風電增速箱的磨齒裂紋分析與消除

孫二平

中廣核風電有限公司內蒙分公司，內蒙古包頭 014080

0 引言

最近幾十年來，隨著我國用電量的不斷增大，國家對風力發電的投入力度也不斷提高，風力發電工程的發展方興未艾。在風力發電設備中，風電增速箱是一個核心的傳動部件，風電增速箱的質量和使用壽命，特別是其內部使用的齒輪磨削質量，對整個風力發電裝置的高效運行有著至關重要的影響。磨齒裂紋是在齒輪磨削中常常遇到一個嚴重問題。

1 磨齒裂紋及其危害

1.1 磨齒裂紋的形式

對于高精度齒輪，其產生磨齒裂紋的位置一般為磨齒加工的表面，有些裂紋形狀為垂直條狀，而有些會呈平行條狀或者長方網絡狀。 在進行磨齒加工過程中，如果不發生齒輪的熱處理質量問題，則一般不會出現某個齒輪的全部磨齒都出現裂紋的現象，大部分磨齒裂紋只是存在于某個磨齒或者某幾個磨齒。產生磨齒裂紋的原因一般是機床性能、磨削工藝或者對機床操作不當等。

1.2 磨齒裂紋的危害

風力發電機組一般安裝在海島、海灘、荒野或者高山等風口處，所處的環境比較惡劣，對設備的維護比較困難，所以，如果風電增速箱內的高精度齒輪在工作過程中出現裂紋現象，設備中的潤滑油就有可能侵入到高精度齒輪的裂紋中，齒輪工作時產生的嚙合作用會在齒面產生較大的壓力，在這樣的壓力作用下進入到磨齒裂紋的油壓不斷升高，油壓的升高會對磨齒裂紋有一定程度的擠脹作用，從而使得高精度齒輪不斷產生磨齒裂紋和點蝕的現象[1]，對高精度齒輪的工作效率產生重要的影響，進而拖垮整個風力發電裝置的正常運轉工作。

2 磨齒裂紋的預防

產生磨齒裂紋的原因一般是機床性能、設備故障、磨削工藝或者對機床操作不當，使得在磨齒的過程中出現磨削熱過于集中的現象所引起的。

2.1 合適的磨齒加工溫度

在加工磨齒時，選擇合適的加工溫度不僅能夠降低由于溫度變化過于尖銳引起的齒輪變形，還能夠減少加工齒輪的設備出現故障的頻率。就目前來說，能夠生產磨齒機的廠家在國外主要有HOFLER、PFAUTER 以及Niles 等多家知名企業， 而國內的廠家主要為秦川機床廠。磨齒是齒輪加工工藝中最為關鍵的一道工序，磨齒的質量直接決定了齒輪的精度等級，所以在加工齒輪時，保持磨齒機的穩定運作是至關重要的，而加工環境的溫度對機床的加工質量和運轉狀態有著直接的影響，所以我們應選擇合理的加工溫度[2]。一般在生產齒輪時應保證安裝磨齒機在溫度穩定的環境下工作，其溫度以24℃最為適宜，浮動范圍應在2℃以內。

2.2 砂輪材質

由于白剛玉砂輪的硬度較低以及粒度較粗，所以在加工磨齒時所用的砂輪應選擇白剛玉砂輪，選擇這樣的砂輪不僅能夠滿足砂輪強鋒利性的要求，而且便于對砂輪進行沖洗處理，并且還能減少在工作過程中由于摩擦時產生的熱量等。在進行磨齒加工的過程中，砂輪工作的硬度過高或者粒度過大都會在磨齒過程中就會產生大量的熱，這樣就使得高精度齒輪出現磨齒裂紋的現象大大增加。

2.3 修整間隔

在磨齒加工過程中對砂輪的修整是一項很重要的工作，為了確保工作砂輪進給量的準確可靠，我們可以采用特殊的材料如單粒金剛石（或金剛輪）作為砂輪的修整裝置，以達到對砂輪由于在工作中不斷磨削而產生的磨損的補償的目的。需要注意的是，砂輪修整的間隔時間過長會直接加大砂輪進給量的誤差 [3]，這是因為在砂輪工作的過程中，每對其進行一次修整都要檢測工作砂輪的規格，由于砂輪磨損而產生的誤差是由修整間隔時間段內的補償值來抵消的，如果對砂輪修整的時間過長，則產生的誤差累積到一定的程度就會超出砂輪的實際補償值與理論補償值的誤差范圍極限值，從而導致在此段時間內加工的高精度齒輪的磨齒質量愈來愈低。

2.4 砂輪動平衡效果

就砂輪來說，砂輪不平衡的可容許范圍即為砂輪的平衡值。在其他條件一定的情況下，使用砂輪的動平衡效果越好，則生產出的磨齒質量越高。但是正常使用的砂輪雖然經過靜平衡試驗檢測，由于靜平衡實驗檢測具有一定的局限性，不能對砂輪的運動平衡效果進行評價。理論上說，砂輪的質心在砂輪中心點時的動平衡效果最好，運轉非常穩定。但是砂輪的質心位置并不是決定砂輪的平衡效果唯一因素，機床的綜合性能以及砂輪驅動電機也對其動平衡效果有重要影響。在在實際加工中，由于各種因素的影響砂輪的質心總是偏離其中心一定位置。為了減小質心與中心位置的偏差，可以將砂輪主軸內兩個小電機相對位置進行適當的調直。 如果砂輪的平衡量增大到一定程度就可以忽略砂輪的偏心問題， 相當于砂輪的中心與質心重合。

2.5 磨齒冷卻效果

良好的磨齒冷卻效果能有效提高磨齒的質量。在加工過程中經常使用的方法是使用冷卻液，這樣可以將由于磨削工作而產生的熱量不斷的從工件表面帶走，以達到避免齒輪表面的磨削熱過于集中的目的。在高精度齒輪磨齒過程中最常用的是福斯牌46#冷卻油，冷卻油流量大都在40L/min 以上[4]。

2.6 磨削量和線速度

磨削量和線速度對磨齒質量也有重要影響。在切削速度很高而砂輪與齒輪的接觸面積很小時，加工產生的熱量得不到及時的散開，引起接觸部位溫度的迅速升高，不斷增加的熱應力降低了磨齒的質量。由于單位時間內切除的金屬量越多，則產生的熱量越多，因此在磨齒時還應將磨削深度以及進給量適當降低。

3 結論

綜上所述，確保生產齒輪的設備性能良好以及齒輪磨削工藝的科學合理能夠降低磨齒裂紋的產生，及大地降低了磨齒產品的報廢率，為風電增速箱的正常工作打下了基礎，具有非常重要的經濟效益。

[1]王秀芹.如何防止滲碳淬火齒輪磨削裂紋的產生[J].煤礦機械，2009(8)：75-76.

[2]劉丹，谷洪亮，陽可軍.風電增速箱的磨齒裂紋分析與消除[J].機電工程技術，2010(4)：293-300.

[3]李紅革.風電增速箱零件的材料及其熱處理[J].熱處理技術與裝備，2010(4)：129-136.