冯雷
采埃孚（天津）风电有限公司 天津北辰区 300402
摘要：近年来，我国经济技术快速发展，对风力发电齿轮箱的要求也越来越高。风力发电是一种绿色、环保的发电方式，在风力的作用下，齿轮箱内部的齿轮转动，将风能转变为动能，再将动能转变为电能。文章主要分析了齿轮箱设计制造技术的现状，并举例了相关的制造技术，以期为相关技术人员的研究提供一定参考作用。
关键词：风力发电；齿轮箱；发展现状；风电场
一、风力发电齿轮箱设计制造技术现状
（一）核心技术竞争力不足
风力发电齿轮箱作为整个机组的主要设备，对风力发电效率有着重要的影响。风力发电机结构复杂，对设计和制造的要求很高，其运行条件苛刻，对齿轮传动的可靠性也提出了严格的要求。长期以来，中国缺乏
对此类复杂产品的深入研究，缺乏质量控制方法以及制造、组装和运营方面的经验，并且缺乏设计期间的经验积累和总结，缺乏系统、可靠的设计方法，核心技术竞争力不足。
（二）缺乏有效的基础设计数据和测试方法
风力发电齿轮箱要长时间承受复杂的
交变载荷，并且在运行期间需要经常切入和切出，如果缺乏有效的设计数据和可靠性测试方法，则无法保证风力发电设备的可靠性和稳定性。产品的科学设计离不开丰富有效的基本设计数据和可靠的设计方法，但我国目前仍缺乏有效的设计数据和可靠的设计计算方法，无法应对各种载荷下的齿轮和轴承等关键零部件出现的问题。当前，我国部分生产厂家已经具有特定的测试方法，并积极投入研发资金，争取补齐短板。
（三）缺乏高层次专业技术人才
风力发电齿轮箱的设计和制造涉及的学科较多，主要涉及机械设计、金属材料、计算机科学、动力工程、流体力学等学科。要想不断提高齿轮箱的设计和制造水平，必须依靠高层次专业技术人才的攻关和专研。虽然我国人口众多，但是依然缺乏能够持续推动风力发电齿轮箱设计和制造技术向前发展的高层次专业技术人才。除此之外，相关企业没有充分重视对风力发电齿轮箱技术人员的培训，而相关技术人员考虑到费用、时间等成本，也很难自费开展相关工作，这就导致技术人员的设计和制造水平很难有效提升。
二、齿轮箱制造过程质量控制
第一，在原材料质量控制方面，有锻钢原材料质量控制以及球墨铸铁件原材料质量控制，其他原材料的质量控制需要满足相关标准规定。第二，在热处理质量控制方面，首先，对于渗碳件而言，需要对渗碳层的硬度、深度、奥氏体级别等方面情况进行控制；其次，对于调质件而言，需要对其机械性能进行控制，复检其硬度以及抗冲击性能；最后，对于氮化件而言，需要对其硬化层深度以及表面硬度进行合理的控制。第三，在无损检测方面，有渗碳件、调质件以及行星架、箱体的无损检测，其中，渗碳件先在完成粗加工之后选择超声波探伤，在精磨加工之后使用磁粉探伤，调质件选择超声波探伤，行星架和箱体也选择超声波探伤。第四，最终机加工质量控制，需要重视在零部件形位差以及尺寸公差等方面的控制，比如说轴，借助三坐标测量机对其进行复测。第五，装配质量控制，严格按照图纸装配，对齿轮着色、清洁度进行详细的检查，齿轮箱的装配需要工程师全程参与，搞清质量控制点，编制相应的作业规范文件。第六，试验质量控制，对油温、油压、效率、振动等方面情况进行详细的检测。
第七，喷漆质量控制，检测喷漆厚度以及附着力。
三、风电齿轮箱加工——表面滚磨光整技术的应用
表面滚磨光整的原理是将零件整体置于料箱中并以一定方向进行旋转，设备的振动电动机带动槽内研磨介质和特殊抛光混合物滚动，两者充分混合并研磨，零件受到磨料不同程度的滚压、刻划和滑擦的微量磨削作用，改善表面质量，提高抗疲劳强度、耐磨性及抗腐蚀性。在目前的齿轮加工工艺中，表面滚磨光整技术是被证明的、能提高轮齿表面抗微点蚀能力的最有效手段。表面滚磨光整过程如图1所示。
图1表面滚磨光整过程
有关光整加工对齿面抗点蚀能力的影响，德国波鸿大学试验室曾进行过研究，在表面粗糙度不同、润滑等其余条件一致的情况下，光整加工不仅能大幅提高齿面粗糙度质量，而且还能显著提高齿面的抗点蚀能力。在1547MPa的载荷下，加载16h、耐久循环80h后，未经光饰的齿轮出现了点蚀现象，而经光饰的齿轮未发生点蚀现象，仅出现浅的灰色痕迹，如图2所示。
图2齿面形貌对比图
四、表面滚磨光整试验过程
选择某兆瓦级风电齿轮箱的高速齿轮轴进行表面滚磨光整加工试验。工件材料为18CrNiMo7，渗碳淬火热处理，磨齿后齿面硬度在59～63HRC，有效硬化层深度为1.2～1.5mm，试验过程如表1所示。
五、试验测量结果对比
采用时代集团TR200粗糙度仪，对光整加工前后齿面的粗糙度进行测量，具体数据如表2所示。样件经过光整加工后，表面粗糙度变化较大，Ra值是光整前的1/3，粗糙度等级提高了1.5个等级。试验前后照片对比如图5所示。样件光整加工前后经手感触摸、拍照对比，未光整的样件齿轮边缘有明显毛刺、锐边，并有割手的感觉，样件表面有锈蚀、暗淡无光。经光整加工后，样件被加工表面毛刺、锈蚀全部去除，锐边钝化、棱边倒圆整齐，手感柔滑，光亮夺目。
六、试验结果分析
光整加工可以降低零件表面粗糙度值，提高零件表面质量。对样件进行表面残余应力检测，试验前为－386MPa、－383MPa，试验后为－595MPa、－572MPa，由此可以判定，经过光整加工后，样件的表面压应力明显提高。表面压应力的提高可以增强零件的疲劳强度，延长使用寿命。
七、结语
通过试验验证，齿面光整加工技术能有效降低齿面粗糙度值，增加齿面压应力，提高齿面抗点蚀的能力，全面改善齿轮的表面质量。目前，齿面光整加工设备及技术在国外已经成熟，知名风电设备厂商如Winergy、Renk、Rexroth和Hansen等公司均采用该技术作为风电齿轮精加工的正常工艺，而在国内应用尚不普遍。齿面光整加工操作方便、成本较低、效果好，在风力发电设备领域具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]赵玉良，徐鸿钧，姜永涛.风电齿轮的微点蚀研究[J].新能源及工艺，2010（4）：41～44.
[2]王茂胜.风电齿轮箱寿命影响因素分析[J].宁夏机械，2010，32（2）：34～36.