劉 松 呂鵬昊

（1.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān) 512126；2.韶關(guān)市中機(jī)重工股份有限公司，廣東韶關(guān) 512126）

1 齒輪技術(shù)優(yōu)化的必要性

廣東省“雙十”戰(zhàn)略中明確，重點(diǎn)發(fā)展先進(jìn)材料、高端裝備制造等產(chǎn)業(yè)集群，在核心基礎(chǔ)零部件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步取得突破；《韶關(guān)市培育發(fā)展戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)集群和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群實(shí)施方案（2021—2025 年）》指出，以寶武韶鋼為龍頭，重點(diǎn)打造先進(jìn)制造業(yè)“先進(jìn)材料—裝備基礎(chǔ)件/零部件”產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，實(shí)現(xiàn)“灣區(qū)研發(fā)，韶關(guān)轉(zhuǎn)化”。韶關(guān)作為廣東乃至華南地區(qū)裝備制造原材料特別是特種鋼料的生產(chǎn)基地和深加工基地，具有舉足輕重的地位，重載齒輪技術(shù)的研究緊跟廣東省及韶關(guān)的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。

1.1 突破自身技術(shù)壁壘、突破國際技術(shù)封鎖的需要

本項(xiàng)目關(guān)聯(lián)單位于2010 年為中海油成功研發(fā)出JU-2000E 鉆井平臺的爬升齒輪。2010 年之前，該關(guān)鍵部件一直依靠進(jìn)口，為中山明陽機(jī)電、遠(yuǎn)景等公司研制的極端環(huán)境使用的風(fēng)電機(jī)組齒輪，實(shí)現(xiàn)了以產(chǎn)頂進(jìn)的目的，填補(bǔ)了國內(nèi)同類產(chǎn)品的空白，但為全面提升使用性能，實(shí)現(xiàn)高端齒輪研究任重道遠(yuǎn)。期望依托韶關(guān)鋼鐵行業(yè)優(yōu)勢力量，聯(lián)合松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院綠色與智能制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心資源和技術(shù)優(yōu)勢，加強(qiáng)對高端重載齒輪用鋼冶煉技術(shù)研究。

1.2 我國海洋工程裝備、風(fēng)電新能源裝備性能提升的迫切需求

國家戰(zhàn)略部署，海上能源規(guī)劃、新型的海洋建設(shè)平臺、風(fēng)電新能源等各類工程裝備大量需求。為全面推進(jìn)高端海洋工程裝備的優(yōu)化，必須進(jìn)一步提高爬升裝置、爬升齒輪的使用性能，高重載、高可靠性、免維護(hù)齒輪用鋼是裝備的性能命脈[2]。

1.3 提升創(chuàng)新水平、邁進(jìn)國際企業(yè)的需要

依托項(xiàng)目組及松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院綠色與智能制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心在冶金技術(shù)與節(jié)能技術(shù)方面的資源優(yōu)勢，在重載齒輪制造核心技術(shù)上找自身優(yōu)勢、尋合作，取得再次突破；通過開展核心、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，提升國內(nèi)鋼鐵冶煉、鍛造、熱處理成品精加工、產(chǎn)品檢驗(yàn)評價(jià)等行業(yè)的創(chuàng)新水平，助力韶關(guān)材料深加工企業(yè)向國際一流企業(yè)邁進(jìn)。

2 重載齒輪技術(shù)應(yīng)用路線

高服役性能：高可靠性、免維護(hù)、重載；廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備、新能源等新興產(chǎn)業(yè)。

2.1 面向海洋工程裝備，滿足重載、長效工作要求

2013 年10 月6 日，海洋石油941 平臺在PY10-2 導(dǎo)管架壓載過程中發(fā)生穿刺，導(dǎo)致該平臺2#樁L3 爬升齒輪斷齒，其余35 個(gè)爬升齒輪都存在不同程度的齒面磨損及裂紋。當(dāng)時(shí)只有5 個(gè)進(jìn)口爬升齒輪到貨平臺。鑒于進(jìn)口爬升齒輪到貨周期長、無法滿足平臺出廠工期的要求，需在國內(nèi)查找有升降裝置生產(chǎn)業(yè)績的廠家緊急加工爬升齒輪17 個(gè)，其中1 個(gè)是用于船級社要求的1.5 倍最大靜態(tài)載荷進(jìn)行測試，以滿足船級社退審意見的要求，另外16 個(gè)左1.1 倍最大靜態(tài)載荷測試后，回裝平臺使用。本項(xiàng)目關(guān)聯(lián)單位因同類業(yè)績優(yōu)秀，指定成為供貨商。

2.2 面向風(fēng)電增速齒輪箱，滿足高可靠性、長使用壽命要求

隨著國家能源戰(zhàn)略性布局，新能源已成為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的一個(gè)行業(yè)。風(fēng)力發(fā)電在新能源領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)著重要位置。因?yàn)轱L(fēng)電增速齒輪面臨著高寒、多塵、高熱、多風(fēng)等復(fù)雜惡劣環(huán)境，再加上交流與維修不便，故對其可靠性和應(yīng)用壽命都提出了比常規(guī)傳動設(shè)備高的要求。齒輪材料除高強(qiáng)度外，還應(yīng)具有在低溫狀態(tài)下抗冷脆性的特點(diǎn)。因此，風(fēng)力發(fā)電的齒輪箱更加關(guān)注高可靠性和免維護(hù)期限[3]。

3 高服役性能研究方向

海洋工程裝備的爬升傳動裝置、風(fēng)力發(fā)電的齒輪箱性能提升，更應(yīng)關(guān)注重載齒輪的高可靠性和免維護(hù)期限，對齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化和齒輪高性能材料都提出了更高要求。這一關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)及研制，關(guān)系到封鎖技術(shù)的突破和國產(chǎn)化的實(shí)現(xiàn)。

3.1 海洋工程裝備方面

海洋石油鉆井平臺、海洋工程建設(shè)平臺等均依靠爬升傳動裝置來實(shí)現(xiàn)平臺的平穩(wěn)升降作業(yè)，平臺重量一般為4000 ～11000t，其爬升齒輪是典型的大規(guī)模、重負(fù)荷、高強(qiáng)度齒輪，是海洋工程裝備的關(guān)鍵性部件，主要參數(shù)如表1 所示。2010 年之前，該關(guān)鍵部件一直依靠進(jìn)口。10余年來，我國企業(yè)一直致力于突破自身技術(shù)壁壘、突破國際技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國產(chǎn)化。

表1 海洋平臺爬升齒輪性能參數(shù)

3.2 風(fēng)電新能源裝備方面

由于風(fēng)電設(shè)備大部分安裝在沿海區(qū)域、沙漠地帶、高海拔地區(qū)等出風(fēng)口，高溫、沙塵、多雨等極端天氣肆虐，受無序風(fēng)向、大小不規(guī)則荷載變化等影響。此外，設(shè)備所處地理位置出行不易，而且變速箱所處位置一般又在平常狀態(tài)下難以觸及的地方，一旦發(fā)生故障，很難修復(fù)。每一次此類設(shè)備因?yàn)楣收显\斷、維修更換、零部件準(zhǔn)備、測試等所耗費(fèi)的時(shí)間對電能生產(chǎn)產(chǎn)能的影響都巨大，在這個(gè)過程中，風(fēng)力設(shè)備一直會處于長時(shí)間的閑置期。因此，其可靠性和使用壽命要遠(yuǎn)高于普通齒輪傳動裝置，齒輪材料除高強(qiáng)度外，還應(yīng)具備在低溫狀態(tài)下齒輪抗冷脆性的優(yōu)勢，如圖1 所示。

圖1 維修時(shí)間與生產(chǎn)力損失示意圖

4 研究方法

4.1 分析法與綜合法

將重載齒輪的長效性、免維護(hù)性作為整體研究對象，將整體性能要求分為齒輪鋼工藝、毛坯加工控制與優(yōu)化、精度測試與壽命評價(jià)等各個(gè)方面加以分析研究。把全體樣本分解為局部,把多樣性事物分解為單一要素分離，實(shí)現(xiàn)對重載齒輪性能要求的本質(zhì)認(rèn)識[4]。

4.2 比較分析法

比較齒輪坯熱加工鍛造工藝中產(chǎn)品微觀組織的控制與優(yōu)化；將鍛造及鍛后工藝對組織均勻性、超細(xì)化的控制機(jī)理等問題進(jìn)行區(qū)分，以認(rèn)識其差別、特點(diǎn)和本質(zhì)。采用數(shù)據(jù)縱向比較、類似產(chǎn)品橫向比較、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)比較、正反比較、各種異同的比較。此外，鍛造及鍛后工藝對組織均勻性、超細(xì)化的控制機(jī)理也需要進(jìn)行分組，采用比較分析法。

4.3 試驗(yàn)論證法

針對高端齒輪鋼冶金工藝的優(yōu)化，包含成分優(yōu)化設(shè)計(jì)、冶煉及再結(jié)晶凝固控制機(jī)理及優(yōu)化工藝、再提純工藝（氣體保護(hù)電渣重熔）、熱加工鍛造工藝對產(chǎn)品微觀組織的控制與優(yōu)化；通過分層分級試驗(yàn)，驗(yàn)證參數(shù)對產(chǎn)品性能提升質(zhì)量的作用機(jī)制[5]。

4.4 定性與定量分析法

項(xiàng)目組對文獻(xiàn)、使用方、各類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研，通過定性剖析劃清各類目標(biāo)的界限，確定高可靠性齒輪成品熱處理工藝優(yōu)化與性能指標(biāo)、齒輪服役性能，齒輪精度的測試與評價(jià)、使用壽命的評價(jià)指標(biāo)。通過定量分析對指標(biāo)的規(guī)模、范疇、數(shù)目等數(shù)量關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì),計(jì)算、分析、比照、弄清指標(biāo)間量的變化關(guān)系。

5 技術(shù)路線

本項(xiàng)目在可行性研究之前進(jìn)行了大量的調(diào)查與準(zhǔn)備工作，包括查閱資料、科技研發(fā)人員專題會議，市場調(diào)查研究、研究對象現(xiàn)狀、齒輪鋼來源、試驗(yàn)場地與設(shè)備、可行論證等，如圖2 所示。

圖2 項(xiàng)目研發(fā)技術(shù)路線圖

6 實(shí)驗(yàn)方案

6.1 齒輪用鋼冶煉及凝固再結(jié)晶工藝優(yōu)化方案

針對用于陸地、海洋風(fēng)力發(fā)電齒輪用鋼，海上石油鉆井平臺爬升齒輪用鋼，進(jìn)行最優(yōu)成分設(shè)計(jì)。

通過齒輪鋼冶煉工藝優(yōu)化，控制鋼的純凈度、夾雜物、偏析等，提高齒輪的壽命。

通過齒輪鋼的再提純工藝優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)氣體保護(hù)電渣重熔生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步提高鋼錠的純凈度，改變其微觀組織結(jié)構(gòu)[6]。

6.2 齒輪鋼的微觀組織控制及工藝優(yōu)化方案

通過齒輪鋼的鍛造工藝研究及優(yōu)化，針對齒輪鋼的性能指標(biāo)要求，制定并優(yōu)化鍛造工藝，控制金屬流向，提高徑向沖擊性能[7]。

通過齒輪的機(jī)加工及成品、熱處理工藝研究及優(yōu)化，制定合理的齒輪冷加工工藝，提升工藝精度；制定齒輪的熱處理工藝，提升工藝性能[8]。

6.3 齒輪的冷加工、最終熱處理及服役性能評價(jià)方案

（1）以齒輪鋼服役性能及加工參數(shù)為試驗(yàn)?zāi)康模唬?）擬訂試驗(yàn)大綱；（3）準(zhǔn)備試驗(yàn)器材；（4）進(jìn)行試驗(yàn)操作；（5）處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)；（6）撰寫試驗(yàn)報(bào)告。

隨著先進(jìn)裝備制造業(yè)的發(fā)展，對打造機(jī)器零部件的材料、核心零部件性能都提出了更高的要求。眾所周知，機(jī)械裝備中基礎(chǔ)材料、基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)零件占據(jù)著重要位置，一個(gè)國家的“三基”發(fā)展水平，決定了其裝備制造業(yè)在國際上的地位。

7 結(jié)語

本文支撐項(xiàng)目瞄準(zhǔn)海洋工程裝備、風(fēng)電新能源裝備的高服役性能重載齒輪，而齒輪材料是齒輪承載能力的基礎(chǔ)，是完成其傳動功用和可靠性運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，正是此類齒輪基于重載、長效、免維護(hù)的高端功能要求，準(zhǔn)確駕馭滲碳齒輪鋼的生產(chǎn)技術(shù)、微觀組織控制等，是在多變環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)重載齒輪抗疲勞長壽命的基本保證[9]。松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院綠色與智能制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心也在綠色制造節(jié)能制造方面取得相當(dāng)優(yōu)秀的業(yè)績，而韶關(guān)市中機(jī)重工有限責(zé)任公司作為國資背景、行業(yè)省高新技術(shù)企業(yè)、重載齒輪等特種零部件研發(fā)生產(chǎn)型企業(yè)，在韶關(guān)具有核心龍頭地位，此研究方向緊跟國家行業(yè)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展導(dǎo)向。