فورجینگ های گیربکس توربین بادی چیست؟

فورجینگ های گیربکس توربین بادی اجزای فولادی با فرم‌دهی دقیق هستند که ساختار انتقال قدرت داخلی یک گیربکس توربین بادی را تشکیل می‌دهند که از طریق فرآیندهای آهنگری داغ یا قالب بسته تولید می‌شوند که ساختار دانه‌های فولاد را برای حداکثر مقاومت در برابر خستگی و قابلیت تحمل بار همسو می‌کند. اجزای اصلی فورج شده در گیربکس توربین بادی عبارتند از: چرخ دنده، چرخ دنده سیاره ای، حامل سیاره، چرخ دنده خورشیدی، محورهای ورودی و خروجی و چرخ دنده های پینیون. این قطعات به جای ریخته گری آهنگری می شوند زیرا گیربکس تحت بارهای متناوب پیوسته از ورودی های باد متغیر کار می کند، و ساختار فلزی متراکم و بدون نقص تولید شده توسط آهنگری، عمر خستگی مورد نیاز برای برآورده کردن عمر طراحی معمولی 20 ساله یک توربین بادی مدرن را فراهم می کند (منبع: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planerary). آهنگری با ریخته‌گری برای اجزای گیربکس قابل تعویض نیست زیرا تفاوت‌های خواص مکانیکی بین این دو فرآیند مستقیماً تعیین می‌کند که گیربکس چه مدت در زیر بارهای عملیاتی واقعی زنده می‌ماند.

نقش گیربکس در یک توربین بادی

برای درک اینکه چرا کیفیت آهنگری اجزای گیربکس بسیار مهم است، لازم است بدانیم که گیربکس در داخل توربین چه می کند و شدت محیط مکانیکی که در آن کار می کند.

روتور توربین بادی در واکنش به باد به آرامی می چرخد، معمولا بین 10 تا 22 دور در دقیقه برای یک توربین بزرگ چند مگاواتی. ژنراتوری که انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می کند باید با سرعت های بسیار بالاتری بچرخد، معمولاً 1000 تا 1500 دور در دقیقه یا بیشتر. گیربکس این اختلاف سرعت را برطرف می کند. فولاد فوهنگ این عملکرد را مستقیماً شرح می دهد: گیربکس نیروی باد جزء اصلی توربین بادی است که وظیفه اصلی آن تبدیل انرژی جنبشی تولید شده توسط چرخ باد تحت تأثیر باد به انرژی مکانیکی و در نهایت انتقال آن به ژنراتور است (منبع: فولاد فوهونگ، فولاد ویژه برای آهنگری تجهیزات نیروی باد). یک ثبت اختراع که مجموعه گیربکس را توصیف می کند تأیید می کند که شفت روتور ورودی با سرعت کم و گشتاور بالا به گیربکس ارائه می کند، که سپس پیکربندی می شود تا ورودی را به خروجی با سرعت بالا و گشتاور پایین تر تبدیل کند که ژنراتور را به حرکت در می آورد (منبع: USPTO Patent 11085, 11085, USPTO Patent 11085. مسیر روان کننده بهبود یافته).

نیازهای مکانیکی این تبدیل بسیار زیاد است. گیربکس باید کنترل کند بارهای گشتاور متغیر پیوسته با نوسانات سرعت باد، بارهای شوک ناگهانی در طول تندبادها، خستگی سیکلی مداوم در طول 20 سال یا بیشتر، و همه این کارها را به طور قابل اعتماد در ناسلی که در بالای سطح زمین قرار دارد، انجام دهید، جایی که سرویس گران است و جایگزینی قطعات اصلی می تواند صدها هزار دلار برای هر رویداد هزینه داشته باشد. این خواسته ها به این دلیل است که هر جزء ساختاری اصلی در داخل گیربکس به عنوان آهنگری به جای ریخته گری مشخص می شود.

اجزای اصلی فورج شده در گیربکس توربین بادی

گیربکس توربین بادی یک قطعه آهنگری منفرد نیست. این مجموعه ای از چندین قطعه آهنگری مجزا است که هر کدام عملکرد خاصی را در مراحل چرخ دنده سیاره ای و مارپیچی انجام می دهند که پیشرانه افزایش سرعت کامل را تشکیل می دهند.

چرخ دنده حلقوی (Annulus Gear)

چرخ دنده حلقه، چرخ دنده بیرونی بزرگ با دندانه های داخلی است که مرز بیرونی مرحله چرخ دنده سیاره ای را تشکیل می دهد. چرخ دنده های سیاره هنگام چرخش به دور چرخ دنده خورشیدی روی سطح داخلی آن قرار می گیرند و چرخ دنده حلقه ای یا ثابت می ماند یا بسته به طراحی جعبه دنده می چرخد. از آنجایی که چرخ دنده حلقه بار گشتاور کامل مرحله سیاره ای را منتقل می کند و به طور همزمان در تماس دندانه ای ثابت با سه یا چند چرخ دنده سیاره ای است، خواص مواد و دقت ابعادی آن برای عملکرد کل گیربکس حیاتی است. یک پتنت USPTO که فرآیند تولید چرخ دنده حلقه ای را توصیف می کند، خاطرنشان می کند که چرخ دنده حلقه ای عموماً از طریق آهنگری شکل می گیرد و متعاقباً باید برای به دست آوردن سختی مورد نیاز تحت عملیات حرارتی قرار گیرد، و اینکه دقت ابعادی از طریق فرآیند آهنگری و عملیات حرارتی بسیار مهم است زیرا عملیات حرارتی می تواند باعث اعوجاج ابعادی شود که نیاز به اصلاح ماشینکاری دارد چرخ دنده یکپارچه و بازوی گشتاور برای گیربکس توربین بادی).

سیاره چرخ دنده

چرخ دنده های سیاره ای چرخ دنده های میانی هستند که بین چرخ دنده حلقه و چرخ دنده خورشیدی می چرخند و گشتاور را بین این دو منتقل می کنند و در عین حال روی محورهای خود می چرخند. در یک مرحله سیاره ای توربین بادی بزرگ، معمولاً سه یا چهار چرخ دنده سیاره ای بار کلی را به اشتراک می گذارند و آن را به طور همزمان در چندین تماس دندانی توزیع می کنند. این چیدمان چگالی گشتاور بالایی را در یک بسته فشرده به دست می‌آورد، اما به این معنی است که هر چرخ دنده سیاره‌ای بخش قابل‌توجهی از کل بار را در چرخه خستگی مداوم حمل می‌کند. فورج سنگین Zhangqiu تأیید می کند که پس از عملیات حرارتی خاموش کردن و تلطیف کردن، حامل های چرخ دنده سیاره ای آهنگری می توانند تنش متناوب طولانی مدت را با عمر مفید تحمل کنند. 2 تا 3 برابر طولانی تر نسبتی که نسبت به اجزای تولید شده توسط فرآیندهای معمولی به طور یکسان برای خود چرخ دنده های سیاره اعمال می شود (منبع: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

حامل سیاره

حامل سیاره جزء ساختاری است که شفت چرخ دنده های سیاره را در موقعیت های مداری صحیح خود نسبت به یکدیگر و چرخ دنده های حلقه و خورشید نگه می دارد. باید دقت موقعیت دقیق را در زیر بار حفظ کند تا همه چرخ دنده های سیاره را به طور همزمان در شبکه مناسب نگه دارد، که هم به سختی بالا و هم مقاومت در برابر خستگی عالی نیاز دارد. Zhangqiu Heavy Forging الزامات کلیدی برای یک حامل سیاره آهنگری را شرح می دهد: فرآیند شکل دهی نزدیک به شبکه همراه با پردازش دقیق کنترل دقیق اندازه و تحمل موقعیت را تضمین می کند، اطمینان از همکاری دقیق با چرخ دنده های سیاره ای، چرخ دنده های خورشیدی، و شفت های خروجی، کاهش تلفات انتقال و نویز (منبع: Foreavy Careari, Zhangingu). مواد مورد استفاده برای حامل های سیاره ای شامل فولادهای آلیاژی با استحکام بالا 42CrMo، 20CrMnTi، و 35CrMo، با توالی عملیات حرارتی خاموش کردن و تمپر کردن به همراه کربورسازی برای دستیابی به تعادل مناسب سختی سطح و چقرمگی هسته (منبع: Zhangqiu Heavy Forging).

Sun Gear And Pinion Gears

چرخ دنده خورشیدی در مرکز مرحله سیاره ای قرار می گیرد و با همه چرخ دنده های سیاره ای به طور همزمان مش می شود، در حالی که چرخ دنده های پینیون در مراحل مارپیچی یک گیربکس چند مرحله ای ظاهر می شوند که در آن به افزایش سرعت اضافی نیاز است. هر دو نوع باید از گریدهای فولادی آلیاژی با سختی کافی برای دستیابی به لبه های دندانی سخت شده با کیس از طریق کربوریزه کردن یا نیترید کردن پس از ماشینکاری خشن ساخته شوند و سختی سطح لازم برای مقاومت در برابر حفره شدن و خستگی پهلوی دندان را در طول چندین دهه بارگذاری چرخه ای فراهم کنند.

شفت های ورودی و خروجی

شفت ورودی شفت روتور اصلی را به اولین مرحله سیاره ای گیربکس و شفت خروجی پرسرعت مرحله دنده نهایی را به کوپلینگ ژنراتور متصل می کند. هر دو شفت پروفیل‌های بار متفاوتی را تجربه می‌کنند: شفت ورودی، گشتاور بالایی را در سرعت کم با گشتاورهای خمشی بالا از روتور حمل می‌کند، در حالی که شفت خروجی، گشتاور کمتری را در سرعت بالا همراه با خستگی پیچشی ناشی از گذرای بار ژنراتور حمل می‌کند. Tiptop Heavy Forging خاطرنشان می کند که شفت پرسرعت در سیستم توربین بادی بعد از گیربکس قرار دارد و بسیار سریعتر می چرخد ​​اما گشتاور کمتری را به ژنراتور منتقل می کند و هر دو نوع شفت به ابعاد بزرگ و مواد آهنگری قوی نیاز دارند (منبع: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Tourging, Materials:

چرا آهنگری فرآیند مورد نیاز برای قطعات گیربکس است؟

تصمیم به آهنگری به جای ریخته گری اجزای درجه گیربکس یک اولویت نیست. این یک نیاز است که ناشی از نیازهای عمر خستگی ناشی از عملکرد توربین بادی است.

جریان دانه و برتری مکانیکی

آهنگری فلز را تحت نیروی فشاری بالا شکل می دهد، که حفره های داخلی را می بندد، ساختار دانه را اصلاح می کند و جریان دانه را در امتداد هندسه قطعه تراز می کند. این یک جزء با استحکام تسلیم، استحکام کششی و مقاومت در برابر خستگی به طور قابل توجهی نسبت به همان هندسه تولید شده توسط ریخته گری از همان آلیاژ تولید می کند. Tiptop Heavy Forging توضیح می‌دهد که آهنگری ساختار داخلی فلز را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که به تولید قطعات بزرگ و قابل اعتماد برای خدمات سنگین کمک می‌کند، و شفت‌های اصلی توربین‌های بادی معمولاً به‌دلیل این تفاوت ساختاری، از فولاد آهنگری ساخته می‌شوند تا اینکه به طور خاص ریخته‌گری شوند (منبع: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Tourbine).

زندگی خستگی در بارگذاری چرخه ای

اجزای گیربکس توربین بادی با هر چرخش روتور بار خستگی را تجربه می کنند و عمر طراحی 20 ساله در سرعت عملیاتی با صدها میلیون چرخه تنش در دندانه های چرخ دنده و مقطع شفت مطابقت دارد. اجزای ریخته‌گری حاوی تخلخل انقباضی، آخال‌های گازی و جهت‌گیری دانه‌های تصادفی هستند که غلظت‌های تنش ایجاد می‌کنند که در آن ترک‌های خستگی می‌توانند شروع و منتشر شوند. اجزای آهنگری با تخلخل بسته و ساختار دانه‌ای هم تراز، حد خستگی قابل‌توجهی بالاتری را ایجاد می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهد تا همان دامنه تنش را برای چرخه‌های بسیار بیشتری قبل از شروع ترک حفظ کنند. مستندات Zhangqiu Heavy Forging از حامل‌های چرخ دنده سیاره‌ای آهنگری که به عمر مفید 2 تا 3 برابر بیشتر از فرآیندهای معمولی دست می‌یابند، مستقیماً این مزیت خستگی را در شرایط خاص کاربرد کمیت می‌کند (منبع: Zhangqiu Heavy Forging، Forged Planetary Gear Carrier).

پایداری ابعادی تحت بار

دقت مش دنده به پایداری ابعادی هر جزء آهنگری تحت بارگذاری استاتیکی و دینامیکی بستگی دارد. اگر یک حامل سیاره تحت بار به گونه ای منحرف شود که موقعیت نسبی شفت چرخ دنده سیاره را تغییر دهد، تقسیم بار بین چرخ دنده های سیاره ای نابرابر می شود و چرخ دنده های سیاره ای که بیش از حد بارگذاری شده اند پیش از موعد از کار می افتند. اجزای آهنگری با خواص مواد قابل پیش بینی و یکنواخت نسبت به قطعات ریخته گری با خواص متغیر در سراسر بخش، مدل سازی و طراحی برای الزامات سختی آسان تر است.

گریدهای فولادی مورد استفاده در فورجینگ های گیربکس توربین بادی

انتخاب مواد برای آهنگری های گیربکس، سختی، چقرمگی، ماشین کاری و در دسترس بودن را در سراسر زنجیره تامین جهانی متعادل می کند.

فولاد فوهونگ تأیید می کند که 18CrNiMo7-6 و 8620 انواع فولادی هستند که عمدتاً توسط مشتریان اروپایی و آمریکایی برای گیربکس های نیروی باد استفاده می شود، که منعکس کننده ترجیحات استاندارد مواد مختلف است که در هر بازار بزرگ ایجاد شده است (منبع: فولاد فوهنگ، فولاد ویژه برای فورجینگ های تجهیزات قدرت بادی). انتخاب بین این گریدها بر اساس عملکرد چرخ دنده، عمق مورد مورد نیاز پس از کربورسازی، سختی هسته مورد نیاز برای وضعیت استرس خاص و الزامات گواهی OEM انجام می شود.

توالی عملیات حرارتی برای فورجینگ گیربکس

آهنگری در حالت فورج شده خواص مکانیکی مورد نیاز برای سرویس گیربکس را ندارد. عملیات حرارتی پس از آهنگری و ماشینکاری خشن برای دستیابی به ترکیبی از سختی سطح و چقرمگی هسته که دندانه های چرخ دنده و مقطع شفت نیاز دارند ضروری است.

1. نرمال سازی: پس از آهنگری برای کاهش تنش های پسماند، همگن سازی ساختار، و آماده سازی مواد برای ماشین کاری بعدی و عملیات حرارتی بدون اعوجاج که می تواند در آهنگری های غیر نرمال ایجاد شود اعمال می شود.
2. Quenching و Tempering: برای اجزای ساختاری مانند حامل سیاره ها و شفت ها برای ایجاد استحکام و چقرمگی هسته بالا استفاده می شود. نرخ خاموشی و دمای دما برای هدف قرار دادن قدرت تسلیم خاص و انرژی ضربه ای مورد نیاز استاندارد طراحی انتخاب می شوند
3. کربوریزاسیون و سخت شدن کیس: برای دندانه های چرخ دنده در چرخ دنده های سیاره ای، چرخ دنده های خورشیدی، چرخ دنده های حلقه ای و پینیون ها استفاده می شود. کربن در لایه سطحی تا عمق مورد مشخص پخش می‌شود، و به دنبال آن سختی کوئنچ برای دستیابی به سختی سطح معمولاً در محدوده 58 تا 62 HRC در حالی که هسته سخت باقی می‌ماند، پخش می‌شود.
4. نیترید کردن: در مواردی که اعوجاج ناشی از کربوریزه کردن غیرقابل قبول است یا در جایی که ترکیب آلیاژ برای سخت شدن انتشار نیتروژن مناسب است استفاده می شود. در دماهای پایین تر و با تغییرات ابعادی کمتر نسبت به کربوریزه کردن، به یک کیس سخت دست می یابد
5. سخت شدن القایی: برای سطوح انتخابی شافت مانند صندلی های بلبرینگ ژورنال استفاده می شود که در آن ها سخت شدن سطح موضعی بدون هزینه کربورسازی کامل مورد نیاز است.

فورج سنگین Zhangqiu انتخاب مواد و عملیات حرارتی را برای حامل های سیاره ای توصیف می کند: از فرآیندهای آهنگری قالب ترجیحی و آهنگری آزاد استفاده می شود، با موادی شامل 42CrMo، 20CrMnTi و 35CrMo فولادهای آلیاژی با استحکام بالا همراه با کوئنچ و تلطیف به علاوه کربورسازی و تعادل مورد نیاز برای رسیدن به این جزء Zhangqiu Heavy Forging, Forfed Planetary Gear Carrier).

استانداردهای کیفیت و تست برای فورجینگ های گیربکس توربین بادی

آهنگری‌های گیربکس توربین بادی مطابق با استانداردهای مواد قابل ردیابی و ابعاد با سوابق آزمایشی مستند تولید می‌شوند که قطعات را از طریق زنجیره تامین همراهی می‌کنند و برای طول عمر توربین در دسترس باقی می‌مانند.

1. تأیید ترکیب شیمیایی با تجزیه و تحلیل طیف شناسی هر گرما برای تأیید درجه مواد در محدوده مشخصات استاندارد قابل اجرا
2. آزمایش خواص مکانیکی بر روی نمونه‌های کوپنی از آهنگری یا قطعه آزمایشی که تحت شرایط مشابه آهنگری شده است، از جمله استحکام کششی، استحکام تسلیم، ازدیاد طول، کاهش سطح و انرژی ضربه چارپی در دمای آزمایش مشخص شده
3. آزمایش اولتراسونیک حجم کامل آهنگری برای تشخیص عیوب داخلی، آخال‌ها یا جداسازی‌هایی که روی سطح قابل مشاهده نیستند اما قدرت خستگی در سرویس را کاهش می‌دهند.
4. بازرسی ذرات مغناطیسی یا بازرسی نافذ رنگ سطوح برای تشخیص ترک های سطحی ایجاد شده در حین آهنگری یا عملیات حرارتی
5. بازرسی ابعادی تلورانس‌های رسم با استفاده از ماشین‌های اندازه‌گیری مختصات برای هندسه‌های پیچیده و اندازه‌گیری دقیق برای قطر حفره‌ها و راه‌های کلیدی بحرانی
6. تأیید سختی توسط آزمایش برینل یا راکول در موقعیت های مشخص شده برای تأیید اینکه عملیات حرارتی از طریق بخش به خواص مورد نیاز دست یافته است.

فرآیند ACE فورجینگ های گیربکس توربین بادی با این استاندارد کیفیت کامل، با گواهی‌های مواد، گزارش‌های آزمایش مکانیکی، سوابق معاینه غیرمخرب، و اسناد بازرسی ابعادی ارائه شده با هر جعل برای پشتیبانی از ردیابی و الزامات گواهی‌نامه OEM توربین‌های بادی و سازمان‌های گواهی آن‌ها، تولید می‌شوند.