Hogyan készülnek a szélturbinás sebességváltó kovácsolások?

Szélturbinás sebességváltó kovácsolás pontosan ellenőrzött, többlépcsős eljárással készülnek: a kiváló minőségű ötvözött acél tuskót kovácsolási hőmérsékletre hevítik, nagy űrtartalmú prés- vagy kalapácsos berendezéssel alakítják, majd szállítás előtt hőkezelésnek, precíziós megmunkálásnak és átfogó minőségellenőrzésnek vetik alá. A teljes sorozatot úgy tervezték, hogy alkatrészeket állítson elő kiváló szemcseszerkezet, fáradtságállóság és méretpontosság – olyan tulajdonságok, amelyek az öntött vagy a rúdból megmunkált alternatívák nem felelnek meg a szélturbina sebességváltóján belüli extrém ciklikus terhelési feltételeknek.

A gyártási folyamat nem egyetlen művelet, hanem egy integrált lánc. Mindegyik szakasz közvetlenül befolyásolja a kész kovácsolás mechanikai tulajdonságait és élettartamát. Az egyes lépések megértése segít a mérnököknek, a beszerzési csapatoknak és a szélenergia-fejlesztőknek a kovácsolások megbízható meghatározásában és értékelésében.

Miért határozza meg a gyártási módszer a sebességváltó kovácsolási teljesítményét?

A szélturbinás hajtóművek az ipari gépek legigényesebb terhelési körülményei között működnek. Egyetlen 5 MW-os tengeri turbinás hajtómű a csúcsnyomatékokat meghaladja 4000 kNm az alacsony fordulatszámú tengelyen, míg a belső hajtómű és a csapágyalkatrészek több milliárd kifáradási terhelési cikluson mennek keresztül a 20 éves tervezési élettartam során. (Forrás: DNV GL Technical Report, Offshore Wind Turbine Drivetrain Design, 2020.)

A kovácsolási eljárás közvetlenül megfelel ezeknek az igényeknek:

• A tuskó öntött szemcseszerkezetének finomítása finom, egyenletes mikrostruktúrává, összehangolt szemcseáramlással
• Belső porozitás, zsugorodási üregek és elválasztó sávok lezárása az eredeti öntvényben
• Jótékony nyomómaradék feszültségek létrehozása a felületi rétegben, amely késlelteti a fáradási repedés kialakulását
• Homogén keresztmetszet létrehozása egyenletes mechanikai tulajdonságokkal minden mélységben

Az Európai Szélenergia Szövetség (EWEA) által összeállított helyszíni hibaelemzés következetesen a sebességváltó meghibásodását azonosítja a szélturbinák leállásának egyik fő okaként, amely felelős a a nem tervezett karbantartási események körülbelül 20%-a szárazföldi flottákban. A belső kovácsolt anyagok – gyűrűs fogaskerekek, bolygótartók, tengelyek – gyártási minősége az elsődleges meghatározója annak, hogy a sebességváltó megfelel-e a tervezett élettartamának, vagy elmarad.

1. szakasz: Nyersanyag kiválasztása és tuskó előkészítése

A gyártási folyamat a kiindulási anyag gondos kiválasztásával kezdődik. A szélturbinás hajtómű kovácsolásait erősen ötvözött acélokból állítják elő, amelyeket kifejezetten az igényes fáradási és ütési alkalmazásokhoz terveztek. A legszélesebb körben meghatározott fokozatok a következők:

Az acél tisztasági követelményei

A sebességváltó-kovácsolt acél minősége túlmutat a minőségválasztáson. Az olvadék tisztasága kritikus fontosságú – a nem fémes zárványok, például az alumínium-oxid húrok és a szulfidklaszterek kifáradási repedések keletkezési helyeiként működnek. A prémium sebességváltó kovácsolásához:

• Vákuumos gáztalanítás (VD) vagy vákuumíves újraolvasztás (VAR) hogy az oldott hidrogént 2 ppm alá csökkentsük
• Kéntartalom 0,010 tömeg% alatt
• Nem fémes zárvány minősítések, amelyek megfelelnek az ISO 4967 vagy ASTM E45 C osztálynak vagy jobb
• Kémiai összetételtanúsítvány teljes hőelemzési nyomon követhetőséggel

A kiindulási anyag vagy egy folyamatosan öntött tuskó (kisebb keresztmetszetekhez), vagy egy vákuumgáztalanított tuskó (nagy alkatrészek, például 500 kg-ot meghaladó bolygóhordozók esetén). A tömb tetejét (csőzóna) és alját (elválasztó zóna) levágják és eldobják a kovácsolás megkezdése előtt, biztosítva, hogy csak tiszta, homogén anyag kerüljön a folyamatba.

2. szakasz: Fűtés és hőmérséklet szabályozás

A tuskót vagy tuskót egy fűtőkemencébe töltik, és a kovácsolás hőmérsékleti tartományába hozzák. A sebességváltó-kovácsolásoknál használt gyengén ötvözött acélok esetében ez a tartomány jellemzően 1100°C és 1250°C között . A keresztmetszetben a hőmérséklet egyenletessége kritikus fontosságú – az egyenetlen melegítés nem egyenletes deformációt és lokális mikroszerkezeti változást okoz, ami rontja a fáradási teljesítményt.

A gyártásban használt kemencetípusok

• Energiatakarékos földgáz fűtőkemencék a nagy tonnányi tuskó szabványa, szabályozott légkörű fűtést biztosítanak programozható hőmérsékleti rámpákkal és a tuskó keresztmetszetére skálázott áztatási időkkel
• Indukciós fűtési rendszerek Kisebb tuskókhoz használják, amelyek gyors, precíz átmelegítést igényelnek minimális felületi oxidációval

Az áztatási idő számítása minimum alapján történik 1 perc keresztmetszeti átmérő milliméterenként hogy biztosítsa a hőmérséklet egyenletességét a kovácsolás megkezdése előtt. A nem megfelelő áztatási idő dokumentált forrása a kovácsolt köröknek és a hidegzárásoknak, amelyek veszélyeztetik a fáradtság élettartamát. (Forrás: ASM International, Forging Handbook, 5. kiadás.)

A hőmérsékletet folyamatosan ellenőrzik kalibrált kontakt pirométerekkel és érintésmentes infravörös műszerekkel. A kovácsolást azelőtt be kell fejezni, hogy a fém a minimális kovácsolási hőmérséklet alá hűlne – jellemzően 950 °C a legtöbb ötvözött acél esetében — a deformálódó, részben átkristályosodott anyagból eredő nyúlási keményedés és felületi repedés elkerülése.

3. szakasz: Kovácsolás – Nyitott kocka, gyűrűs hengerlés és zárt szerszámos műveletek

A felmelegített tuskót gyorsan továbbítják a kovácsoló présbe vagy gyűrűhengerműbe. A szélturbina hajtómű alkatrészeinél három elsődleges kovácsolási módszert alkalmaznak az alkatrész geometriájától függően:

Nyitott kovácsolás (ingyenes kovácsolás)

A nagyméretű hidraulikus vagy elektrohidraulikus kalapácsos prések alatt végzett nyitott kovácsolást nehéz tengelyekhez, tárcsákhoz és előformákhoz használják a későbbi gyűrűs hengerléshez. A nagy szélhajtómű-alkatrészekhez használt préselési kapacitások tól 20 MN és 125 MN között . A folyamat több redukciós lépésből áll, és a tuskót minden egyes ütés között el kell forgatni és áthelyezni. Kulcsfontosságú folyamatparaméter: a kovácsolási aránynak (a kezdeti keresztmetszeti terület osztva a végső keresztmetszet területével) általában el kell érnie a minimum 4:1-től 6:1-ig megfelelő szemfinomítás és üregzárás biztosítása érdekében.

Ring Rolling

A gyűrűhengerlés a szélturbina-hajtóművekben használt gyűrűs fogaskerekek, csapágygyűrűk és karimás gyűrűk gyártásának elsődleges folyamata. A folyamat egy előre kialakított fánk alakú tuskóval kezdődik (amelyet nyitott kovácsolással és lyukasztással állítanak elő), amelyet azután egy hajtott főhenger és egy üresjárati tüskehenger közé hengerelnek, hogy fokozatosan növeljék a gyűrű átmérőjét, miközben csökkentik a falvastagságot.

A függőleges gyűrűs hengerművek - mint például a 1 méteres és 1,5 méteres kapacitású gépek modern, nehéz kovácsoló létesítményekben használják – több száz millimétertől 3000 mm-ig terjedő külső átmérőjű, 50-400 mm falvastagságú és 600 mm-es magasságig terjedő gyűrűk készítésére alkalmas. A dimenziószabályozás a gyűrűgördülés során a körkörös tűrést célozza meg kevesebb, mint a külső átmérő 0,3%-a megmunkálási ráhagyás előtt.

Zárt-sajtolású kovácsolás

Kisebb, geometriailag összetett alkatrészekhez, mint például a nagyobb mennyiségben gyártott bolygókerekes hajtóművekhez, zárt szerszámos (nyomószerszám) kovácsolást alkalmaznak. A fűtött tuskó az alkatrész negatív profilját tartalmazó felső és alsó szerszámok közé kerül. Ezzel a módszerrel elérhető szűkebb mérettűrések és közel háló alakú kimenet , csökkenti a későbbi megmunkálási készletet és javítja az anyaghozamot az azonos geometriájú nyitott kovácsoláshoz képest.

Kovácsolási arány és hatása a tulajdonságokra

A kovácsolási arány kritikus folyamatparaméter, amely közvetlenül meghatározza az elért szemcsefinomítás mértékét. Az összefüggés a kohászati irodalomban jól megalapozott:

• 2:1 alatti kovácsolási arány – minimális szemcsefinomítás; öntött dendrites szerkezet részben megmaradt
• Kovácsolási arány 4:1-6:1 – jelentős szemcsefinomítás; A kifáradási tulajdonságok megközelítik az ötvözetminőséghez képest optimálisat
• 8:1 feletti kovácsolási arány – csökkenő szemcsefinomítási hozam; az anizotrópia kockázata keresztirányban növekszik

A szélhajtómű kovácsolási specifikációi általában minimális kovácsolási arányt írnak elő 4:1-től 6:1-ig range , amelyet a kiinduló tuskóméretek és a kész kovácsolási méretek dokumentációjával igazolnak. (Forrás: AGMA 923-B05, Metallurgical Specifications for Steel Gearing.)

4. szakasz: Ellenőrzött hűtés kovácsolás után

A kovácsolás befejezése után az alkatrészt ellenőrzött körülmények között le kell hűteni. A nagyméretű ötvözött acél kovácsolások ellenőrizetlen gyors hűtése bevezeti:

• Nyújtsa ki a repedést a termikus gradiens által kiváltott húzófeszültségekből a felületen
• Hidrogén által kiváltott késleltetett repedés (pelyhesítés) erősen ötvözött acéloknál oldott hidrogénmaradvány mellett
• Kemény martenzites felületi rétegek, amelyek zavarják a későbbi megmunkálást

A nagy szélhajtómű-kovácsolások szokásos gyakorlata a szabályozott lassú hűtés a szigetelődobozokban vagy a programozott kemencehűtés 20-50 C fok óránként Ez a lassú hűtés lehetővé teszi a hidrogén kidiffundálását az acélrácsból, és megakadályozza a vastag keresztmetszetekben a hősokk-repedést. Nagyon nagy (1000 kg feletti) alkatrészek esetében előírható kovácsolás utáni izzítás egy kemencében, hogy a mikrostruktúra teljes mértékben homogenizálódjon a hőkezelés előtt.

5. szakasz: Hőkezelés – A megcélzott mechanikai tulajdonságok fejlesztése

A hőkezelés az a szakasz, amikor a kovácsolt mikroszerkezetet a tervező mérnök által meghatározott mechanikai tulajdonságprofillá alakítják. A szélturbinás hajtómű kovácsolásakor a szükséges hőkezelési mód az alkatrész funkciójától és az anyagminőségtől függ.

Normalizálás és lágyítás

A kovácsolás után és a végső hőkezelés előtt alkalmazzák a maradék kovácsolási feszültségek enyhítésére, a mikroszerkezet homogenizálására és a megmunkálhatóság javítására. A normalizálás időpontja 850-920 C fok léghűtés követi. Ez a szakasz előkészíti a kovácsolást a pontos méretmegmunkáláshoz, és biztosítja a következetes reakciót a későbbi edzési kezelésre.

Edzés és temperálás

Az edzett alkatrészek, mint például a tengelyek és a bolygótartók ausztenitezésen mennek keresztül 840-880 fok C , majd olajjal vagy vízzel oltva martenzites szerkezet alakul ki, majd temperálás at 550-650 C fok . Ez a sorozat a szakítószilárdságot a következő tartományban hoz létre 900-1200 MPa kombinálva a 60 J-t meghaladó Charpy ütési értékekkel mínusz 40 °C-on – megfelel a tengeri turbinás alkalmazások alacsony hőmérsékleti szívóssági követelményeinek.

Tok keményítése (karburálás és kioltás)

A keményedő acélból, például 18CrNiMo7-6-ból készült fogaskerekes nyersdarabokat karburáló kemencékben dolgozzák fel. 880-980 fok C szénben gazdag légkörben. A folyamat szénnel dúsított tokréteget épít fel 0,8-2,5 mm effektív tokmélység . Kioltás és alacsony hőmérsékletű, 150-200 °C-os temperálás után a tok keménysége kb. 58-62 HRC míg a mag megőrzi szívósságát 30-40 HRC keménységgel. A martenzitképződés térfogat-tágulásából adódó felületi nyomómaradék feszültségek jelentősen növelik a foggyökér hajlítási kifáradási szilárdságát.

Indukciós edzés

A csapágycsapok, a tengelyfészek és a nagy keménységet igénylő helyi felületi zónák szelektíven indukciós edzéssel vannak edzve. 54-62 HRC felületi keménységet, miközben a környező anyag temperált állapotban marad. Az indukciós edzést előnyben részesítjük a nagy tengelyeknél, ahol a teljes alkatrész karburálása nem lenne praktikus, és ahol a helyi felületi keménység az elsődleges követelmény.

6. szakasz: Nagyoló megmunkálás és elővizsgálat

A hőkezelést követően a kovácsolt durva megmunkáláson megy keresztül a felületi lerakódás eltávolítása, a referenciapontok referenciafelületeinek kialakítása, valamint a külső méretek durva megmunkálási tűréshatáron belüli bevitele érdekében. A szélhajtómű-kovácsolások tipikus durva megmunkálási ráhagyásai a következők 5-15 mm felületenként a kovácsolási tűréstől és az alkatrészmérettől függően.

A durva megmunkálást követően az alkatrész kritikus roncsolásmentes vizsgálaton (NDE) megy keresztül, mielőtt a végső megmunkálási beruházás megtörténik:

• Ultrahangos vizsgálat (UT) az EN 10228-3 vagy az ASTM A388 szerint – érzékeli a belső megszakadásokat, beleértve a csőmaradványokat, hidrogénpelyheket és elválasztó sávokat. Az elfogadási feltételek általában semmilyen helyen nem írnak elő 2 mm-nél egyenértékű lapos fenekű furatot.
• Mágneses részecskevizsgálat (MPI) — érzékeli a felületi és felületközeli repedéseket durván megmunkált felületeken
• Keménység felmérés — megerősíti a hőkezelési reakciót a keresztmetszet több mérési pontján

Az NDE durva megmunkáláson átmenő alkatrészek továbbhaladnak a megmunkálás befejezéséig. Az elutasítható jelzésekkel rendelkezőket elhelyezik – vagy megjavítják, ahol a specifikációk lehetővé teszik, vagy eltávolítják a gyártási folyamatból, védve a későbbi megmunkálási beruházást.

7. szakasz: Precíziós megmunkálás a végső mérettűrésekig

A precíziós megmunkálás a hőkezelt, durva megmunkálású kovácsolt nyersdarabot kész alkatrészsé alakítja, amely készen áll a fogaskerék vágására vagy a közvetlen összeszerelésre. A legfontosabb megmunkálási műveletek a következők:

• CNC esztergálás és fúrás a csapágycsapok kerekségi tűrése 5 mikrométeren belül, és felületi érdesség Ra 0,4-0,8 mikrométer
• Fogaskerék fogozás vagy alakítás fogaskerekes fogprofilok előállításához az ISO 6-os vagy jobb pontossági osztályú tokedzés és köszörülés előtt
• Fogaskerék fogcsiszolás a tok keményítése után a termikus torzítás korrigálása és a végső profil, ólom és emelkedési tűrés elérése érdekében ISO 4. vagy 5. pontossági osztály — az IEC 61400-4 szerinti szabvány a szélturbina sebességváltójára vonatkozóan
• Kemény fordulás a csapágyülések és a ház illesztései H7/h6-hoz vagy szűkebb ütközési illesztési tűrésekhez
• A foggyökerek lövöldözése nyomó maradó feszültségek bevezetése, ami 15-25%-kal meghosszabbítja a hajlítási kifáradás élettartamát

A megmunkálási műveleteket CNC megmunkálóközpontokon végzik, közbenső szakaszokban a gyártás közbeni mérési és koordináta-mérőgép (CMM) ellenőrzésével, biztosítva, hogy a méreteltéréseket a következő művelet előtt észleljék és korrigálják, nem pedig a végső ellenőrzés során.

8. szakasz: Végső minőségellenőrzés és tanúsítás

Az elkészült szélturbinás hajtómű kovácsolások átfogó végső ellenőrzésen esnek át a szállításra történő átvétel előtt. A szélturbinák OEM-jei és tanúsító testületei, például a DNV, a Bureau Veritas és a TUV által jellemzően meghatározott ellenőrzési kör a következőket tartalmazza:

A teljes anyagkövetési dokumentáció minden elfogadott kovácsolást kísér – az olvadékhő-számtól és az üstök kémiai elemzési tanúsítványától a feldolgozási feljegyzéseken át a végső ellenőrzési eredményekig –, amely lehetővé teszi a szélturbina típustanúsításához és a tulajdonosi/üzemeltetői dokumentációs csomagokhoz szükséges teljes ellenőrzési nyomvonalakat.

Az ACE Group gyártási képessége a szélturbinás sebességváltó kovácsolásához

Az ACE Group integrált nehézipari gyártási rendszere kifejezetten úgy van kialakítva, hogy a fent leírt teljes gyártási láncot egy szervezeti tető alatt hajtsa végre. A miénk Szélturbinás sebességváltó kovácsolás vertikálisan integrált eljárással készülnek, amely magában foglalja:

• Kovácsolás: Több tonnás elektrohidraulikus kalapácsok (3 tonnás, 5 tonnás és 15 tonnás kapacitású) és függőleges gyűrűs hengerművek (1 méter és 1,5 méter) a Jiangsu ACE Energy Technology Co., Ltd.-nél – egy 55 hektáros létesítmény több mint 50 018 négyzetméteres termelési alapterülettel, és novemberben kezdi meg működését2025
• Hőkezelés: Helyszíni földgáz fűtőkemencék, hőkezelést ellenálló kemencék, oltótartályok és indukciós edzési berendezések a teljes kohászati vezérléshez a félkész kovácsolt termékek létesítmények közötti szállítása nélkül
• Precíziós megmunkálás: CNC megmunkáló központok a Yancheng ACE Machinery Co., Ltd.-nél a hőkezelt kovácsolt termékek méretre kidolgozására a rajztűrésig
• Felületkezelés: A Yancheng ACE Surface Treatment Technology Co., Ltd. nagy teherbírású porfestő vonala, amely egyszeri bevonatvastagságot ért el. 400 mikrométer a kész alkatrészek kiváló korrózióvédelméért

Ez az integrált képesség kiküszöböli a több beszállítóból álló feldolgozási láncokhoz kapcsolódó minőségi és nyomon követhetőségi kockázatokat, és a szélenergia-ágazat ügyfelei számára egyetlen forrásból származó gyártópartnert biztosít a sebességváltó kovácsolásához a tuskótól a tanúsított, szállításra kész alkatrészekig.