[发明专利]平衡温度场、流速场原理生产球墨铸铁行星架的铸造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电机齿轮箱关键零部件——球墨铸铁行星架的铸造工艺，特别涉及利用平衡温度场、流速场原理生产风力发电机关键件球墨铸铁行星架的铸造工艺方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为27400亿千瓦，其中可利用的风能约200亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿千瓦，其中，陆地上风能储量约2.53亿千瓦（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿千瓦。

随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。自2004年以来，全球风力发电能力翻了一番，2006年至2007年间，全球风能发电装机容量扩大27%。2007年已有9000万千瓦，这一数字到2010年将是16000万千瓦。预计未来20-25年内，世界风能市场每年将递增25%。随着技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。

 “十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。2006年，中国风电累计装机容量已经达到260万千瓦，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。2007年我国风电产业规模延续暴发式增长态势，截至2007年底全国累计装机约600万千瓦。2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五，这也意味着中国已进入可再生能源大国行列。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量1380万千瓦，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量2580万千瓦。

风电设备体积、重量巨大，架设在几十米甚至上百米的高处运行，不便于经常维修，而且维修成本极高，设备在设计时确定的维修期通常为20 年甚至30 年，因此，对铸件的疲劳强度要求非常高，对铸件质量的可靠性和耐用性，都有非常严格的要求。加上风电部件的工作条件十分恶劣，工作环境温度变化大，需要在-20℃甚至-40℃低温下承受风力大小变化，因此，除了对铸件的材质要进行严格测试之外，对铸件内部质量和表面质量，都要通过检测。 

大型风力发电机组用风电齿轮箱配件主要有球墨铸铁行星架、扭力臂、轮毂、底座、齿轮箱等，其中行星架作为齿轮箱内的传动轴，将直接承受并传递巨大的动载荷和静载荷，作用十分关键，其材质与扭力臂、轮毂、底座、齿轮箱等也不相同。风力发电机关键件球墨铸铁行星架的材质为EN-GJS-700-2U，即要求有高的强度和硬度、耐磨性；而其它配件如扭力臂、轮毂、底座、齿轮箱等的材质为EN-GJS-400-18U-LT，要求有高的抗低温冲击韧性和延伸率。行星架在整个风电机组齿轮箱配件中的体积和重量也应该算是最大的，与轮毂、底座的体积和重量相当，属于齿轮箱配件中体积最大的三个配件之一。

行星架与轮毂、底座一样，属于具有厚大断面的球墨铸铁件，且由于行星架的结构特点（见图1、图2），其在铸造工艺上的热节分布非常不均匀，长轴1的根部与长轴辐板3连接处属于热节重叠区域，铸造上该热节处于型腔的中心部位，铁水浇注后在砂型内的冷却过程中此位置的散热非常差，因此这里的温度场对于冷铁的布置工艺非常敏感，冷铁激冷作用不够就“赶”不走缺陷，冷铁激冷作用太大又会“卡脖子”，一旦稍微处理不当，就会在此区域留下缩孔或缩松缺陷。且由于行星架的材质为EN-GJS-700-2U，在铁水的化学成分处理上需要加入Mn、Sb、Cr等提高珠光体含量（即提高强度、硬度及耐磨性）的元素，但这三种元素具有增加铁水收缩倾向的作用，所以更是给行星架的铸造工艺增加了难度。同时由于其结构特点，风力发电机关键件球墨铸铁行星架的分型方式必然是垂直于轴线方向的截面进行分型，而且一般会长轴朝下采用底注方式进行浇注，这就会导致上下辐板之间的泥芯（或者是中圈）阻挡长轴型腔以及内浇口产生的氧化渣通过铁水上浮到浇冒口得以去除，最终造成长轴辐板内侧夹渣严重，同样造成铸件不合格。由此可见，行星架的铸造工艺在整个风电齿轮箱配件中是难度最大的，同行业的人都很清楚，在风电齿轮箱配件的铸造生产中，行星架的报废率是最高的，能将成品率控制在80%以上的铸造厂家可谓少之又少。