Rèn hộp số tuabin gió là gì?

Rèn hộp số tuabin gió là các thành phần thép được tạo hình chính xác tạo nên cấu trúc truyền lực bên trong của hộp số tuabin gió, được sản xuất thông qua quá trình rèn khuôn nóng hoặc khuôn kín nhằm căn chỉnh cấu trúc hạt của thép để có khả năng chống mỏi và chịu tải tối đa. Các bộ phận rèn chính trong hộp số tuabin gió là bánh răng vành, bánh răng hành tinh, bộ phận mang hành tinh, bánh răng mặt trời, trục đầu vào và đầu ra và bánh răng trụ. Các bộ phận này được rèn thay vì đúc vì hộp số hoạt động dưới tải trọng xen kẽ liên tục từ đầu vào gió thay đổi và cấu trúc kim loại dày đặc, không có khuyết tật được tạo ra bằng quá trình rèn mang lại tuổi thọ mỏi cần thiết để đáp ứng tuổi thọ thiết kế 20 năm điển hình của gió hiện đại tuabin (Nguồn: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Việc rèn không thể thay thế được với việc đúc các bộ phận cấp hộp số vì sự khác biệt về đặc tính cơ học giữa hai quy trình trực tiếp xác định thời gian tồn tại của hộp số dưới tải vận hành thực tế.

Vai trò của hộp số trong tuabin gió

Để hiểu tại sao chất lượng rèn của các bộ phận hộp số lại quan trọng đến vậy, cần phải hiểu hộp số đang hoạt động như thế nào bên trong tuabin và mức độ nghiêm trọng của môi trường cơ học mà nó vận hành.

Rôto tuabin gió quay chậm để phản ứng với gió, thường từ 10 đến 22 vòng quay mỗi phút đối với tuabin lớn nhiều megawatt. Máy phát điện chuyển đổi cơ năng thành điện cần quay với tốc độ cao hơn nhiều, thường là 1.000 đến 1.500 vòng/phút hoặc hơn. Hộp số cầu nối sự chênh lệch tốc độ này. Fuhong Steel mô tả trực tiếp chức năng: hộp số điện gió là thành phần cốt lõi của tuabin gió, với chức năng chính là chuyển đổi động năng do bánh xe gió tạo ra dưới tác động của gió thành cơ năng và cuối cùng truyền đến máy phát điện (Nguồn: Fuhong Steel, Thép đặc biệt để rèn thiết bị điện gió). Hồ sơ bằng sáng chế mô tả cụm hộp số đã xác nhận rằng trục rôto cung cấp đầu vào mô-men xoắn cao, tốc độ thấp cho hộp số, sau đó được cấu hình để chuyển đổi đầu vào đó thành đầu ra tốc độ cao, mô-men xoắn thấp hơn để điều khiển máy phát điện (Nguồn: Bằng sáng chế USPTO 11085421, Nhà cung cấp hành tinh của Hộp số Tua bin gió với Đường dẫn bôi trơn được cải tiến).

Yêu cầu cơ học của việc chuyển đổi này là rất cao. Hộp số phải xử lý tải mô-men xoắn thay đổi liên tục khi tốc độ gió biến động, tải trọng sốc đột ngột khi có gió giật, hiện tượng mỏi theo chu kỳ liên tục trong hơn 20 năm trở lên và thực hiện tất cả những điều này một cách đáng tin cậy trong một vỏ bọc nằm trên cao, nơi việc bảo trì rất tốn kém và việc thay thế các bộ phận chính có thể tiêu tốn hàng trăm nghìn đô la cho mỗi sự kiện. Những nhu cầu này là lý do tại sao mọi thành phần cấu trúc chính bên trong hộp số được chỉ định là vật rèn chứ không phải vật đúc.

Các thành phần rèn chính trong hộp số tuabin gió

Hộp số tuabin gió không phải là một bộ phận được rèn đơn lẻ. Nó là sự kết hợp của một số bộ phận được rèn riêng biệt, mỗi bộ phận thực hiện một chức năng cụ thể trong các giai đoạn bánh răng hành tinh và bánh răng xoắn ốc tạo nên hệ thống truyền động tăng tốc hoàn chỉnh.

Bánh răng vòng (Bánh răng hình khuyên)

Bánh răng vành là bánh răng lớn bên ngoài có răng bên trong tạo thành ranh giới bên ngoài của giai đoạn bánh răng hành tinh. Các bánh răng hành tinh ăn khớp với bề mặt bên trong của nó khi chúng quay quanh bánh răng mặt trời và bánh răng bao vẫn đứng yên hoặc quay tùy thuộc vào thiết kế hộp số. Bởi vì bánh răng vành truyền toàn bộ tải mô-men xoắn của giai đoạn hành tinh và tiếp xúc liên tục với răng với ba bánh răng hành tinh trở lên cùng lúc, nên đặc tính vật liệu và độ chính xác về kích thước của nó rất quan trọng đối với hiệu suất của toàn bộ hộp số. Một bằng sáng chế của USPTO mô tả quy trình sản xuất bánh răng vòng lưu ý rằng bánh răng vành thường được hình thành thông qua rèn và sau đó phải được xử lý nhiệt để đạt được độ cứng cần thiết, đồng thời độ chính xác về kích thước thông qua quy trình rèn và xử lý nhiệt là rất quan trọng vì việc xử lý nhiệt có thể gây ra biến dạng kích thước cần phải hiệu chỉnh gia công (Nguồn: Bằng sáng chế USPTO 10495210, Bánh răng vành tích phân và Cánh tay mô-men xoắn cho Hộp số Tua bin gió).

bánh răng hành tinh

Bánh răng hành tinh là bánh răng trung gian quay quanh bánh răng vành và bánh răng mặt trời, truyền mô-men xoắn giữa hai bánh răng đồng thời quay trên trục của chính chúng. Trong giai đoạn hành tinh của tuabin gió lớn, thường có ba hoặc bốn bánh răng hành tinh chia sẻ tổng tải trọng, phân phối tải trọng này qua nhiều điểm tiếp xúc răng cùng một lúc. Sự sắp xếp này đạt được mật độ mô-men xoắn cao trong một gói nhỏ gọn, nhưng nó cũng có nghĩa là mỗi bánh răng hành tinh mang một phần đáng kể tổng tải trọng trong chu trình mỏi liên tục. Zhangqiu Heavy Forging xác nhận rằng sau khi xử lý nhiệt và tôi luyện, các bộ mang bánh răng hành tinh được rèn có thể chịu được ứng suất xen kẽ lâu dài với tuổi thọ sử dụng cao hơn dài hơn 2 đến 3 lần hơn các bộ phận được sản xuất bằng quy trình thông thường, một tỷ lệ áp dụng như nhau cho chính các bánh răng hành tinh (Nguồn: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Người vận chuyển hành tinh

Bộ phận mang hành tinh là thành phần cấu trúc giữ các trục bánh răng hành tinh ở vị trí quỹ đạo chính xác của chúng so với nhau và với các bánh răng vành và bánh răng mặt trời. Nó phải duy trì độ chính xác về vị trí khi chịu tải để giữ đồng thời tất cả các bánh răng hành tinh ở trong lưới thích hợp, điều này đòi hỏi cả độ cứng cao và khả năng chống mỏi tuyệt vời. Zhangqiu Heavy Forging mô tả các yêu cầu chính đối với tàu sân bay rèn: quy trình tạo hình gần lưới kết hợp với xử lý chính xác đảm bảo kiểm soát chặt chẽ độ chính xác kích thước và dung sai vị trí, đảm bảo hợp tác chính xác với các bánh răng hành tinh, bánh răng mặt trời và trục đầu ra, giảm tổn thất truyền động và tiếng ồn (Nguồn: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Vật liệu được sử dụng cho các tàu chở hành tinh bao gồm thép hợp kim cường độ cao 42CrMo, 20CrMnTi và 35CrMo, với trình tự xử lý nhiệt gồm tôi và tôi luyện cộng với chế hòa khí để đạt được sự cân bằng phù hợp giữa độ cứng bề mặt và độ bền lõi (Nguồn: Zhangqiu Heavy Forging).

Bánh răng mặt trời và bánh răng cưa

Bánh răng mặt trời nằm ở trung tâm của giai đoạn hành tinh và ăn khớp đồng thời với tất cả các bánh răng hành tinh, trong khi bánh răng trụ xuất hiện ở giai đoạn xoắn ốc của hộp số nhiều cấp, nơi cần tăng thêm tốc độ. Cả hai loại đều phải được rèn từ các loại thép hợp kim có độ cứng vừa đủ để đạt được độ cứng của sườn răng thông qua quá trình cacbon hóa hoặc thấm nitơ sau khi gia công thô, cung cấp độ cứng bề mặt cần thiết để chống rỗ và mỏi sườn răng sau nhiều thập kỷ chịu tải theo chu kỳ.

Trục đầu vào và đầu ra

Trục đầu vào kết nối trục rôto chính với giai đoạn hành tinh đầu tiên của hộp số và trục đầu ra tốc độ cao kết nối giai đoạn bánh răng cuối cùng với khớp nối máy phát điện. Cả hai trục đều có cấu hình tải khác nhau: trục đầu vào mang mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp với mô men uốn cao từ rôto, trong khi trục đầu ra mang mô-men xoắn thấp hơn ở tốc độ cao với độ mỏi xoắn do chuyển tiếp tải của máy phát điện. Tiptop Heavy Forging lưu ý rằng trục tốc độ cao trong hệ thống tuabin gió được đặt sau hộp số, quay nhanh hơn nhiều nhưng truyền mô-men xoắn thấp hơn đến máy phát điện và cả hai loại trục đều yêu cầu kích thước lớn và vật liệu rèn chắc chắn (Nguồn: Tiptop Heavy Forging, Trục của Tua bin Gió: Cấu trúc, Vật liệu và Rèn).

Tại sao rèn là quá trình bắt buộc đối với các thành phần hộp số

Quyết định rèn thay vì đúc các bộ phận cấp hộp số không phải là một ưu tiên; đó là yêu cầu được thúc đẩy bởi nhu cầu về tuổi thọ mỏi khi vận hành tuabin gió.

Dòng chảy hạt và ưu thế cơ học

Rèn hình dạng kim loại dưới lực nén cao, giúp đóng các khoảng trống bên trong, tinh chỉnh cấu trúc hạt và căn chỉnh dòng hạt dọc theo hình dạng của bộ phận. Điều này tạo ra một thành phần có cường độ chảy, độ bền kéo và khả năng chống mỏi cao hơn đáng kể so với cùng một hình dạng được tạo ra bằng cách đúc từ cùng một hợp kim. Tiptop Heavy Forging giải thích rằng việc rèn thay đổi cấu trúc bên trong của kim loại theo cách giúp tạo ra các bộ phận lớn, đáng tin cậy cho dịch vụ hạng nặng và trục chính của tuabin gió thường được làm bằng thép rèn thay vì được đúc đặc biệt do sự khác biệt về cấu trúc này (Nguồn: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Cuộc sống mệt mỏi khi tải theo chu kỳ

Các bộ phận của hộp số tuabin gió chịu tải mỏi từ mỗi vòng quay của rôto và tuổi thọ thiết kế 20 năm ở tốc độ vận hành tương ứng với hàng trăm triệu chu kỳ ứng suất trên các răng bánh răng và mặt cắt trục. Các thành phần đúc có độ xốp co ngót, tạp chất khí và hướng hạt ngẫu nhiên tạo ra nồng độ ứng suất tại đó các vết nứt mỏi có thể bắt đầu và lan truyền. Các bộ phận được rèn có độ xốp khép kín và cấu trúc hạt thẳng hàng mang lại giới hạn mỏi cao hơn đáng kể, cho phép chúng duy trì cùng biên độ ứng suất trong nhiều chu kỳ hơn trước khi bắt đầu vết nứt. Tài liệu của Zhangqiu Heavy Forging về các thiết bị mang bánh răng hành tinh rèn đạt được tuổi thọ dài hơn từ 2 đến 3 lần so với các quy trình thông thường trực tiếp định lượng lợi thế về mỏi này theo thuật ngữ dành riêng cho ứng dụng (Nguồn: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Ổn định kích thước dưới tải

Độ chính xác của lưới bánh răng phụ thuộc vào độ ổn định kích thước của mọi bộ phận được rèn dưới cả tải trọng tĩnh và động. Nếu bộ phận mang hành tinh bị lệch khi chịu tải theo cách làm thay đổi vị trí tương đối của các trục bánh răng hành tinh thì sự chia sẻ tải trọng giữa các bánh răng hành tinh sẽ trở nên không đồng đều và các bánh răng hành tinh bị quá tải sẽ sớm hỏng. Các bộ phận được rèn với các đặc tính vật liệu đồng nhất, có thể dự đoán được sẽ dễ dàng mô hình hóa và thiết kế hơn cho các yêu cầu về độ cứng so với các vật đúc có đặc tính thay đổi trên mặt cắt.

Các loại thép được sử dụng trong rèn hộp số tuabin gió

Lựa chọn vật liệu để rèn hộp số cân bằng giữa độ cứng, độ dẻo dai, khả năng gia công và tính sẵn có trên các chuỗi cung ứng toàn cầu.

Fuhong Steel xác nhận rằng 18CrNiMo7-6 và 8620 là loại thép chủ yếu được khách hàng châu Âu và Mỹ sử dụng cho hộp số điện gió, phản ánh các sở thích tiêu chuẩn vật liệu khác nhau đã phát triển ở mỗi thị trường lớn (Nguồn: Fuhong Steel, Thép đặc biệt để rèn thiết bị năng lượng gió). Sự lựa chọn giữa các loại này được quyết định bởi chức năng của bánh răng, độ sâu vỏ cần thiết sau khi cacbon hóa, độ cứng lõi cần thiết cho trạng thái ứng suất cụ thể và các yêu cầu chứng nhận của OEM.

Trình tự xử lý nhiệt để rèn hộp số

Việc rèn ở trạng thái như được rèn không có các đặc tính cơ học cần thiết cho việc bảo dưỡng hộp số. Xử lý nhiệt sau khi rèn và gia công thô là cần thiết để đạt được sự kết hợp giữa độ cứng bề mặt và độ bền lõi mà răng bánh răng và mặt cắt trục yêu cầu.

1. Chuẩn hóa: được áp dụng sau khi rèn để giảm bớt ứng suất dư, đồng nhất hóa cấu trúc và chuẩn bị vật liệu cho quá trình gia công và xử lý nhiệt tiếp theo mà không bị biến dạng có thể xảy ra trong quá trình rèn không chuẩn hóa
2. Làm nguội và ủ: được sử dụng cho các bộ phận kết cấu như khung hành tinh và trục để phát triển độ bền và độ dẻo dai của lõi cao; tốc độ làm nguội và nhiệt độ ủ được chọn để nhắm tới cường độ năng suất cụ thể và năng lượng va đập theo yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế
3. Chế hòa khí và làm cứng vỏ: được sử dụng cho các răng bánh răng trên bánh răng hành tinh, bánh răng mặt trời, bánh răng vành và bánh răng nhỏ; carbon được khuếch tán vào lớp bề mặt đến độ sâu trường hợp xác định, sau đó được làm cứng để đạt được độ cứng bề mặt thường trong phạm vi 58 đến 62 HRC trong khi lõi vẫn cứng
4. Thấm nitơ: được sử dụng khi sự biến dạng do quá trình cacbon hóa không thể chấp nhận được hoặc khi thành phần hợp kim phù hợp với quá trình làm cứng khuếch tán nitơ; đạt được vỏ cứng ở nhiệt độ thấp hơn và ít thay đổi kích thước hơn so với chế hòa khí
5. Làm cứng cảm ứng: được sử dụng cho các bề mặt trục được chọn, chẳng hạn như ghế ổ trục nơi cần làm cứng bề mặt cục bộ mà không phải trả chi phí cho quá trình cacbon hóa hoàn toàn

Zhangqiu Heavy Forging mô tả lựa chọn vật liệu và xử lý nhiệt cho các vật mang hành tinh: sử dụng quy trình rèn khuôn và rèn tự do ưu tiên, với các vật liệu bao gồm thép hợp kim cường độ cao 42CrMo, 20CrMnTi và 35CrMo kết hợp với quá trình tôi và tôi cộng với cacbon hóa và tôi để đạt được sự cân bằng giữa sức mạnh và độ dẻo dai cần thiết cho thành phần này (Nguồn: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Tiêu chuẩn chất lượng và thử nghiệm đối với vật rèn hộp số tuabin gió

Các bộ phận rèn hộp số tuabin gió được sản xuất theo các tiêu chuẩn về kích thước và vật liệu có thể truy xuất nguồn gốc với các hồ sơ thử nghiệm được ghi lại đi kèm với các bộ phận trong chuỗi cung ứng và luôn sẵn có trong suốt vòng đời của tuabin.

1. Xác minh thành phần hóa học bằng phân tích quang phổ của từng loại nhiệt để xác nhận loại vật liệu nằm trong giới hạn thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn áp dụng
2. Kiểm tra đặc tính cơ học trên các mẫu phiếu từ vật rèn hoặc từ mẫu thử được rèn trong cùng điều kiện, bao gồm độ bền kéo, giới hạn chảy, độ giãn dài, giảm diện tích và năng lượng va đập Charpy ở nhiệt độ thử nghiệm quy định
3. Kiểm tra siêu âm toàn bộ khối lượng rèn để phát hiện các khuyết tật bên trong, tạp chất hoặc sự phân tách không thể nhìn thấy trên bề mặt nhưng sẽ làm giảm độ bền mỏi khi sử dụng
4. Kiểm tra hạt từ tính hoặc kiểm tra chất thẩm thấu thuốc nhuộm trên bề mặt để phát hiện các vết nứt bề mặt xuất hiện trong quá trình rèn hoặc xử lý nhiệt
5. Kiểm tra kích thước để vẽ dung sai bằng cách sử dụng máy đo tọa độ cho hình học phức tạp và đo chính xác cho đường kính lỗ khoan và rãnh then quan trọng
6. Xác minh độ cứng bằng thử nghiệm Brinell hoặc Rockwell tại các vị trí được chỉ định để xác nhận rằng quá trình xử lý nhiệt đã đạt được các đặc tính cần thiết thông qua mặt cắt

Quy trình ACE Rèn hộp số tuabin gió được sản xuất theo tiêu chuẩn chất lượng đầy đủ này, với các chứng nhận vật liệu, báo cáo thử nghiệm cơ học, hồ sơ kiểm tra không phá hủy và tài liệu kiểm tra kích thước được cung cấp cùng với mỗi sản phẩm rèn để hỗ trợ các yêu cầu về khả năng truy xuất nguồn gốc và chứng nhận của OEM tuabin gió và các tổ chức chứng nhận của họ.