基于重載齒輪高服役性能的微觀控制工藝優化研究＊

劉 松 呂鵬昊

（1.廣東松山職業技術學院，廣東韶關 512126；2.韶關市中機重工股份有限公司，廣東韶關 512126）

1 齒輪技術優化的必要性

廣東省“雙十”戰略中明確，重點發展先進材料、高端裝備制造等產業集群，在核心基礎零部件的產業化進一步取得突破；《韶關市培育發展戰略性支柱產業集群和戰略性新興產業集群實施方案（2021—2025 年）》指出，以寶武韶鋼為龍頭，重點打造先進制造業“先進材料—裝備基礎件/零部件”產業鏈和產業生態體系，實現“灣區研發，韶關轉化”。韶關作為廣東乃至華南地區裝備制造原材料特別是特種鋼料的生產基地和深加工基地，具有舉足輕重的地位，重載齒輪技術的研究緊跟廣東省及韶關的發展戰略[1]。

1.1 突破自身技術壁壘、突破國際技術封鎖的需要

本項目關聯單位于2010 年為中海油成功研發出JU-2000E 鉆井平臺的爬升齒輪。2010 年之前，該關鍵部件一直依靠進口，為中山明陽機電、遠景等公司研制的極端環境使用的風電機組齒輪，實現了以產頂進的目的，填補了國內同類產品的空白，但為全面提升使用性能，實現高端齒輪研究任重道遠。期望依托韶關鋼鐵行業優勢力量，聯合松山職業技術學院綠色與智能制造工程技術研究開發中心資源和技術優勢，加強對高端重載齒輪用鋼冶煉技術研究。

1.2 我國海洋工程裝備、風電新能源裝備性能提升的迫切需求

國家戰略部署，海上能源規劃、新型的海洋建設平臺、風電新能源等各類工程裝備大量需求。為全面推進高端海洋工程裝備的優化，必須進一步提高爬升裝置、爬升齒輪的使用性能，高重載、高可靠性、免維護齒輪用鋼是裝備的性能命脈[2]。

1.3 提升創新水平、邁進國際企業的需要

依托項目組及松山職業技術學院綠色與智能制造工程技術研究開發中心在冶金技術與節能技術方面的資源優勢，在重載齒輪制造核心技術上找自身優勢、尋合作，取得再次突破；通過開展核心、關鍵技術攻關，提升國內鋼鐵冶煉、鍛造、熱處理成品精加工、產品檢驗評價等行業的創新水平，助力韶關材料深加工企業向國際一流企業邁進。

2 重載齒輪技術應用路線

高服役性能：高可靠性、免維護、重載；廣泛應用于海洋工程裝備、新能源等新興產業。

2.1 面向海洋工程裝備，滿足重載、長效工作要求

2013 年10 月6 日，海洋石油941 平臺在PY10-2 導管架壓載過程中發生穿刺，導致該平臺2#樁L3 爬升齒輪斷齒，其余35 個爬升齒輪都存在不同程度的齒面磨損及裂紋。當時只有5 個進口爬升齒輪到貨平臺。鑒于進口爬升齒輪到貨周期長、無法滿足平臺出廠工期的要求，需在國內查找有升降裝置生產業績的廠家緊急加工爬升齒輪17 個，其中1 個是用于船級社要求的1.5 倍最大靜態載荷進行測試，以滿足船級社退審意見的要求，另外16 個左1.1 倍最大靜態載荷測試后，回裝平臺使用。本項目關聯單位因同類業績優秀，指定成為供貨商。

2.2 面向風電增速齒輪箱，滿足高可靠性、長使用壽命要求

隨著國家能源戰略性布局，新能源已成為我國產業發展最快的一個行業。風力發電在新能源領域內占據著重要位置。因為風電增速齒輪面臨著高寒、多塵、高熱、多風等復雜惡劣環境，再加上交流與維修不便，故對其可靠性和應用壽命都提出了比常規傳動設備高的要求。齒輪材料除高強度外，還應具有在低溫狀態下抗冷脆性的特點。因此，風力發電的齒輪箱更加關注高可靠性和免維護期限[3]。

3 高服役性能研究方向

海洋工程裝備的爬升傳動裝置、風力發電的齒輪箱性能提升，更應關注重載齒輪的高可靠性和免維護期限，對齒輪結構優化和齒輪高性能材料都提出了更高要求。這一關鍵技術的系統開發及研制，關系到封鎖技術的突破和國產化的實現。

3.1 海洋工程裝備方面

海洋石油鉆井平臺、海洋工程建設平臺等均依靠爬升傳動裝置來實現平臺的平穩升降作業，平臺重量一般為4000 ～11000t，其爬升齒輪是典型的大規模、重負荷、高強度齒輪，是海洋工程裝備的關鍵性部件，主要參數如表1 所示。2010 年之前，該關鍵部件一直依靠進口。10余年來，我國企業一直致力于突破自身技術壁壘、突破國際技術封鎖，實現產品國產化。

表1 海洋平臺爬升齒輪性能參數

3.2 風電新能源裝備方面

由于風電設備大部分安裝在沿海區域、沙漠地帶、高海拔地區等出風口，高溫、沙塵、多雨等極端天氣肆虐，受無序風向、大小不規則荷載變化等影響。此外，設備所處地理位置出行不易，而且變速箱所處位置一般又在平常狀態下難以觸及的地方，一旦發生故障，很難修復。每一次此類設備因為故障診斷、維修更換、零部件準備、測試等所耗費的時間對電能生產產能的影響都巨大，在這個過程中，風力設備一直會處于長時間的閑置期。因此，其可靠性和使用壽命要遠高于普通齒輪傳動裝置，齒輪材料除高強度外，還應具備在低溫狀態下齒輪抗冷脆性的優勢，如圖1 所示。

圖1 維修時間與生產力損失示意圖

4 研究方法

4.1 分析法與綜合法

將重載齒輪的長效性、免維護性作為整體研究對象，將整體性能要求分為齒輪鋼工藝、毛坯加工控制與優化、精度測試與壽命評價等各個方面加以分析研究。把全體樣本分解為局部,把多樣性事物分解為單一要素分離，實現對重載齒輪性能要求的本質認識[4]。

4.2 比較分析法

比較齒輪坯熱加工鍛造工藝中產品微觀組織的控制與優化；將鍛造及鍛后工藝對組織均勻性、超細化的控制機理等問題進行區分，以認識其差別、特點和本質。采用數據縱向比較、類似產品橫向比較、經驗教訓比較、正反比較、各種異同的比較。此外，鍛造及鍛后工藝對組織均勻性、超細化的控制機理也需要進行分組，采用比較分析法。

4.3 試驗論證法

針對高端齒輪鋼冶金工藝的優化，包含成分優化設計、冶煉及再結晶凝固控制機理及優化工藝、再提純工藝（氣體保護電渣重熔）、熱加工鍛造工藝對產品微觀組織的控制與優化；通過分層分級試驗，驗證參數對產品性能提升質量的作用機制[5]。

4.4 定性與定量分析法

項目組對文獻、使用方、各類標準進行調研，通過定性剖析劃清各類目標的界限，確定高可靠性齒輪成品熱處理工藝優化與性能指標、齒輪服役性能，齒輪精度的測試與評價、使用壽命的評價指標。通過定量分析對指標的規模、范疇、數目等數量關系進行準確的統計,計算、分析、比照、弄清指標間量的變化關系。

5 技術路線

本項目在可行性研究之前進行了大量的調查與準備工作，包括查閱資料、科技研發人員專題會議，市場調查研究、研究對象現狀、齒輪鋼來源、試驗場地與設備、可行論證等，如圖2 所示。

圖2 項目研發技術路線圖

6 實驗方案

6.1 齒輪用鋼冶煉及凝固再結晶工藝優化方案

針對用于陸地、海洋風力發電齒輪用鋼，海上石油鉆井平臺爬升齒輪用鋼，進行最優成分設計。

通過齒輪鋼冶煉工藝優化，控制鋼的純凈度、夾雜物、偏析等，提高齒輪的壽命。

通過齒輪鋼的再提純工藝優化、實驗氣體保護電渣重熔生產工藝，進一步提高鋼錠的純凈度，改變其微觀組織結構[6]。

6.2 齒輪鋼的微觀組織控制及工藝優化方案

通過齒輪鋼的鍛造工藝研究及優化，針對齒輪鋼的性能指標要求，制定并優化鍛造工藝，控制金屬流向，提高徑向沖擊性能[7]。

通過齒輪的機加工及成品、熱處理工藝研究及優化，制定合理的齒輪冷加工工藝，提升工藝精度；制定齒輪的熱處理工藝，提升工藝性能[8]。

6.3 齒輪的冷加工、最終熱處理及服役性能評價方案

（1）以齒輪鋼服役性能及加工參數為試驗目的；（2）擬訂試驗大綱；（3）準備試驗器材；（4）進行試驗操作；（5）處理試驗數據；（6）撰寫試驗報告。

隨著先進裝備制造業的發展，對打造機器零部件的材料、核心零部件性能都提出了更高的要求。眾所周知，機械裝備中基礎材料、基礎工藝、基礎零件占據著重要位置，一個國家的“三基”發展水平，決定了其裝備制造業在國際上的地位。

7 結語

本文支撐項目瞄準海洋工程裝備、風電新能源裝備的高服役性能重載齒輪，而齒輪材料是齒輪承載能力的基礎，是完成其傳動功用和可靠性運轉的前提，正是此類齒輪基于重載、長效、免維護的高端功能要求，準確駕馭滲碳齒輪鋼的生產技術、微觀組織控制等，是在多變環境下，實現重載齒輪抗疲勞長壽命的基本保證[9]。松山職業技術學院綠色與智能制造工程技術研究開發中心也在綠色制造節能制造方面取得相當優秀的業績，而韶關市中機重工有限責任公司作為國資背景、行業省高新技術企業、重載齒輪等特種零部件研發生產型企業，在韶關具有核心龍頭地位，此研究方向緊跟國家行業及產業的發展導向。