基于重载齿轮高服役性能的微观控制工艺优化研究＊

刘 松 吕鹏昊

（1.广东松山职业技术学院，广东韶关 512126；2.韶关市中机重工股份有限公司，广东韶关 512126）

1 齿轮技术优化的必要性

广东省“双十”战略中明确，重点发展先进材料、高端装备制造等产业集群，在核心基础零部件的产业化进一步取得突破；《韶关市培育发展战略性支柱产业集群和战略性新兴产业集群实施方案（2021—2025 年）》指出，以宝武韶钢为龙头，重点打造先进制造业“先进材料—装备基础件/零部件”产业链和产业生态体系，实现“湾区研发，韶关转化”。韶关作为广东乃至华南地区装备制造原材料特别是特种钢料的生产基地和深加工基地，具有举足轻重的地位，重载齿轮技术的研究紧跟广东省及韶关的发展战略[1]。

1.1 突破自身技术壁垒、突破国际技术封锁的需要

本项目关联单位于2010 年为中海油成功研发出JU-2000E 钻井平台的爬升齿轮。2010 年之前，该关键部件一直依靠进口，为中山明阳机电、远景等公司研制的极端环境使用的风电机组齿轮，实现了以产顶进的目的，填补了国内同类产品的空白，但为全面提升使用性能，实现高端齿轮研究任重道远。期望依托韶关钢铁行业优势力量，联合松山职业技术学院绿色与智能制造工程技术研究开发中心资源和技术优势，加强对高端重载齿轮用钢冶炼技术研究。

1.2 我国海洋工程装备、风电新能源装备性能提升的迫切需求

国家战略部署，海上能源规划、新型的海洋建设平台、风电新能源等各类工程装备大量需求。为全面推进高端海洋工程装备的优化，必须进一步提高爬升装置、爬升齿轮的使用性能，高重载、高可靠性、免维护齿轮用钢是装备的性能命脉[2]。

1.3 提升创新水平、迈进国际企业的需要

依托项目组及松山职业技术学院绿色与智能制造工程技术研究开发中心在冶金技术与节能技术方面的资源优势，在重载齿轮制造核心技术上找自身优势、寻合作，取得再次突破；通过开展核心、关键技术攻关，提升国内钢铁冶炼、锻造、热处理成品精加工、产品检验评价等行业的创新水平，助力韶关材料深加工企业向国际一流企业迈进。

2 重载齿轮技术应用路线

高服役性能：高可靠性、免维护、重载；广泛应用于海洋工程装备、新能源等新兴产业。

2.1 面向海洋工程装备，满足重载、长效工作要求

2013 年10 月6 日，海洋石油941 平台在PY10-2 导管架压载过程中发生穿刺，导致该平台2#桩L3 爬升齿轮断齿，其余35 个爬升齿轮都存在不同程度的齿面磨损及裂纹。当时只有5 个进口爬升齿轮到货平台。鉴于进口爬升齿轮到货周期长、无法满足平台出厂工期的要求，需在国内查找有升降装置生产业绩的厂家紧急加工爬升齿轮17 个，其中1 个是用于船级社要求的1.5 倍最大静态载荷进行测试，以满足船级社退审意见的要求，另外16 个左1.1 倍最大静态载荷测试后，回装平台使用。本项目关联单位因同类业绩优秀，指定成为供货商。

2.2 面向风电增速齿轮箱，满足高可靠性、长使用寿命要求

随着国家能源战略性布局，新能源已成为我国产业发展最快的一个行业。风力发电在新能源领域内占据着重要位置。因为风电增速齿轮面临着高寒、多尘、高热、多风等复杂恶劣环境，再加上交流与维修不便，故对其可靠性和应用寿命都提出了比常规传动设备高的要求。齿轮材料除高强度外，还应具有在低温状态下抗冷脆性的特点。因此，风力发电的齿轮箱更加关注高可靠性和免维护期限[3]。

3 高服役性能研究方向

海洋工程装备的爬升传动装置、风力发电的齿轮箱性能提升，更应关注重载齿轮的高可靠性和免维护期限，对齿轮结构优化和齿轮高性能材料都提出了更高要求。这一关键技术的系统开发及研制，关系到封锁技术的突破和国产化的实现。

3.1 海洋工程装备方面

海洋石油钻井平台、海洋工程建设平台等均依靠爬升传动装置来实现平台的平稳升降作业，平台重量一般为4000 ～11000t，其爬升齿轮是典型的大规模、重负荷、高强度齿轮，是海洋工程装备的关键性部件，主要参数如表1 所示。2010 年之前，该关键部件一直依靠进口。10余年来，我国企业一直致力于突破自身技术壁垒、突破国际技术封锁，实现产品国产化。

表1 海洋平台爬升齿轮性能参数

3.2 风电新能源装备方面

由于风电设备大部分安装在沿海区域、沙漠地带、高海拔地区等出风口，高温、沙尘、多雨等极端天气肆虐，受无序风向、大小不规则荷载变化等影响。此外，设备所处地理位置出行不易，而且变速箱所处位置一般又在平常状态下难以触及的地方，一旦发生故障，很难修复。每一次此类设备因为故障诊断、维修更换、零部件准备、测试等所耗费的时间对电能生产产能的影响都巨大，在这个过程中，风力设备一直会处于长时间的闲置期。因此，其可靠性和使用寿命要远高于普通齿轮传动装置，齿轮材料除高强度外，还应具备在低温状态下齿轮抗冷脆性的优势，如图1 所示。

图1 维修时间与生产力损失示意图

4 研究方法

4.1 分析法与综合法

将重载齿轮的长效性、免维护性作为整体研究对象，将整体性能要求分为齿轮钢工艺、毛坯加工控制与优化、精度测试与寿命评价等各个方面加以分析研究。把全体样本分解为局部,把多样性事物分解为单一要素分离，实现对重载齿轮性能要求的本质认识[4]。

4.2 比较分析法

比较齿轮坯热加工锻造工艺中产品微观组织的控制与优化；将锻造及锻后工艺对组织均匀性、超细化的控制机理等问题进行区分，以认识其差别、特点和本质。采用数据纵向比较、类似产品横向比较、经验教训比较、正反比较、各种异同的比较。此外，锻造及锻后工艺对组织均匀性、超细化的控制机理也需要进行分组，采用比较分析法。

4.3 试验论证法

针对高端齿轮钢冶金工艺的优化，包含成分优化设计、冶炼及再结晶凝固控制机理及优化工艺、再提纯工艺（气体保护电渣重熔）、热加工锻造工艺对产品微观组织的控制与优化；通过分层分级试验，验证参数对产品性能提升质量的作用机制[5]。

4.4 定性与定量分析法

项目组对文献、使用方、各类标准进行调研，通过定性剖析划清各类目标的界限，确定高可靠性齿轮成品热处理工艺优化与性能指标、齿轮服役性能，齿轮精度的测试与评价、使用寿命的评价指标。通过定量分析对指标的规模、范畴、数目等数量关系进行准确的统计,计算、分析、比照、弄清指标间量的变化关系。

5 技术路线

本项目在可行性研究之前进行了大量的调查与准备工作，包括查阅资料、科技研发人员专题会议，市场调查研究、研究对象现状、齿轮钢来源、试验场地与设备、可行论证等，如图2 所示。

图2 项目研发技术路线图

6 实验方案

6.1 齿轮用钢冶炼及凝固再结晶工艺优化方案

针对用于陆地、海洋风力发电齿轮用钢，海上石油钻井平台爬升齿轮用钢，进行最优成分设计。

通过齿轮钢冶炼工艺优化，控制钢的纯净度、夹杂物、偏析等，提高齿轮的寿命。

通过齿轮钢的再提纯工艺优化、实验气体保护电渣重熔生产工艺，进一步提高钢锭的纯净度，改变其微观组织结构[6]。

6.2 齿轮钢的微观组织控制及工艺优化方案

通过齿轮钢的锻造工艺研究及优化，针对齿轮钢的性能指标要求，制定并优化锻造工艺，控制金属流向，提高径向冲击性能[7]。

通过齿轮的机加工及成品、热处理工艺研究及优化，制定合理的齿轮冷加工工艺，提升工艺精度；制定齿轮的热处理工艺，提升工艺性能[8]。

6.3 齿轮的冷加工、最终热处理及服役性能评价方案

（1）以齿轮钢服役性能及加工参数为试验目的；（2）拟订试验大纲；（3）准备试验器材；（4）进行试验操作；（5）处理试验数据；（6）撰写试验报告。

随着先进装备制造业的发展，对打造机器零部件的材料、核心零部件性能都提出了更高的要求。众所周知，机械装备中基础材料、基础工艺、基础零件占据着重要位置，一个国家的“三基”发展水平，决定了其装备制造业在国际上的地位。

7 结语

本文支撑项目瞄准海洋工程装备、风电新能源装备的高服役性能重载齿轮，而齿轮材料是齿轮承载能力的基础，是完成其传动功用和可靠性运转的前提，正是此类齿轮基于重载、长效、免维护的高端功能要求，准确驾驭渗碳齿轮钢的生产技术、微观组织控制等，是在多变环境下，实现重载齿轮抗疲劳长寿命的基本保证[9]。松山职业技术学院绿色与智能制造工程技术研究开发中心也在绿色制造节能制造方面取得相当优秀的业绩，而韶关市中机重工有限责任公司作为国资背景、行业省高新技术企业、重载齿轮等特种零部件研发生产型企业，在韶关具有核心龙头地位，此研究方向紧跟国家行业及产业的发展导向。