Forjamento de aço a quente para a indústria eólica: componentes da caixa de engrenagens explicados em profundidade

Uma caixa de engrenagens de turbina eólica offshore de 10 PM transmite torque suficiente para mover uma locomotiva de carga, mas precisa caber dentro da nacela de uma turbina eólica a cem metros acima do solo. Os transportadores planetários, engrenagens planetárias, engrenagens solares e engrenagens anelares dentro dessa caixa de engrenagens são produzidos por forjamento de aço a quente. Se uma dessas peças forjadas apresentar um defeito interno, o resultado não será uma simples substituição de peça. Isso significa um navio guindaste, uma remoção do sistema de transmissão e semanas de perda de produção de energia. É por isso que o forjamento de aço a quente para a indústria eólica é tratado como uma etapa crítica de segurança, em vez de um trabalho rotineiro de modelagem de metal.

Por que forjar a quente para componentes eólicos

O forjamento a quente é o método preferido para peças de transmissão de engrenagens eólicas porque produz um fluxo contínuo de grãos e fecha vazios internos que a fundição não pode eliminar de maneira confiável.

Quando o aço solidifica em um molde, desenvolve cavidades de contração, porosidade de gás e segregação local. O forjamento a quente comprime o tarugo a temperaturas entre 1150 e 1250 Celsius, quebrando essas imperfeições e refinando a estrutura do grão. O resultado é maior densidade, melhor resistência à fadiga e propriedades mecânicas mais consistentes em todo o componente. Os sistemas de transmissão de turbinas eólicas passam por um ciclo de tensão completo a cada revolução do rotor, de modo que a resistência à fadiga determina a vida útil mais do que a resistência estática. Testes em aço 42CrMo4 mostram que o material forjado pode fornecer um limite de fadiga cerca de 30 a 40 por cento maior do que o mesmo tipo na forma fundida. Essa margem geralmente separa um sistema de transmissão de 20 anos de uma falha prematura na meia-idade.

O gráfico de radar acima compara o forjamento a quente e a fundição em seis critérios importantes para peças de transmissão eólica. O aço forjado apresenta uma clara vantagem na resistência à fadiga e na estrutura do grão porque o processo de deformação alinha o fluxo metálico com o caminho da carga. A solidez interna também é melhor em peças forjadas, uma vez que a etapa de compressão solda a porosidade de contração que permanece nas seções fundidas. A fundição tem pontuação mais alta em eficiência de custos e prazo de entrega, e é por isso que grandes caixas de engrenagens e tampas sem carga ainda são produzidas como peças fundidas. Os componentes que suportam cargas de torque e flexão, entretanto, são sempre especificados como forjados. Se você classificar esses critérios pelo seu impacto na disponibilidade da turbina, a rota forjada ganha para as peças de transmissão.

Os componentes forjados dentro de uma caixa de engrenagens eólica

A maioria das caixas de engrenagens eólicas usa um projeto planetário para multiplicar a velocidade do rotor de aproximadamente 10 rpm até as 1000 rpm exigidas pelo gerador. As peças forjadas concentram-se nos estágios planetários, onde o torque é maior.

Porta-planetas

O portador do planeta é o núcleo estrutural de cada estágio planetário. Ele mantém de três a seis eixos de engrenagens planetárias em posições radiais precisas enquanto transmite o torque total da turbina. Em uma caixa de engrenagens de 5 a 10 MW, uma placa forjada de suporte planetário normalmente pesa entre 1.200 e 2.800kg. O processo de forjamento deve criar um fluxo uniforme de grãos ao redor dos furos dos pinos, porque essas áreas suportam as maiores tensões cíclicas. Um suporte forjado de peça única evita os cordões de solda que, de outra forma, se tornariam locais de início de fadiga.

Porta-planetas forjado para caixas de engrenagens de turbinas eólicas de 3 a 10 MW Este transportador forjado de peça única é adequado para estágios de caixa de engrenagens de 5 a 10 MW, com fluxo uniforme de grãos ao redor dos furos dos pinos para lidar com altas tensões cíclicas. Explore-o para obter trens de transmissão de turbina confiáveis ​​e de grande capacidade. Ver Produto →

Engrenagem Planetária e Engrenagem Solar

As engrenagens planetárias engrenam com a engrenagem solar e a coroa ao mesmo tempo, o que divide a carga transmitida entre vários contatos de dentes. Em uma turbina de 5 a 10 MW, a engrenagem planetária do primeiro estágio transporta o torque mais alto na velocidade mais baixa. As engrenagens solares giram mais rápido e requerem aço endurecido para resistir ao desgaste dos flancos dos dentes. Ambos os componentes são normalmente forjados em 18CrNiMo7-6 ou um grau de cementação equivalente. A peça forjada é usinada em desbaste, cortada por engrenagem, endurecida e retificada até o perfil final.

Peças forjadas de engrenagens planetárias endurecidas para caixas de engrenagens de 5 a 10 MW As engrenagens planetárias do primeiro estágio transportam o torque mais alto em baixa velocidade, portanto, peças brutas forjadas de 18CrNiMo7-6 com superfícies carburadas são essenciais. Este produto cobre todos os três estágios planetários. Ver Produto →

Engrenagem anelar

A coroa é um anel de grande diâmetro com dentes internos. Pode ser produzido como um anel forjado de peça única ou como um conjunto soldado segmentado, mas os forjados de peça única distribuem melhor a carga porque nenhuma costura de solda cruza a zona de tensão. A laminação de anéis em um moinho de anéis vertical cria uma orientação de grão que segue a direção da raiz do dente, melhorando a resistência à fadiga por flexão. Uma coroa de engrenagem de 5 a 10 MW pode pesar de 1.800 a 3.500 kg, dependendo da arquitetura da caixa de câmbio.

Peças forjadas de coroa dentada de peça única para turbinas eólicas de 5 a 10 MW Peças brutas de coroas de grande diâmetro, de até 3.500 kg, beneficiam-se da orientação dos grãos da laminação do anel e da ausência de costuras de solda. Este produto suporta transmissão de alta potência com dentes internos retificados com precisão. Ver Produto →

O gráfico de barras horizontais acima mostra pesos forjados típicos para os principais componentes rotativos em uma caixa de engrenagens eólica de 5 a 10 MW. As coroas dentadas são as peças brutas mais pesadas do conjunto, muitas vezes excedendo 3.500 kg antes do tratamento térmico e da usinagem de desbaste. Os porta-planetas são o segundo grupo mais pesado porque são discos de grande diâmetro com múltiplos furos de pino. Os eixos das engrenagens ficam na faixa intermediária, enquanto as engrenagens planetárias e solares são mais leves, mas ainda exigem aço de alta liga e redução cuidadosa do forjamento. Esses pesos determinam a capacidade necessária do martelo ou da prensa, o tamanho do forno de aquecimento e o envelope de usinagem. Um fornecedor com capacidade de martelo de 15 toneladas e um laminador de anéis de 1,5 metros pode cobrir toda a gama sem dividir os pedidos entre vários fornecedores.

O processo de forjamento a quente do tarugo ao blank

A conversão de um tarugo de aço em um forjamento certificado para caixa de engrenagens eólicas segue uma sequência controlada que combina deformação, tratamento térmico e inspeção.

1. Inspeção de boleto. O teste ultrassônico é realizado no tarugo recebido para confirmar a integridade interna antes do início de qualquer trabalho.
2. Aquecimento. O tarugo é pré-aquecido lentamente e depois embebido entre 1150 e 1250 Celsius em um forno a gás.
3. Perturbador. A compressão axial quebra a estrutura fundida e refina a granulação.
4. Pré-formação. O desenho e o bloqueio criam uma geometria intermediária próxima à peça bruta final.
5. Forjamento final. A modelagem de matriz fechada ou aberta estabelece o contorno externo e as espessuras críticas.
6. Anel rolando. Para engrenagens de anel e outras peças anulares, um laminador de anel vertical expande a pré-forma até o diâmetro e seção transversal necessários.
7. Resfriamento controlado. O resfriamento lento e uniforme evita descamação e acúmulo de tensão residual.
8. Usinagem grosseira e reinspeção. A peça bruta é torneada grosseiramente para remover incrustações e defeitos superficiais, seguida por outra passagem ultrassônica.

O gráfico de linhas acima mostra como a capacidade nominal das turbinas eólicas offshore subiu de 4 MW em 2016 para 12 MW em 2026. Cada aumento na classificação da turbina força a caixa de engrenagens a transmitir mais torque através do mesmo envelope físico. Torque maior significa suportes planetários maiores, engrenagens anelares maiores e peças forjadas mais pesadas. O fornecedor de forjamento deve, portanto, investir em martelos maiores, moinhos de anéis maiores e fornos de tratamento térmico mais profundos para seguir esta tendência. Os compradores que planejam uma plataforma de 12 MW devem validar se seu parceiro de forjamento pode manusear blanks acima de 4.000 kg. Esta verificação de capacidade é mais importante que o preço quando o projeto do sistema de transmissão depende disso.

Seleção de materiais para peças forjadas à prova de vento

Os tipos de aço usados em peças forjadas de caixas de engrenagens eólicas pertencem a duas famílias: aços-liga temperados e revenidos para transportadores e eixos, e aços endurecidos para dentes de engrenagens que precisam de uma superfície dura e resistente ao desgaste.

O 42CrMo4 é amplamente utilizado em suportes planetários e eixos de engrenagens porque combina boa resistência com endurecimento estável. O projeto de fadiga das áreas do bolsão do transportador é o fator limitante, portanto a taxa de redução do forjamento deve ser alta o suficiente para refinar a estrutura do núcleo. 34CrNiMo6 oferece maior resistência para coroas pesadas e eixos grandes. 18CrNiMo7-6 é especificado para engrenagens planetárias e solares que devem resistir à fadiga de contato após a cementação.

O gráfico de colunas acima compara o limite de escoamento mínimo das três classes em condições forjadas e fundidas. As versões forjadas apresentam uma vantagem consistente de aproximadamente 230 a 300 MPa em relação ao material fundido com a mesma química. Essa diferença é importante no projeto da caixa de engrenagens porque o limite de escoamento define o limite para a tensão de flexão na raiz do dente e nos furos do pino transportador. Maior resistência ao escoamento permite um conjunto de engrenagens mais compacto ou uma margem de segurança maior no mesmo tamanho. A produção fundida exigiria seções mais pesadas para atingir capacidade de carga semelhante, o que aumenta a massa da caixa de engrenagens e complica a estrutura da nacela. É por isso que a revisão do projeto de uma caixa de engrenagens eólica quase sempre especifica peças forjadas para cada peça no caminho do torque.

Tratamento térmico e o caminho para as propriedades finais

O forjamento a quente molda a peça bruta, mas o tratamento térmico determina as propriedades mecânicas finais. Os forjados da caixa de engrenagens eólica normalmente passam por normalização, têmpera e revenido e, em alguns casos, endurecimento superficial dos flancos dos dentes. Cada etapa deve ser controlada para manter a dureza uniforme em grandes seções transversais. Uma seção de coroa dentada com 300 mm de espessura requer um processo de têmpera que resfrie o núcleo rápido o suficiente para atingir a estrutura martensítica necessária sem criar rachaduras. A carga do forno, o meio de têmpera e o ciclo de revenido influenciam a tenacidade final e a tensão residual. Um conhecimento prático de noções básicas de tratamento térmico de metal ajuda as equipes de compras a discutir esses parâmetros com os fornecedores e a verificar se o ciclo planejado corresponde ao tipo e ao tamanho da seção.

Como avaliar um fornecedor de forjamento a quente para aplicações eólicas

Um parceiro capaz de forjar a quente para componentes eólicos deve demonstrar mais do que a habilidade de golpear um tarugo. A avaliação deve abranger toda a cadeia do processo e os sistemas de controlo que a rodeiam.

• Capacidade de forjamento. Verifique a tonelagem do martelo ou da prensa, a capacidade de laminação do anel e o peso máximo do tarugo que pode ser aquecido e forjado.
• Tratamento térmico interno. A têmpera e o revenido devem ser feitos em fornos controlados com curvas de temperatura documentadas.
• Testes não destrutivos. A inspeção ultrassônica após o forjamento e após a usinagem de desbaste é obrigatória para peças em bruto resistentes ao vento.
• Rastreabilidade. Cada peça bruta deve estar vinculada ao seu número de aquecimento, registro de forjamento e relatório de tratamento térmico.
• Experiência com grandes espaços em branco de vento. Solicite referências no segmento de redutores de 3 a 10 MW.

A importância do tratamento térmico interno é muitas vezes subestimada até que a entrega seja atrasada pela terceirização. Fale diretamente com os engenheiros de processo e não apenas com a equipe de vendas. Solicite as curvas de aquecimento reais e os relatórios ultrassônicos de pedidos anteriores de forjamento eólico. Um fornecedor como Máquinas ACE cobre todo o percurso desde o aquecimento do tarugo até a peça acabada, o que encurta as linhas de comunicação e mantém os dados de qualidade em um só lugar. A verificação dessas capacidades antes de fazer um pedido é a maneira mais eficaz de evitar problemas de qualidade posteriormente.

O forjamento de aço a quente para a indústria eólica continua sendo uma disciplina exigente, mas bem compreendida. Os componentes são grandes, as cargas são cíclicas e o custo da falha é extremo. Um fornecedor com capacidade adequada de martelo, tratamento térmico controlado e inspeção sistemática pode fornecer peças forjadas à prova de vento que funcionem de maneira confiável durante toda a vida útil do projeto da turbina.