大生清風（北京）科技有限公司，位于北京中關(guān)村科技園石景山園區(qū)，致力于風電傳動系統(tǒng)解決方案的設(shè)計、研發(fā)、施工等工作。公司目前業(yè)務(wù)板塊包括：變槳齒圈磨損修復(fù)、偏航齒圈斷齒及裂紋修復(fù)、剎車盤磨損修復(fù)、潤滑系統(tǒng)優(yōu)化等。與遠景集團、上海電氣等風機廠商以及龍源電力等風電運營廠商有良好的合作，業(yè)務(wù)分布全國十余個省市。
風電機組再制造研究所由大生清風（北京）科技有限公司和清華大學天津高端裝備研究院洛陽先進制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地共同建設(shè)，專注于風電核心部件再制造等解決方案設(shè)計、潤滑系統(tǒng)及產(chǎn)品研發(fā)等。目前已有技術(shù)包括：齒輪斷裂、磨損、裂紋等缺陷修復(fù)，剎車盤磨損修復(fù)，傳動系統(tǒng)潤滑條件優(yōu)化。
一、背景
變槳齒輪主要用于兆瓦級以上型號的風電機組上，是風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)中受力復(fù)雜的零部件之一。根據(jù)變槳驅(qū)動系統(tǒng)的工作特點，要求變槳齒輪應(yīng)具有高可靠性、運轉(zhuǎn)靈活等特點，一般變槳齒輪的設(shè)計壽命為20年，由于工作環(huán)境惡劣和交變載荷運行等原因，變槳齒輪在運行3-5后會出現(xiàn)不同程度的磨損，如不及時修復(fù)將加劇齒輪磨損，引起齒面剝落或齒輪斷齒等情況出現(xiàn)，造成風機無法正常變槳。
變槳齒輪出現(xiàn)嚴重磨損而導(dǎo)致風機無法正常變槳時，一般采用吊裝替換的方式進行維修。傳統(tǒng)吊裝更換維修不僅周期長、風險大、受地形環(huán)境影響制約，而且維修成本高、發(fā)電量損失大，是風電場業(yè)主普遍面臨的難題之一。隨著塔上維修技術(shù)的進步和新工具的出現(xiàn)，風電齒輪箱塔上維修范圍從早期的漏油處理、外部件更換，到失效齒輪的再制造等維修范圍不斷擴大。2017年12月，由國家十二部門聯(lián)合印發(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》通知明確指出，在核電、水電、風電、火電裝備等設(shè)計、制造環(huán)節(jié)使用再制造技術(shù)，實現(xiàn)大型、復(fù)雜零部件的快速原型制造、直接制造和修復(fù)。
二、變槳齒輪磨損分析
風機長期處于低速、重載及交變載荷的工況中，而風機變槳驅(qū)動系統(tǒng)為典型的開式齒輪傳動，其主要失效方式為相對滑動引起的齒面磨損。由于風機特殊的控制策略，風機變槳驅(qū)動系統(tǒng)在其工作壽命的70%時間里，都是由0°位置附近齒承受往復(fù)微動嚙合，如下圖所示。因此在長時間的交變載荷作用下，驅(qū)動齒與0°位置附近齒嚙合頻率高，其表面易出現(xiàn)因接觸疲勞引起的麻點、剝落及微點蝕等，從而加劇磨損。
圖片來源：凡增輝, et al. 風機變槳齒輪磨損分析與計算[J]. 機械傳動, 2014(8):89-91.
圖1 不同嚙合位置作用時間分布圖
根據(jù)ISO 6336-5:2003標準，對風機變槳齒輪磨損分析和計算得出，當齒輪模數(shù)m＞10mm～16mm時，齒面有效淬火層深度h≤2mm。因此，風電機組變槳齒輪單邊的最大磨損量為不超過2mm。當變槳齒輪單邊磨損量超過2mm時，應(yīng)及時對淬火層進行再制造修復(fù)，確保風機正常運行。
三、再制造修復(fù)難點
（一）工藝難點
變槳齒輪大部分使用42CrMo材料（參照標準GB/T 3077-2015）制備，屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼。變槳齒輪為得到較高的強度性能，采用整體調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）后表面淬火的方式處理，加工后，齒輪表面硬度可達到HRC60。42CrMo的含碳量較高（0.38～0.45%），并加入其它合金元素，以保證鋼的淬透性，消除回火脆性，再通過調(diào)質(zhì)處理獲得綜合性能較好的高強鋼，具有高強度和高硬度特性，但韌性相對較低。因此，再制造技術(shù)在變槳齒輪修復(fù)中應(yīng)用時，對工藝要求極高。
（二）工況難點
高空修復(fù)對增材制造技術(shù)和設(shè)備限制較大，變槳齒輪受力頻繁且復(fù)雜，這些因素對修復(fù)工藝和材料要求極高。修復(fù)材料應(yīng)具有較高的強度特性，能經(jīng)受惡劣的工況，與齒輪結(jié)合性好，修復(fù)后不發(fā)生剝落。此外，這種工況惡劣的齒輪不能進行多次維修，多次維修頻繁的熱輸入對基體影響極大，容易造成齒輪出現(xiàn)斷齒情況。
四、修復(fù)方案
針對變槳齒輪淬火層的再制造修復(fù)需求，提出“顆粒增強增材制造+再制造升級”的思路。對齒輪進行預(yù)處理后，現(xiàn)場作業(yè)，進行再制造修復(fù)，使得齒面尺寸得到恢復(fù)。修復(fù)材料選擇自主研發(fā)的顆粒增強金屬基復(fù)合強化材料H17。H17屬于高耐磨性金屬基強化復(fù)合材料，材料性能德國SGS認證，耐磨性處于國際領(lǐng)先水平。H17在充分考慮材料配副性的同時，可提高修復(fù)齒的耐磨性。同時利用獨特的材料設(shè)計，使得修復(fù)齒面具有自潤滑效果，服役過程中可以改善潤滑條件，進一步提高齒輪服役壽命。
圖2 核心材料
基于工藝及工況難點，變槳齒輪再制造修復(fù)過程中應(yīng)嚴格控制焊層厚度、焊道長度及層溫等，并選用合適的焊接參數(shù)控制來實現(xiàn)材料焊接和材料強化，修復(fù)流程如下圖所示。該修復(fù)技術(shù)可實現(xiàn)平均3天完成1臺風機修復(fù)，修復(fù)后齒面的尺寸、硬度等得到恢復(fù)，風機可穩(wěn)定運行。
圖片來源：現(xiàn)場施工拍攝
圖3 關(guān)鍵修復(fù)過程：焊接、打磨、檢測
圖片來源：現(xiàn)場施工及后續(xù)檢測拍攝
圖4 修復(fù)前后對比（修復(fù)后效果圖拍攝于風機運行一年后）
五、修復(fù)業(yè)績
大生清風（北京）科技有限公司研發(fā)的風電機組變槳齒輪淬火層修復(fù)技術(shù)通過再制造技術(shù)登塔作業(yè)，可有效進行淬火層的再制造，恢復(fù)齒輪精度，提高齒面強度和耐磨性，從而延長齒輪的使用壽命，工藝解決了風電機組變槳齒輪淬火層磨損問題，同時大大降低了修復(fù)周期，保證風場正常發(fā)電，提高發(fā)電效率。2019年，公司承接風電機組變槳齒輪磨損修復(fù)總數(shù)約40臺，修復(fù)齒數(shù)300余個，業(yè)務(wù)分布全國十余個省市，修復(fù)效果均得到業(yè)主認可。
大生清風（北京）科技有限公司
地 址：北京市石景山園區(qū)
業(yè)務(wù)聯(lián)系：姜慧韜 133-0133-3927
