陷，鑄造工藝上采取了以下措施。

（1）提高鋼液冶煉質(zhì)量

嚴(yán)格控制鋼液冶煉過程，減少鋼液氣體含量和夾渣物含量，有利于較少鑄件夾渣和降低產(chǎn)生氣孔的可能性。

(2)改進(jìn)澆注系統(tǒng)將開放式澆注系統(tǒng)改成半封閉式澆注系統(tǒng)，較少澆注過程中鋼液的氧化吸氣。直澆道由?80mm改為?100mm，橫澆道和內(nèi)澆道保持不變，則澆注系統(tǒng)各截面的比例為：F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶0.72∶1.44。

由于澆注系統(tǒng)采用了半封閉結(jié)構(gòu)，階梯式澆口必須進(jìn)行相應(yīng)的修改或去除。如去除階梯澆口，則澆注完畢后必須補(bǔ)澆冒口，提高冒口鋼液的溫度，以提高冒口的補(bǔ)縮效率。補(bǔ)澆冒口完畢后在冒口鋼液液面覆蓋發(fā)熱劑。

（3）內(nèi)澆道與鑄件結(jié)構(gòu)呈對稱布置，提高溫度場徑向分布均勻性；局部提高砂芯的退讓性，防止鑄件圓角處產(chǎn)生裂紋。

（4）行星架上下法蘭間砂芯近表面布置?10mm通氣繩，使造型材料產(chǎn)生的氣體盡可能通過通氣道排出，防止氣體進(jìn)入鑄件。

（5）行星架上下法蘭間砂芯近3個(gè)三角立柱跟部處填埋秸稈等易燃材料，鑄件澆注后這些填埋材料被燒毀，改善砂芯的退讓性，防止鑄造裂紋的產(chǎn)生。

按以上改進(jìn)后的工藝及流程開始了小批量生產(chǎn)行星架，經(jīng)探傷、熱處理、加工，生產(chǎn)出了合格產(chǎn)品，鑄件加工前后的外觀情況分別見圖7、圖8。從探傷結(jié)果看，鑄件表面（MT探傷）合格率達(dá)到了97%，內(nèi)部質(zhì)量（UT探傷）合格率達(dá)到了95%，證明通過本項(xiàng)研究所確定的鑄件工藝合理、完善，且根據(jù)目前資料看還具備一定的先進(jìn)性。同時(shí)，由于保證了成品率，使鑄件的生產(chǎn)有較好的經(jīng)濟(jì)性，具備了批量工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組行星架結(jié)構(gòu)工藝性研究，以及鑄造用合金鋼化學(xué)成分的優(yōu)化的研究，形成了行星架鑄件的成套生產(chǎn)工藝；冶煉出了化學(xué)成份和各項(xiàng)性能均合格、且燒注性能較優(yōu)的G32NiCrMo8-5-4鋼液；通過對鑄鋼行星架鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出的行星架合格率高、生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性好，具備了批量工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。此外，所研制的工藝具有參數(shù)選擇合理、布局流暢、經(jīng)濟(jì)性好、系統(tǒng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的先進(jìn)性。

[1]劉忠明，段守敏，王長路.風(fēng)力發(fā)電齒輪箱設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展與展望[J].機(jī)械傳動，2006，30（6）:l～6.

[2]俞正江，鄭慧.有機(jī)酯水玻璃砂在特大型鑄鋼件上的應(yīng)用[J].鑄造，2007，56（11）:l2l5～l2l7.

Casting Technique of Planet Carrier Used for W ind Turbine Set

QIU GuiYong1，YANG ZhiYong2，GUAN ZunHui1，XU HongDe1
(1.CSR Sifang Rolling Stock Co.Ltd.，Qingdao 266033，Shandong，China；2.Engineering Research Center of Struc ture Reliab ility and Operation Measurement Technology of Rail Guided Vehic les，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，Beijing China）

The p rocess d ifficulty of the p lanet carrier casting used for 1.5MW w ind turbine set has been stud ied w ith emphasis in op timal design of aspects such as the mold ing materials，gating system design,heat treatment etc.，and combined w ith com puter numerical simulation，hence the qualified castings were obtained.

Wind turbine set；Planet carrier；Steel castings；Casting technology

TG260;

A；

1006－9658（2011）02－4

2010－10－11

2010－148

邱桂永（1968-），男，工程碩士,研究方向：大型鑄鋼件成型工藝研究