文 | 姜玉強(qiáng)，楊兆忠，陳文權(quán)，張述森，歐陽(yáng)華

風(fēng)電機(jī)組鑄造與焊接機(jī)架對(duì)比分析

文 | 姜玉強(qiáng)，楊兆忠，陳文權(quán)，張述森，歐陽(yáng)華

隨著社會(huì)用電量的急劇增長(zhǎng)和人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，可再生能源受到了越來(lái)越多的重視。風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具大規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源。

伴隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，尺寸和重量也不斷增加。前機(jī)架是風(fēng)電機(jī)組中重要的一種承載部件，受力形式最為復(fù)雜，服役環(huán)境最為苛刻。因此，設(shè)計(jì)和制造簡(jiǎn)單可靠的前機(jī)架對(duì)于保證風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行和提高機(jī)組的可靠性具有重要的意義。

在現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)中，機(jī)架主要有鑄造和焊接兩種成型工藝。鑄造機(jī)架為整體式結(jié)構(gòu)，采用液態(tài)金屬直接澆注的方式一次成型。在成型過(guò)程中，鑄造件的力學(xué)性能受到鑄造過(guò)程中多種因素的影響，如澆注溫度、澆注速度、冷卻速度等，成型工藝較為復(fù)雜。焊接機(jī)架采用鋼板直接焊接的方式成型，成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。在焊接過(guò)程中，焊件的力學(xué)性能受焊縫的影響較大，焊縫易成為構(gòu)件的疲勞裂紋源。因此，焊縫檢驗(yàn)較為嚴(yán)格。

在現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，充分了解鑄造機(jī)架和焊接機(jī)架成型工藝和構(gòu)件性能，對(duì)優(yōu)化主機(jī)架的設(shè)計(jì)具有重要的意義。本文通過(guò)分析鑄造和焊接機(jī)架的成型工藝，力學(xué)特性和綜合成本，得出了兩種機(jī)架的工藝、性能和成本差異性，為機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式

主機(jī)架是現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組中的重要的結(jié)構(gòu)件，它將風(fēng)載荷和機(jī)組的內(nèi)部載荷傳遞到塔架。同時(shí)，主機(jī)架還為齒輪箱、后機(jī)架和偏航驅(qū)動(dòng)等部件提供安裝接口。典型的主機(jī)架如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，主機(jī)架結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不但具有齒輪箱、偏航軸承、偏航驅(qū)動(dòng)、后機(jī)架等大部件的安裝接口，還有風(fēng)輪鎖、潤(rùn)滑系統(tǒng)等附件的安裝接口。同時(shí)，主機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮人員通道，電纜布線及主機(jī)部件維護(hù)等因素。因此，在風(fēng)電機(jī)組中，主機(jī)架結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，服役環(huán)境最為苛刻。

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的過(guò)程中，主機(jī)架和齒輪箱接口、偏航軸承接口、偏航驅(qū)動(dòng)接口、主機(jī)架和后機(jī)架機(jī)械接口處承受著較大的載荷。風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，不可避免地要出現(xiàn)振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞載荷，疲勞載荷最終由主機(jī)架承擔(dān)。因此，在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組中，主機(jī)架承受的載荷最為復(fù)雜，其應(yīng)力水平最高。

機(jī)架的成型工藝

機(jī)架的成型工藝路線會(huì)受到成型方式影響。鑄造和焊接前機(jī)架的成型方式不同，兩者有著不同的工藝路線。

一、鑄造工藝

鑄造工藝包括造型、制芯、澆注、落紗、清理及其后處理等。鑄造過(guò)程中，鑄件金屬液在充型、結(jié)晶、凝固和冷卻過(guò)程中，經(jīng)歷了復(fù)雜的物理、化學(xué)及力學(xué)變化。合理的鑄造造型和澆注系統(tǒng)是保障鑄件性能的關(guān)鍵因素。

鑄造造型包括確定澆注位置和分型面，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，布置冒口冷鐵氣孔及鑄型裝配等。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架，偏航接口是重要的加工面和受力面，故該面應(yīng)放置在沙箱底部，以防止偏航接口面上產(chǎn)生砂眼，氣孔和夾雜等鑄造缺陷。由于前機(jī)架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和受力特性，前機(jī)架對(duì)金屬液的防氧化和澆注過(guò)程的平穩(wěn)性要求較高，其澆注系統(tǒng)宜采用底部注入的底雨淋式澆注系統(tǒng)，如圖2所示，以減少金屬液氧化，紊流和熔渣粘附。在澆注過(guò)程中，金屬液由澆口杯經(jīng)直澆到進(jìn)入底部的橫澆道，然后由濾網(wǎng)過(guò)濾后進(jìn)入內(nèi)澆道，最終進(jìn)入鑄件型腔。

由圖1可知，前機(jī)架與齒輪箱、后機(jī)架、偏航軸承和偏航驅(qū)動(dòng)等部件的機(jī)械接口位置，受力較大。因此，機(jī)械接口位置對(duì)鑄件強(qiáng)度和微觀組織要求較高，這些部位不允許出現(xiàn)夾雜、氣孔，縮松和組織不均勻等鑄造缺陷。在鑄造過(guò)程中，機(jī)械接口部位應(yīng)布置冷鐵，以增大過(guò)冷度，細(xì)化鑄造晶粒，減少成分偏析，提高鑄件力學(xué)性能。

二、焊接工藝

前機(jī)架作為風(fēng)電機(jī)組重要的受力部件，對(duì)焊接質(zhì)量要求較高，焊接過(guò)程施工難度較大。一般而言，焊接工藝主要的工序分為預(yù)處理、下料、焊接和檢測(cè)四部分。典型的焊接制造工藝如圖3所示。由圖3可知，對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊接件，先將零件焊接成組件，再將組件焊接裝配成部件，最后進(jìn)行總體焊接。在風(fēng)電前機(jī)架的焊接工藝制定的過(guò)程中，充分考慮焊接母材的可焊性，選擇合適的焊條、焊絲及焊后熱處理工藝，是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

母材焊接性好壞通常由碳當(dāng)量（CE）確定。一般情況下，當(dāng)CE＜0.4%時(shí)，母材的淬硬傾向不大，焊接性能優(yōu)良；當(dāng)CE=0.4%－0.6%時(shí)，母材的淬硬傾向增大，焊接性有限，焊接時(shí)需要采取預(yù)熱，控制焊接熱輸入等工藝措施；當(dāng) CE ＞0.6%時(shí)，淬硬傾向嚴(yán)重，母材焊接性能較差，需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝措施。前機(jī)架使用的結(jié)構(gòu)鋼為Q345D、Q345E，其CE為0.20%－0.24%，均小于0.4%，說(shuō)明Q345D、Q345E具有優(yōu)良的焊接性。

焊條和焊絲是影響焊接件強(qiáng)度的另一個(gè)重要因素。一般情況下，根據(jù)母材的特性選擇焊條和焊絲。根據(jù)等強(qiáng)度原則和JGJ81-2002標(biāo)準(zhǔn)，前機(jī)架采用E5015型焊條，ER50-6型焊絲進(jìn)行焊接。

焊后熱處理是焊接工藝不可缺少的重要組成部分。對(duì)于焊接前機(jī)架，在焊接過(guò)程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力，且熱影響區(qū)的硬度也會(huì)明顯地提高。殘余應(yīng)力的出現(xiàn)會(huì)降低機(jī)架尺寸的穩(wěn)定性，增加機(jī)架載荷。熱影響區(qū)較高的硬度還會(huì)使材料產(chǎn)生冷裂紋，降低材料的疲勞性能。因此，對(duì)Q345焊接前機(jī)架應(yīng)采用退火熱處理工藝，以細(xì)化焊接區(qū)組織，降低殘余應(yīng)力。首先，將爐溫升高到一定溫度（不超過(guò)250℃），然后將前機(jī)架放入退火爐中。待爐溫達(dá)到250℃后，以50℃/h的加熱速度加熱至600℃ ±20℃，然后保持該溫度4h。保溫時(shí)間結(jié)束后，切斷電源，前機(jī)架隨爐以50℃/h的速度緩慢冷卻至250℃，最后將機(jī)架從退火爐中取出，完成熱處理工藝。

三、鑄造與焊接成型方式的差異

通過(guò)上文分析可知，鑄造機(jī)架可以按照等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)，機(jī)架可以設(shè)計(jì)成為變尺寸和具有復(fù)雜曲面的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，鑄造過(guò)程中整體成型，機(jī)架薄弱環(huán)節(jié)較少。但是，在鑄造過(guò)程中，需要根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)制作模具，鑄造過(guò)程中控制因素較多，工藝相對(duì)復(fù)雜，適宜批量生產(chǎn)。焊接機(jī)架采用軋制鋼板直接焊接成型的方式，不需要復(fù)雜的模具，成型工藝簡(jiǎn)單，焊接工藝靈活多變。對(duì)小批量生產(chǎn)具有較大的優(yōu)勢(shì)。但是，焊縫為機(jī)架的薄弱環(huán)節(jié)，需要嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

機(jī)架力學(xué)特性

前機(jī)架的力學(xué)性能與機(jī)架材料，成型工藝相關(guān)。因此，在前機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)鑄造和焊接前機(jī)架分別進(jìn)行分析，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

一、鑄造前機(jī)架

（一）鑄造前機(jī)架材料

鑄造前機(jī)架由球墨鑄鐵鑄造而成，球墨鑄鐵的材料牌號(hào)為EN-GJS-350-22U-LT。該球墨鑄鐵的力學(xué)性能如表1。

（二）鑄造前機(jī)架強(qiáng)度分析

前機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是風(fēng)電機(jī)組最主要的承力部件之一。對(duì)機(jī)架的分析計(jì)算是要確保其20年的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生失效。目前，較為常見(jiàn)的失效形式有靜強(qiáng)度失效和疲勞失效，所以要分別對(duì)上述兩種強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。

圖4所示為鑄造前機(jī)架在某工況下的靜強(qiáng)度有限元分析結(jié)果。該工況（在輪轂坐標(biāo)系下，F(xiàn)x為最大值的工況）的載荷如表2所示。

由圖4可知，鑄造前機(jī)架的應(yīng)力分布較為均勻，Mises屈服應(yīng)力最大值為84.8MPa，位于機(jī)架的齒輪箱接口根部，機(jī)架的安全裕度為1.14，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

根據(jù)球墨鑄鐵EN-GJS-350-22U-LT的材料特性和GL規(guī)范提供的球墨鑄鐵S-N曲線擬合方法，得到圖5所示的S-N曲線。將圖5所示的S-N曲線導(dǎo)入有限元分析軟件，得到圖6所示的疲勞壽命云圖。

由圖6可以看出，前機(jī)架最短的疲勞壽命為3.954，即8995年，安全裕度較大，滿足機(jī)架的最小設(shè)計(jì)壽命20年的設(shè)計(jì)要求，機(jī)架在20年正常工作中不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

二、焊接前機(jī)架

（一）焊接前機(jī)架材料

焊接前機(jī)架材料牌號(hào)為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345鋼。Q345鋼強(qiáng)度高，加工和焊接性能好，一般在熱軋退火或正火狀態(tài)下使用，其力學(xué)性能如表3所示。

（二）焊接前機(jī)架強(qiáng)度分析

圖7為在相同載荷（表2）作用下，焊接前機(jī)架的應(yīng)力分布情況。由圖7可見(jiàn)，前機(jī)架最大的Mises應(yīng)力為100.7MPa，位于偏航軸承安裝面附近。該處的安全裕度為0.53，架設(shè)計(jì)安全。

在風(fēng)電機(jī)組工作過(guò)程中，前機(jī)架所承受的載荷比較復(fù)雜，其疲勞失效模式為多軸高周疲勞。對(duì)焊接前機(jī)架，母材發(fā)生疲勞失效的概率較小，其疲勞失效多發(fā)生在焊縫位置。因此，以焊縫處應(yīng)力大的熱點(diǎn)的疲勞損傷來(lái)對(duì)評(píng)定機(jī)架的疲勞性能。以焊縫靜強(qiáng)度應(yīng)力較大的位置作為熱點(diǎn)。通過(guò)在焊縫處建立0.4T和1T兩層單元（T表示焊接處兩板中較薄的板厚），在距離焊趾（焊縫表面與母材交界處）0.4倍和1.0倍壁厚位置選取應(yīng)力，再進(jìn)行線性外推，進(jìn)而得到焊縫處的應(yīng)力，應(yīng)力外推方法如圖8所示。

表4為焊件前機(jī)架疲勞損傷最大的熱點(diǎn)處應(yīng)力值及其疲勞損傷情況。焊縫的許用疲勞正應(yīng)力為26.96MPa，焊縫的許用疲勞切應(yīng)力為36.47MPa（假設(shè)機(jī)架的壽命為20年，循環(huán)次數(shù)為1.83E8次）。由表4可知，在風(fēng)電機(jī)組全壽命周期內(nèi)，前機(jī)架的疲勞損傷值均小于1，表示機(jī)組全壽命周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)疲勞失效。

三、鑄造焊接前機(jī)架力學(xué)性能差異

鑄造焊接前機(jī)架，因其成型工藝不同， 兩者有著不同的力學(xué)性能。在相同的外載荷作用下，兩者的應(yīng)力分布和疲勞損傷有著不同的分布。

鑄造用球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度約為200MPa，而焊接用合金鋼的屈服強(qiáng)度大于300MPa，焊接用材料的強(qiáng)度大于鑄造用材料。因此，焊接前機(jī)架（12噸）重量小于鑄造前機(jī)架（12.7噸），焊接機(jī)架更為輕便。

因成型方式的不同，鑄造和焊接前機(jī)架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上略有差異，進(jìn)而導(dǎo)致Mises屈服應(yīng)力和疲勞損傷的分布位置也不同。對(duì)鑄造前機(jī)架，Mises屈服應(yīng)力最大值出現(xiàn)在前機(jī)架的齒輪箱接口根部，而焊接前機(jī)架出現(xiàn)在偏航軸承接口處。鑄造前機(jī)架應(yīng)力較大值一般出現(xiàn)在齒輪箱接口周圍，由于該處受力較為復(fù)雜，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重加強(qiáng)該部分尺寸。焊接前機(jī)架應(yīng)力分布更為均勻。對(duì)鑄造前機(jī)架，球狀分布的石墨可以阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，材料的疲勞強(qiáng)度大于焊接機(jī)架焊縫材料強(qiáng)度，故鑄造前機(jī)架的疲勞壽命較焊接機(jī)架長(zhǎng)。

表1 鑄造主框架材料機(jī)械性能

表2 前機(jī)架某工況下載荷

表3 Q345鋼的力學(xué)性能

表4 焊縫熱點(diǎn)處應(yīng)力及其損傷值

機(jī)架成本分析

鑄件成本受到原材料C1、輔料C2、能源動(dòng)力C3，廢品損失成本C4等因素的影響，鑄件成本為C1、C2、C3、C4的總和。鐵水成本、工藝出品率、輔料配比、廢品率因素對(duì)成本的影響較大，且鑄造原材料的成本占鑄件總成本的比例最大。以HT400某鑄件為例，在目前的鑄造水平條件下，鑄造成本為9906元/噸，考慮人工成本、稅費(fèi)、企業(yè)利潤(rùn)等因素，鑄件每噸約14000元。故每臺(tái)機(jī)架成本約為177800元（未考慮造型成本的情況下）。

對(duì)焊接機(jī)架，焊接本由焊材、氣體、電力及人工成本決定。兩種焊接方法為氬弧焊，電弧焊，每米焊接成本分別為70和60元。再考慮熱軋鋼板材原材料費(fèi)用、稅費(fèi)、利潤(rùn)等因素，焊接前機(jī)架每噸綜合成本約17000元。故每臺(tái)機(jī)架成本約為204000元。

在大批量生產(chǎn)的情況下，鑄件有成本方面的優(yōu)勢(shì)。但是小批量或單件生產(chǎn)的情況下，由于鑄造工藝需要制造造型，焊接不需要特殊的模具，故鑄造前機(jī)架沒(méi)有成本優(yōu)勢(shì)。因此，在確定采用哪種成型工藝的時(shí)候，要綜合產(chǎn)品批量進(jìn)行考慮。

結(jié)論

本文通過(guò)分析鑄造和焊接兩種前機(jī)架，得到了兩種前機(jī)架在成型工藝、力學(xué)性能和成本方面的差異，主要結(jié)論如下：

（1） 風(fēng)電機(jī)組前機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，載荷工況多變，是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵零部件。

（2） 鑄造前機(jī)架成型工藝復(fù)雜，鑄件質(zhì)量受多種因素影響，鑄造過(guò)程中要精確控制成型工藝參數(shù)。

（3） 焊接前機(jī)架成型過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，焊縫部位為其薄弱部分，成型過(guò)程中需要嚴(yán)格的檢驗(yàn)。

（4） 焊接前機(jī)架用合金鋼的強(qiáng)度明顯高于鑄造前機(jī)架用鑄鐵，焊接前機(jī)架可以減輕機(jī)艙整體重量。

（5） 在相同的工況下，焊接前機(jī)架應(yīng)力分布較為均勻，由于焊縫的存在，導(dǎo)致其疲勞壽命略短于鑄造前機(jī)架。

（6） 大批量生產(chǎn)的情況下，鑄造前機(jī)架成本方面有一定的優(yōu)勢(shì)，而小批量或者單件試制，焊接機(jī)架有著較強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。

（作者單位：中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部）