大生清風(fēng)（北京）科技有限公司，位于北京中關(guān)村科技園石景山園區(qū)，致力于風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)解決方案的設(shè)計(jì)、研發(fā)、施工等工作。公司目前業(yè)務(wù)板塊包括：變槳齒圈磨損修復(fù)、偏航齒圈斷齒及裂紋修復(fù)、剎車盤磨損修復(fù)、潤(rùn)滑系統(tǒng)優(yōu)化等。與遠(yuǎn)景集團(tuán)、上海電氣等風(fēng)機(jī)廠商以及龍?jiān)措娏Φ蕊L(fēng)電運(yùn)營(yíng)廠商有良好的合作，業(yè)務(wù)分布全國(guó)十余個(gè)省市。
風(fēng)電機(jī)組再制造研究所由大生清風(fēng)（北京）科技有限公司和清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽(yáng)先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地共同建設(shè)，專注于風(fēng)電核心部件再制造等解決方案設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及產(chǎn)品研發(fā)等。目前已有技術(shù)包括：齒輪斷裂、磨損、裂紋等缺陷修復(fù)，剎車盤磨損修復(fù)，傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑條件優(yōu)化。
一、背景
變槳齒輪主要用于兆瓦級(jí)以上型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組上，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中受力復(fù)雜的零部件之一。根據(jù)變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，要求變槳齒輪應(yīng)具有高可靠性、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活等特點(diǎn)，一般變槳齒輪的設(shè)計(jì)壽命為20年，由于工作環(huán)境惡劣和交變載荷運(yùn)行等原因，變槳齒輪在運(yùn)行3-5后會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，如不及時(shí)修復(fù)將加劇齒輪磨損，引起齒面剝落或齒輪斷齒等情況出現(xiàn)，造成風(fēng)機(jī)無(wú)法正常變槳。
變槳齒輪出現(xiàn)嚴(yán)重磨損而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無(wú)法正常變槳時(shí)，一般采用吊裝替換的方式進(jìn)行維修。傳統(tǒng)吊裝更換維修不僅周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、受地形環(huán)境影響制約，而且維修成本高、發(fā)電量損失大，是風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主普遍面臨的難題之一。隨著塔上維修技術(shù)的進(jìn)步和新工具的出現(xiàn)，風(fēng)電齒輪箱塔上維修范圍從早期的漏油處理、外部件更換，到失效齒輪的再制造等維修范圍不斷擴(kuò)大。2017年12月，由國(guó)家十二部門聯(lián)合印發(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》通知明確指出，在核電、水電、風(fēng)電、火電裝備等設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)使用再制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大型、復(fù)雜零部件的快速原型制造、直接制造和修復(fù)。
二、變槳齒輪磨損分析
風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于低速、重載及交變載荷的工況中，而風(fēng)機(jī)變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為典型的開(kāi)式齒輪傳動(dòng)，其主要失效方式為相對(duì)滑動(dòng)引起的齒面磨損。由于風(fēng)機(jī)特殊的控制策略，風(fēng)機(jī)變槳驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在其工作壽命的70%時(shí)間里，都是由0°位置附近齒承受往復(fù)微動(dòng)嚙合，如下圖所示。因此在長(zhǎng)時(shí)間的交變載荷作用下，驅(qū)動(dòng)齒與0°位置附近齒嚙合頻率高，其表面易出現(xiàn)因接觸疲勞引起的麻點(diǎn)、剝落及微點(diǎn)蝕等，從而加劇磨損。
圖片來(lái)源：凡增輝, et al. 風(fēng)機(jī)變槳齒輪磨損分析與計(jì)算[J]. 機(jī)械傳動(dòng), 2014(8):89-91.
圖1 不同嚙合位置作用時(shí)間分布圖
根據(jù)ISO 6336-5:2003標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)風(fēng)機(jī)變槳齒輪磨損分析和計(jì)算得出，當(dāng)齒輪模數(shù)m＞10mm～16mm時(shí)，齒面有效淬火層深度h≤2mm。因此，風(fēng)電機(jī)組變槳齒輪單邊的最大磨損量為不超過(guò)2mm。當(dāng)變槳齒輪單邊磨損量超過(guò)2mm時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)淬火層進(jìn)行再制造修復(fù)，確保風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。
三、再制造修復(fù)難點(diǎn)
（一）工藝難點(diǎn)
變槳齒輪大部分使用42CrMo材料（參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-2015）制備，屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼。變槳齒輪為得到較高的強(qiáng)度性能，采用整體調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）后表面淬火的方式處理，加工后，齒輪表面硬度可達(dá)到HRC60。42CrMo的含碳量較高（0.38～0.45%），并加入其它合金元素，以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，再通過(guò)調(diào)質(zhì)處理獲得綜合性能較好的高強(qiáng)鋼，具有高強(qiáng)度和高硬度特性，但韌性相對(duì)較低。因此，再制造技術(shù)在變槳齒輪修復(fù)中應(yīng)用時(shí)，對(duì)工藝要求極高。
?。ǘ┕r難點(diǎn)
高空修復(fù)對(duì)增材制造技術(shù)和設(shè)備限制較大，變槳齒輪受力頻繁且復(fù)雜，這些因素對(duì)修復(fù)工藝和材料要求極高。修復(fù)材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度特性，能經(jīng)受惡劣的工況，與齒輪結(jié)合性好，修復(fù)后不發(fā)生剝落。此外，這種工況惡劣的齒輪不能進(jìn)行多次維修，多次維修頻繁的熱輸入對(duì)基體影響極大，容易造成齒輪出現(xiàn)斷齒情況。
四、修復(fù)方案
針對(duì)變槳齒輪淬火層的再制造修復(fù)需求，提出“顆粒增強(qiáng)增材制造+再制造升級(jí)”的思路。對(duì)齒輪進(jìn)行預(yù)處理后，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，進(jìn)行再制造修復(fù)，使得齒面尺寸得到恢復(fù)。修復(fù)材料選擇自主研發(fā)的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合強(qiáng)化材料H17。H17屬于高耐磨性金屬基強(qiáng)化復(fù)合材料，材料性能德國(guó)SGS認(rèn)證，耐磨性處于國(guó)際領(lǐng)先水平。H17在充分考慮材料配副性的同時(shí)，可提高修復(fù)齒的耐磨性。同時(shí)利用獨(dú)特的材料設(shè)計(jì)，使得修復(fù)齒面具有自潤(rùn)滑效果，服役過(guò)程中可以改善潤(rùn)滑條件，進(jìn)一步提高齒輪服役壽命。
圖2 核心材料
基于工藝及工況難點(diǎn)，變槳齒輪再制造修復(fù)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制焊層厚度、焊道長(zhǎng)度及層溫等，并選用合適的焊接參數(shù)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)材料焊接和材料強(qiáng)化，修復(fù)流程如下圖所示。該修復(fù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)平均3天完成1臺(tái)風(fēng)機(jī)修復(fù)，修復(fù)后齒面的尺寸、硬度等得到恢復(fù)，風(fēng)機(jī)可穩(wěn)定運(yùn)行。
圖片來(lái)源：現(xiàn)場(chǎng)施工拍攝
圖3 關(guān)鍵修復(fù)過(guò)程：焊接、打磨、檢測(cè)
圖片來(lái)源：現(xiàn)場(chǎng)施工及后續(xù)檢測(cè)拍攝
圖4 修復(fù)前后對(duì)比（修復(fù)后效果圖拍攝于風(fēng)機(jī)運(yùn)行一年后）
五、修復(fù)業(yè)績(jī)
大生清風(fēng)（北京）科技有限公司研發(fā)的風(fēng)電機(jī)組變槳齒輪淬火層修復(fù)技術(shù)通過(guò)再制造技術(shù)登塔作業(yè)，可有效進(jìn)行淬火層的再制造，恢復(fù)齒輪精度，提高齒面強(qiáng)度和耐磨性，從而延長(zhǎng)齒輪的使用壽命，工藝解決了風(fēng)電機(jī)組變槳齒輪淬火層磨損問(wèn)題，同時(shí)大大降低了修復(fù)周期，保證風(fēng)場(chǎng)正常發(fā)電，提高發(fā)電效率。2019年，公司承接風(fēng)電機(jī)組變槳齒輪磨損修復(fù)總數(shù)約40臺(tái)，修復(fù)齒數(shù)300余個(gè)，業(yè)務(wù)分布全國(guó)十余個(gè)省市，修復(fù)效果均得到業(yè)主認(rèn)可。
大生清風(fēng)（北京）科技有限公司
地 址：北京市石景山園區(qū)
業(yè)務(wù)聯(lián)系：姜慧韜 133-0133-3927
