Các thiết bị rèn hộp số tuabin gió được sản xuất như thế nào?

Rèn hộp số tuabin gió được sản xuất thông qua quy trình nhiều giai đoạn được kiểm soát chính xác: phôi thép hợp kim chất lượng cao được nung nóng đến nhiệt độ rèn, được tạo hình dưới thiết bị ép hoặc búa có trọng tải lớn, sau đó được xử lý nhiệt, gia công chính xác và kiểm tra chất lượng toàn diện trước khi giao hàng. Toàn bộ trình tự được thiết kế để tạo ra các thành phần có cấu trúc hạt vượt trội, khả năng chống mỏi và độ chính xác kích thước - các đặc tính mà các giải pháp thay thế được đúc hoặc gia công từ thanh không thể phù hợp với các điều kiện tải tuần hoàn khắc nghiệt bên trong hộp số tuabin gió.

Quá trình sản xuất không phải là một hoạt động đơn lẻ mà là một chuỗi tích hợp. Mỗi giai đoạn ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học và tuổi thọ của quá trình rèn thành phẩm. Hiểu từng bước giúp các kỹ sư, nhóm mua sắm và nhà phát triển năng lượng gió xác định và đánh giá các sản phẩm rèn một cách tự tin.

Tại sao phương pháp sản xuất quyết định hiệu suất rèn hộp số

Hộp số tuabin gió hoạt động trong một số điều kiện tải đòi hỏi khắt khe nhất trong máy móc công nghiệp. Một hộp số tuabin ngoài khơi 5 MW duy nhất truyền mô-men xoắn cực đại vượt quá 4.000 kNm trên trục tốc độ thấp, trong khi các bộ phận ổ trục và bánh răng bên trong trải qua hàng tỷ chu kỳ tải mỏi trong vòng đời thiết kế 20 năm. (Nguồn: Báo cáo kỹ thuật DNV GL, Thiết kế hệ thống truyền động tuabin gió ngoài khơi, 2020.)

Quá trình rèn trực tiếp giải quyết những nhu cầu này bằng cách:

• Tinh chỉnh cấu trúc hạt đúc của phôi thành vi cấu trúc mịn, đồng nhất với dòng hạt thẳng hàng
• Đóng các lỗ xốp bên trong, các lỗ co ngót và các dải phân cách có trong phôi ban đầu
• Tạo ra ứng suất dư nén có lợi trong lớp bề mặt làm chậm quá trình hình thành vết nứt mỏi
• Tạo ra mặt cắt đồng nhất với các tính chất cơ học nhất quán ở mọi độ sâu

Phân tích sự cố tại hiện trường do Hiệp hội Năng lượng Gió Châu Âu (EWEA) biên soạn luôn xác định lỗi hộp số là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ra thời gian ngừng hoạt động của tuabin gió, nguyên nhân gây ra khoảng 20% các sự kiện bảo trì ngoài kế hoạch trong các hạm đội trên bờ. Chất lượng sản xuất của các bộ phận rèn bên trong - bánh răng vành, bộ phận mang hành tinh, trục - là yếu tố chính quyết định liệu hộp số có đáp ứng hay không đạt được tuổi thọ thiết kế của nó.

Giai đoạn 1: Lựa chọn nguyên liệu thô và chuẩn bị phôi

Trình tự sản xuất bắt đầu bằng việc lựa chọn cẩn thận nguyên liệu ban đầu. Bộ phận rèn hộp số tuabin gió được sản xuất từ ​​thép hợp kim cao được chế tạo đặc biệt cho các ứng dụng đòi hỏi độ mỏi và va đập. Các lớp được chỉ định rộng rãi nhất bao gồm:

Yêu cầu về độ sạch của thép

Chất lượng thép để rèn hộp số vượt xa việc lựa chọn cấp độ. Độ sạch khi nóng chảy là rất quan trọng - các tạp chất phi kim loại như dây alumina và cụm sunfua đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt do mỏi. Việc rèn hộp số cao cấp yêu cầu:

• Khử khí chân không (VD) hoặc nấu chảy lại hồ quang chân không (VAR) để giảm hydro hòa tan xuống dưới 2 ppm
• Hàm lượng lưu huỳnh dưới 0,010% trọng lượng
• Xếp hạng tạp chất phi kim loại tuân thủ ISO 4967 hoặc ASTM E45 Loại C trở lên
• Chứng nhận thành phần hóa học với khả năng truy xuất nguồn gốc phân tích nhiệt đầy đủ

Nguyên liệu ban đầu là phôi đúc liên tục (đối với mặt cắt ngang nhỏ hơn) hoặc phôi được khử khí chân không (đối với các bộ phận lớn như vật mang hành tinh vượt quá 500 kg). Phần trên phôi (vùng ống) và phần dưới (vùng phân tách) được cắt và loại bỏ trước khi bắt đầu trình tự rèn, đảm bảo chỉ có vật liệu sạch, đồng nhất mới được đưa vào quy trình.

Giai đoạn 2: Kiểm soát nhiệt độ và sưởi ấm

Phôi hoặc phôi được nạp vào lò gia nhiệt và đưa đến phạm vi nhiệt độ rèn. Đối với thép hợp kim thấp được sử dụng để rèn hộp số, phạm vi này thường là 1.100 độ C đến 1.250 độ C . Sự đồng đều về nhiệt độ trên mặt cắt ngang là rất quan trọng - quá trình gia nhiệt không đồng đều tạo ra biến dạng không đồng đều và sự biến đổi cấu trúc vi mô cục bộ làm giảm hiệu suất mỏi.

Các loại lò sử dụng trong sản xuất

• Lò sưởi khí đốt tự nhiên tiết kiệm năng lượng là tiêu chuẩn cho các phôi thép có trọng tải lớn, cung cấp khả năng gia nhiệt không khí được kiểm soát với các mức nhiệt độ có thể lập trình và thời gian ngâm được điều chỉnh theo mặt cắt phôi thép
• Hệ thống sưởi ấm cảm ứng được sử dụng cho các phôi nhỏ hơn cần gia nhiệt nhanh, chính xác với quá trình oxy hóa bề mặt tối thiểu

Thời gian ngâm được tính dựa trên mức tối thiểu 1 phút cho mỗi milimét đường kính mặt cắt ngang để đảm bảo sự đồng đều về nhiệt độ trước khi bắt đầu rèn. Thời gian ngâm không đủ được ghi nhận là nguyên nhân dẫn đến việc rèn vòng và đóng nguội làm ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi. (Nguồn: ASM International, Sổ tay rèn, tái bản lần thứ 5.)

Nhiệt độ được theo dõi liên tục bằng cách sử dụng nhiệt kế tiếp xúc đã hiệu chuẩn và các thiết bị hồng ngoại không tiếp xúc. Quá trình rèn phải được hoàn thành trước khi kim loại nguội xuống dưới nhiệt độ rèn hoàn thiện tối thiểu - thường là 950 độ C đối với hầu hết các loại thép hợp kim - để tránh hiện tượng cứng lại do biến dạng và nứt bề mặt do biến dạng vật liệu kết tinh lại một phần.

Giai đoạn 3: Rèn - Vận hành khuôn mở, cán vòng và khuôn kín

Phôi được gia nhiệt được chuyển nhanh chóng đến máy ép rèn hoặc máy cán vòng. Đối với các bộ phận của hộp số tuabin gió, ba phương pháp rèn chính được sử dụng tùy thuộc vào hình dạng của bộ phận:

Rèn khuôn mở (Rèn miễn phí)

Việc rèn khuôn mở dưới máy ép búa thủy lực hoặc điện thủy lực lớn được sử dụng cho các trục, đĩa và khuôn nặng để cán vòng tiếp theo. Công suất máy ép được sử dụng cho các bộ phận của hộp số gió lớn dao động từ 20 MN đến 125 MN . Quá trình này bao gồm nhiều lần cắt giảm, với phôi được xoay và định vị lại giữa mỗi lần thổi. Tham số quy trình chính: tỷ lệ rèn (diện tích mặt cắt ban đầu chia cho diện tích mặt cắt cuối cùng) thường phải đạt tối thiểu 4:1 đến 6:1 để đảm bảo sàng lọc hạt đầy đủ và đóng khoảng trống.

Vòng lăn

Cán vòng là quy trình chính để sản xuất phôi bánh răng vòng, vòng bi và vòng mặt bích được sử dụng trong hộp số tuabin gió. Quá trình này bắt đầu với một phôi hình bánh rán được tạo hình sẵn (được tạo ra bằng cách rèn và đục lỗ khuôn hở), sau đó được cuộn giữa một cuộn chính được dẫn động và một trục gá không tải để tăng dần đường kính vòng đồng thời giảm độ dày thành.

Máy cán vòng dọc - chẳng hạn như Máy có công suất 1 mét và 1,5 mét được sử dụng trong các cơ sở rèn hạng nặng hiện đại - có thể sản xuất các vòng có đường kính ngoài từ vài trăm mm đến hơn 3.000 mm, độ dày thành từ 50 mm đến 400 mm và chiều cao lên tới 600 mm. Kiểm soát kích thước trong quá trình lăn vòng nhằm mục tiêu dung sai độ tròn là nhỏ hơn 0,3% đường kính ngoài trước khi cho phép gia công.

Rèn khuôn kín

Đối với các bộ phận nhỏ hơn, phức tạp về mặt hình học như phôi bánh răng hành tinh được sản xuất với khối lượng lớn hơn, việc rèn khuôn kín (khuôn dập) được sử dụng. Phôi được gia nhiệt được đập vào giữa khuôn trên và khuôn dưới phù hợp có chứa biên dạng âm của bộ phận. Phương pháp này đạt được dung sai kích thước chặt chẽ hơn và đầu ra gần như hình dạng lưới , giảm lượng vật liệu gia công tiếp theo và cải thiện năng suất vật liệu so với rèn khuôn hở có cùng hình dạng.

Tỷ lệ rèn và ảnh hưởng của nó đến tính chất

Tỷ lệ rèn là một tham số quy trình quan trọng quyết định trực tiếp mức độ tinh chế hạt đạt được. Mối quan hệ được thiết lập rõ ràng trong tài liệu luyện kim:

• Tỷ lệ rèn dưới 2:1 - sàng lọc hạt tối thiểu; cấu trúc đuôi gai đúc sẵn được giữ lại một phần
• Tỷ lệ rèn 4:1 đến 6:1 - sàng lọc hạt đáng kể; Phương pháp tiếp cận đặc tính mỏi tối ưu cho cấp hợp kim
• Tỷ lệ rèn trên 8:1 - lợi nhuận giảm dần khi sàng lọc hạt; nguy cơ bất đẳng hướng tăng theo hướng ngang

Thông số kỹ thuật rèn hộp số gió thường yêu cầu tỷ lệ rèn tối thiểu trong 4:1 đến 6:1 range , được xác minh bằng tài liệu về kích thước phôi ban đầu và kích thước rèn hoàn thiện. (Nguồn: AGMA 923-B05, Thông số kỹ thuật luyện kim cho bánh răng thép.)

Giai đoạn 4: Làm mát có kiểm soát sau khi rèn

Sau khi quá trình rèn hoàn tất, bộ phận phải được làm mát trong điều kiện được kiểm soát. Việc làm nguội nhanh chóng không kiểm soát được các vật rèn bằng thép hợp kim lớn dẫn đến:

• Làm nguội vết nứt do ứng suất kéo do gradient nhiệt gây ra ở bề mặt
• Sự nứt (bong tróc) bị trì hoãn do hydro gây ra ở thép hợp kim cao có chứa hydro hòa tan dư
• Các lớp bề mặt martensitic cứng cản trở quá trình gia công tiếp theo

Thực hành tiêu chuẩn cho việc rèn hộp số gió lớn được kiểm soát làm mát chậm trong hộp cách nhiệt hoặc làm mát lò được lập trình ở tốc độ 20 đến 50 độ C mỗi giờ cho đến khi thành phần đạt nhiệt độ dưới 300 độ C. Việc làm lạnh chậm này cho phép hydro khuếch tán ra khỏi lưới thép và ngăn ngừa hiện tượng nứt do sốc nhiệt ở các mặt cắt dày. Đối với các bộ phận rất lớn (trên 1.000 kg), quá trình ủ sau rèn trong lò có thể được chỉ định để đồng nhất hoàn toàn cấu trúc vi mô trước khi xử lý nhiệt.

Giai đoạn 5: Xử lý nhiệt - Phát triển các tính chất cơ học mục tiêu

Xử lý nhiệt là giai đoạn mà cấu trúc vi mô rèn được chuyển thành đặc tính cơ học do kỹ sư thiết kế chỉ định. Đối với việc rèn hộp số tuabin gió, lộ trình xử lý nhiệt cần thiết phụ thuộc vào chức năng thành phần và loại vật liệu.

Bình thường hóa và ủ

Được áp dụng sau khi rèn và trước khi xử lý nhiệt lần cuối để giảm bớt ứng suất rèn còn sót lại, đồng nhất cấu trúc vi mô và cải thiện khả năng gia công. Việc chuẩn hóa được thực hiện tại 850 đến 920 độ C tiếp theo là làm mát không khí. Giai đoạn này chuẩn bị cho quá trình rèn để gia công kích thước chính xác và đảm bảo đáp ứng nhất quán với quá trình xử lý đông cứng tiếp theo.

Làm nguội và ủ

Các bộ phận được tôi cứng hoàn toàn như trục và vật mang hành tinh trải qua quá trình austenit hóa ở 840 đến 880 độ C , tiếp theo là làm nguội bằng dầu hoặc nước để tạo thành cấu trúc martensitic, sau đó ủ ở nhiệt độ 550 đến 650 độ C . Trình tự này tạo ra độ bền kéo trong phạm vi 900 đến 1.200 MPa kết hợp với giá trị va đập Charpy vượt quá 60 J ở âm 40 độ C - đáp ứng các yêu cầu về độ bền ở nhiệt độ thấp cho các ứng dụng tuabin ngoài khơi.

Làm cứng vỏ (Carburizing và làm nguội)

Các phôi bánh răng làm từ thép tôi cứng như 18CrNiMo7-6 được xử lý trong lò cacbon hóa ở 880 đến 980 độ C trong bầu không khí giàu carbon. Quá trình này hình thành nên một lớp vỏ được làm giàu carbon Độ sâu trường hợp hiệu quả 0,8 đến 2,5 mm . Sau khi làm nguội và ủ ở nhiệt độ thấp ở 150 đến 200 độ C, vỏ đạt được độ cứng 58 đến 62 HRC trong khi lõi vẫn giữ được độ dẻo dai với độ cứng từ 30 đến 40 HRC. Ứng suất dư nén bề mặt được tạo ra bởi sự giãn nở thể tích của sự hình thành martensite làm tăng đáng kể độ bền mỏi khi uốn ở chân răng.

Làm cứng cảm ứng

Các trục ổ trục, mặt tựa trục và các vùng bề mặt cục bộ yêu cầu độ cứng cao được làm cứng bằng cảm ứng có chọn lọc để 54 đến 62 HRC độ cứng bề mặt trong khi vật liệu xung quanh vẫn ở trạng thái tôi luyện. Việc làm cứng cảm ứng được ưu tiên cho các trục lớn trong đó việc cacbon hóa toàn bộ bộ phận là không thực tế và khi độ cứng bề mặt cục bộ là yêu cầu chính.

Giai đoạn 6: Gia công thô và kiểm tra trước

Sau khi xử lý nhiệt, quá trình rèn trải qua quá trình gia công thô để loại bỏ cặn bề mặt, thiết lập các bề mặt tham chiếu chuẩn và đưa các kích thước bên ngoài nằm trong dung sai gia công thô. Các khoản phụ cấp gia công thô điển hình khi rèn hộp số gió là 5 đến 15 mm mỗi bề mặt tùy thuộc vào dung sai rèn và kích thước thành phần.

Sau khi gia công thô, bộ phận này trải qua giai đoạn kiểm tra không phá hủy quan trọng (NDE) trước khi cam kết đầu tư gia công cuối cùng:

• Kiểm tra siêu âm (UT) theo EN 10228-3 hoặc ASTM A388 — phát hiện sự gián đoạn bên trong bao gồm tàn dư của đường ống, mảnh hydro và các dải phân cách. Tiêu chí chấp nhận thường không yêu cầu chỉ báo nào vượt quá lỗ đáy phẳng tương đương 2 mm tại bất kỳ vị trí nào.
• Kiểm tra hạt từ tính (MPI) - phát hiện các vết nứt bề mặt và gần bề mặt trên bề mặt gia công thô
• khảo sát độ cứng - xác nhận phản ứng xử lý nhiệt trên nhiều điểm đo trên mặt cắt ngang

Các bộ phận vượt qua quá trình gia công thô NDE sẽ tiến tới gia công hoàn thiện. Những sản phẩm có chỉ báo có thể loại bỏ sẽ được xử lý - được sửa chữa khi thông số kỹ thuật cho phép hoặc loại bỏ khỏi dây chuyền sản xuất, bảo vệ khoản đầu tư gia công ở khâu tiếp theo.

Giai đoạn 7: Gia công chính xác đến dung sai kích thước cuối cùng

Gia công chính xác biến phôi rèn được gia công thô, được xử lý nhiệt thành một bộ phận hoàn thiện sẵn sàng để cắt bánh răng hoặc lắp ráp trực tiếp. Các hoạt động gia công chính bao gồm:

• tiện và doa CNC của ổ trục tới dung sai độ tròn trong vòng 5 micromet và độ nhám bề mặt Ra 0,4 đến 0,8 micromet
• Bánh răng hobbing hoặc tạo hình để tạo ra các biên dạng răng bánh răng đạt độ chính xác ISO cấp 6 hoặc cao hơn trước khi làm cứng và mài vỏ
• mài răng bánh răng sau khi làm cứng vỏ để khắc phục biến dạng nhiệt và đạt được dung sai về mặt biên dạng, chì và bước cuối cùng để Độ chính xác ISO loại 4 hoặc 5 - tiêu chuẩn về truyền động hộp số tuabin gió theo IEC 61400-4
• Quay khó của ghế chịu lực và vỏ phù hợp với H7/h6 hoặc dung sai lắp chặt hơn
• Bắn peening chân răng để tạo ra ứng suất dư nén giúp kéo dài tuổi thọ mỏi khi uốn từ 15 đến 25%

Các hoạt động gia công được thực hiện trên các trung tâm gia công CNC có xác minh bằng máy đo tọa độ và đo tọa độ (CMM) trong quá trình ở các giai đoạn trung gian, đảm bảo rằng độ lệch kích thước được phát hiện và sửa chữa trước lần vận hành tiếp theo thay vì được phát hiện ở lần kiểm tra cuối cùng.

Giai đoạn 8: Kiểm tra và chứng nhận chất lượng cuối cùng

Việc rèn hộp số tuabin gió đã hoàn thiện trải qua trình tự kiểm tra toàn diện lần cuối trước khi được chấp nhận giao hàng. Phạm vi kiểm tra thường được quy định bởi các OEM tuabin gió và các tổ chức chứng nhận như DNV, Bureau Veritas và TUV bao gồm:

Tài liệu truy xuất nguồn gốc vật liệu đầy đủ đi kèm với mọi sản phẩm rèn được chấp nhận — từ số nhiệt nóng chảy và chứng chỉ phân tích hóa học của thùng cho đến hồ sơ xử lý đến kết quả kiểm tra cuối cùng — tạo điều kiện cho các quy trình kiểm tra hoàn chỉnh cần thiết cho chứng nhận loại tuabin gió và gói tài liệu dành cho chủ sở hữu/người vận hành.

Năng lực sản xuất hộp số tuabin gió của Tập đoàn ACE

Hệ thống sản xuất công nghiệp nặng tích hợp của Tập đoàn ACE được cấu trúc đặc biệt để thực hiện chuỗi sản xuất hoàn chỉnh được mô tả ở trên dưới một tổ chức duy nhất. của chúng tôi Rèn hộp số tuabin gió được sản xuất thông qua một quá trình tích hợp theo chiều dọc bao gồm:

• Rèn: Búa điện thủy lực nhiều trọng tải (công suất 3 tấn, 5 tấn và 15 tấn) và máy cán vòng đứng (1 mét và 1,5 mét) tại Công ty TNHH Công nghệ Năng lượng ACE Giang Tô — cơ sở rộng 55 mẫu Anh với diện tích sàn sản xuất hơn 50.018 mét vuông, bắt đầu hoạt động vào tháng 11 năm 2025
• Xử lý nhiệt: Lò nung khí tự nhiên tại chỗ, lò xử lý nhiệt, bể làm nguội và thiết bị làm cứng cảm ứng để kiểm soát toàn bộ hoạt động luyện kim mà không cần vận chuyển bán thành phẩm giữa các cơ sở
• Gia công chính xác: Các trung tâm gia công CNC tại Diêm Thành ACE Machinery Co., Ltd. để hoàn thiện kích thước của vật rèn được xử lý nhiệt đến dung sai bản vẽ
• Xử lý bề mặt: Dây chuyền sơn tĩnh điện công suất lớn tại Công ty TNHH Công nghệ xử lý bề mặt Diêm Thành ACE đạt được độ dày lớp phủ một lần là 400 micromet để bảo vệ chống ăn mòn vượt trội trên các bộ phận đã hoàn thiện

Khả năng tích hợp này giúp loại bỏ các rủi ro về chất lượng và truy xuất nguồn gốc liên quan đến chuỗi xử lý nhiều nhà cung cấp, đồng thời cung cấp cho khách hàng trong lĩnh vực năng lượng gió một đối tác sản xuất một nguồn duy nhất để rèn hộp số từ phôi cho đến các bộ phận được chứng nhận, sẵn sàng giao hàng.