Rèn thép nóng cho ngành công nghiệp gió: Giải thích chuyên sâu về các thành phần hộp số

Một hộp số tuabin gió ngoài khơi công suất 10 MW truyền đủ mô-men xoắn để di chuyển một đầu máy vận chuyển hàng hóa, nhưng nó phải vừa với vỏ bọc của một tuabin gió cách mặt đất một trăm mét. Các bánh răng hành tinh, bánh răng hành tinh, bánh răng mặt trời và bánh răng vành bên trong hộp số đó được sản xuất bằng phương pháp rèn thép nóng. Nếu một trong những vật rèn này có khiếm khuyết bên trong thì kết quả sẽ không phải là việc thay thế bộ phận đơn giản. Nó có nghĩa là cần cẩu, loại bỏ hệ thống truyền động và mất nhiều tuần sản xuất năng lượng. Đó là lý do tại sao việc rèn thép nóng cho ngành công nghiệp gió được coi là một bước quan trọng về mặt an toàn hơn là công việc tạo hình kim loại thông thường.

Tại sao rèn nóng cho các thành phần gió

Rèn nóng là phương pháp ưa thích cho các bộ phận truyền động của hộp số gió vì nó tạo ra dòng hạt liên tục và đóng các khoảng trống bên trong mà việc đúc không thể loại bỏ một cách đáng tin cậy.

Khi thép đông cứng trong khuôn, nó sẽ phát triển các khoang co ngót, độ xốp của khí và sự phân tách cục bộ. Rèn nóng nén phôi ở nhiệt độ từ 1150 đến 1250 độ C, phá vỡ những điểm không hoàn hảo đó và tinh chỉnh cấu trúc hạt. Kết quả là mật độ cao hơn, độ bền mỏi tốt hơn và các đặc tính cơ học nhất quán hơn trên toàn bộ thành phần. Hệ thống truyền động tuabin gió trải qua một chu kỳ ứng suất hoàn chỉnh với mỗi vòng quay của rôto, do đó khả năng chống mỏi quyết định tuổi thọ sử dụng nhiều hơn độ bền tĩnh. Các thử nghiệm trên thép 42CrMo4 cho thấy vật liệu rèn có thể mang lại giới hạn mỏi cao hơn khoảng 30 đến 40% so với cùng loại ở dạng đúc. Biên độ đó thường tách biệt hệ thống truyền động 20 năm khỏi sự cố sớm giữa vòng đời.

Biểu đồ radar ở trên so sánh quá trình rèn và đúc nóng theo sáu tiêu chí quan trọng đối với các bộ phận của hệ thống truyền động gió. Thép rèn cho thấy lợi thế rõ ràng về khả năng chống mỏi và cấu trúc hạt vì quá trình biến dạng điều chỉnh dòng chảy kim loại theo đường tải. Độ bền bên trong cũng tốt hơn trong quá trình rèn, vì các mối hàn bước nén sẽ đóng lại độ xốp co ngót còn sót lại trong các phần đúc. Đúc đạt điểm cao hơn về hiệu quả chi phí và thời gian thực hiện, đó là lý do tại sao vỏ hộp số lớn và vỏ không tải vẫn được sản xuất dưới dạng đúc. Tuy nhiên, các bộ phận mang mô-men xoắn và tải trọng uốn luôn được chỉ định là vật rèn. Nếu bạn xếp hạng các tiêu chí này theo tác động của chúng đến tính khả dụng của tuabin thì lộ trình giả mạo sẽ giành chiến thắng đối với các bộ phận truyền động.

Các bộ phận được rèn bên trong hộp số gió

Hầu hết các hộp số gió sử dụng thiết kế hành tinh để nhân tốc độ rôto từ khoảng 10 vòng/phút lên 1000 vòng/phút mà máy phát điện yêu cầu. Các bộ phận rèn tập trung ở các giai đoạn hành tinh, nơi mô-men xoắn cao nhất.

Người vận chuyển hành tinh

Người vận chuyển hành tinh là cốt lõi cấu trúc của từng giai đoạn hành tinh. Nó giữ ba đến sáu trục bánh răng hành tinh ở các vị trí xuyên tâm chính xác trong khi truyền toàn bộ mô-men xoắn của tuabin. Trong hộp số 5 đến 10 MW, một khung chứa hành tinh được rèn thường nặng từ 1200 đến 2800 kg. Quá trình rèn phải tạo ra dòng hạt đồng đều xung quanh các lỗ chốt, bởi vì những khu vực đó chịu ứng suất theo chu kỳ cao nhất. Giá đỡ được rèn nguyên khối sẽ tránh được các đường hàn có thể trở thành vị trí bắt đầu mỏi.

Giá đỡ hành tinh rèn cho hộp số tuabin gió 3-10 MW Giá đỡ được rèn nguyên khối này phù hợp với các giai đoạn hộp số 5-10 MW, với dòng hạt đồng đều xung quanh lỗ chốt để xử lý ứng suất chu kỳ cao. Khám phá nó để tìm hệ thống truyền động tuabin công suất lớn đáng tin cậy. Xem sản phẩm →

Bánh răng hành tinh và Bánh răng mặt trời

Bánh răng hành tinh ăn khớp với bánh răng mặt trời và bánh răng bao cùng lúc, giúp phân chia tải trọng truyền qua nhiều điểm tiếp xúc răng. Trong tuabin có công suất 5 đến 10 MW, bánh răng hành tinh giai đoạn đầu mang mô-men xoắn cao nhất ở tốc độ thấp nhất. Bánh răng mặt trời quay nhanh hơn và yêu cầu thép được tôi cứng để chống mài mòn sườn răng. Cả hai thành phần thường được rèn từ 18CrNiMo7-6 hoặc loại cacbon hóa tương đương. Phôi rèn được gia công thô, cắt bánh răng, làm cứng vỏ và mài đến hình dạng cuối cùng.

Bộ rèn bánh răng hành tinh cứng cho hộp số 5-10 MW Bánh răng hành tinh giai đoạn đầu mang mô-men xoắn cao nhất ở tốc độ thấp, vì vậy phôi 18CrNiMo7-6 được rèn với bề mặt được cacbon hóa là rất cần thiết. Sản phẩm này bao gồm cả ba giai đoạn hành tinh. Xem sản phẩm →

Bánh răng vòng

Bánh răng bao là một vành có đường kính lớn với các răng bên trong. Nó có thể được sản xuất dưới dạng rèn vòng một mảnh hoặc dưới dạng cụm hàn được phân đoạn, nhưng vật rèn một mảnh phân phối tải tốt hơn vì không có đường hàn nào đi qua vùng ứng suất. Cán nồi trên máy nghiền nồi đứng tạo ra hướng thớ theo hướng chân răng, cải thiện khả năng chống mỏi khi uốn. Trống bánh răng hộp số 5 đến 10 MW có thể nặng từ 1800 đến 3500 kg, tùy thuộc vào cấu trúc hộp số.

Bộ phận rèn bánh răng vòng một mảnh cho tua bin gió 5-10 MW Các phôi bánh răng có đường kính lớn lên tới 3500 kg được hưởng lợi từ việc định hướng hạt cán vòng và không có đường hàn. Sản phẩm này hỗ trợ truyền tải công suất cao với các răng bên trong được mài chính xác. Xem sản phẩm →

Biểu đồ thanh ngang ở trên cho thấy các quả nặng phôi rèn điển hình cho các bộ phận quay chính trong hộp số gió 5 đến 10 MW. Bánh răng vành là phôi nặng nhất trong bộ, thường vượt quá 3500 kg trước khi xử lý nhiệt và gia công thô. Các vật mang hành tinh là nhóm nặng thứ hai vì chúng là những đĩa có đường kính lớn với nhiều lỗ chốt. Trục bánh răng nằm ở khoảng giữa, trong khi bánh răng hành tinh và mặt trời nhẹ hơn nhưng vẫn yêu cầu thép hợp kim cao và giảm khả năng rèn cẩn thận. Các trọng lượng này xác định công suất búa hoặc máy ép cần thiết, kích thước lò nung và đường bao gia công. Một nhà cung cấp có công suất búa 15 tấn và máy cán vòng 1,5 mét có thể đáp ứng toàn bộ phạm vi sản phẩm mà không cần chia đơn hàng cho nhiều nhà cung cấp.

Quy trình rèn nóng từ phôi thành phôi

Việc chuyển đổi phôi thép thành rèn hộp số gió được chứng nhận tuân theo trình tự được kiểm soát kết hợp biến dạng, xử lý nhiệt và kiểm tra.

1. Kiểm tra phôi. Kiểm tra siêu âm được thực hiện trên phôi thép đến để xác nhận độ bền bên trong trước khi bắt đầu bất kỳ công việc nào.
2. Sưởi ấm. Phôi được làm nóng từ từ rồi ngâm ở nhiệt độ 1150 đến 1250 độ C trong lò đốt gas.
3. Khó chịu. Lực nén dọc trục phá vỡ cấu trúc vật đúc và làm mịn hạt.
4. Hình thành trước. Việc vẽ và chặn tạo ra một hình học trung gian gần với khoảng trống cuối cùng.
5. Rèn cuối cùng. Việc tạo hình khuôn kín hoặc khuôn mở thiết lập đường viền bên ngoài và độ dày tới hạn.
6. Lăn vòng. Đối với các bánh răng vành và các bộ phận hình khuyên khác, máy cán vòng thẳng đứng sẽ mở rộng khuôn phôi đến đường kính và mặt cắt ngang cần thiết.
7. Làm mát có kiểm soát. Làm mát chậm và đồng đều ngăn ngừa bong tróc và tích tụ ứng suất dư.
8. Gia công thô và kiểm tra lại. Phôi được tiện thô để loại bỏ các khuyết tật trên bề mặt và cặn, sau đó thực hiện một bước siêu âm khác.

Biểu đồ đường trên cho thấy công suất định mức của các tuabin gió ngoài khơi đã tăng từ 4 MW năm 2016 lên 12 MW vào năm 2026. Mỗi bước tăng định mức tuabin buộc hộp số phải truyền nhiều mô-men xoắn hơn qua cùng một đường bao vật lý. Mô-men xoắn lớn hơn có nghĩa là các vật mang hành tinh lớn hơn, các bánh răng vành lớn hơn và các phôi rèn nặng hơn. Do đó, nhà cung cấp rèn phải đầu tư vào búa lớn hơn, máy nghiền vành lớn hơn và lò xử lý nhiệt sâu hơn để theo xu hướng này. Người mua dự định xây dựng nền tảng 12 MW nên xác nhận rằng đối tác rèn của họ có thể xử lý các phôi có trọng lượng trên 4000 kg. Việc kiểm tra công suất này quan trọng hơn giá cả khi thiết kế hệ thống truyền động phụ thuộc vào nó.

Lựa chọn vật liệu để rèn cấp độ gió

Các loại thép được sử dụng để rèn hộp số gió thuộc hai họ: thép hợp kim tôi và tôi luyện cho các bộ phận mang và trục, và thép làm cứng vỏ cho các răng bánh răng cần bề mặt cứng, chống mài mòn.

42CrMo4 được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận mang hành tinh và trục bánh răng vì nó kết hợp độ bền tốt với độ cứng ổn định. Thiết kế độ mỏi của vùng túi mang là yếu tố hạn chế nên tỷ lệ giảm rèn phải đủ cao để tinh chỉnh cấu trúc lõi. 34CrNiMo6 mang lại độ bền cao hơn cho các bánh răng vành nặng và trục lớn. 18CrNiMo7-6 được chỉ định cho các bánh răng hành tinh và mặt trời phải chống mỏi tiếp xúc sau khi cacbon hóa.

Biểu đồ cột ở trên so sánh cường độ năng suất tối thiểu của ba loại trong điều kiện rèn và đúc. Các phiên bản rèn cho thấy lợi thế nhất quán khoảng 230 đến 300 MPa so với vật liệu đúc có cùng thành phần hóa học. Sự khác biệt đó có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế hộp số vì cường độ chảy đặt ra giới hạn cho ứng suất uốn ở chân răng và tại lỗ chốt mang. Cường độ năng suất cao hơn cho phép bộ bánh răng nhỏ gọn hơn hoặc giới hạn an toàn cao hơn ở cùng kích thước. Sản xuất đúc sẽ yêu cầu các phần nặng hơn để đạt được khả năng chịu tải tương tự, điều này làm tăng khối lượng hộp số và làm phức tạp cấu trúc vỏ bọc. Đây là lý do tại sao việc đánh giá thiết kế hộp số gió hầu như luôn chỉ định các phôi rèn cho mọi bộ phận trên đường mô-men xoắn.

Xử lý nhiệt và con đường dẫn đến đặc tính cuối cùng

Rèn nóng tạo hình phôi, nhưng xử lý nhiệt quyết định các tính chất cơ học cuối cùng. Quá trình rèn hộp số gió thường trải qua quá trình chuẩn hóa, làm nguội và tôi luyện, và trong một số trường hợp, quá trình làm cứng bề mặt của các sườn răng. Mỗi bước phải được kiểm soát để giữ độ cứng đồng đều trên các mặt cắt ngang lớn. Phần bánh răng vành dày 300 mm yêu cầu quá trình tôi nguội để làm nguội lõi đủ nhanh để đạt được cấu trúc martensitic cần thiết mà không tạo ra vết nứt. Tải lò, môi trường làm nguội và chu trình ủ đều ảnh hưởng đến độ bền cuối cùng và ứng suất dư. A working knowledge of Khái niệm cơ bản về xử lý nhiệt kim loại giúp các nhóm mua sắm thảo luận về các thông số này với nhà cung cấp và xác minh rằng chu trình đã lên kế hoạch phù hợp với cấp độ và quy mô phần.

Cách đánh giá một nhà cung cấp rèn nóng cho các ứng dụng gió

Một đối tác rèn nóng có năng lực cho các bộ phận gió phải chứng tỏ được nhiều hơn khả năng tạo ra phôi thép. Việc đánh giá phải bao gồm toàn bộ chuỗi quy trình và các hệ thống kiểm soát xung quanh nó.

• Forging capacity. Kiểm tra trọng tải búa hoặc máy ép, khả năng cán vòng và trọng lượng phôi tối đa có thể được gia nhiệt và rèn.
• In-house heat treatment. Việc làm nguội và ủ phải được thực hiện trong lò được kiểm soát với đường cong nhiệt độ được ghi lại.
• Non-destructive testing. Kiểm tra siêu âm sau khi rèn và sau khi gia công thô là bắt buộc đối với phôi chịu gió.
• Traceability. Mỗi phôi phải được liên kết với số nhiệt, hồ sơ rèn và báo cáo xử lý nhiệt.
• Kinh nghiệm với những khoảng trống gió lớn. Yêu cầu tham khảo ở phân khúc hộp số 3 đến 10 MW.

Tầm quan trọng của việc xử lý nhiệt tại nhà thường bị đánh giá thấp cho đến khi việc giao hàng bị trì hoãn do gia công bên ngoài. Nói chuyện trực tiếp với các kỹ sư quy trình thay vì chỉ với đội ngũ bán hàng. Yêu cầu các đường cong gia nhiệt thực tế và báo cáo siêu âm từ các đơn đặt hàng rèn gió trước đó. A supplier such as ACE Machinery bao gồm toàn bộ lộ trình từ gia nhiệt phôi đến phôi thành phẩm, giúp rút ngắn đường dây liên lạc và lưu giữ dữ liệu chất lượng ở một nơi. Việc xác minh những khả năng này trước khi đặt hàng là cách hiệu quả nhất để tránh các vấn đề về chất lượng sau này.

Rèn thép nóng cho ngành công nghiệp gió vẫn là một lĩnh vực đòi hỏi khắt khe nhưng được hiểu rõ. Các thành phần lớn, tải có tính chu kỳ và chi phí cho sự cố là rất lớn. Một nhà cung cấp có công suất búa phù hợp, xử lý nhiệt có kiểm soát và kiểm tra có hệ thống có thể cung cấp các thiết bị rèn cấp gió hoạt động đáng tin cậy trong toàn bộ tuổi thọ thiết kế của tuabin.