Forjare fierbinte din oțel pentru industria eoliană: Componentele cutiei de viteze explicate în profunzime

O cutie de viteze pentru turbină eoliană offshore de 10 MW transmite suficient cuplu pentru a deplasa o locomotivă de marfă, dar trebuie să se potrivească în interiorul nacelei unei turbine eoliene la o sută de metri deasupra solului. Purtătorii planetei, angrenajele planetare, angrenajele solare și angrenajele inelare din interiorul acelei cutii de viteze sunt produse prin forjare la cald din oțel. Dacă una dintre aceste piese forjate prezintă un defect intern, rezultatul nu este o simplă înlocuire a pieselor. Înseamnă o navă cu macara, o îndepărtare a sistemului de propulsie și săptămâni de producție de energie pierdută. Acesta este motivul pentru care forjarea la cald a oțelului pentru industria eoliană este tratată ca o etapă critică pentru siguranță, mai degrabă decât o lucrare de rutină de modelare a metalului.

De ce forjare la cald pentru componente eoliene

Forjarea la cald este metoda preferată pentru piesele transmisiei cutiei de viteze eoliene, deoarece produce un flux continuu de cereale și închide golurile interne pe care turnarea nu le poate elimina în mod fiabil.

Când oțelul se solidifică într-o matriță, dezvoltă cavități de contracție, porozitate de gaz și segregare locală. Forjarea la cald comprimă țagla la temperaturi cuprinse între 1150 și 1250 Celsius, rupând acele imperfecțiuni și rafinând structura granulelor. Rezultatul este o densitate mai mare, o rezistență mai bună la oboseală și proprietăți mecanice mai consistente în întreaga componentă. Sistemele de transmisie ale turbinelor eoliene experimentează un ciclu complet de stres la fiecare rotație a rotorului, astfel încât rezistența la oboseală determină durata de viață mai mult decât o face rezistența statică. Testele pe oțel 42CrMo4 arată că materialul forjat poate oferi o limită de oboseală cu aproximativ 30 până la 40% mai mare decât aceeași calitate în formă turnată. Această marjă separă adesea o transmisie de 20 de ani de o defecțiune prematură la mijlocul vieții.

Graficul radar de mai sus compară forjarea la cald și turnarea pe șase criterii care contează pentru piesele trenului de propulsie eolian. Oțelul forjat prezintă un avantaj clar în rezistența la oboseală și structura granulelor, deoarece procesul de deformare aliniază fluxul metalic cu traseul sarcinii. Soliditatea internă este, de asemenea, mai bună în forjare, deoarece sudurile în trepte de compresie închid porozitatea de contracție care rămâne în secțiunile turnate. Turnarea are rezultate mai mari în ceea ce privește eficiența costurilor și timpul de livrare, motiv pentru care carcasele cutiei de viteze mari și capacele neîncărcate sunt încă produse ca piese turnate. Componentele care suportă cuplul și sarcinile de încovoiere, totuși, sunt întotdeauna specificate ca elemente forjate. Dacă clasați aceste criterii după impactul lor asupra disponibilității turbinei, traseul forjat câștigă pentru piesele de transmisie.

Componentele forjate în interiorul unei cutii de viteze eoliene

Majoritatea cutiilor de viteze eoliene folosesc un design planetar pentru a multiplica viteza rotorului de la aproximativ 10 rpm la 1000 rpm cerute de generator. Piesele forjate sunt concentrate în etapele planetare, unde cuplul este cel mai mare.

Planet Carrier

Purtătorul planetei este nucleul structural al fiecărei etape planetare. Susține trei până la șase arbori planetare în poziții radiale precise, în timp ce transmite cuplul complet al turbinei. Într-o cutie de viteze de 5 până la 10 MW, un semifabricat forjat de transport planetar cântărește de obicei între 1200 și 2800 kg. Procesul de forjare trebuie să creeze un flux uniform de cereale în jurul orificiilor bolțurilor, deoarece acele zone suportă cele mai mari solicitări ciclice. Un suport forjat dintr-o singură bucată evită cusăturile de sudură care altfel ar deveni locuri de inițiere a oboselii.

Purtător de planete forjat pentru cutii de viteze pentru turbine eoliene de 3-10 MW Acest suport forjat dintr-o singură bucată se potrivește treptelor cutiei de viteze de 5-10 MW, cu flux uniform de cereale în jurul orificiilor de bolț pentru a face față solicitărilor ciclice mari. Explorați-l pentru trenuri de transmisie de mare capacitate pentru turbine. Vizualizare produs →

Planet Gear și Sun Gear

Angrenajele planetare se îmbină cu angrenajul solar și cu roata dințată în același timp, ceea ce împarte sarcina transmisă în mai multe contacte ale dinților. Într-o turbină de 5 până la 10 MW, angrenajul planetar din prima etapă poartă cel mai mare cuplu la cea mai mică viteză. Angrenajele solare se rotesc mai repede și necesită oțel călit pentru a rezista la uzura flancului dinților. Ambele componente sunt în mod normal forjate din 18CrNiMo7-6 sau un grad de cementare echivalent. Semifabricatul forjat este prelucrat brut, tăiat prin roți dintate, călit și șlefuit până la profilul final.

Piese forjate cu angrenaje planetare securizate pentru cutii de viteze de 5-10 MW Angrenajele planetare din prima etapă transportă cel mai mare cuplu la viteză mică, astfel încât semifabricatele forjate 18CrNiMo7-6 cu suprafețe carburate sunt esențiale. Acest produs acoperă toate cele trei etape planetare. Vizualizare produs →

Rontă inelară

Inelul este un inel de diametru mare cu dinți interni. Poate fi produs ca forjare cu inel dintr-o bucată sau ca un ansamblu sudat segmentat, dar forjarea dintr-o singură piesă distribuie mai bine sarcina, deoarece nicio cusătură de sudură nu traversează zona de stres. Laminarea inelelor pe o moară cu inelare verticală creează o orientare a cerealelor care urmează direcția rădăcinii dintelui, îmbunătățind rezistența la oboseală la îndoire. Un semifabricat al cutiei de viteze de 5 până la 10 MW poate cântări de la 1800 până la 3500 kg, în funcție de arhitectura cutiei de viteze.

Piese forjate cu angrenaje inelare dintr-o bucată pentru turbine eoliene de 5-10 MW Dispozitivele semifabricate cu diametrul inel de până la 3500 kg beneficiază de orientarea cerealelor de rulare inelă și fără cusături de sudură. Acest produs acceptă transmisia de mare putere cu dinți interni șlefuiți cu precizie. Vizualizare produs →

Diagrama cu bare orizontale de mai sus arată greutățile semifabricate forjate tipice pentru principalele componente rotative într-o cutie de viteze eoliană de 5 până la 10 MW. Roțile dințate sunt cele mai grele semifabricate din set, depășind adesea 3500 kg înainte de tratarea termică și prelucrarea brută. Purtătorii de planete sunt al doilea grup cel mai greu, deoarece sunt discuri cu diametru mare, cu orificii multiple. Arborele angrenajului se află în intervalul mediu, în timp ce angrenajele planetare și solare sunt mai ușoare, dar necesită totuși oțel aliat înalt și o reducere atentă a forjarii. Aceste greutăți determină capacitatea necesară a ciocanului sau presei, dimensiunea cuptorului de încălzire și învelișul de prelucrare. Un furnizor cu o capacitate de ciocan de 15 tone și un laminor cu inele de 1,5 metri poate acoperi întreaga gamă fără a împărți comenzile între mai mulți furnizori.

Procesul de forjare la cald de la Billet la Blank

Transformarea unei țagle de oțel într-o forjare certificată a cutiei de viteze eoliene urmează o secvență controlată care combină deformarea, tratamentul termic și inspecția.

1. Inspecția biletei. Testarea cu ultrasunete este efectuată pe țagla de intrare pentru a confirma soliditatea internă înainte de începerea oricărei lucrări.
2. Încălzire. Tagla este preîncălzită încet și apoi înmuiată la 1150 până la 1250 Celsius într-un cuptor cu gaz.
3. Supărător. Compresia axială rupe structura turnată și rafinează boabele.
4. Preformare. Desenarea și blocarea creează o geometrie intermediară apropiată de semifabricatul final.
5. Forjare finală. Modelarea cu matriță închisă sau cu matriță deschisă stabilește conturul exterior și grosimile critice.
6. Inel de rulare. Pentru roți dințate inelare și alte piese inelare, un laminor vertical cu inele extinde preforma la diametrul și secțiunea transversală necesare.
7. Răcire controlată. Răcirea lentă și uniformă previne descuamarea și acumularea de stres rezidual.
8. Prelucrare brută și reinspecție. Semifabricatul este turnat grosier pentru a elimina defectele de calcar și suprafață, urmat de o altă trecere cu ultrasunete.

Graficul cu linii de mai sus arată modul în care capacitatea nominală a turbinelor eoliene offshore a urcat de la 4 MW în 2016 la 12 MW în 2026. Fiecare creștere a capacității turbinei forțează cutia de viteze să transmită mai mult cuplu prin aceeași anvelopă fizică. Un cuplu mai mare înseamnă purtători de planete mai mari, roți dințate mai mari și semifabricate forjate mai grele. Prin urmare, furnizorul de forjare trebuie să investească în ciocane mai mari, mori cu inele mai mari și cuptoare de tratare termică mai adânci pentru a urma această tendință. Cumpărătorii care plănuiesc o platformă de 12 MW ar trebui să valideze că partenerul lor de forjare poate manipula semifabricate de peste 4000 kg. Această verificare a capacității este mai importantă decât prețul atunci când designul transmisiei depinde de acesta.

Selectarea materialelor pentru forjare de gradul vântului

Calitățile de oțel utilizate în forjarea cutiei de viteze eoliene aparțin a două familii: oțeluri aliate călite și revenite pentru suporturi și arbori și oțeluri de cementare pentru dinții angrenajului care au nevoie de o suprafață dură, rezistentă la uzură.

42CrMo4 este utilizat pe scară largă pentru purtători de planete și arbori de viteză, deoarece combină o rezistență bună cu o întărire stabilă. Designul de oboseală a zonelor buzunarelor de transport este factorul limitator, astfel încât raportul de reducere a forjarii trebuie să fie suficient de mare pentru a rafina structura miezului. 34CrNiMo6 oferă o rezistență mai mare pentru roți dințate grele și arbori mari. 18CrNiMo7-6 este specificat pentru angrenaje planetare și solare care trebuie să reziste la oboseala de contact după cementare.

Diagrama coloanei de mai sus compară limita de curgere minimă a celor trei grade în stare forjată și turnată. Versiunile forjate arată un avantaj consistent de aproximativ 230 până la 300 MPa față de materialul turnat de aceeași chimie. Această diferență contează în designul cutiei de viteze, deoarece limita de curgere stabilește limita pentru solicitarea de încovoiere la rădăcina dintelui și la găurile știftului purtător. Limita de curgere mai mare permite fie un angrenaj mai compact, fie o marjă de siguranță mai mare la aceeași dimensiune. Producția turnată ar necesita secțiuni mai grele pentru a obține o capacitate de încărcare similară, ceea ce crește masa cutiei de viteze și complică structura nacelei. Acesta este motivul pentru care revizuirea designului unei cutii de viteze eoliene specifică aproape întotdeauna semifabricate forjate pentru fiecare piesă din calea cuplului.

Tratamentul termic și calea către proprietățile finale

Forjarea la cald modelează semifabricatul, dar tratamentul termic determină proprietățile mecanice finale. Piesele forjate ale cutiei de viteze eoliene trec în mod normal prin normalizare, stingere și revenire și, în unele cazuri, întărirea la suprafață a flancurilor dinților. Fiecare pas trebuie controlat pentru a menține duritatea uniformă pe secțiuni transversale mari. O secțiune inelară cu grosime de 300 mm necesită un proces de călire care răcește miezul suficient de repede pentru a ajunge la structura martensitică necesară fără a crea fisuri. Încărcarea cuptorului, mediul de stingere și ciclul de revenire influențează toate tenacitatea finală și stresul rezidual. O cunoaștere de lucru a Bazele tratamentului termic al metalelor ajută echipele de achiziții să discute acești parametri cu furnizorii și să verifice dacă ciclul planificat se potrivește cu gradul și dimensiunea secțiunii.

Cum se evaluează un furnizor de forjare la cald pentru aplicații eoliene

Un partener capabil de forjare la cald pentru componente eoliene trebuie să demonstreze mai mult decât capacitatea de a lovi o țagle. Evaluarea ar trebui să acopere întregul lanț de proces și sistemele de control din jurul acestuia.

• Capacitate de forjare. Verificați tonajul ciocanului sau al presei, capacitatea de rulare a inelului și greutatea maximă a țaglelor care poate fi încălzită și forjată.
• Tratament termic intern. Călirea și revenirea trebuie efectuate în cuptoare controlate cu curbe de temperatură documentate.
• Testare nedistructivă. Inspecția cu ultrasunete după forjare și după prelucrarea brută este obligatorie pentru semifabricate cu grad de vânt.
• Trasabilitate. Fiecare semifabricat ar trebui să fie legat de numărul său de căldură, înregistrarea de forjare și raportul de tratament termic.
• Experiență cu spații mari de vânt. Solicitați referințe în segmentul cutiei de viteze de la 3 la 10 MW.

Importanța tratamentului termic intern este adesea subestimată până când livrarea este întârziată prin externalizare. Vorbiți direct cu inginerii de proces și nu numai cu echipa de vânzări. Solicitați curbele reale de încălzire și rapoarte cu ultrasunete de la comenzile anterioare de forjare prin vânt. Un furnizor precum Mașini ACE acoperă traseul complet de la încălzirea țaglelor până la semifabricatul finit, ceea ce scurtează liniile de comunicație și păstrează datele de calitate într-un singur loc. Verificarea acestor capabilități înainte de a plasa o comandă este cea mai eficientă modalitate de a evita problemele de calitate mai târziu.

Forjarea oțelului la cald pentru industria eoliană rămâne o disciplină solicitantă, dar bine înțeleasă. Componentele sunt mari, sarcinile sunt ciclice, iar costul defecțiunii este extrem. Un furnizor cu capacitate adecvată de ciocan, tratament termic controlat și inspecție sistematică poate livra piese forjate rezistente la vânt, care servesc în mod fiabil pe toată durata de viață de proiectare a turbinei.