基于再制造技術的變槳齒圈磨損在線修復研究

姚鵬 陳超凡 劉洪冰 楊林 王金生 李仁堂

并網型風電機組功率調節(jié)方式主要有定槳距失速調節(jié)和變槳距變速調節(jié)：定槳距失速控制是傳統(tǒng)的控制方式，葉片的槳距角固定不變；變槳距控制是根據風速變化來調整葉片的槳距角，從而控制發(fā)電機的輸出功率。目前大部分風電機組都使用變槳技術。變槳距執(zhí)行機構分為液壓變槳距和電動變槳距兩類。其中電動變槳距執(zhí)行機構又分為兩種，一種是變槳電機帶動減速機通過齒形帶驅動變槳軸承旋轉；另一種是變槳電機帶動減速機通過輸出端小齒輪與變槳軸承的內齒圈（以下簡稱“變槳齒圈”）嚙合驅動變槳軸承旋轉。

在電動變槳齒輪驅動的這類變槳系統(tǒng)中，變槳齒圈是風電機組傳動系統(tǒng)中受力最復雜的零部件之一。根據《風力發(fā)電機組設計要求》（GB/T 18451.1-2012 ），對于I到III級風力發(fā)電機組，變槳齒圈的設計壽命應不小于20年，但由于工作環(huán)境惡劣以及承受交變載荷等原因，變槳齒圈在運行3至5年后會出現(xiàn)不同程度的磨損。如不及時修復，齒圈磨損將加劇，影響變槳精度，甚至產生齒面剝落、輪齒折斷等失效形式，導致風電機組變槳系統(tǒng)無法正常工作，嚴重時可引起飛車等大型事故。

目前，針對磨損的變槳齒圈，最常用的解決方案是吊裝后更換。但風電場多建于山區(qū)、海邊及戈壁等偏遠地區(qū)，該方案不僅周期長、風險大且在偏遠地區(qū)實施難度大，易造成維修成本高、發(fā)電量損失大等問題，給廣大風電場業(yè)主造成了巨大困擾。隨著塔上維修技術的持續(xù)進步及再制造技術的不斷發(fā)展，采用堆焊法、電鍍法及鑲齒法等再制造技術在線修復變槳齒圈成為了一種很好的選擇，該技術可快速、有效地對齒輪磨損、剝落及斷齒等失效進行修復，恢復零部件的機械性能，達到再次服役要求，延長使用壽命，從而降低運維成本。

本文分析了再制造修復難點，提出了采用焊接方法的再制造修復思路，同時針對自主研發(fā)材料FD03開展工藝試驗，并通過實際工程案例驗證了采用該材料及相應工藝修復變槳齒圈的可行性，相關研究成果可為風電機組核心部件在線修復提供參考。

再制造修復材料、工藝及試驗

根據該公式計算可得其碳當量Ceq值高達0.893%，焊接性差。焊接過程中，焊道在凝固結晶時，易形成含碳量高、硬度大的馬氏體組織，從而導致過熱區(qū)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，同時焊道結晶溫度區(qū)間跨度大，偏析傾向嚴重，具有較大的熱裂紋敏感性，因此，選取合適的材料和工藝對于變槳齒圈修復至關重要。

其次，高空無法做熱處理。焊接結束后，母材的熱影響區(qū)易產生淬硬組織，加之變槳齒圈的尺寸較大，冷卻速度快，又非常容易產生冷裂紋。因此，對于修復后的齒，需要將焊接處及周邊部分區(qū)域均勻加熱至500～600℃，然后用石棉布包裹，使其緩慢冷卻。然而，在輪轂中，受限于空間構造、冷卻時間、安全要求等多方面，以上熱處理均無法開展。因此，需開發(fā)新的去應力工藝技術。

再次，齒的性能為“內韌外硬”，這就要求修復材料滿足雙重性能。參照《滾動軸承風力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717-2013）規(guī)定，齒輪設計時，要求齒輪調質后-40℃低溫沖擊功KV2不應低于27J，調質硬度為260～300HBW，確保齒的內部具有一定韌性，以使齒輪可在受載情況下發(fā)生一定變形，避免出現(xiàn)脆斷；對齒面進行表面感應淬火，使其硬度達到50～60HRC，以提升齒面強度及耐磨性。因此，采用再制造技術修復變槳齒圈需精心設計材料和工藝，以滿足齒的“內韌外硬”要求。

而且，該標準規(guī)定變槳齒圈齒面有效硬化層深度應符合表1的規(guī)定。變槳齒圈的模數(shù)一般在10～16mm之間，因此有效硬化層深度應達到2.0mm。若變槳齒圈的齒面磨損量達到2.0mm，后續(xù)齒的磨損速度會大大加快。

因此，根據上述變槳齒圈性能特點及要求，結合變槳齒圈磨損情況，在線修復需選用兩種材料，本研究選用自主研發(fā)材料FD03和FD18，其中，F(xiàn)D03為高硬、高耐磨材料，可滿足變槳齒圈“外硬”要求，F(xiàn)D18為高強、高韌性材料，可滿足變槳齒圈“內韌”要求。對于磨損量小于2mm、只需要修復表面淬硬層的齒，直接采用FD03焊接修復；對于磨損量大于2mm、淬硬層磨損殆盡傷及內部韌性部分的齒，先用FD18焊接打底，隨后用FD03焊接修復表面。

由于變槳齒圈出現(xiàn)的異常磨損主要發(fā)生于表面，而表面修復采用的材料為FD03，因此，本文主要介紹FD03工藝試驗結果。試驗通過硬度、耐磨性及與42CrMo的結合強度等相關數(shù)據，驗證了再制造修復的可行性。試驗內容包括：取樣分析金相組織、顯微硬度、耐磨性及抗拉強度等，通過試驗分析選取最優(yōu)工藝及獲得相關性能數(shù)據。

一、金相組織與硬度

制作試樣時，分別采用氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊和混合氣體保護焊三種堆焊焊接方法制備對比試樣。

氬弧焊焊接：基材為調質態(tài)的42CrMo，尺寸為150mm×150mm×30mm，直流正接極性，焊接材料為FD03焊絲，焊接位置為立向上焊，焊前預熱，保護氣體為不低于99.99%純度的氬氣，氣體流量為10～15L/min，焊接電流為158A，焊接電壓為5～12V，焊接速度以形成連續(xù)熔池為宜，短弧施焊，多層多道焊，道間溫度控制在100～350℃，焊道間需清理打磨，并對焊縫錘擊去應力。

二氧化碳氣體保護焊焊接：基材為調質態(tài)的42CrMo，尺寸為150mm×150mm×30mm，直流反接極性，焊接材料為FD03焊絲，焊接位置為立向上焊，焊前預熱，保護氣體為CO2氣體，氣體流量為20～30L/min，焊絲干伸出長度為10～20mm，焊接電流為122A，焊接電壓為18～22V，焊接速度以形成連續(xù)熔池為宜，短弧施焊，多層多道焊，道間溫度控制在100～350℃，焊道間需清理打磨，并對焊縫錘擊去應力。

混合氣體保護焊焊接：基材為調質態(tài)的42CrMo，尺寸為150mm×150mm×30mm，直流反接極性，焊接材料為FD03焊絲，焊接位置為立向上焊，焊前預熱，保護氣體為CO2（85%）+Ar（15%）的混合氣體，氣體流量為20～30L/ min，焊絲干伸出長度為10～20mm，焊接電流為122A，焊接電壓為18～22V，焊接速度以形成連續(xù)熔池為宜，短弧施焊，多層多道焊，道間溫度控制在100～350℃，焊道間需清理打磨，并對焊縫錘擊去應力。

焊接結束后，對試驗樣件進行染色探傷檢測，確保焊接樣件無裂紋、氣孔及夾渣情況出現(xiàn)。之后，利用數(shù)控線切割機床對不同工藝下的試塊進行橫向剖切，經過熱鑲樣―粗磨―精磨―拋光處理后，制備出金相試塊并進行金相組織觀察分析（如圖1）。試驗結果表明，F(xiàn)D03焊絲在氬弧焊工藝下，可以得到優(yōu)于二保焊和混合焊的顆粒增強的復合強化組織，在板條狀馬氏體基體上彌散分布了大量微米級碳化物顆粒，這種組織有利于提高熔覆層的強度以及抗磨粒磨損性能。同時，選取10個點對焊接后的材料進行顯微硬度測試，測試結果見表2。由表可推知，該材料的硬度平均值達到了52.8HRC，滿足變槳齒圈設計要求。

結合金相組織及硬度試驗結果，同時考慮到氬弧焊熱量集中、電弧穩(wěn)定、飛濺小且易在高空輪轂中實現(xiàn)等因素，耐磨性及結合強度測試僅針對FD03氬弧焊工藝開展。

二、耐磨性試驗

結合變槳齒圈運行方式，耐磨測試采用MHK高速環(huán)塊摩擦磨損試驗，配油潤滑。使用氬弧焊工藝將FD03制備成MHK高速環(huán)塊摩擦磨損試驗的下試塊，對比件為調質態(tài)42CrMo。上試塊采用一致的GCr15淬火件，硬度為60HRC。在相同試驗參數(shù)下，試驗件的失重情況即可表征耐磨性。MHK高速環(huán)塊摩擦磨損試驗結果（表3）表明，氬弧焊工藝下，F(xiàn)D03得到的顆粒增強的復合強化組織具有良好的耐磨性，試塊的磨損失重約為42CrMo的2/3。此外，與FD03配副的試件失重小于42CrMo的配副試件。由此可知，F(xiàn)D03不僅具有優(yōu)異耐磨性，使用FD03修復的齒，將不會加劇驅動齒的磨損。

三、結合強度測試

通過拉伸破壞試驗，對熔覆層與基體之間的結合強度進行測試，對比件為42CrMo調質試塊。參照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1-2010）將氬弧焊工藝試件制備成3mm厚的片狀試驗樣塊，中間區(qū)域為熔覆層，如圖2所示。試驗過程中記錄應力-應變曲線，以斷裂強度表征熔覆層結合強度，同時測量試塊最大彈性應變值，測試結果如圖3所示。測試結果表明，試塊斷裂區(qū)域為熔覆層與基材結合區(qū)域。從圖3拉伸曲線可以看出，F(xiàn)D03與42CrMo的結合強度達到了42CrMo基體自身的80%以上，熔覆層結合牢固。

綜合金相組織、硬度測試、耐磨性測試和結合強度測試等的結果考慮，采用FD03及相應的氬弧焊工藝可以滿足變槳齒圈的在線修復要求。

應用案例

以河北某風電場風電機組變槳齒圈磨損修復為例，修復前檢測發(fā)現(xiàn)，風電機組變槳齒圈齒頂厚度由12mm降低至8.05mm（單邊磨損量約為2mm），出現(xiàn)淬硬層磨損殆盡情況。

根據前期試驗結果，本次再制造修復使用的材料為FD03焊絲，焊接工藝采取氬弧焊，修復流程為：清理打磨→焊前去氫→耐磨層堆焊→去應力→去焊渣→保溫緩冷→打磨修型→修復檢測，關鍵修復過程如圖4所示。

修復后，使用硬度檢測儀、齒厚游標卡尺、三維測量卡規(guī)及染色探傷劑對齒型進行檢測，檢測結果表明：齒面硬度為50±5HRC，滿足風電機組變槳系統(tǒng)運行要求；齒型及探傷檢測合格，表面無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接質量合格。

截至目前，該風電機組變槳齒圈運行狀況良好。修復效果表明，選擇正確、合適的材料及工藝，可滿足變槳齒圈磨損在線修復要求。修復后，齒輪尺寸、齒面硬度及耐磨性得到恢復，在延長齒輪使用壽命的同時，可大大降低停機帶來的電量損失，保證風電場正常發(fā)電，提高發(fā)電效率。

結論

變槳齒圈是風電機組的核心部件之一，由于特殊的運行工況及環(huán)境，變槳齒圈磨損情況廣泛存在，對風電機組的運行造成了不良影響。本文介紹了一種基于再制造技術的變槳齒圈磨損在線修復技術，參照國家相關標準要求，通過氬弧焊工藝，對磨損齒進行在線修復。修復后的齒尺寸、硬度等參數(shù)均得到恢復，滿足變槳齒圈再次運轉服役條件。本文所述再制造修復技術具有質量好、效率高、成本低等諸多優(yōu)勢，可為風電機組核心部件的維修提供一種新的參考方案。

[作者單位：姚鵬，陳超凡，劉洪冰，楊林，王金生：清華大學天津高端裝備研究院洛陽先進制造產業(yè)研發(fā)基地，大生清風（北京）科技有限公司；李仁堂：龍源（北京）風電工程技術有限公司]