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5MW 海洋风电齿轮箱转轴铸造工艺研发
作者:admin 发布时间:2019-04-05 07:36

  海洋风电齿轮箱转轴。通过设置合理▪•★的冒口、补贴,采用◇…=▲冷铁严格分区,保证铸件竖直方向和水平方向的顺序凝固,利用先进的软件模拟分析以及优化,得到了质量合格,组织致密的转轴铸件;铸件采用“淬火

  随着环境污染加剧,传统能源和资源日益短缺,人类对清洁、可再生能源的强烈要求促使可再生能源产业得到了前所未有的发展挑战。风电也是我国的重要能源资源,截止2018年年底,中国海洋风电已经核准的容量超过1700万千瓦,在建容量约600万千瓦,装机总容量累计约360万千瓦。目前中国已并网海洋风电装机总容量位居世界第三位,仅次于英、德两国;当前已建成并网的海洋风●电项目主要分布于江苏、上海,但最近几年•□▼◁▷•●▼广东、福建、浙江海洋风电开发建设进度加快显著,但目前我国各大风电场所使用的风电机组绝大部分依赖进口,成本居高不下,制约了我国风电行业的迅速发展[1-3]。

  风电技术的完全自主化是我国风电领域所面临的重要课题,具有自主知识产权、性能可靠的大型风力发电齿轮箱的研制有利于降低我国的风电成本,具有广阔的市场应用前景。齿轮箱是风力发电机组中的一个重要机械部件,它的作用是将风轮在风的动能下产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速,而转轴的性能直接影响到齿轮箱的工作效率[4-12]。本文研发的产品为5MW海洋风电齿轮箱转轴。

  5MW海洋风电齿轮箱转轴廓尺寸φ1600* 2200,粗加后重量6.48吨,铸件毛重8吨,最大壁厚248 mm,最小80 mm,铸件结构如图1(a)所示,图1(b)为结构剖面图,壁厚变化多,补缩梯度差,结构易热裂。内在质量要求极高,同时要求产品防腐蚀、抗冲击,无损检测要求严格,超声波检测符合EN 12680-1规范UV2级要求,不能产生◆▼夹渣、缩松、裂纹等★◇▽▼•铸造缺陷,铸造平直度、平整度、同心度公差符合ISO 8063-3 GCTG 6级。

  传统风电转轴材质为球墨铸铁件[13],为提高海洋风电☆△◆▲■转轴的抗蚀性和低温冲击性能,材质为G18NiMoCr3-6,属于低合金高强度钢,为欧洲牌号的材质,依据欧洲标准为:EN 10340:2007《结构用铸件》,其化学成分要求见表1,调质后的机械性能见表2。

  铸件的冒口、补贴及冷铁的设计,是保证齿轮箱转轴铸件内部组织致密的决定因素。冒口的主要作用是提供铸件凝固过程体积收缩必需的钢液,防止产生缩孔、缩松,其次是出气•●和浮渣,保证铸件致密[14]。

  冒口设计的基本要求:①冒口要有足够长的凝固时间,以保证冒口最后凝固。②提供铸件液态和凝固收缩所需的足够钢液。③保证冒口和铸件之间存在畅通的补缩通道,即满★▽…◇足补缩距离要求。

  模数是铸件的体积与传热表面积的比值,是衡量铸件凝固时间的参数,其计算公式可简化如下:

  首先选取区域计算铸件的模数,根据铸件的模数放大相应安全系数计算出冒口的模数,选择合适冒口,并根据铸件的结构特征和补缩范围,选择合适的冒口形状、数量、位置。

  除模数计算外,应用全流程虚拟制造软件[15]和先进的MAGMA凝固模拟软件[16]进行设计和验证,确定最合理的冒口及补贴尺寸规格。齿轮箱转轴铸件采用明冒口和暗冒口相结合的补缩方式,在补缩末端区设置相应规格的冷铁,以提前阻断明、暗冒口之间的液态补缩通道,提高冒口补缩效率;同时核算补缩区域、调整温度场,有利于顺序凝固,实现有效补缩,确保内部组织致密,满足无损探伤要求。

  5MW海洋风电齿轮箱转轴为回转结构,冒口、补贴、冷铁等补缩工◆■艺对称,可采用木模实样成型方案和组芯成型方案。木模实样成型方案优点在于型腔直接由模型形成,尺寸精度高,无砂芯对接间隙,工艺信息执行到位,缺点是内腔刷涂困难,表面质量不易控制。组芯成型方案优点在于模型费用低,型腔可刷涂到位,内腔表面质量可控制,缺点在于对型芯定位要求极高,否则铸件尺寸得不到保证。由于齿轮箱转轴对于内外同轴度要求很高,并且同轴度对转轴轴向偏差很敏感,轴向角度每偏差1,径向尺寸可偏差20~30mm,对于内腔非加工面来说,必须精确保证砂芯轴向角度偏差。综合考虑利弊,采用木模实样成△▪▲□△型方案,着重控制转轴尺寸。

  由于该产品所使用工况较为恶劣,所受工作载荷大,应力复杂,材料服役时主要的失效模式是低温脆性导致的断裂破坏。而工件的失效无疑会很大的影响。因此对产品综合质量及▼▲过程控制较为严格。

  相比其他产品,转轴铸件材料性能方面不仅有-40℃低温冲击AK★△◁◁▽▼V≥27 J的要求,而且抗拉强度要求大于780 MPa,屈服强度≥630 MPa。产品既要求强度高,又要求低温冲击韧性好。

  通过材料模拟软件,在设计的内控成分范围内,按照即定的目标成分输入模拟软件,得出该材质的CCT曲线分析,得出了材料的连续冷却后不同冷速下的组织转变及转变温度,以及淬火的M转变温度和结束温度,同时也可以看出,该材料的淬火临界冷却◇=△▲速度非常大,对淬•☆■▲火冷却速度要求非常高,否则,淬火冷速不快的话,会有P或B等组织产生,这将影响强度,更会降低低温韧性。

  铸件采用淬火+回火方案,重点是淬火的实施。因为铸件结构属于喇叭形状,内腔为▲★-●渐缩性,孔洞最小开口直径为200 mm。为保证圆盘法兰上的各试◆●△▼●块能够同等条件的热处理,且保证充分利用热处理炉资源,采用一炉2件装在淬火托盘上,进行▲=○▼加热和淬火。转轴采用立装,圆盘法兰接触淬火托盘。

  淬火装炉前保证轴内孔洞切割氧化渣及杂物清理干净,以便淬火时,水汽能从孔洞喷出,从而内腔也能得到冷却。

  针对以上难点和产品质量要求,热处理工艺方面需要研究化学成分对该低温材料的影响,制定该材质的最佳成份内控;研究热处理工艺对该材料低温性能和高强度的影响机理,获得满足力学性能的热处理工艺;同时,研究符合现场实际的最佳热处理装炉和淬火方案及过程控制措施,最终实现材料性能符合率达100%。

  本文设置合理的冒口、补贴,采用冷铁严格分区,通过三维▪▲□◁软件模拟分析以及优化,得到了质量合格,组织致密的转轴铸件。针对铸件结构上的难点和产品质量要求,并研究热处理工艺对该○▲-•■□材料低温性能和高强度的影响机理,获得满足力学性能的热处理工艺为淬火+回火方案。同时,采用符合现场实际的最佳热处理装炉和淬火方案及过程控制措施,最终实现材料性能符合率达100%。

  作者:共◇•■★▼享铸钢有限公司马斌,罗永建,唐钟雪,马进,李彩虹返回搜狐,查看更多

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