风电增速箱的磨齿裂纹分析与消除

孙二平

中广核风电有限公司内蒙分公司，内蒙古包头 014080

0 引言

最近几十年来，随着我国用电量的不断增大，国家对风力发电的投入力度也不断提高，风力发电工程的发展方兴未艾。在风力发电设备中，风电增速箱是一个核心的传动部件，风电增速箱的质量和使用寿命，特别是其内部使用的齿轮磨削质量，对整个风力发电装置的高效运行有着至关重要的影响。磨齿裂纹是在齿轮磨削中常常遇到一个严重问题。

1 磨齿裂纹及其危害

1.1 磨齿裂纹的形式

对于高精度齿轮，其产生磨齿裂纹的位置一般为磨齿加工的表面，有些裂纹形状为垂直条状，而有些会呈平行条状或者长方网络状。 在进行磨齿加工过程中，如果不发生齿轮的热处理质量问题，则一般不会出现某个齿轮的全部磨齿都出现裂纹的现象，大部分磨齿裂纹只是存在于某个磨齿或者某几个磨齿。产生磨齿裂纹的原因一般是机床性能、磨削工艺或者对机床操作不当等。

1.2 磨齿裂纹的危害

风力发电机组一般安装在海岛、海滩、荒野或者高山等风口处，所处的环境比较恶劣，对设备的维护比较困难，所以，如果风电增速箱内的高精度齿轮在工作过程中出现裂纹现象，设备中的润滑油就有可能侵入到高精度齿轮的裂纹中，齿轮工作时产生的啮合作用会在齿面产生较大的压力，在这样的压力作用下进入到磨齿裂纹的油压不断升高，油压的升高会对磨齿裂纹有一定程度的挤胀作用，从而使得高精度齿轮不断产生磨齿裂纹和点蚀的现象[1]，对高精度齿轮的工作效率产生重要的影响，进而拖垮整个风力发电装置的正常运转工作。

2 磨齿裂纹的预防

产生磨齿裂纹的原因一般是机床性能、设备故障、磨削工艺或者对机床操作不当，使得在磨齿的过程中出现磨削热过于集中的现象所引起的。

2.1 合适的磨齿加工温度

在加工磨齿时，选择合适的加工温度不仅能够降低由于温度变化过于尖锐引起的齿轮变形，还能够减少加工齿轮的设备出现故障的频率。就目前来说，能够生产磨齿机的厂家在国外主要有HOFLER、PFAUTER 以及Niles 等多家知名企业， 而国内的厂家主要为秦川机床厂。磨齿是齿轮加工工艺中最为关键的一道工序，磨齿的质量直接决定了齿轮的精度等级，所以在加工齿轮时，保持磨齿机的稳定运作是至关重要的，而加工环境的温度对机床的加工质量和运转状态有着直接的影响，所以我们应选择合理的加工温度[2]。一般在生产齿轮时应保证安装磨齿机在温度稳定的环境下工作，其温度以24℃最为适宜，浮动范围应在2℃以内。

2.2 砂轮材质

由于白刚玉砂轮的硬度较低以及粒度较粗，所以在加工磨齿时所用的砂轮应选择白刚玉砂轮，选择这样的砂轮不仅能够满足砂轮强锋利性的要求，而且便于对砂轮进行冲洗处理，并且还能减少在工作过程中由于摩擦时产生的热量等。在进行磨齿加工的过程中，砂轮工作的硬度过高或者粒度过大都会在磨齿过程中就会产生大量的热，这样就使得高精度齿轮出现磨齿裂纹的现象大大增加。

2.3 修整间隔

在磨齿加工过程中对砂轮的修整是一项很重要的工作，为了确保工作砂轮进给量的准确可靠，我们可以采用特殊的材料如单粒金刚石（或金刚轮）作为砂轮的修整装置，以达到对砂轮由于在工作中不断磨削而产生的磨损的补偿的目的。需要注意的是，砂轮修整的间隔时间过长会直接加大砂轮进给量的误差 [3]，这是因为在砂轮工作的过程中，每对其进行一次修整都要检测工作砂轮的规格，由于砂轮磨损而产生的误差是由修整间隔时间段内的补偿值来抵消的，如果对砂轮修整的时间过长，则产生的误差累积到一定的程度就会超出砂轮的实际补偿值与理论补偿值的误差范围极限值，从而导致在此段时间内加工的高精度齿轮的磨齿质量愈来愈低。

2.4 砂轮动平衡效果

就砂轮来说，砂轮不平衡的可容许范围即为砂轮的平衡值。在其他条件一定的情况下，使用砂轮的动平衡效果越好，则生产出的磨齿质量越高。但是正常使用的砂轮虽然经过静平衡试验检测，由于静平衡实验检测具有一定的局限性，不能对砂轮的运动平衡效果进行评价。理论上说，砂轮的质心在砂轮中心点时的动平衡效果最好，运转非常稳定。但是砂轮的质心位置并不是决定砂轮的平衡效果唯一因素，机床的综合性能以及砂轮驱动电机也对其动平衡效果有重要影响。在在实际加工中，由于各种因素的影响砂轮的质心总是偏离其中心一定位置。为了减小质心与中心位置的偏差，可以将砂轮主轴内两个小电机相对位置进行适当的调直。 如果砂轮的平衡量增大到一定程度就可以忽略砂轮的偏心问题， 相当于砂轮的中心与质心重合。

2.5 磨齿冷却效果

良好的磨齿冷却效果能有效提高磨齿的质量。在加工过程中经常使用的方法是使用冷却液，这样可以将由于磨削工作而产生的热量不断的从工件表面带走，以达到避免齿轮表面的磨削热过于集中的目的。在高精度齿轮磨齿过程中最常用的是福斯牌46#冷却油，冷却油流量大都在40L/min 以上[4]。

2.6 磨削量和线速度

磨削量和线速度对磨齿质量也有重要影响。在切削速度很高而砂轮与齿轮的接触面积很小时，加工产生的热量得不到及时的散开，引起接触部位温度的迅速升高，不断增加的热应力降低了磨齿的质量。由于单位时间内切除的金属量越多，则产生的热量越多，因此在磨齿时还应将磨削深度以及进给量适当降低。

3 结论

综上所述，确保生产齿轮的设备性能良好以及齿轮磨削工艺的科学合理能够降低磨齿裂纹的产生，及大地降低了磨齿产品的报废率，为风电增速箱的正常工作打下了基础，具有非常重要的经济效益。

[1]王秀芹.如何防止渗碳淬火齿轮磨削裂纹的产生[J].煤矿机械，2009(8)：75-76.

[2]刘丹，谷洪亮，阳可军.风电增速箱的磨齿裂纹分析与消除[J].机电工程技术，2010(4)：293-300.

[3]李红革.风电增速箱零件的材料及其热处理[J].热处理技术与装备，2010(4)：129-136.