آهنگری داغ فولاد برای صنعت باد: اجزای گیربکس به طور کامل توضیح داده شده است

یک گیربکس 10 مگاواتی توربین بادی دریایی، گشتاور کافی برای حرکت یک لوکوموتیو باری را منتقل می کند، با این حال باید در داخل ناسل یک توربین بادی در ارتفاع صد متری از سطح زمین قرار گیرد. حامل های سیاره ای، چرخ دنده های سیاره ای، چرخ دنده های خورشیدی و چرخ دنده های حلقه ای در داخل آن گیربکس توسط آهنگری فولاد داغ تولید می شوند. اگر یکی از این آهنگرها دارای نقص داخلی باشد، نتیجه یک تعویض ساده قطعه نیست. این به معنای یک کشتی جرثقیل، حذف پیشرانه و هفته‌ها تولید انرژی از دست رفته است. به همین دلیل است که آهنگری گرم فولاد برای صنعت بادی به عنوان یک گام مهم ایمنی به جای یک کار معمولی شکل دادن فلز در نظر گرفته می شود.

چرا آهنگری داغ برای اجزای باد

فورج گرم روش ارجح برای قطعات انتقال گیربکس باد است زیرا جریان دانه ای پیوسته ایجاد می کند و حفره های داخلی را می بندد که ریخته گری نمی تواند به طور قابل اعتماد آنها را از بین ببرد.

هنگامی که فولاد در قالب جامد می شود، حفره های انقباض، تخلخل گاز و جداسازی موضعی ایجاد می کند. آهنگری داغ شمش را در دمای بین 1150 تا 1250 درجه سانتیگراد فشرده می کند و این عیوب را از بین می برد و ساختار دانه را اصلاح می کند. نتیجه چگالی بالاتر، استحکام خستگی بهتر و خواص مکانیکی بیشتر در سراسر قطعه است. پیشرانه های توربین بادی با هر چرخش روتور یک چرخه استرس کامل را تجربه می کنند، بنابراین مقاومت در برابر خستگی بیشتر از استحکام استاتیکی طول عمر را تعیین می کند. آزمایش‌های روی فولاد 42CrMo4 نشان می‌دهد که مواد آهنگری می‌توانند حد خستگی را تقریباً 30 تا 40 درصد بیشتر از همان درجه در قالب ریخته‌گری ایجاد کنند. این حاشیه اغلب یک پیشرانه 20 ساله را از یک شکست زودرس در اواسط عمر جدا می کند.

نمودار رادار بالا آهنگری داغ و ریخته گری را در شش معیاری که برای قطعات پیشرانه بادی مهم است مقایسه می کند. فولاد آهنگری مزیت آشکاری در مقاومت در برابر خستگی و ساختار دانه نشان می دهد زیرا فرآیند تغییر شکل جریان فلزی را با مسیر بار همسو می کند. استحکام داخلی نیز در آهنگری بهتر است، زیرا جوش های مرحله تراکمی، تخلخل انقباضی را که در بخش های ریخته گری باقی می ماند، می بندند. ریخته گری امتیاز بالاتری در کارایی هزینه و زمان انجام می دهد، به همین دلیل است که محفظه های بزرگ گیربکس و پوشش های بدون بار هنوز به عنوان ریخته گری تولید می شوند. با این حال، اجزایی که بارهای گشتاور و خمشی را حمل می کنند، همیشه به عنوان آهنگری مشخص می شوند. اگر این معیارها را بر اساس تأثیر آنها بر در دسترس بودن توربین رتبه بندی کنید، مسیر جعلی برای قطعات انتقال برنده است.

اجزای جعلی داخل گیربکس باد

اکثر گیربکس های باد از طراحی سیاره ای برای ضرب سرعت روتور از حدود 10 دور در دقیقه به 1000 دور در دقیقه مورد نیاز ژنراتور استفاده می کنند. قطعات آهنگری در مراحل سیاره ای متمرکز می شوند، جایی که گشتاور بالاترین میزان است.

حامل سیاره

حامل سیاره هسته ساختاری هر مرحله سیاره ای است. سه تا شش شفت چرخ دنده سیاره ای را در موقعیت های شعاعی دقیق نگه می دارد در حالی که گشتاور کامل توربین را منتقل می کند. در یک گیربکس 5 تا 10 مگاواتی، یک سیاره حامل فورج شده معمولاً بین 1200 تا 2800 کیلوگرم وزن دارد. فرآیند آهنگری باید جریان دانه یکنواخت را در اطراف سوراخ های پین ایجاد کند، زیرا آن مناطق دارای بالاترین تنش چرخه ای هستند. یک حامل آهنگری یک تکه از درزهای جوشی که در غیر این صورت به محل شروع خستگی تبدیل می شوند، جلوگیری می کند.

Carrier جعلی Planet برای گیربکس های توربین بادی 3-10 مگاواتی این حامل آهنگری یک تکه برای مراحل گیربکس 5 تا 10 مگاواتی مناسب است، با جریان دانه یکنواخت در اطراف سوراخ‌های پین برای کنترل استرس چرخه‌ای بالا. آن را برای پیشرانه های قابل اعتماد توربین با ظرفیت بالا کاوش کنید. مشاهده محصول →

Planet Gear و Sun Gear

چرخ دنده های سیاره ای به طور همزمان با چرخ دنده خورشیدی و چرخ دنده حلقه ای مشبک می شوند که بار منتقل شده را در چندین تماس دندانی تقسیم می کند. در یک توربین 5 تا 10 مگاواتی، چرخ دنده سیاره ای مرحله اول بیشترین گشتاور را در کمترین سرعت حمل می کند. چرخ دنده های خورشیدی سریعتر می چرخند و برای مقاومت در برابر سایش کناره دندان به فولاد سخت شده نیاز دارند. هر دو جزء معمولاً از 18CrNiMo7-6 یا یک درجه کربوریزه کننده معادل آن ساخته می شوند. قسمت خالی فورج شده ماشینکاری شده، دنده برش داده شده، کیس سخت شده و تا نمایه نهایی آسیاب می شود.

فورجینگ های سیاره ای سخت شده برای گیربکس های 5-10 مگاواتی چرخ دنده های سیاره ای مرحله اول بیشترین گشتاور را در سرعت پایین حمل می کنند، بنابراین قطعات 18CrNiMo7-6 فورج شده با سطوح کربوره ضروری هستند. این محصول هر سه مرحله سیاره ای را پوشش می دهد. مشاهده محصول →

چرخ دنده

چرخ دنده حلقه ای حلقوی با قطر زیاد با دندانه های داخلی است. می‌توان آن را به‌عنوان آهنگری حلقه‌ای یک‌تکه یا مونتاژ جوش‌شده قطعه‌بندی‌شده تولید کرد، اما آهنگرهای یک‌تکه بار را بهتر توزیع می‌کنند زیرا هیچ درز جوشی از ناحیه تنش عبور نمی‌کند. چرخاندن حلقه بر روی یک آسیاب حلقه عمودی یک جهت دانه ایجاد می کند که جهت ریشه دندان را دنبال می کند و مقاومت در برابر خستگی خمشی را بهبود می بخشد. بسته به معماری گیربکس، یک چرخ دنده گیربکس 5 تا 10 مگاواتی می تواند از 1800 تا 3500 کیلوگرم وزن داشته باشد.

فورجینگ های چرخ دنده یک تکه برای توربین های بادی 5-10 مگاواتی روکش های چرخ دنده با قطر بزرگ تا وزن 3500 کیلوگرم از جهت گیری دانه های حلقه ای و بدون درز جوش بهره می برند. این محصول از انتقال قدرت بالا با دندانه های داخلی با آسیاب دقیق پشتیبانی می کند. مشاهده محصول →

نمودار میله‌ای افقی بالا وزن‌های خالی فورج شده معمولی را برای اجزای چرخان اصلی در یک گیربکس بادی 5 تا 10 مگاواتی نشان می‌دهد. چرخ‌دنده‌های حلقه‌ای سنگین‌ترین قطعات موجود در مجموعه هستند که اغلب قبل از عملیات حرارتی و ماشین‌کاری خشن بیش از 3500 کیلوگرم هستند. حامل های سیاره ای دومین گروه سنگین هستند زیرا دیسک هایی با قطر بزرگ با سوراخ های پین متعدد هستند. شفت‌های چرخ دنده در محدوده متوسط ​​قرار دارند، در حالی که چرخ دنده‌های سیاره‌ای و خورشیدی سبک‌تر هستند اما همچنان نیازمند فولاد پر آلیاژ و کاهش دقیق آهنگری هستند. این وزنه ها ظرفیت چکش یا پرس مورد نیاز، اندازه کوره گرمایش و پوشش ماشینکاری را تعیین می کنند. یک تامین کننده با ظرفیت چکش 15 تنی و یک آسیاب نورد حلقه ای 1.5 متری می تواند بدون تقسیم سفارشات بین چندین فروشنده، تمام محدوده را پوشش دهد.

فرآیند فورج داغ از بیلت تا بلانک

تبدیل شمش فولادی به آهنگری گیربکس باد تایید شده از یک توالی کنترل شده پیروی می کند که تغییر شکل، عملیات حرارتی و بازرسی را ترکیب می کند.

1. بازرسی بیلت. آزمایش اولتراسونیک بر روی بیلت ورودی انجام می شود تا قبل از شروع هر کاری از سلامت داخلی اطمینان حاصل شود.
2. گرمایش. بیلت به آرامی از قبل گرم می شود و سپس در دمای 1150 تا 1250 درجه سانتیگراد در کوره گاز سوز خیس می شود.
3. ناراحت کننده فشرده سازی محوری ساختار ریخته گری را می شکند و دانه را پالایش می کند.
4. پیش شکل گیری. بیرون کشیدن و مسدود کردن یک هندسه میانی نزدیک به خالی نهایی ایجاد می کند.
5. آهنگری نهایی. شکل دهی بسته یا قالب باز کانتور بیرونی و ضخامت های بحرانی را ایجاد می کند.
6. حلقه نورد. برای چرخ دنده های حلقوی و سایر قطعات حلقوی، یک آسیاب نورد حلقه ای عمودی، پریفرم را به قطر و مقطع مورد نیاز منبسط می کند.
7. خنک کننده کنترل شده خنک کننده آهسته و یکنواخت از پوسته پوسته شدن و ایجاد استرس پسماند جلوگیری می کند.
8. ماشینکاری خشن و بازرسی مجدد. خالی چرخانده می شود تا نقایص رسوب و سطح را از بین ببرد و به دنبال آن عبور اولتراسونیک دیگری انجام می شود.

نمودار خطی بالا نشان می دهد که چگونه ظرفیت نامی توربین های بادی فراساحلی از 4 مگاوات در سال 2016 به 12 مگاوات در سال 2026 افزایش یافته است. هر مرحله بالاتر در رتبه بندی توربین، گیربکس را مجبور می کند که گشتاور بیشتری را از طریق همان پوشش فیزیکی منتقل کند. گشتاور بزرگتر به معنای حامل های سیاره ای بزرگتر، چرخ دنده های حلقه ای بزرگتر، و قطعات فورج سنگین تر است. بنابراین تامین‌کننده آهنگری باید در چکش‌های بزرگ‌تر، آسیاب‌های حلقه‌ای بزرگ‌تر و کوره‌های عملیات حرارتی عمیق‌تر سرمایه‌گذاری کند تا این روند را دنبال کند. خریدارانی که یک پلت فرم 12 مگاواتی را برنامه ریزی می کنند، باید تأیید کنند که شریک آهنگری آنها می تواند قطعات بالای 4000 کیلوگرم را مدیریت کند. زمانی که طراحی پیشرانه به آن بستگی دارد، این بررسی ظرفیت مهمتر از قیمت است.

انتخاب مواد برای آهنگری درجه باد

گریدهای فولادی مورد استفاده در آهنگری‌های گیربکس بادی به دو خانواده تعلق دارند: فولادهای آلیاژی خاموش و تمپر شده برای حامل‌ها و شفت‌ها و فولادهای سخت‌شونده برای دندانه‌های چرخ دنده که به سطح سخت و مقاوم در برابر سایش نیاز دارند.

42CrMo4 به طور گسترده برای حامل های سیاره ای و شفت چرخ دنده استفاده می شود زیرا استحکام خوب را با سخت شدن از طریق پایدار ترکیب می کند. طراحی خستگی نواحی جیب حامل عامل محدود کننده است، بنابراین نسبت کاهش آهنگری باید به اندازه کافی بالا باشد تا ساختار هسته را اصلاح کند. 34CrNiMo6 استحکام بالاتری را برای چرخ دنده های حلقه ای سنگین و شفت های بزرگ ارائه می دهد. 18CrNiMo7-6 برای چرخ دنده های سیاره ای و خورشیدی که باید در برابر خستگی تماس پس از کربورسازی مقاومت کنند، مشخص شده است.

نمودار ستونی بالا حداقل مقاومت تسلیم سه گرید را در شرایط آهنگری و ریخته گری مقایسه می کند. نسخه های آهنگری مزیت ثابتی در حدود 230 تا 300 مگاپاسکال نسبت به مواد ریخته گری با همان شیمی نشان می دهند. این تفاوت در طراحی گیربکس اهمیت دارد زیرا قدرت تسلیم محدودیتی را برای تنش خمشی در ریشه دندان و سوراخ‌های پین حامل تعیین می‌کند. استحکام تسلیم بالاتر باعث می شود که یک چرخ دنده فشرده تر یا حاشیه ایمنی بالاتر در همان اندازه وجود داشته باشد. تولید ریخته گری به بخش های سنگین تری برای دستیابی به ظرفیت بار مشابه نیاز دارد، که جرم گیربکس را افزایش می دهد و ساختار ناسل را پیچیده می کند. به همین دلیل است که بررسی طراحی گیربکس بادی تقریباً همیشه برای هر قسمت در مسیر گشتاور، قطعات فورج شده را مشخص می کند.

عملیات حرارتی و مسیر رسیدن به خواص نهایی

آهنگری داغ به شکل خالی شکل می دهد، اما عملیات حرارتی خواص مکانیکی نهایی را تعیین می کند. فورجینگ‌های گیربکس بادی معمولاً از طریق نرمال‌سازی، خاموش کردن و تمپر کردن و در برخی موارد سخت شدن سطحی جناح‌های دندانی عبور می‌کنند. هر مرحله باید کنترل شود تا سختی در سطح مقطع بزرگ یکنواخت بماند. یک بخش چرخ دنده حلقه ای با ضخامت 300 میلی متر نیاز به فرآیند خاموش کردن دارد که هسته را به اندازه کافی سریع خنک می کند تا بدون ایجاد ترک به ساختار مارتنزیتی مورد نیاز برسد. بارگذاری کوره، محیط کوئنچ و سیکل تمپرینگ همگی بر چقرمگی نهایی و تنش پسماند تأثیر می گذارند. دانش کاری از اصول عملیات حرارتی فلزات به تیم های تدارکات کمک می کند تا در مورد این پارامترها با تامین کنندگان بحث کنند و بررسی کنند که چرخه برنامه ریزی شده با درجه و اندازه بخش مطابقت دارد.

نحوه ارزیابی تامین کننده فورج داغ برای کاربردهای باد

یک شریک فورج گرم توانمند برای اجزای باد باید بیش از توانایی ضربه زدن به شمش را نشان دهد. ارزیابی باید زنجیره کامل فرآیند و سیستم های کنترل اطراف آن را پوشش دهد.

• ظرفیت آهنگری. تناژ چکش یا پرس، قابلیت نورد حلقه و حداکثر وزن شمش قابل گرم شدن و آهنگری را بررسی کنید.
• عملیات حرارتی در خانه کوئنچ و تمپر باید در کوره های کنترل شده با منحنی های دمایی مستند انجام شود.
• آزمایش غیر مخرب بازرسی اولتراسونیک پس از آهنگری و پس از ماشینکاری خشن برای بلنک های درجه باد الزامی است.
• قابلیت ردیابی هر قسمت خالی باید به شماره حرارت، رکورد جعل و گزارش عملیات حرارتی آن مرتبط باشد.
• با باد خالی های بزرگ را تجربه کنید. در بخش گیربکس 3 تا 10 مگاوات مرجع بخواهید.

اهمیت عملیات حرارتی در خانه اغلب دست کم گرفته می شود تا زمانی که تحویل توسط برون سپاری به تاخیر بیفتد. مستقیماً با مهندسان فرآیند صحبت کنید نه فقط با تیم فروش. منحنی های گرمایش واقعی و گزارش های اولتراسونیک را از سفارشات قبلی فورج بادی بخواهید. تامین کننده ای مانند ماشین آلات ACE مسیر کامل از گرمایش بیلت تا خالی کامل را پوشش می دهد که خطوط ارتباطی را کوتاه می کند و داده های با کیفیت را در یک مکان نگه می دارد. بررسی این قابلیت ها قبل از ثبت سفارش، موثرترین راه برای جلوگیری از مشکلات کیفی در آینده است.

آهنگری فولاد داغ برای صنعت بادی همچنان یک رشته سخت اما قابل درک است. قطعات بزرگ هستند، بارها چرخه ای هستند و هزینه خرابی بسیار زیاد است. تامین‌کننده‌ای با ظرفیت چکش کافی، عملیات حرارتی کنترل‌شده و بازرسی سیستماتیک می‌تواند آهنگری با درجه باد ارائه کند که در طول عمر طراحی کامل توربین به‌طور قابل‌اطمینانی کار کند.