風(fēng)電齒輪箱制造及質(zhì)量控制技術(shù)要點(diǎn)的研究

霍仕環(huán)，曹 奇

（廣東明陽(yáng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東 中山 528437）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中齒輪箱是一個(gè)重要機(jī)械部件，其主要功能是將風(fēng)輪在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，并使葉輪的轉(zhuǎn)速增速，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，以供發(fā)電機(jī)能正常發(fā)電，故也將齒輪箱稱為增速箱。齒輪箱在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中屬于故障率較高的部件，對(duì)機(jī)組可靠性有很大影響。因此，有效控制齒輪箱制造和裝配質(zhì)量，保證齒輪箱的可靠性對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)具有重要意義。本文以一種3 MW齒輪箱生產(chǎn)為例，概述了齒輪箱生產(chǎn)中技術(shù)及質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1 風(fēng)電齒輪箱的技術(shù)特點(diǎn)

受風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的限制，齒輪箱輸入額定轉(zhuǎn)速一般在20 r/min左右，而發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速通常為1000～1800 r/min，故齒輪箱的增速比在 50～100左右。風(fēng)電機(jī)組齒輪箱，為了使結(jié)構(gòu)緊湊，常常采用行星齒輪傳動(dòng)或行星與平行軸齒輪組合傳動(dòng)[1]。

為簡(jiǎn)化齒輪箱的設(shè)計(jì)，降低傳動(dòng)比，從而使風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，一種3 MW風(fēng)電機(jī)組采用半直驅(qū)設(shè)計(jì)。齒輪箱采用兩級(jí)行星輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為20.7。第一級(jí)采用五個(gè)行星輪的行星傳動(dòng)，增加功率分流能力。齒輪箱箱體頂部設(shè)潤(rùn)滑油注入管道，對(duì)軸承和齒輪進(jìn)行噴淋強(qiáng)制潤(rùn)滑，箱體底部設(shè)置兩根回油管，將潤(rùn)滑油導(dǎo)回油箱形成循環(huán)。此種齒輪箱結(jié)構(gòu)緊湊，制造和裝配精度要求高，給生產(chǎn)制造帶來(lái)一定困難。

2 風(fēng)電齒輪箱的生產(chǎn)制造要求

風(fēng)電齒輪箱是一種在無(wú)規(guī)律變向載荷和瞬間強(qiáng)沖擊載荷作用下工作的重載齒輪傳動(dòng)裝置，在風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪箱的故障率是偏高的，并且是更換維修最貴的部件之一。因此要求齒輪箱要有很高的可靠性，需要齒輪箱在設(shè)計(jì)、制造時(shí)一定要嚴(yán)格控制質(zhì)量。

要從設(shè)計(jì)、原材料、熱處理、齒輪加工等各個(gè)流程嚴(yán)格控制質(zhì)量；同時(shí)小到螺孔的加工和螺栓、墊片、密封膠等的裝齒輪加工；小到螺孔的加工和螺栓、墊片、密封膠等的裝配，以及清潔度的控制，都要予以關(guān)注。一旦有質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生，只要上了塔架的，那都是不好處理的；即使能處理，處理費(fèi)用都非常昂貴的。況且如果一旦是批量化問(wèn)題，那將是災(zāi)難性的。

3 齒輪箱零部件加工所出現(xiàn)的問(wèn)題及原因分析

目前，3 MW齒輪箱已完成樣機(jī)試制，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。如何改進(jìn)生產(chǎn)和裝配工藝，控制質(zhì)量將成為批量生產(chǎn)階段首要問(wèn)題。對(duì)齒輪箱樣機(jī)生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，如表1所示。

4 齒輪箱零部件加工分析

針對(duì)3 MW齒輪箱生產(chǎn)制造中遇到的問(wèn)題，總結(jié)出齒輪箱零部件加工特點(diǎn)。生產(chǎn)中，零部件加工必須滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，需針對(duì)工藝難點(diǎn)采取措施，控制質(zhì)量。以下這些工藝難點(diǎn)，也是質(zhì)量控制的要點(diǎn)。見表2。

5 齒輪箱制造質(zhì)量控制

為滿足齒輪箱運(yùn)行可靠性和壽命要求，必須對(duì)齒輪箱的生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。

5.1 風(fēng)電齒輪箱的損壞類型及其判斷

為使質(zhì)量控制有針對(duì)性，需了解齒輪箱故障類型。根據(jù)多年風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)得出齒輪箱各部件故障類型和故障比例如表3所示。

表1 齒輪箱零部件加工問(wèn)題及原因分析

表2 齒輪箱零部件加工工藝特點(diǎn)

表3 齒輪箱各部件故障比例及損壞形式

表3中列舉了齒輪箱中各類零件損壞的百分比。由表3可見，在齒輪箱中齒輪本身所占的故障比重較大，為60%。說(shuō)明在齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪箱本身的制造、裝配質(zhì)量及其運(yùn)行維護(hù)水平是關(guān)鍵問(wèn)題。齒輪在機(jī)械加工中是一種高度復(fù)雜的成型零件，而在高速、重載運(yùn)行下的齒輪，其工作條件又相對(duì)比其他零件惡劣。除疲勞、過(guò)載、潤(rùn)滑不良、沖擊等原因外，齒面硬度低會(huì)導(dǎo)致輪齒發(fā)生點(diǎn)蝕；齒輪精度低和齒面硬度低會(huì)導(dǎo)致輪齒發(fā)生膠合；齒根圓角處熱處理或加工缺陷會(huì)導(dǎo)致發(fā)生齒根疲勞裂紋。因此齒輪加工中要對(duì)精度、硬度、熱處理進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)和質(zhì)量控制。

5.2 齒輪箱制造過(guò)程質(zhì)量

5.2.1 原材料的質(zhì)量控制

（1）鍛鋼件原材料的質(zhì)量控制：重點(diǎn)控制化學(xué)成分、非金屬夾雜物級(jí)別、鍛造比、晶、晶粒度以及N、H、O含量等[2]。

（2）球墨鑄鐵件原材料的質(zhì)量控制：重點(diǎn)控制球墨鑄鐵的機(jī)械性能（含抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率）、低溫沖擊以及石墨大小、球化率等[2]。

（3）其他零件原材料的質(zhì)量控制：依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。

5.2.2 熱處理的質(zhì)量控制[5]

（1）滲碳件的質(zhì)量控制：控制滲碳層深度、表面硬度、芯部硬度、殘余奧氏體級(jí)別、碳化物級(jí)別和晶粒度等。

（2）調(diào)質(zhì)件的質(zhì)量控制：控制本體樣的機(jī)械性能、沖擊功以及硬度的復(fù)驗(yàn)。

（3）氮化件或表面淬火件質(zhì)量控制：重點(diǎn)控制硬化層深和表面硬度。

5.2.3 無(wú)損檢測(cè)

（1）滲碳件：粗加工完后超聲波探傷，精加工完后磁粉探傷或磨削粗加工完后超聲波探傷。

（2）調(diào)質(zhì)件：超聲波探傷。

（3）行星架和箱體：超聲波探傷。

5.2.4 最終機(jī)加工的質(zhì)量控制

重點(diǎn)控制重要零部件的尺寸公差和形位公差，如齒輪、軸、箱體和行星架等；同時(shí)還要在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行復(fù)查。最后形成零部件的終檢報(bào)告。

5.2.5 裝配的質(zhì)量控制

嚴(yán)格按照裝配工藝和圖紙的要求進(jìn)行裝配，重點(diǎn)控制齒輪著色、齒側(cè)間隙、清潔度等。

須派工程師全程參與齒輪箱樣機(jī)的裝配，學(xué)習(xí)裝配工藝，弄清每一個(gè)裝配工序及質(zhì)量控制點(diǎn)，編制完整的裝配工藝及作業(yè)規(guī)范文件，設(shè)計(jì)專用的裝配工裝。

5.2.6 試驗(yàn)的質(zhì)量控制

嚴(yán)格按照試驗(yàn)大綱的要求進(jìn)行試驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)齒輪箱的油溫、油壓、噪聲、振動(dòng)、效率以及清潔度等等。

齒輪箱首次運(yùn)行10小時(shí)內(nèi)注意下列現(xiàn)象：（1）檢查齒輪、軸承供油是否正常，吸油是否通暢；

（2）在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，每30分鐘記錄一次油溫及軸承部位溫度；

（3）注意齒輪箱有無(wú)異常響聲，檢查齒輪箱箱體各結(jié)合面和各可能的泄漏點(diǎn)是否滲漏，并即時(shí)采取措施，排除故障；

（4）在總計(jì)運(yùn)作10小時(shí)后，檢查各連接部位螺栓，必要時(shí)予以緊固，檢查所有可能的泄漏點(diǎn)；檢查油位，必要時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑油。

對(duì)于風(fēng)電機(jī)機(jī)組，根據(jù)需要建立齒輪箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)、發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、全功率實(shí)驗(yàn)臺(tái)、偏航變槳實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可以充分滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

5.2.7 噴漆的質(zhì)量控制

嚴(yán)格按照噴漆工藝要求進(jìn)行噴涂，重點(diǎn)檢測(cè)油漆厚度及附著力和等。

5.3 質(zhì)量控制模式

根據(jù)我司現(xiàn)階段的情況，齒輪箱質(zhì)量控制主要有以下3種模式。

（1）將零部件的質(zhì)量控制在零部件供應(yīng)商的廠內(nèi)，利用供應(yīng)商的檢測(cè)能力和檢測(cè)設(shè)備對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制。這需要有負(fù)責(zé)任的專業(yè)工程師進(jìn)行監(jiān)造，這種方式可以大大節(jié)省成本，但質(zhì)量較難控制。供應(yīng)商會(huì)因進(jìn)度和利益的驅(qū)使，或本身的質(zhì)量管理存在問(wèn)題，而出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，且在零部件在運(yùn)輸時(shí)可能存在變形或磕碰。

（2）所有零件交第三方檢測(cè)，利用第三方的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)能力對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制。此種方式成本較大，但可盡快的適應(yīng)齒輪箱的批量化，質(zhì)量也可以得到保證。

（3）由我司自行購(gòu)置專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，特別是齒輪的檢測(cè)和形位公差的檢測(cè)，成立檢測(cè)中心，培訓(xùn)檢測(cè)人員，加強(qiáng)入廠檢驗(yàn)力量，使我公司的檢測(cè)結(jié)果作為唯一的判定標(biāo)準(zhǔn)，這種方式的成本較大，但可以確保零部件的質(zhì)量，對(duì)公司人員素質(zhì)會(huì)有很大提高。

三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，目前按第一種方案執(zhí)行，同時(shí)進(jìn)行第三種方案的配置，使我司具有自主的零部件檢測(cè)和質(zhì)量控制能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的關(guān)鍵零部件之一，而且是故障率較高的部件，必須對(duì)其生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。齒輪箱生產(chǎn)質(zhì)量控制涉及到從原材料、熱處理、齒輪加工、鑄件生產(chǎn)到齒輪箱裝配、試驗(yàn)的全過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)都要進(jìn)行嚴(yán)格控制。了解齒輪箱零件及裝配生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)特點(diǎn)，明確質(zhì)量控制點(diǎn)，使得齒輪箱質(zhì)量控制更加規(guī)范和有效。本文在對(duì)3 MW齒輪箱樣機(jī)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，論述了齒輪箱生產(chǎn)制造要求及各環(huán)節(jié)質(zhì)量控制要點(diǎn)，對(duì)風(fēng)電齒輪箱的生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

［1］劉忠明，段守敏，王長(zhǎng)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(dòng)，2006（6）：1-6.

［2］劉洋洋.風(fēng)力發(fā)電齒輪箱的材料及生產(chǎn)工藝要點(diǎn)分析［J］.中國(guó)科技縱橫，2010（11）：59-59.

［3］ISO 81400-4：2005 Wind Turbines-Part 4：Design and specification of gearbox［S］.2004.

［4］GB/T 19073–2003.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組-齒輪箱［S］.

［5］張先鳴.風(fēng)電齒輪箱用鋼及熱處理［J］.電氣制造，2010（9）：64-66.