大生清風（北京）科技有限公司，位于北京中關村科技園石景山園區，致力于風電傳動系統解決方案的設計、研發、施工等工作。公司目前業務板塊包括：變槳齒圈磨損修復、偏航齒圈斷齒及裂紋修復、剎車盤磨損修復、潤滑系統優化等。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，業務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業研發基地共同建設，專注于風電核心部件再制造等解決方案設計、潤滑系統及產品研發等。目前已有技術包括：齒輪斷裂、磨損、裂紋等缺陷修復，剎車盤磨損修復，傳動系統潤滑條件優化。
一、背景
變槳齒輪主要用于兆瓦級以上型號的風電機組上，是風力發電機組傳動系統中受力復雜的零部件之一。根據變槳驅動系統的工作特點，要求變槳齒輪應具有高可靠性、運轉靈活等特點，一般變槳齒輪的設計壽命為20年，由于工作環境惡劣和交變載荷運行等原因，變槳齒輪在運行3-5后會出現不同程度的磨損，如不及時修復將加劇齒輪磨損，引起齒面剝落或齒輪斷齒等情況出現，造成風機無法正常變槳。
變槳齒輪出現嚴重磨損而導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。傳統吊裝更換維修不僅周期長、風險大、受地形環境影響制約，而且維修成本高、發電量損失大，是風電場業主普遍面臨的難題之一。隨著塔上維修技術的進步和新工具的出現，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，由國家十二部門聯合印發的《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》通知明確指出，在核電、水電、風電、火電裝備等設計、制造環節使用再制造技術，實現大型、復雜零部件的快速原型制造、直接制造和修復。
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，而風機變槳驅動系統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，風機變槳驅動系統在其工作壽命的70%時間里，都是由0°位置附近齒承受往復微動嚙合，如下圖所示。因此在長時間的交變載荷作用下，驅動齒與0°位置附近齒嚙合頻率高，其表面易出現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，應及時對淬火層進行再制造修復，確保風機正常運行。
三、再制造修復難點
（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，屬于中碳調質鋼。變槳齒輪為得到較高的強度性能，采用整體調質（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，再通過調質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，再制造技術在變槳齒輪修復中應用時，對工藝要求極高。
（二）工況難點
高空修復對增材制造技術和設備限制較大，變槳齒輪受力頻繁且復雜，這些因素對修復工藝和材料要求極高。修復材料應具有較高的強度特性，能經受惡劣的工況，與齒輪結合性好，修復后不發生剝落。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，容易造成齒輪出現斷齒情況。
四、修復方案
針對變槳齒輪淬火層的再制造修復需求，提出“顆粒增強增材制造+再制造升級”的思路。對齒輪進行預處理后，現場作業，進行再制造修復，使得齒面尺寸得到恢復。修復材料選擇自主研發的顆粒增強金屬基復合強化材料H17。H17屬于高耐磨性金屬基強化復合材料，材料性能德國SGS認證，耐磨性處于國際領先水平。H17在充分考慮材料配副性的同時，可提高修復齒的耐磨性。同時利用獨特的材料設計，使得修復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過程中應嚴格控制焊層厚度、焊道長度及層溫等，并選用合適的焊接參數控制來實現材料焊接和材料強化，修復流程如下圖所示。該修復技術可實現平均3天完成1臺風機修復，修復后齒面的尺寸、硬度等得到恢復，風機可穩定運行。
圖片來源：現場施工拍攝
圖3 關鍵修復過程：焊接、打磨、檢測
圖片來源：現場施工及后續檢測拍攝
圖4 修復前后對比（修復后效果圖拍攝于風機運行一年后）
五、修復業績
大生清風（北京）科技有限公司研發的風電機組變槳齒輪淬火層修復技術通過再制造技術登塔作業，可有效進行淬火層的再制造，恢復齒輪精度，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周期，保證風場正常發電，提高發電效率。2019年，公司承接風電機組變槳齒輪磨損修復總數約40臺，修復齒數300余個，業務分布全國十余個省市，修復效果均得到業主認可。
大生清風（北京）科技有限公司
地 址：北京市石景山園區
業務聯系：姜慧韜 133-0133-3927
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