姚鵬 陳超凡 劉洪冰 楊林 王金生 李仁堂

并網(wǎng)型風(fēng)電機組功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)和變槳距變速調(diào)節(jié)：定槳距失速控制是傳統(tǒng)的控制方式，葉片的槳距角固定不變；變槳距控制是根據(jù)風(fēng)速變化來調(diào)整葉片的槳距角，從而控制發(fā)電機的輸出功率。目前大部分風(fēng)電機組都使用變槳技術(shù)。變槳距執(zhí)行機構(gòu)分為液壓變槳距和電動變槳距兩類。其中電動變槳距執(zhí)行機構(gòu)又分為兩種，一種是變槳電機帶動減速機通過齒形帶驅(qū)動變槳軸承旋轉(zhuǎn)；另一種是變槳電機帶動減速機通過輸出端小齒輪與變槳軸承的內(nèi)齒圈（以下簡稱“變槳齒圈”）嚙合驅(qū)動變槳軸承旋轉(zhuǎn)。

在電動變槳齒輪驅(qū)動的這類變槳系統(tǒng)中，變槳齒圈是風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)中受力最復(fù)雜的零部件之一。根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求》（GB/T 18451.1-2012 ），對于I到III級風(fēng)力發(fā)電機組，變槳齒圈的設(shè)計壽命應(yīng)不小于20年，但由于工作環(huán)境惡劣以及承受交變載荷等原因，變槳齒圈在運行3至5年后會出現(xiàn)不同程度的磨損。如不及時修復(fù)，齒圈磨損將加劇，影響變槳精度，甚至產(chǎn)生齒面剝落、輪齒折斷等失效形式，導(dǎo)致風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)無法正常工作，嚴重時可引起飛車等大型事故。

目前，針對磨損的變槳齒圈，最常用的解決方案是吊裝后更換。但風(fēng)電場多建于山區(qū)、海邊及戈壁等偏遠地區(qū)，該方案不僅周期長、風(fēng)險大且在偏遠地區(qū)實施難度大，易造成維修成本高、發(fā)電量損失大等問題，給廣大風(fēng)電場業(yè)主造成了巨大困擾。隨著塔上維修技術(shù)的持續(xù)進步及再制造技術(shù)的不斷發(fā)展，采用堆焊法、電鍍法及鑲齒法等再制造技術(shù)在線修復(fù)變槳齒圈成為了一種很好的選擇，該技術(shù)可快速、有效地對齒輪磨損、剝落及斷齒等失效進行修復(fù)，恢復(fù)零部件的機械性能，達到再次服役要求，延長使用壽命，從而降低運維成本。

本文分析了再制造修復(fù)難點，提出了采用焊接方法的再制造修復(fù)思路，同時針對自主研發(fā)材料FD03開展工藝試驗，并通過實際工程案例驗證了采用該材料及相應(yīng)工藝修復(fù)變槳齒圈的可行性，相關(guān)研究成果可為風(fēng)電機組核心部件在線修復(fù)提供參考。

再制造修復(fù)材料、工藝及試驗

根據(jù)該公式計算可得其碳當(dāng)量Ceq值高達0.893%，焊接性差。焊接過程中，焊道在凝固結(jié)晶時，易形成含碳量高、硬度大的馬氏體組織，從而導(dǎo)致過熱區(qū)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，同時焊道結(jié)晶溫度區(qū)間跨度大，偏析傾向嚴重，具有較大的熱裂紋敏感性，因此，選取合適的材料和工藝對于變槳齒圈修復(fù)至關(guān)重要。

其次，高空無法做熱處理。焊接結(jié)束后，母材的熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織，加之變槳齒圈的尺寸較大，冷卻速度快，又非常容易產(chǎn)生冷裂紋。因此，對于修復(fù)后的齒，需要將焊接處及周邊部分區(qū)域均勻加熱至500～600℃，然后用石棉布包裹，使其緩慢冷卻。然而，在輪轂中，受限于空間構(gòu)造、冷卻時間、安全要求等多方面，以上熱處理均無法開展。因此，需開發(fā)新的去應(yīng)力工藝技術(shù)。

再次，齒的性能為“內(nèi)韌外硬”，這就要求修復(fù)材料滿足雙重性能。參照《滾動軸承風(fēng)力發(fā)電機組偏航、變槳軸承》（GB/T 29717-2013）規(guī)定，齒輪設(shè)計時，要求齒輪調(diào)質(zhì)后-40℃低溫沖擊功KV2不應(yīng)低于27J，調(diào)質(zhì)硬度為260～300HBW，確保齒的內(nèi)部具有一定韌性，以使齒輪可在受載情況下發(fā)生一定變形，避免出現(xiàn)脆斷；對齒面進行表面感應(yīng)淬火，使其硬度達到50～60HRC，以提升齒面強度及耐磨性。因此，采用再制造技術(shù)修復(fù)變槳齒圈需精心設(shè)計材料和工藝，以滿足齒的“內(nèi)韌外硬”要求。

而且，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定變槳齒圈齒面有效硬化層深度應(yīng)符合表1的規(guī)定。變槳齒圈的模數(shù)一般在10～16mm之間，因此有效硬化層深度應(yīng)達到2.0mm。若變槳齒圈的齒面磨損量達到2.0mm，后續(xù)齒的磨損速度會大大加快。

因此，根據(jù)上述變槳齒圈性能特點及要求，結(jié)合變槳齒圈磨損情況，在線修復(fù)需選用兩種材料，本研究選用自主研發(fā)材料FD03和FD18，其中，F(xiàn)D03為高硬、高耐磨材料，可滿足變槳齒圈“外硬”要求，F(xiàn)D18為高強、高韌性材料，可滿足變槳齒圈“內(nèi)韌”要求。對于磨損量小于2mm、只需要修復(fù)表面淬硬層的齒，直接采用FD03焊接修復(fù)；對于磨損量大于2mm、淬硬層磨損殆盡傷及內(nèi)部韌性部分的齒，先用FD18焊接打底，隨后用FD03焊接修復(fù)表面。

由于變槳齒圈出現(xiàn)的異常磨損主要發(fā)生于表面，而表面修復(fù)采用的材料為FD03，因此，本文主要介紹FD03工藝試驗結(jié)果。試驗通過硬度、耐磨性及與42CrMo的結(jié)合強度等相關(guān)數(shù)據(jù)，驗證了再制造修復(fù)的可行性。試驗內(nèi)容包括：取樣分析金相組織、顯微硬度、耐磨性及抗拉強度等，通過試驗分析選取最優(yōu)工藝及獲得相關(guān)性能數(shù)據(jù)。

一、金相組織與硬度

制作試樣時，分別采用氬弧焊、二氧化碳氣體保護焊和混合氣體保護焊三種堆焊焊接方法制備對比試樣。

氬弧焊焊接：基材為調(diào)質(zhì)態(tài)的42CrMo，尺寸為150mm×150mm×30mm，直流正接極性，焊接材料為FD03焊絲，焊接位置為立向上焊，焊前預(yù)熱，保護氣體為不低于99.99%純度的氬氣，氣體流量為10～15L/min，焊接電流為158A，焊接電壓為5～12V，焊接速度以形成連續(xù)熔池為宜，短弧施焊，多層多道焊，道間溫度控制在100～350℃，焊道間需清理打磨，并對焊縫錘擊去應(yīng)力。

二氧化碳氣體保護焊焊接：基材為調(diào)質(zhì)態(tài)的42CrMo，尺寸為150mm×150mm×30mm，直流反接極性，焊接材料為FD03焊絲，焊接位置為立向上焊，焊前預(yù)熱，保護氣體為CO2氣體，氣體流量為20～30L/min，焊絲干伸出長度為10～20mm，焊接電流為122A，焊接電壓為18～22V，焊接速度以形成連續(xù)熔池為宜，短弧施焊，多層多道焊，道間溫度控制在100～350℃，焊道間需清理打磨，并對焊縫錘擊去應(yīng)力。

混合氣體保護焊焊接：基材為調(diào)質(zhì)態(tài)的42CrMo，尺寸為150mm×150mm×30mm，直流反接極性，焊接材料為FD03焊絲，焊接位置為立向上焊，焊前預(yù)熱，保護氣體為CO2（85%）+Ar（15%）的混合氣體，氣體流量為20～30L/ min，焊絲干伸出長度為10～20mm，焊接電流為122A，焊接電壓為18～22V，焊接速度以形成連續(xù)熔池為宜，短弧施焊，多層多道焊，道間溫度控制在100～350℃，焊道間需清理打磨，并對焊縫錘擊去應(yīng)力。

焊接結(jié)束后，對試驗樣件進行染色探傷檢測，確保焊接樣件無裂紋、氣孔及夾渣情況出現(xiàn)。之后，利用數(shù)控線切割機床對不同工藝下的試塊進行橫向剖切，經(jīng)過熱鑲樣―粗磨―精磨―拋光處理后，制備出金相試塊并進行金相組織觀察分析（如圖1）。試驗結(jié)果表明，F(xiàn)D03焊絲在氬弧焊工藝下，可以得到優(yōu)于二保焊和混合焊的顆粒增強的復(fù)合強化組織，在板條狀馬氏體基體上彌散分布了大量微米級碳化物顆粒，這種組織有利于提高熔覆層的強度以及抗磨粒磨損性能。同時，選取10個點對焊接后的材料進行顯微硬度測試，測試結(jié)果見表2。由表可推知，該材料的硬度平均值達到了52.8HRC，滿足變槳齒圈設(shè)計要求。

結(jié)合金相組織及硬度試驗結(jié)果，同時考慮到氬弧焊熱量集中、電弧穩(wěn)定、飛濺小且易在高空輪轂中實現(xiàn)等因素，耐磨性及結(jié)合強度測試僅針對FD03氬弧焊工藝開展。

二、耐磨性試驗

結(jié)合變槳齒圈運行方式，耐磨測試采用MHK高速環(huán)塊摩擦磨損試驗，配油潤滑。使用氬弧焊工藝將FD03制備成MHK高速環(huán)塊摩擦磨損試驗的下試塊，對比件為調(diào)質(zhì)態(tài)42CrMo。上試塊采用一致的GCr15淬火件，硬度為60HRC。在相同試驗參數(shù)下，試驗件的失重情況即可表征耐磨性。MHK高速環(huán)塊摩擦磨損試驗結(jié)果（表3）表明，氬弧焊工藝下，F(xiàn)D03得到的顆粒增強的復(fù)合強化組織具有良好的耐磨性，試塊的磨損失重約為42CrMo的2/3。此外，與FD03配副的試件失重小于42CrMo的配副試件。由此可知，F(xiàn)D03不僅具有優(yōu)異耐磨性，使用FD03修復(fù)的齒，將不會加劇驅(qū)動齒的磨損。

三、結(jié)合強度測試

通過拉伸破壞試驗，對熔覆層與基體之間的結(jié)合強度進行測試，對比件為42CrMo調(diào)質(zhì)試塊。參照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1-2010）將氬弧焊工藝試件制備成3mm厚的片狀試驗樣塊，中間區(qū)域為熔覆層，如圖2所示。試驗過程中記錄應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以斷裂強度表征熔覆層結(jié)合強度，同時測量試塊最大彈性應(yīng)變值，測試結(jié)果如圖3所示。測試結(jié)果表明，試塊斷裂區(qū)域為熔覆層與基材結(jié)合區(qū)域。從圖3拉伸曲線可以看出，F(xiàn)D03與42CrMo的結(jié)合強度達到了42CrMo基體自身的80%以上，熔覆層結(jié)合牢固。

綜合金相組織、硬度測試、耐磨性測試和結(jié)合強度測試等的結(jié)果考慮，采用FD03及相應(yīng)的氬弧焊工藝可以滿足變槳齒圈的在線修復(fù)要求。

應(yīng)用案例

以河北某風(fēng)電場風(fēng)電機組變槳齒圈磨損修復(fù)為例，修復(fù)前檢測發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機組變槳齒圈齒頂厚度由12mm降低至8.05mm（單邊磨損量約為2mm），出現(xiàn)淬硬層磨損殆盡情況。

根據(jù)前期試驗結(jié)果，本次再制造修復(fù)使用的材料為FD03焊絲，焊接工藝采取氬弧焊，修復(fù)流程為：清理打磨→焊前去氫→耐磨層堆焊→去應(yīng)力→去焊渣→保溫緩冷→打磨修型→修復(fù)檢測，關(guān)鍵修復(fù)過程如圖4所示。

修復(fù)后，使用硬度檢測儀、齒厚游標(biāo)卡尺、三維測量卡規(guī)及染色探傷劑對齒型進行檢測，檢測結(jié)果表明：齒面硬度為50±5HRC，滿足風(fēng)電機組變槳系統(tǒng)運行要求；齒型及探傷檢測合格，表面無裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接質(zhì)量合格。

截至目前，該風(fēng)電機組變槳齒圈運行狀況良好。修復(fù)效果表明，選擇正確、合適的材料及工藝，可滿足變槳齒圈磨損在線修復(fù)要求。修復(fù)后，齒輪尺寸、齒面硬度及耐磨性得到恢復(fù)，在延長齒輪使用壽命的同時，可大大降低停機帶來的電量損失，保證風(fēng)電場正常發(fā)電，提高發(fā)電效率。

結(jié)論

變槳齒圈是風(fēng)電機組的核心部件之一，由于特殊的運行工況及環(huán)境，變槳齒圈磨損情況廣泛存在，對風(fēng)電機組的運行造成了不良影響。本文介紹了一種基于再制造技術(shù)的變槳齒圈磨損在線修復(fù)技術(shù)，參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過氬弧焊工藝，對磨損齒進行在線修復(fù)。修復(fù)后的齒尺寸、硬度等參數(shù)均得到恢復(fù)，滿足變槳齒圈再次運轉(zhuǎn)服役條件。本文所述再制造修復(fù)技術(shù)具有質(zhì)量好、效率高、成本低等諸多優(yōu)勢，可為風(fēng)電機組核心部件的維修提供一種新的參考方案。

[作者單位：姚鵬，陳超凡，劉洪冰，楊林，王金生：清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽先進制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，大生清風(fēng)（北京）科技有限公司；李仁堂：龍源（北京）風(fēng)電工程技術(shù)有限公司]