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风电齿轮制造中的材料热处理

时间：2021.03.04创作：欧阳地

郑州机械研究所陈国民

近几年，我国风电行业得到快速发展，按照规划，

到2010年我国风电装机容量达400万千瓦，2020年达

2000万千瓦，在风能资源丰富的地区建成若干个百万千

瓦级风电基地。从目前76万千瓦到400万千瓦仅风电齿

轮箱的产值约为25亿，从400万KW到2000万KW风电

齿轮箱的产值约为140亿。

1.风电齿轮箱的技术特点

风电齿轮箱在技术上有如下一些特点：

（1）服役条件严酷

由于机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口

处，受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲

击，常年经受酷暑严寒和极端温差的影响，加之所处自

然环境交通不便，齿轮箱在狭小的机舱不可能像在地面

那样具有牢固的机座基础，整个传动系的动力匹配和扭

转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上，大量的

实践证明，这个环节常常是机组中的齿轮箱。

（2）功率大

国外主流风电机组已达到兆瓦级，丹麦的主流风机

为2.0～3.0兆瓦，美国主流风机为1.5兆瓦，在2004

年的汉诺威工博会上4.5兆瓦的风电机组也已面世。

（3）速差大

风力发电机组中的齿轮箱其主要功用是将风轮在风

力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的

转速。通常风轮的输入转速很低，约20r/min，远达不到

发电机转子所要求的1500-1800r/min转速，必须通过齿

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轮多级增速传动来实现。

（4）精度高

齿轮箱内用作主传动的齿轮精度，外齿轮不低于5

级GB/T10095，内齿轮不低于6级GB/T10095。齿部的最

终加工是采用磨齿工艺，尤其内齿轮磨齿难度甚

高。

（5）使用寿命要求长

由于自然环境条件恶劣，交通又不方便，齿轮箱在

数十米高塔顶部的狭小空间内，安装和维修相当困难，

所以要求使用寿命最少20年。

（6）可靠性要求高

可靠性和使用寿命都提出了比一般机械高得多的要

求。对构件材料，除了常规状态下机械性能外，还应该

具有低温状态下抗冷脆性等特性：对齿轮箱，工作要平

稳，防止振动和冲击等。设

计中要根据载荷谱进行疲劳分析，对齿轮箱整机及其零

件的设计极限状态和使用极限状态进行动力学分析、极

限强度分析、疲劳分析、稳定性和变形极限分析。

2.风电齿轮对材料热处理的技术要求

由于风电齿轮的服役条件苛刻，技术要求高，所以

主要都采用渗碳淬火磨齿工艺。在美国

ANSI/AGMA/AWEA6006-A03《风力发电机齿轮箱设计规

范》的52项质量控制项目中，材料热处理就占20项。

强调材料热处理的重要性就是要保证齿轮的疲劳强

度和加工精度，由于风力发电机所受风载频繁变化，而

且带冲击，所以齿轮表面常常产生微动点蚀而早期失

效，这种失效与接触精度和硬化表层物理冶金因素有

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关。另一方面，由于齿轮箱变速比大，所以采用平行传

动+行星传动方式，而在行星齿轮中，为了提高齿轮强

度、传动平稳性及可靠性，同时减小尺寸和重量，就连

内齿圈也要求采用渗碳淬火磨齿工艺。

从目前我国风力发电齿轮的生产来看，要保证20年

使用寿命，这一强度难关道路漫长，尚待努力，而内齿

圈的渗碳淬火变形由于直接影响现场生产，已经成为热

处理工艺中的当务难题。

3.风电齿轮热处理生产中的质量控制

为了提高风机齿轮的疲劳强度，保证20年的可靠寿

命，齿轮生产厂应当按ISO6336-5(GB/T3480-5)《齿轮