風電機組鑄造與焊接機架對比分析

文 | 姜玉強，楊兆忠，陳文權(quán)，張述森，歐陽華

風電機組鑄造與焊接機架對比分析

文 | 姜玉強，楊兆忠，陳文權(quán)，張述森，歐陽華

隨著社會用電量的急劇增長和人們環(huán)保意識的不斷增強，可再生能源受到了越來越多的重視。風能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。

伴隨著風力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，風電整機的機械結(jié)構(gòu)越來越復雜，尺寸和重量也不斷增加。前機架是風電機組中重要的一種承載部件，受力形式最為復雜，服役環(huán)境最為苛刻。因此，設計和制造簡單可靠的前機架對于保證風電機組的正常運行和提高機組的可靠性具有重要的意義。

在現(xiàn)代風電機組結(jié)構(gòu)中，機架主要有鑄造和焊接兩種成型工藝。鑄造機架為整體式結(jié)構(gòu)，采用液態(tài)金屬直接澆注的方式一次成型。在成型過程中，鑄造件的力學性能受到鑄造過程中多種因素的影響，如澆注溫度、澆注速度、冷卻速度等，成型工藝較為復雜。焊接機架采用鋼板直接焊接的方式成型，成型工藝相對簡單。在焊接過程中，焊件的力學性能受焊縫的影響較大，焊縫易成為構(gòu)件的疲勞裂紋源。因此，焊縫檢驗較為嚴格。

在現(xiàn)代風電機組的設計制造過程中，充分了解鑄造機架和焊接機架成型工藝和構(gòu)件性能，對優(yōu)化主機架的設計具有重要的意義。本文通過分析鑄造和焊接機架的成型工藝，力學特性和綜合成本，得出了兩種機架的工藝、性能和成本差異性，為機架結(jié)構(gòu)設計提供依據(jù)。

機架的結(jié)構(gòu)形式

主機架是現(xiàn)代風電機組中的重要的結(jié)構(gòu)件，它將風載荷和機組的內(nèi)部載荷傳遞到塔架。同時，主機架還為齒輪箱、后機架和偏航驅(qū)動等部件提供安裝接口。典型的主機架如圖1所示。由圖1可見，主機架結(jié)構(gòu)較為復雜，不但具有齒輪箱、偏航軸承、偏航驅(qū)動、后機架等大部件的安裝接口，還有風輪鎖、潤滑系統(tǒng)等附件的安裝接口。同時，主機架設計時，還要考慮人員通道，電纜布線及主機部件維護等因素。因此，在風電機組中，主機架結(jié)構(gòu)最為復雜，服役環(huán)境最為苛刻。

風電機組在運行的過程中，主機架和齒輪箱接口、偏航軸承接口、偏航驅(qū)動接口、主機架和后機架機械接口處承受著較大的載荷。風電機組在運轉(zhuǎn)的過程中，不可避免地要出現(xiàn)振動，進而產(chǎn)生疲勞載荷，疲勞載荷最終由主機架承擔。因此，在整個風電機組中，主機架承受的載荷最為復雜，其應力水平最高。

機架的成型工藝

機架的成型工藝路線會受到成型方式影響。鑄造和焊接前機架的成型方式不同，兩者有著不同的工藝路線。

一、鑄造工藝

鑄造工藝包括造型、制芯、澆注、落紗、清理及其后處理等。鑄造過程中，鑄件金屬液在充型、結(jié)晶、凝固和冷卻過程中，經(jīng)歷了復雜的物理、化學及力學變化。合理的鑄造造型和澆注系統(tǒng)是保障鑄件性能的關(guān)鍵因素。

鑄造造型包括確定澆注位置和分型面，設計澆注系統(tǒng)，布置冒口冷鐵氣孔及鑄型裝配等。對于風電機組前機架，偏航接口是重要的加工面和受力面，故該面應放置在沙箱底部，以防止偏航接口面上產(chǎn)生砂眼，氣孔和夾雜等鑄造缺陷。由于前機架的復雜結(jié)構(gòu)和受力特性，前機架對金屬液的防氧化和澆注過程的平穩(wěn)性要求較高，其澆注系統(tǒng)宜采用底部注入的底雨淋式澆注系統(tǒng)，如圖2所示，以減少金屬液氧化，紊流和熔渣粘附。在澆注過程中，金屬液由澆口杯經(jīng)直澆到進入底部的橫澆道，然后由濾網(wǎng)過濾后進入內(nèi)澆道，最終進入鑄件型腔。

由圖1可知，前機架與齒輪箱、后機架、偏航軸承和偏航驅(qū)動等部件的機械接口位置，受力較大。因此，機械接口位置對鑄件強度和微觀組織要求較高，這些部位不允許出現(xiàn)夾雜、氣孔，縮松和組織不均勻等鑄造缺陷。在鑄造過程中，機械接口部位應布置冷鐵，以增大過冷度，細化鑄造晶粒，減少成分偏析，提高鑄件力學性能。

二、焊接工藝

前機架作為風電機組重要的受力部件，對焊接質(zhì)量要求較高，焊接過程施工難度較大。一般而言，焊接工藝主要的工序分為預處理、下料、焊接和檢測四部分。典型的焊接制造工藝如圖3所示。由圖3可知，對結(jié)構(gòu)復雜的焊接件，先將零件焊接成組件，再將組件焊接裝配成部件，最后進行總體焊接。在風電前機架的焊接工藝制定的過程中，充分考慮焊接母材的可焊性，選擇合適的焊條、焊絲及焊后熱處理工藝，是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

母材焊接性好壞通常由碳當量（CE）確定。一般情況下，當CE＜0.4%時，母材的淬硬傾向不大，焊接性能優(yōu)良；當CE=0.4%－0.6%時，母材的淬硬傾向增大，焊接性有限，焊接時需要采取預熱，控制焊接熱輸入等工藝措施；當 CE ＞0.6%時，淬硬傾向嚴重，母材焊接性能較差，需要采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。前機架使用的結(jié)構(gòu)鋼為Q345D、Q345E，其CE為0.20%－0.24%，均小于0.4%，說明Q345D、Q345E具有優(yōu)良的焊接性。

焊條和焊絲是影響焊接件強度的另一個重要因素。一般情況下，根據(jù)母材的特性選擇焊條和焊絲。根據(jù)等強度原則和JGJ81-2002標準，前機架采用E5015型焊條，ER50-6型焊絲進行焊接。

焊后熱處理是焊接工藝不可缺少的重要組成部分。對于焊接前機架，在焊接過程中，不可避免地會出現(xiàn)焊接殘余應力，且熱影響區(qū)的硬度也會明顯地提高。殘余應力的出現(xiàn)會降低機架尺寸的穩(wěn)定性，增加機架載荷。熱影響區(qū)較高的硬度還會使材料產(chǎn)生冷裂紋，降低材料的疲勞性能。因此，對Q345焊接前機架應采用退火熱處理工藝，以細化焊接區(qū)組織，降低殘余應力。首先，將爐溫升高到一定溫度（不超過250℃），然后將前機架放入退火爐中。待爐溫達到250℃后，以50℃/h的加熱速度加熱至600℃ ±20℃，然后保持該溫度4h。保溫時間結(jié)束后，切斷電源，前機架隨爐以50℃/h的速度緩慢冷卻至250℃，最后將機架從退火爐中取出，完成熱處理工藝。

三、鑄造與焊接成型方式的差異

通過上文分析可知，鑄造機架可以按照等強度原則設計，機架可以設計成為變尺寸和具有復雜曲面的結(jié)構(gòu)。同時，鑄造過程中整體成型，機架薄弱環(huán)節(jié)較少。但是，在鑄造過程中，需要根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)制作模具，鑄造過程中控制因素較多，工藝相對復雜，適宜批量生產(chǎn)。焊接機架采用軋制鋼板直接焊接成型的方式，不需要復雜的模具，成型工藝簡單，焊接工藝靈活多變。對小批量生產(chǎn)具有較大的優(yōu)勢。但是，焊縫為機架的薄弱環(huán)節(jié)，需要嚴格的檢驗。

機架力學特性

前機架的力學性能與機架材料，成型工藝相關(guān)。因此，在前機架結(jié)構(gòu)設計的過程中，應對鑄造和焊接前機架分別進行分析，以保證結(jié)構(gòu)設計的合理性。

一、鑄造前機架

（一）鑄造前機架材料

鑄造前機架由球墨鑄鐵鑄造而成，球墨鑄鐵的材料牌號為EN-GJS-350-22U-LT。該球墨鑄鐵的力學性能如表1。

（二）鑄造前機架強度分析

前機架結(jié)構(gòu)復雜，是風電機組最主要的承力部件之一。對機架的分析計算是要確保其20年的時間內(nèi)不發(fā)生失效。目前，較為常見的失效形式有靜強度失效和疲勞失效，所以要分別對上述兩種強度進行校核計算。

圖4所示為鑄造前機架在某工況下的靜強度有限元分析結(jié)果。該工況（在輪轂坐標系下，F(xiàn)x為最大值的工況）的載荷如表2所示。

由圖4可知，鑄造前機架的應力分布較為均勻，Mises屈服應力最大值為84.8MPa，位于機架的齒輪箱接口根部，機架的安全裕度為1.14，機構(gòu)設計安全。

根據(jù)球墨鑄鐵EN-GJS-350-22U-LT的材料特性和GL規(guī)范提供的球墨鑄鐵S-N曲線擬合方法，得到圖5所示的S-N曲線。將圖5所示的S-N曲線導入有限元分析軟件，得到圖6所示的疲勞壽命云圖。

由圖6可以看出，前機架最短的疲勞壽命為3.954，即8995年，安全裕度較大，滿足機架的最小設計壽命20年的設計要求，機架在20年正常工作中不會發(fā)生疲勞破壞。

二、焊接前機架

（一）焊接前機架材料

焊接前機架材料牌號為低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345鋼。Q345鋼強度高，加工和焊接性能好，一般在熱軋退火或正火狀態(tài)下使用，其力學性能如表3所示。

（二）焊接前機架強度分析

圖7為在相同載荷（表2）作用下，焊接前機架的應力分布情況。由圖7可見，前機架最大的Mises應力為100.7MPa，位于偏航軸承安裝面附近。該處的安全裕度為0.53，架設計安全。

在風電機組工作過程中，前機架所承受的載荷比較復雜，其疲勞失效模式為多軸高周疲勞。對焊接前機架，母材發(fā)生疲勞失效的概率較小，其疲勞失效多發(fā)生在焊縫位置。因此，以焊縫處應力大的熱點的疲勞損傷來對評定機架的疲勞性能。以焊縫靜強度應力較大的位置作為熱點。通過在焊縫處建立0.4T和1T兩層單元（T表示焊接處兩板中較薄的板厚），在距離焊趾（焊縫表面與母材交界處）0.4倍和1.0倍壁厚位置選取應力，再進行線性外推，進而得到焊縫處的應力，應力外推方法如圖8所示。

表4為焊件前機架疲勞損傷最大的熱點處應力值及其疲勞損傷情況。焊縫的許用疲勞正應力為26.96MPa，焊縫的許用疲勞切應力為36.47MPa（假設機架的壽命為20年，循環(huán)次數(shù)為1.83E8次）。由表4可知，在風電機組全壽命周期內(nèi)，前機架的疲勞損傷值均小于1，表示機組全壽命周期內(nèi)不會出現(xiàn)疲勞失效。

三、鑄造焊接前機架力學性能差異

鑄造焊接前機架，因其成型工藝不同， 兩者有著不同的力學性能。在相同的外載荷作用下，兩者的應力分布和疲勞損傷有著不同的分布。

鑄造用球墨鑄鐵的屈服強度約為200MPa，而焊接用合金鋼的屈服強度大于300MPa，焊接用材料的強度大于鑄造用材料。因此，焊接前機架（12噸）重量小于鑄造前機架（12.7噸），焊接機架更為輕便。

因成型方式的不同，鑄造和焊接前機架在結(jié)構(gòu)設計上略有差異，進而導致Mises屈服應力和疲勞損傷的分布位置也不同。對鑄造前機架，Mises屈服應力最大值出現(xiàn)在前機架的齒輪箱接口根部，而焊接前機架出現(xiàn)在偏航軸承接口處。鑄造前機架應力較大值一般出現(xiàn)在齒輪箱接口周圍，由于該處受力較為復雜，故結(jié)構(gòu)設計時應著重加強該部分尺寸。焊接前機架應力分布更為均勻。對鑄造前機架，球狀分布的石墨可以阻止疲勞裂紋的擴展，材料的疲勞強度大于焊接機架焊縫材料強度，故鑄造前機架的疲勞壽命較焊接機架長。

表1 鑄造主框架材料機械性能

表2 前機架某工況下載荷

表3 Q345鋼的力學性能

表4 焊縫熱點處應力及其損傷值

機架成本分析

鑄件成本受到原材料C1、輔料C2、能源動力C3，廢品損失成本C4等因素的影響，鑄件成本為C1、C2、C3、C4的總和。鐵水成本、工藝出品率、輔料配比、廢品率因素對成本的影響較大，且鑄造原材料的成本占鑄件總成本的比例最大。以HT400某鑄件為例，在目前的鑄造水平條件下，鑄造成本為9906元/噸，考慮人工成本、稅費、企業(yè)利潤等因素，鑄件每噸約14000元。故每臺機架成本約為177800元（未考慮造型成本的情況下）。

對焊接機架，焊接本由焊材、氣體、電力及人工成本決定。兩種焊接方法為氬弧焊，電弧焊，每米焊接成本分別為70和60元。再考慮熱軋鋼板材原材料費用、稅費、利潤等因素，焊接前機架每噸綜合成本約17000元。故每臺機架成本約為204000元。

在大批量生產(chǎn)的情況下，鑄件有成本方面的優(yōu)勢。但是小批量或單件生產(chǎn)的情況下，由于鑄造工藝需要制造造型，焊接不需要特殊的模具，故鑄造前機架沒有成本優(yōu)勢。因此，在確定采用哪種成型工藝的時候，要綜合產(chǎn)品批量進行考慮。

結(jié)論

本文通過分析鑄造和焊接兩種前機架，得到了兩種前機架在成型工藝、力學性能和成本方面的差異，主要結(jié)論如下：

（1） 風電機組前機架結(jié)構(gòu)復雜，載荷工況多變，是風電機組的關(guān)鍵零部件。

（2） 鑄造前機架成型工藝復雜，鑄件質(zhì)量受多種因素影響，鑄造過程中要精確控制成型工藝參數(shù)。

（3） 焊接前機架成型過程相對簡單，焊縫部位為其薄弱部分，成型過程中需要嚴格的檢驗。

（4） 焊接前機架用合金鋼的強度明顯高于鑄造前機架用鑄鐵，焊接前機架可以減輕機艙整體重量。

（5） 在相同的工況下，焊接前機架應力分布較為均勻，由于焊縫的存在，導致其疲勞壽命略短于鑄造前機架。

（6） 大批量生產(chǎn)的情況下，鑄造前機架成本方面有一定的優(yōu)勢，而小批量或者單件試制，焊接機架有著較強的成本優(yōu)勢。

（作者單位：中車株洲電力機車研究所有限公司風電事業(yè)部）