شایع ترین علل خرابی در فورجینگ های گیربکس توربین بادی چیست؟

شایع ترین علل شکست در فورجینگ های گیربکس توربین بادی هستند خستگی مواد، عیوب گنجاندن زیرسطحی، عملیات حرارتی ناکافی، غلظت تنش ناشی از ناهماهنگی، و شکست روانکاری . مطالعات آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) نشان می دهد که خرابی گیربکس تقریباً علت آن است. 20 درصد از خرابی توربین بادی و آنها را به بزرگترین منبع هزینه های نگهداری برنامه ریزی نشده در صنعت تبدیل می کند. درک علل ریشه ای در سطح آهنگری و مواد موثرترین راه برای جلوگیری از خرابی زودرس است.

خستگی مواد: حالت پیشرو شکست مکانیکی

خستگی مسئول اکثر خرابی های آهنگری گیربکس در توربین های بادی در حال کار است. برخلاف اضافه بار استاتیکی، آسیب خستگی به طور نامرئی در طی میلیون ها چرخه بار قبل از انتشار یک ترک به سطح تجمع می یابد.

چگونه خستگی در فورجینگ ها شروع می شود

در چرخ دنده‌های حلقه‌ای گیربکس، حامل سیاره‌ها و شفت‌های خروجی، بارهای خمشی و پیچشی چرخه‌ای در نقاط تمرکز تنش مانند راه‌های کلید، فیله‌ها و تقاطع‌های متقاطع ایجاد می‌کنند. بر اساس تجزیه و تحلیل سال 2019 منتشر شده در انرژی باد (وایلی)، بیش از 60 درصد خرابی های دندانه دنده در گیربکس‌های توربین بادی از ترک‌های خستگی ناشی می‌شوند که از سطح تماس یا درست زیر آن شروع می‌شوند.

طیف بار متغیر خستگی را تشدید می کند

توربین های بادی طیف های بار بسیار نامنظم را تجربه می کنند. رگبار، تلاطم و چرخه های استارت به این معنی است که اجزای گیربکس به ندرت بار حالت ثابت را مشاهده می کنند. این بارگذاری دامنه متغیر، انباشت آسیب خستگی را در مقایسه با شرایط آزمایش آزمایشگاهی با دامنه ثابت تسریع می‌کند، به همین دلیل است که بسیاری از رتبه‌بندی‌های خستگی استاندارد، عمر خدمات در دنیای واقعی را دست‌کم می‌گیرند.

اجزاء زیرسطحی و عیوب داخلی

حتی آهنگری با کیفیت بالا می تواند دارای عیوب داخلی باشد که به عنوان محل شروع برای ترک زودرس عمل می کند. مشکل‌سازترین اجزاء غیرفلزی هستند - اکسیدها، سولفیدها و سیلیکات‌ها - که در طی فولادسازی وارد شده یا از طریق پردازش ناکافی حفظ شده‌اند.

انواع گنجاندن و اثرات آنها

منبع: ASM International, تجزیه و تحلیل شکست قطعات فولادی عملیات حرارتی شده ، 2008.

برای آهنگری‌های گیربکس بزرگ - حامل‌های سیاره‌ای با وزن بیش از 2000 کیلوگرم در توربین‌های 3 مگاواتی رایج هستند - اگر روش‌های خنک‌سازی آهسته یا بازپخت پس از فورج به‌دقت رعایت نشود، پوسته پوسته شدن ناشی از هیدروژن یک خطر جدی است.

عملیات حرارتی ناکافی و شکست سخت شدن کیس

آهنگرهای گیربکس باید تعادل دقیقی بین یک لایه سطحی سخت و مقاوم در برابر سایش و یک هسته سخت و انعطاف پذیر ایجاد کنند. هنگامی که عملیات حرارتی به خوبی کنترل نمی شود، این تعادل از بین می رود و خرابی ها به سرعت در سرویس رخ می دهد.

خطاهای رایج عملیات حرارتی

• عمق بدنه ناکافی در چرخ دنده های کربن دار یا نیترید شده، باعث ترک خوردگی خستگی فرعی می شود.
• سخت شدن غیر یکنواخت به دلیل هم زدن کوئنچ ناکافی و ایجاد لکه های نرم در آهنگری
• کربن زدایی لایه سطحی در حین آهنگری یا نرمال سازی، کاهش استحکام خستگی سطح تا 30% (منبع: AGMA 923-B05، مشخصات متالورژی برای دنده های فولادی)
• ترک خوردگی ناشی از گرادیان های حرارتی بیش از حد در اجزای مقطع ضخیم را خاموش کنید
• آستنیت حفظ شده بالاتر از آستانه قابل قبول، که تحت تنش سرویس تبدیل می شود و باعث ناپایداری ابعادی می شود.

برای چرخ دنده های حلقه ای گیربکس توربین بادی - که ممکن است ضخامت دیواره آنها بیش از 150 میلی متر باشد - دستیابی به سخت شدن یکنواخت مستلزم نمرات فولادی با دقت انتخاب شده با سختی پذیری کافی (معمولاً 18CrNiMo7-6 یا 20MnCr5) و محیط خاموش کننده دقیق و پروفیل های دمایی است.

نقص خط جریان آهنگری و ساختار ضعیف دانه

خواص مکانیکی آهنگری گیربکس تمام شده مستقیماً توسط جریان دانه داخلی ایجاد شده در طول فرآیند آهنگری تعیین می شود. قالب‌های آهنگری با طراحی ضعیف یا نسبت‌های کاهش نادرست می‌توانند عیوبی ایجاد کنند که تا زمانی که قطعه در سرویس‌دهی از کار نرود پنهان می‌ماند.

عیوب ساختاری کلیدی از تمرین آهنگری

• دور و بسته سرد: هنگامی که فلز در حین پر کردن قالب روی خود تا می‌شود، تشکیل می‌شود و درزی ایجاد می‌کند که به عنوان یک ترک از قبل موجود عمل می‌کند.
• عیوب جریان: زمانی رخ می دهد که مواد به درستی در اطراف هسته ها یا سنبه ها جریان داشته باشد و تداوم دانه ها را مختل کند.
• نوارهای دانه درشت: نتیجه کاهش ناکافی کار گرم یا گرم کردن مجدد بالاتر از دمای درشت دانه، کاهش چقرمگی ضربه به اندازه 40% در مقایسه با ریزساختارهای ریزدانه (منبع: استانداردهای اندازه دانه ASTM E112 و داده های آهنگری صنعت)
• خطوط مرکزی تفکیک: در آهنگری های شافت با قطر بزرگ، جداسازی آلیاژ از شمش اصلی ممکن است حتی پس از آهنگری ادامه یابد و مناطقی با سختی و مقاومت در برابر خستگی متفاوت ایجاد کند.

تولیدکنندگان باکیفیت این خطرات را از طریق طراحی دقیق فرآیند، از جمله نسبت‌های کاهش آهنگری مناسب (معمولاً حداقل کاهش 4:1 از شمش)، دمای بازگرمایش کنترل‌شده، و آزمایش اجباری اولتراسونیک (UT) تمام آهنگری‌های تمام‌شده طبق استانداردهایی مانند EN 10228-3 یا ASTM A388، برطرف می‌کنند.

شکست روانکاری و ارتباط آن با کیفیت سطح آهنگری

شکست روانکاری اغلب به عنوان یک مسئله صرفاً عملیاتی تلقی می شود، اما پرداخت سطح و دقت ابعادی آهنگری های گیربکس به طور مستقیم تعیین می کند که چگونه یک فیلم روان کننده تحت بار نگهداری می شود.

وضعیت سطح چگونه سایش را تسریع می کند

سطوح آهنگری ناهموار یا نامنظم - حتی پس از ماشین کاری - فشارهای تماسی نازکی ایجاد می کنند که لایه روان کننده الاستو هیدرودینامیک (EHL) را سوراخ می کند. هنگامی که تماس فلز با فلز رخ می دهد، دمای سطح در نقاط ریز تماس ممکن است بیشتر شود 300 درجه سانتیگراد به صورت محلی (منبع: Tribology International, Vol. 44, 2011) منجر به جوشکاری میکرو، خراشیده شدن و خستگی سریع سطحی معروف به micropitting می شود.

همکاری قابلیت اطمینان گیربکس NREL (GRC) ریز سوراخ شدن روی دندانه‌های دنده خورشیدی و سیاره را به عنوان یک حالت آسیب اولیه در گیربکس‌های بازگردانده شده شناسایی کرده است، با مقادیر زبری سطح بالاتر از Ra 0.4 میکرون، حتی با ویسکوزیته صحیح روانکار، به طور قابل‌توجهی خطر ریزحفره شدن را افزایش می‌دهد.

آلودگی روان کننده ناشی از بقایای آهنگری

رسوب، ذرات اکسید یا مواد باقیمانده انفجار شات که در حفره های داخلی محفظه گیربکس یا شفت های توخالی باقی مانده اند، می توانند در روغن سرویس به گردش درآیند و باعث سایش سه بدنه ساینده شوند که بسیار سریعتر از پیش بینی های طراحی به مسابقه یاتاقان ها و جناح های دنده آسیب می رساند.

عدم هماهنگی و تمرکز استرس ناشی از مونتاژ

اگر گیربکس به درستی مونتاژ نشده باشد یا اگر گیربکس به درستی مونتاژ نشده باشد یا اگر انحراف پیشرانه لحظات خمشی غیرمنتظره ای را به محفظه و شفت گیربکس منتقل کند، حتی یک فورج گیربکس کاملاً تولید شده نیز می تواند پیش از موعد از کار بیفتد.

منابع ناهماهنگی در پیشرانه های توربین بادی

• سایش یاتاقان اصلی اجازه انحراف محور روتور را می دهد که شفت ورودی گیربکس را به طور نامتقارن بار می کند.
• نشست برج یا اعوجاج صفحه ناسل که باعث ایجاد ناهماهنگی زاویه ای بین گیربکس و ژنراتور می شود.
• نصب نادرست بوش بازوی گشتاور، تمرکز نیروهای واکنش در نقاط خاص در فورج محفظه گیربکس
• ناهم ترازی مته حامل سیاره بیش از حد است 0.05 میلی متر ، که برخی از چرخ دنده های سیاره را تخلیه می کند در حالی که برخی دیگر را بیش از حد بارگذاری می کند - عامل شناخته شده ای در خرابی زودرس چرخ دنده های سیاره ای و یاتاقان ها (منبع: GL Garrad Hassan Wind Turbine Technology, 2012)

خوردگی و تخریب محیط زیست

توربین‌های بادی دریایی و ساحلی اجزای جعبه‌دنده را در معرض رطوبت، اسپری نمک و چرخه دما قرار می‌دهند که خستگی ناشی از خوردگی را تسریع می‌کند - ترکیبی از خستگی مکانیکی و حمله خورنده که از هر دو عامل به تنهایی آسیب‌رسان‌تر است.

تحقیقات منتشر شده در مجله بین المللی خستگی (2017) نشان داد که خستگی ناشی از خوردگی حد خستگی شفت‌های گیربکس فولادی کم آلیاژ را کاهش می‌دهد. تا 50% در مقایسه با آزمایشات انجام شده در هوای خشک. گودال های سطحی ناشی از خوردگی به عنوان متمرکز کننده تنش با عوامل شدت تنش موثر قابل مقایسه با بریدگی های ماشین کاری شده عمل می کنند.

برای کاربردهای دریایی، مشخصات آهنگری گیربکس باید مقاومت در برابر خوردگی را از طریق انتخاب مواد، پوشش‌های محافظ و سیستم‌های روغن‌کاری مهر و موم شده بررسی کند - نه اینکه صرفاً به استانداردهای قطعات خشکی تکیه کنند.

چگونه آهنگری با کیفیت بالا خطر شکست را کاهش می دهد

انتخاب آهنگری تولید شده تحت مدیریت کیفیت دقیق به طور مستقیم به علل ریشه ای ذکر شده در بالا می پردازد. شاخص های کلیدی کیفیت برای تعیین عبارتند از:

1. تولید فولاد تمیز را با گاز زدایی خلاء (VD) یا ذوب مجدد قوس خلاء (VAR) برای به حداقل رساندن محتوای گنجایش
2. نسبت های کاهش آهنگری کنترل شده و طرح های قالب تایید شده برای اطمینان از جریان دانه ثابت
3. قابلیت ردیابی کامل سوابق عملیات حرارتی، از جمله نمودارهای زمان و دما برای هر دسته
4. 100٪ تست اولتراسونیک (UT) بر اساس EN 10228-3 کلاس 3 یا معادل آن، به علاوه بازرسی ذرات مغناطیسی (MPI) تمام سطوح تمام شده
5. گواهی های آزمایش مکانیکی (کشش، ضربه، سختی) از نمونه های بریده شده از طول های آزمایشی جعلی یکپارچه با قطعه

برای تیم های خرید و OEM های توربین بادی که تامین کنندگان آهنگری را ارزیابی می کنند، ما فورجینگ های گیربکس توربین بادی هستند manufactured to meet these exacting standards -- covering ring gears, planet carriers, output shafts, and housing components for turbines from 1.5 MW to 6 MW class, with full material certification and NDE documentation supplied with every order.

خلاصه: علل شکست در یک نگاه