O que são peças forjadas de caixa de engrenagens de turbina eólica?

Forjados de caixa de engrenagens de turbina eólica são componentes de aço formados com precisão que compõem a estrutura interna de transmissão de energia de uma caixa de engrenagens de turbina eólica, produzidos através de processos de forjamento a quente ou em matriz fechada que alinham a estrutura de grãos do aço para máxima resistência à fadiga e capacidade de suporte de carga. Os principais componentes forjados em uma caixa de engrenagens de turbina eólica são a coroa, as engrenagens planetárias, o suporte planetário, a engrenagem solar, os eixos de entrada e saída e as engrenagens do pinhão. Essas peças são forjadas em vez de fundidas porque a caixa de engrenagens opera sob cargas alternadas contínuas de entradas de vento variáveis, e a estrutura metálica densa e livre de defeitos produzida pelo forjamento fornece a vida útil à fadiga necessária para atender à vida útil típica de projeto de 20 anos de uma turbina eólica moderna (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). O forjamento não é intercambiável com a fundição de componentes para caixas de engrenagens porque as diferenças de propriedades mecânicas entre os dois processos determinam diretamente quanto tempo a caixa de engrenagens sobrevive sob cargas operacionais reais.

O papel da caixa de engrenagens em uma turbina eólica

Para entender por que a qualidade do forjamento dos componentes da caixa de engrenagens é tão importante, é necessário entender o que a caixa de engrenagens está fazendo dentro da turbina e a severidade do ambiente mecânico em que opera.

O rotor de uma turbina eólica gira lentamente em resposta ao vento, normalmente entre 10 e 22 rotações por minuto para uma grande turbina de vários megawatts. O gerador que converte energia mecânica em eletricidade precisa girar a velocidades muito mais altas, normalmente de 1.000 a 1.500 rotações por minuto ou mais. A caixa de câmbio supera essa diferença de velocidade. Fuhong Steel descreve a função diretamente: a caixa de engrenagens de energia eólica é o componente central da turbina eólica, sendo sua principal função converter a energia cinética gerada pela roda eólica sob a ação do vento em energia mecânica e finalmente transferi-la para o gerador (Fonte: Fuhong Steel, Aço Especial para Forjados de Equipamentos de Energia Eólica). Um pedido de patente descrevendo o conjunto da caixa de engrenagens confirmou que o eixo do rotor fornece uma entrada de baixa velocidade e alto torque para a caixa de engrenagens, que é então configurada para converter essa entrada em uma saída de alta velocidade e baixo torque que aciona o gerador (Fonte: Patente USPTO 11085421, Porta-planetas of a Wind Turbine Gearbox with Improved Lubricant Path).

As exigências mecânicas desta conversão são extremas. A caixa de velocidades deve suportar cargas de torque continuamente variáveis à medida que a velocidade do vento flutua, cargas de choque repentinas durante rajadas, fadiga cíclica contínua ao longo de 20 anos ou mais, e tudo isso de forma confiável em uma nacela localizada bem acima do solo, onde a manutenção é cara e a substituição dos principais componentes pode custar centenas de milhares de dólares por evento. Essas demandas são a razão pela qual cada componente estrutural principal dentro da caixa de engrenagens é especificado como forjado em vez de fundido.

Os principais componentes forjados em uma caixa de engrenagens de turbina eólica

A caixa de engrenagens de uma turbina eólica não é uma única peça forjada. É um conjunto de vários componentes forjados distintos, cada um desempenhando uma função específica nos estágios de engrenagens planetárias e helicoidais que compõem o sistema de transmissão de aumento de velocidade total.

Engrenagem anelar (engrenagem anular)

A coroa é a grande engrenagem externa com dentes internos que forma o limite externo do estágio da engrenagem planetária. As engrenagens planetárias engrenam em sua superfície interna enquanto orbitam a engrenagem solar, e a coroa permanece estacionária ou gira dependendo do projeto da caixa de engrenagens. Como a coroa transmite toda a carga de torque do estágio planetário e está em constante contato dentário com três ou mais engrenagens planetárias simultaneamente, suas propriedades de material e precisão dimensional são críticas para o desempenho de toda a caixa de engrenagens. Uma patente do USPTO que descreve o processo de fabricação da coroa observa que a coroa é geralmente formada por forjamento e deve posteriormente ser tratada termicamente para obter a dureza necessária, e que a precisão dimensional através do processo de forjamento e tratamento térmico é crítica, uma vez que o tratamento térmico pode causar distorção dimensional que requer correção de usinagem (Fonte: Patente USPTO 10495210, Engrenagem de anel integral e braço de torque para uma caixa de engrenagens de turbina eólica).

Engrenagens Planetárias

As engrenagens planetárias são as engrenagens intermediárias que orbitam entre a coroa e a engrenagem solar, transmitindo torque entre as duas enquanto giram em seus próprios eixos. Em um estágio planetário de turbina eólica de grande porte, normalmente três ou quatro engrenagens planetárias compartilham a carga total, distribuindo-a simultaneamente por vários contatos de dentes. Este arranjo alcança alta densidade de torque em um pacote compacto, mas também significa que cada engrenagem planetária carrega uma fração significativa da carga total em ciclos de fadiga contínuos. A Zhangqiu Heavy Forging confirma que após o tratamento térmico de têmpera e revenido, os porta-engrenagens planetárias forjados podem suportar tensões alternadas de longo prazo com uma vida útil que é 2 a 3 vezes mais do que os componentes produzidos por processos comuns, uma proporção que se aplica igualmente às próprias engrenagens planetárias (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

O suporte planetário é o componente estrutural que mantém os eixos das engrenagens planetárias em suas posições orbitais corretas entre si e com as engrenagens anelares e solares. Ele deve manter uma precisão posicional precisa sob carga para manter todas as engrenagens planetárias na malha adequada simultaneamente, o que requer alta rigidez e excelente resistência à fadiga. Zhangqiu Heavy Forging descreve os principais requisitos para um porta-planetas forjado: o processo de modelagem quase-rede combinado com processamento preciso garante controle rigoroso da precisão do tamanho e tolerância posicional, garantindo cooperação precisa com engrenagens planetárias, engrenagens solares e eixos de saída, reduzindo perda de transmissão e ruído (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Os materiais usados ​​para transportadores planetários incluem aços-liga de alta resistência 42CrMo, 20CrMnTi e 35CrMo, com sequências de tratamento térmico de têmpera e revenido, além de cementação para alcançar o equilíbrio certo entre dureza superficial e tenacidade do núcleo (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging).

Engrenagem solar e pinhão

A engrenagem solar fica no centro do estágio planetário e engrena com todas as engrenagens planetárias simultaneamente, enquanto as engrenagens do pinhão aparecem nos estágios helicoidais de uma caixa de engrenagens de vários estágios, onde são necessários aumentos adicionais de velocidade. Ambos os tipos devem ser forjados a partir de ligas de aço com temperabilidade suficiente para obter flancos de dentes endurecidos por meio de cementação ou nitretação após usinagem em desbaste, fornecendo a dureza superficial necessária para resistir à corrosão por pite e à fadiga do flanco do dente durante décadas de carregamento cíclico.

Eixos de entrada e saída

O eixo de entrada conecta o eixo do rotor principal ao primeiro estágio planetário da caixa de engrenagens, e o eixo de saída de alta velocidade conecta o estágio final da engrenagem ao acoplamento do gerador. Ambos os eixos experimentam perfis de carga diferentes: o eixo de entrada transporta alto torque em baixa velocidade com altos momentos fletores do rotor, enquanto o eixo de saída transporta torque mais baixo em alta velocidade com fadiga torcional causada por transientes de carga do gerador. Tiptop Heavy Forging observa que o eixo de alta velocidade em um sistema de turbina eólica está localizado após a caixa de engrenagens, girando muito mais rápido, mas transmitindo menor torque ao gerador, e que ambos os tipos de eixo requerem grandes dimensões e materiais forjados fortes (Fonte: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine: Structure, Materials and Forging).

Por que o forjamento é o processo necessário para componentes de caixas de engrenagens

A decisão de forjar em vez de fundir componentes adequados para caixas de câmbio não é uma preferência; é um requisito impulsionado pelas demandas de vida em fadiga da operação de turbinas eólicas.

Fluxo de grãos e superioridade mecânica

O forjamento molda o metal sob alta força de compressão, o que fecha vazios internos, refina a estrutura do grão e alinha o fluxo do grão ao longo da geometria da peça. Isso produz um componente com limite de escoamento, resistência à tração e resistência à fadiga significativamente maiores do que a mesma geometria produzida por fundição da mesma liga. Tiptop Heavy Forging explica que o forjamento altera a estrutura interna do metal de forma a ajudar a produzir componentes grandes e confiáveis ​​para serviços pesados, e que os eixos principais das turbinas eólicas são normalmente feitos de aço forjado em vez de fundidos especificamente devido a essa diferença estrutural (Fonte: Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Vida de fadiga em carregamento cíclico

Os componentes da caixa de engrenagens da turbina eólica sofrem carga de fadiga a cada revolução do rotor, e uma vida útil projetada de 20 anos em velocidade operacional corresponde a centenas de milhões de ciclos de tensão nos dentes da engrenagem e nas seções transversais do eixo. Os componentes fundidos contêm porosidade de contração, inclusões de gás e orientação aleatória de grãos que criam concentrações de tensão nas quais trincas por fadiga podem iniciar e se propagar. Componentes forjados com porosidade fechada e estrutura de grãos alinhada proporcionam um limite de fadiga significativamente mais alto, permitindo-lhes sustentar a mesma amplitude de tensão por muito mais ciclos antes do início da trinca. A documentação da Zhangqiu Heavy Forging sobre transportadores de engrenagens planetárias forjadas que alcançam vida útil 2 a 3 vezes mais longa do que os processos comuns quantifica diretamente essa vantagem de fadiga em termos específicos da aplicação (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Estabilidade Dimensional Sob Carga

A precisão da malha da engrenagem depende da estabilidade dimensional de cada componente forjado sob carga estática e dinâmica. Se um suporte planetário desviar sob carga de uma forma que altere as posições relativas dos eixos das engrenagens planetárias, a divisão de carga entre as engrenagens planetárias se tornará desigual e as engrenagens planetárias sobrecarregadas falharão prematuramente. Componentes forjados com propriedades de material uniformes e previsíveis são mais fáceis de modelar e projetar para atender aos requisitos de rigidez do que peças fundidas com propriedades variáveis ​​em toda a seção.

Classes de aço usadas em peças forjadas de caixas de engrenagens de turbinas eólicas

A seleção de materiais para peças forjadas de caixas de engrenagens equilibra temperabilidade, tenacidade, usinabilidade e disponibilidade em todas as cadeias de fornecimento globais.

A Fuhong Steel confirma que 18CrNiMo7-6 e 8620 são os tipos de aço usados principalmente por clientes europeus e americanos para caixas de engrenagens de energia eólica, refletindo as diferentes preferências de padrões de materiais que se desenvolveram em cada mercado principal (Fonte: Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). A escolha entre essas classes é determinada pela função da engrenagem, pela profundidade de caixa necessária após a cementação, pela dureza do núcleo necessária para o estado de tensão específico e pelos requisitos de certificação do OEM.

Sequências de tratamento térmico para peças forjadas de caixas de engrenagens

Um forjado na condição de forjado não possui as propriedades mecânicas exigidas para o serviço da caixa de engrenagens. O tratamento térmico após o forjamento e a usinagem de desbaste é essencial para alcançar a combinação de dureza superficial e tenacidade do núcleo exigida pelos dentes da engrenagem e pelas seções transversais do eixo.

1. Normalização: aplicada após o forjamento para aliviar tensões residuais, homogeneizar a estrutura e preparar o material para posterior usinagem e tratamento térmico sem a distorção que pode ocorrer em forjados não normalizados.
2. Têmpera e revenido: usado para componentes estruturais, como suportes planetários e eixos, para desenvolver alta resistência e tenacidade do núcleo; a taxa de têmpera e a temperatura de têmpera são selecionadas para atingir a resistência ao escoamento específica e a energia de impacto exigidas pelo padrão de projeto
3. Carburização e endurecimento de caixa: usado para dentes de engrenagens em engrenagens planetárias, engrenagens solares, coroas e pinhões; o carbono é difundido na camada superficial até uma profundidade de revestimento especificada, seguido de endurecimento por têmpera para atingir uma dureza superficial normalmente na faixa de 58 a 62 HRC, enquanto o núcleo permanece tenaz
4. Nitretação: usada onde a distorção da cementação é inaceitável ou onde a composição da liga é adequada para o endurecimento por difusão de nitrogênio; atinge um revestimento rígido em temperaturas mais baixas e com menos alterações dimensionais do que a cementação
5. Endurecimento por indução: usado para superfícies de eixo selecionadas, como assentos de mancais de munhão, onde o endurecimento superficial localizado é necessário sem o custo de cementação completa

Zhangqiu Heavy Forging descreve a seleção de material e tratamento térmico para transportadores planetários: processos preferenciais de forjamento e forjamento livre são usados, com materiais incluindo aços-liga de alta resistência 42CrMo, 20CrMnTi e 35CrMo combinados com têmpera e revenido, além de cementação e têmpera para alcançar o equilíbrio entre resistência e tenacidade necessária para este componente (Fonte: Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Padrões de qualidade e testes para peças forjadas de caixas de engrenagens de turbinas eólicas

As caixas de engrenagens forjadas de turbinas eólicas são produzidas de acordo com materiais rastreáveis e padrões dimensionais, com registros de testes documentados que acompanham os componentes ao longo da cadeia de fornecimento e permanecem disponíveis durante a vida útil da turbina.

1. Verificação da composição química por análise espectrográfica de cada calor para confirmar o grau do material dentro dos limites de especificação da norma aplicável
2. Teste de propriedades mecânicas em amostras de cupom do forjamento ou de uma peça de teste forjada sob as mesmas condições, incluindo resistência à tração, resistência ao escoamento, alongamento, redução de área e energia de impacto Charpy na temperatura de teste especificada
3. Teste ultrassônico de todo o volume de forjamento para detectar falhas internas, inclusões ou segregações que não são visíveis na superfície, mas que reduziriam a resistência à fadiga em serviço
4. Inspeção de partículas magnéticas ou inspeção de superfícies com corante penetrante para detectar rachaduras superficiais introduzidas durante forjamento ou tratamento térmico
5. Inspeção dimensional para tolerâncias de desenho usando máquinas de medição por coordenadas para geometrias complexas e medição de precisão para diâmetros críticos de furo e rasgos de chaveta
6. Verificação de dureza por testes Brinell ou Rockwell em posições especificadas para confirmar que o tratamento térmico alcançou as propriedades exigidas através da seção

O Processo ACE Forjados de caixa de engrenagens de turbina eólica são produzidos de acordo com esse padrão de qualidade completo, com certificações de materiais, relatórios de testes mecânicos, registros de exames não destrutivos e documentação de inspeção dimensional fornecida com cada forjamento para apoiar os requisitos de rastreabilidade e certificação de OEMs de turbinas eólicas e seus organismos de certificação.