Ce sunt forjarea cutiei de viteze pentru turbine eoliene?

Piese forjate pentru cutia de viteze pentru turbine eoliene sunt componente din oțel formate cu precizie care alcătuiesc structura internă de transmisie a puterii a unei cutii de viteze pentru turbină eoliană, produse prin procese de forjare la cald sau cu matriță închisă care aliniază structura granulară a oțelului pentru rezistență maximă la oboseală și capacitate portantă. Componentele primare forjate dintr-o cutie de viteze pentru turbină eoliană sunt angrenajele inelare, angrenajele planetare, purtătorul de planete, angrenajul solar, arborii de intrare și de ieșire și angrenajele cu pinion. Aceste piese sunt mai degrabă forjate decât turnate, deoarece cutia de viteze funcționează sub sarcini alternative continue de la aporturile variabile ale vântului, iar structura metalică densă, fără defecte, produsă de forjare oferă durata de viață la oboseală necesară pentru a îndeplini durata de viață tipică de 20 de ani a unei turbine eoliene moderne (Sursa: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Forjarea nu este interschimbabilă cu turnarea pentru componentele de calitate a cutiei de viteze, deoarece diferențele de proprietăți mecanice dintre cele două procese determină în mod direct cât de mult supraviețuiește cutia de viteze la sarcini reale de funcționare.

Rolul cutiei de viteze într-o turbină eoliană

Pentru a înțelege de ce contează atât de mult calitatea de forjare a componentelor cutiei de viteze, este necesar să înțelegem ce face cutia de viteze în interiorul turbinei și severitatea mediului mecanic în care funcționează.

Rotorul unei turbine eoliene se rotește lent ca răspuns la vânt, de obicei între 10 și 22 de rotații pe minut pentru o turbină mare de mai mulți megawați. Generatorul care convertește energia mecanică în electricitate trebuie să se rotească la viteze mult mai mari, de obicei 1.000 până la 1.500 de rotații pe minut sau mai mult. Cutia de viteze depășește această diferență de viteză. Fuhong Steel descrie funcția în mod direct: cutia de viteze eoliană este componenta de bază a turbinei eoliene, funcția sa principală fiind de a converti energia cinetică generată de roata eoliană sub acțiunea vântului în energie mecanică și, în final, o transferă la generator (Sursa: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Un dosar de brevet care descrie ansamblul cutiei de viteze a confirmat că arborele rotorului furnizează o intrare de viteză mică și cuplu mare la cutia de viteze, care este apoi configurată pentru a converti acea intrare într-o ieșire de mare viteză și cuplu mai mic care antrenează generatorul (Sursa: brevet USPTO 11085421, Planet Carrier of a Wind Turbine Improved Gearbox with Wind Turbine Improved Gearbox).

Cerințele mecanice ale acestei conversii sunt extreme. Cutia de viteze trebuie să se descurce sarcini de cuplu continuu variabile pe măsură ce viteza vântului fluctuează, șocuri bruște în timpul rafalei, oboseală ciclică continuă de peste 20 de ani sau mai mulți și faceți toate acestea în mod fiabil într-o nacelă situată deasupra solului, unde întreținerea este costisitoare și înlocuirea componentelor majore poate costa sute de mii de dolari per eveniment. Aceste cerințe sunt motivul pentru care fiecare componentă structurală majoră din interiorul cutiei de viteze este specificată ca o forjare, mai degrabă decât o turnare.

Componentele primare forjate într-o cutie de viteze pentru turbină eoliană

O cutie de viteze pentru turbină eoliană nu este o singură piesă forjată. Este un ansamblu format din mai multe componente forjate distincte, fiecare îndeplinind o funcție specifică în treptele angrenajelor planetare și elicoidale care alcătuiesc trenul de transmisie care crește viteza completă.

Roată dințată (Annulus Gear)

Inelul dințat este angrenajul exterior mare cu dinți interni care formează limita exterioară a treptei angrenajului planetar. Angrenajele planetare se îndreaptă pe suprafața sa interioară în timp ce orbitează în jurul angrenajului solar, iar roata dințată fie rămâne staționară, fie se rotește în funcție de designul cutiei de viteze. Deoarece angrenajul inelar transmite sarcina de cuplu completă a treptei planetare și este în contact constant al dinților cu trei sau mai multe angrenaje planetare simultan, proprietățile sale materiale și precizia dimensională sunt esențiale pentru performanța întregii cutii de viteze. Un brevet USPTO care descrie procesul de fabricare a angrenajului inelar remarcă faptul că, în general, angrenajul este format prin forjare și trebuie ulterior tratat termic pentru a obține duritatea necesară și că acuratețea dimensională prin procesul de forjare și tratare termică este critică, deoarece tratamentul termic poate provoca distorsiuni dimensionale care necesită o corecție de prelucrare (Sursa: USPTO Patent Torque și Integral Ring Torque a1004). Cutia de viteze pentru turbine eoliene).

Planet Gears

Angrenajele planetare sunt roți dințate intermediare care orbitează între angrenajul inelar și angrenajul solar, transmitând cuplul între cele două, în timp ce se rotesc pe propriile axe. Într-o etapă planetară mare de turbină eoliană, de obicei, trei sau patru angrenaje planetare împart sarcina totală, distribuind-o simultan pe mai multe contacte ale dinților. Acest aranjament realizează o densitate mare a cuplului într-un pachet compact, dar înseamnă, de asemenea, că fiecare angrenaj planetar transportă o fracțiune semnificativă din sarcina totală în ciclul continuu de oboseală. Zhangqiu Heavy Forging confirmă că, după tratarea termică de călire și revenire, suporturile planetare forjate pot rezista la stres alternativ pe termen lung cu o durată de viață care este De 2 până la 3 ori mai mult decât componentele produse prin procese obișnuite, un raport care se aplică în mod egal angrenajelor planetare în sine (Sursa: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

Purtătorul de planete este componenta structurală care ține arborii angrenajelor planetare în pozițiile lor orbitale corecte unul față de celălalt și cu roți dințate inelare și solare. Trebuie să mențină o precizie de poziție precisă sub sarcină pentru a menține toate angrenajele planetare în ochiuri adecvate simultan, ceea ce necesită atât rigiditate ridicată, cât și rezistență excelentă la oboseală. Zhangqiu Heavy Forging descrie cerințele cheie pentru un purtător de planete forjat: procesul de modelare aproape de rețea, combinat cu o prelucrare precisă, asigură un control strict al preciziei dimensiunilor și al toleranței de poziție, asigurând o cooperare precisă cu angrenajele planetare, angrenajele solare și arborii de ieșire, reducând pierderile de transmisie și zgomotul (Sursa: Planetary Gegingar Carrier, pentru transporturi grele). Materialele utilizate pentru purtătoare de planete includ oțeluri aliate de înaltă rezistență 42CrMo, 20CrMnTi și 35CrMo, cu secvențe de tratament termic de călire și revenire plus cementare pentru a obține echilibrul corect între duritatea suprafeței și duritatea miezului (Sursa: Zhangqiu Heavy Forging).

Angrenaj solar și angrenaje pinion

Angrenajul solar se află în centrul treptei planetare și se îmbină cu toate angrenajele planetare simultan, în timp ce angrenajele cu pinion apar în treptele elicoidale ale unei cutii de viteze cu mai multe trepte, unde sunt necesare creșteri suplimentare de viteză. Ambele tipuri trebuie să fie forjate din clase de oțel aliat, cu o călibilitate suficientă pentru a obține flancurile dinților căliți prin cementare sau nitrurare după prelucrare brută, oferind duritatea suprafeței necesară pentru a rezista la zâmbire și la oboseala flancului dinților de-a lungul deceniilor de încărcare ciclică.

Arbori de intrare și ieșire

Arborele de intrare conectează arborele rotorului principal la prima treaptă planetară a cutiei de viteze, iar arborele de ieșire de mare viteză conectează treapta finală a angrenajului la cuplarea generatorului. Ambii arbori suferă profiluri de sarcină diferite: arborele de intrare transportă cuplu mare la viteză mică cu momente de încovoiere mari de la rotor, în timp ce arborele de ieșire transportă cuplu mai mic la viteză mare cu oboseală de torsiune cauzată de tranzitorii de sarcină a generatorului. Tiptop Heavy Forging observă că arborele de mare viteză dintr-un sistem de turbine eoliene este situat după cutia de viteze, rotindu-se mult mai repede, dar transmitând cuplu mai mic generatorului și că ambele tipuri de arbori necesită dimensiuni mari și materiale forjate puternice (Sursa: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

De ce forjarea este procesul necesar pentru componentele cutiei de viteze

Decizia de a forja mai degrabă decât a turna componente de calitate pentru cutia de viteze nu este o preferință; este o cerință determinată de cerințele de viață la oboseală ale funcționării turbinelor eoliene.

Fluxul cerealelor și superioritatea mecanică

Forjarea modelează metalul sub o forță de compresiune mare, care închide golurile interne, rafinează structura granulelor și aliniază fluxul de cereale de-a lungul geometriei piesei. Aceasta produce o componentă cu limită de curgere, rezistență la tracțiune și rezistență la oboseală semnificativ mai mari decât aceeași geometrie produsă prin turnarea din același aliaj. Tiptop Heavy Forging explică faptul că forjarea modifică structura interioară a metalului în moduri care ajută la producerea de componente mari și fiabile pentru servicii grele și că arborii principali ale turbinei eoliene sunt în mod normal fabricați din oțel forjat, mai degrabă decât din oțel turnat din cauza acestei diferențe structurale (Sursa: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Durata de oboseală în încărcare ciclică

Componentele cutiei de viteze ale turbinei eoliene se confruntă cu o încărcare de oboseală de la fiecare rotație a rotorului, iar o durată de viață de 20 de ani la turația de funcționare corespunde sute de milioane de cicluri de solicitare pe dinții angrenajului și secțiunile transversale ale arborelui. Componentele turnate conțin porozitate de contracție, incluziuni de gaz și orientare aleatoare a granulelor care creează concentrații de tensiuni la care fisurile de oboseală pot iniția și se pot propaga. Componentele forjate cu porozitate închisă și structură de cereale aliniată oferă o limită de oboseală semnificativ mai mare, permițându-le să susțină aceeași amplitudine a tensiunii pentru mult mai multe cicluri înainte de inițierea fisurii. Documentația Zhangqiu Heavy Forging privind purtătorii de angrenaje planetare forjate care ating o durată de viață de 2 până la 3 ori mai mare decât procesele obișnuite cuantifică direct acest avantaj de oboseală în termeni specifici aplicației (Sursa: Zhangqiu Heavy Forging, Purtător de angrenaj planetar forjat).

Stabilitate dimensională sub sarcină

Precizia angrenajului depinde de stabilitatea dimensională a fiecărei componente forjate atât sub încărcare statică cât și dinamică. Dacă un purtător de planete se deviază sub sarcină într-un mod care modifică pozițiile relative ale arborilor angrenajelor planetare, împărțirea sarcinii între angrenajele planetare devine inegală, iar angrenajele planetare supraîncărcate eșuează prematur. Componentele forjate cu proprietăți previzibile și uniforme ale materialului sunt mai ușor de modelat și proiectat pentru cerințele de rigiditate decât piesele turnate cu proprietăți variabile pe secțiune.

Calități de oțel utilizate în piesele forjate ale cutiei de viteze ale turbinelor eoliene

Selectarea materialelor pentru forjarea cutiei de viteze echilibrează întăribilitatea, tenacitatea, prelucrabilitatea și disponibilitatea în lanțurile globale de aprovizionare.

Fuhong Steel confirmă că 18CrNiMo7-6 și 8620 sunt tipurile de oțel utilizate în principal de clienții europeni și americani pentru cutiile de viteze pentru energie eoliană, reflectând diferitele preferințe standard de materiale care s-au dezvoltat pe fiecare piață majoră (Sursa: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Alegerea dintre aceste grade este determinată de funcția angrenajului, de adâncimea necesară a carcasei după cementare, de duritatea miezului necesară pentru starea de efort specifică și de cerințele de certificare ale OEM.

Secvențe de tratament termic pentru forjarea cutiei de viteze

O forjare în starea forjată nu are proprietățile mecanice necesare pentru serviciul cutiei de viteze. Tratamentul termic după forjare și prelucrarea brută este esențial pentru a obține combinația de duritate a suprafeței și duritatea miezului pe care o necesită dinții angrenajului și secțiunile transversale ale arborelui.

1. Normalizare: aplicat după forjare pentru a elibera tensiunile reziduale, pentru a omogeniza structura și pentru a pregăti materialul pentru prelucrarea ulterioară și tratamentul termic, fără distorsiunea care poate apărea în forjarile nenormalizate
2. Călire și revenire: utilizate pentru componente structurale, cum ar fi purtători de planete și arbori, pentru a dezvolta rezistență și tenacitate ridicate a miezului; rata de călire și temperatura de revenire sunt selectate pentru a viza limita de curgere specifică și energia de impact cerută de standardul de proiectare
3. Carburare și întărire: utilizat pentru dinții angrenajului de pe angrenaje planetare, angrenaje solare, roți dințate inelare și pinioane; carbonul este difuzat în stratul de suprafață până la o adâncime specificată a carcasei, urmată de călirea prin călire pentru a obține duritatea suprafeței de obicei în intervalul 58 până la 62 HRC, în timp ce miezul rămâne dur
4. Nitrurare: utilizată în cazul în care distorsiunea cauzată de cementare este inacceptabilă sau în cazul în care compoziția aliajului este potrivită pentru întărirea prin difuzie a azotului; realizează o carcasă rigidă la temperaturi mai scăzute și cu mai puțină modificare dimensională decât cementarea
5. Întărire prin inducție: utilizat pentru suprafețe ale arborelui selectate, cum ar fi scaunele lagărelor, unde este necesară călirea suprafeței localizată fără costul cementării complete

Zhangqiu Heavy Forging descrie selecția materialului și a tratamentului termic pentru purtătorii de planete: sunt utilizate procese preferate de forjare cu matriță și forjare liberă, cu materiale care includ oțeluri aliate de înaltă rezistență 42CrMo, 20CrMnTi și 35CrMo combinate cu călire și revenire plus cementare și călire pentru a atinge echilibrul necesar între rezistența și duritatea acestei componente. Transportor angrenaj planetar forjat).

Standarde de calitate și testare pentru piesele forjate ale cutiei de viteze ale turbinelor eoliene

Piesele forjate ale cutiei de viteze ale turbinei eoliene sunt produse după materiale trasabile și standarde dimensionale cu înregistrări documentate de testare care însoțesc componentele prin lanțul de aprovizionare și rămân disponibile pe toată durata de viață a turbinei.

1. Verificarea compoziției chimice prin analiza spectrografică a fiecărei călduri pentru a confirma calitatea materialului în limitele specificațiilor standardului aplicabil
2. Testarea proprietăților mecanice pe epruvete din forjare sau dintr-o piesă de încercare forjată în aceleași condiții, inclusiv rezistența la tracțiune, limita de curgere, alungirea, reducerea suprafeței și energia de impact Charpy la temperatura de încercare specificată
3. Testarea cu ultrasunete a întregului volum de forjare pentru a detecta defectele interne, incluziunile sau segregarea care nu sunt vizibile la suprafață, dar care ar reduce rezistența la oboseală în funcționare
4. Inspecția cu particule magnetice sau inspecția prin penetrant de colorant a suprafețelor pentru a detecta fisurile de suprafață introduse în timpul forjarii sau tratamentului termic
5. Inspecție dimensională a toleranțelor de desen folosind mașini de măsurare în coordonate pentru geometrii complexe și măsurare de precizie pentru diametre critice ale alezajului și canale de cheie
6. Verificarea durității prin teste Brinell sau Rockwell la poziții specificate pentru a confirma că tratamentul termic a atins proprietățile necesare prin secțiune

Procesul ACE Piese forjate pentru cutia de viteze pentru turbine eoliene sunt produse la acest standard de calitate complet, cu certificări ale materialelor, rapoarte de încercare mecanică, înregistrări de examinare nedistructivă și documentație de inspecție dimensională furnizată împreună cu fiecare forjare pentru a sprijini cerințele de trasabilitate și certificare ale producătorilor de turbine eoliene și organismelor de certificare ale acestora.