風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)化的技術(shù)途徑及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

　　易普森工業(yè)爐(上海)有限公司 范寒晉 劉曄東

　　易普森國(guó)際有限公司 Herbert Hans, Ralf Giebmanns

　　1. 引言

　　增速機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，使用壽命要求在20年以上。風(fēng)電機(jī)組通常被安置在多風(fēng)的野外或海灘上，四季變化，工況復(fù)雜，而且由于增速機(jī)被置于塔架之上的機(jī)房?jī)?nèi)，塔架高度有七八十米，裝卸十分困難，維修費(fèi)用奇高。這就要求增速機(jī)具有高質(zhì)量和高可靠性。

　　增速機(jī)一般采用行星齒輪設(shè)計(jì)。每臺(tái)增速機(jī)有8到10個(gè)齒輪，材料一般采用18CrNiMo7-6，有效硬化層深(Cd550)范圍約在1.6-4mm，直徑約在180-1100mm左右，長(zhǎng)度(高度)在120-1100mm左右，單件重量從90公斤到1000公斤不等，總重大約在2-4噸。

　　過(guò)去由于類似規(guī)格的工業(yè)齒輪多為小批量、多品種生產(chǎn)模式，對(duì)其滲碳強(qiáng)化大多采用井式滲碳爐生產(chǎn)線。隨著對(duì)滲碳強(qiáng)化質(zhì)量要求的不斷提高，也有一些密封箱式多用爐生產(chǎn)線和真空滲碳爐機(jī)組被采用。但由于裝爐量、爐膛尺寸的限制，仍無(wú)法滿足像以上風(fēng)電增速機(jī)齒輪滲碳強(qiáng)化的要求。

　　眾所周知，在世界范圍內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電已被作為重點(diǎn)發(fā)展的可再生能源戰(zhàn)略之一，每年有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組投入使用。與此同時(shí)，風(fēng)電增速機(jī)的生產(chǎn)也逐漸發(fā)展成為集約型、大批量的生產(chǎn)模式。

　　為了滿足風(fēng)電增速機(jī)及類似齒輪滲碳強(qiáng)化的市場(chǎng)需求，已經(jīng)開發(fā)出了與之適應(yīng)的超大型密封箱式多用爐生產(chǎn)線和真空滲碳爐機(jī)組，其裝爐量5噸，甚至能達(dá)到10噸，有效爐膛尺寸1500 × 1800 × 1200 mm (寬× 長(zhǎng) × 高)，甚至能達(dá)到1500 × 1800 × 1400 mm(寬× 長(zhǎng)×高)。完全滿足各種風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)化的要求，并已經(jīng)投入到實(shí)際生產(chǎn)使用當(dāng)中。這就為提高風(fēng)電齒輪質(zhì)量提供了技術(shù)裝備上的保證。

　　下面就對(duì)適合于風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)化的井式滲碳爐、箱式滲碳爐、超大型密封箱式多用爐和真空滲碳爐機(jī)組幾種解決方案進(jìn)行介紹，并在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上加以比較。

　　2. 風(fēng)電增速機(jī)齒輪滲碳強(qiáng)化的幾種設(shè)備解決方案比較

　　2.1 產(chǎn)品對(duì)象

　　為了比較起見(jiàn)，以圖1、2MW的行星增速機(jī)齒輪為對(duì)象。此增速機(jī)有8個(gè)齒輪，齒輪總重量3.4噸。齒輪的有效硬化層要求分別為Cd550= 3.0、2.5、2.0 毫米。其中最大齒輪直徑1115毫米，最長(zhǎng)齒輪軸長(zhǎng)1248毫米。生產(chǎn)線年規(guī)劃產(chǎn)能1500套。每年工作47周，每周工作7天，每天24小時(shí)，3班制，產(chǎn)量32臺(tái)增速機(jī)。詳細(xì)情況見(jiàn)表1。氣體滲碳溫度950℃(包括井式爐、箱式爐和密封箱式爐)，真空滲碳溫度1050℃。氣體滲碳工藝采用直接淬火工藝，真空滲碳采用爐內(nèi)高壓氮?dú)鈴?qiáng)制冷卻后，在密封箱式爐中保護(hù)氣氛淬火。

　　2.2 參比爐型及生產(chǎn)線構(gòu)成

　　參與比較的井式滲碳爐以滲碳強(qiáng)化工業(yè)齒輪常用的爐型為準(zhǔn)，見(jiàn)圖2;箱式爐、密封箱式爐、低壓滲碳爐以針對(duì)滲碳強(qiáng)化工業(yè)齒輪新開發(fā)的爐型為準(zhǔn)，見(jiàn)圖3、圖4，。各種爐型的不同齒輪的裝爐方式見(jiàn)圖5、圖6。

　　根據(jù)能力計(jì)算，完成上述生產(chǎn)任務(wù)對(duì)各種爐型生產(chǎn)線解決方案設(shè)備的配置見(jiàn)表2。各種爐型生產(chǎn)線設(shè)備平面布置見(jiàn)圖7、圖8、圖9、圖10。

　　圖1 圖2

　　表1、樣本2MW行星增速機(jī)齒輪明細(xì)和周產(chǎn)量

　　名稱重量/件(公斤)尺寸(毫米)件/臺(tái)臺(tái)/周件/周公斤/周層深(毫米)

　　一級(jí)行星輪400D610x3703329638,4003.0

　　一級(jí)齒輪軸505D345x12481323216,1603.0

　　二級(jí)齒輪945D1115x2421323230,2402.5

　　二級(jí)齒輪軸310D330x780132329,9202.5

　　三級(jí)齒輪308D845x120132329,8562.0

　　輸出軸122D215x920132323,9042.0

　　圖3 圖4

　　圖5 圖6

　　表2、各種爐型生產(chǎn)線解決方案設(shè)備配置

　　生產(chǎn)線配置井式爐箱式爐密封淬火箱式爐真空爐備注

　　前清洗機(jī)-1111. 密封箱式淬火爐淬火;

　　預(yù)熱爐-111

　　滲碳爐6663

　　淬火槽11-(備注1)

　　后清洗機(jī)1111

　　回火爐2222

　　裝卸料車-122+1

　　備料臺(tái)-141414

　　自動(dòng)控制系統(tǒng)-有有有

　　其他天車、噴丸機(jī)噴丸--

　　圖7 圖8

　　圖9 圖10

　　表3是2.5毫米滲碳層深齒輪在各種爐型滲碳處理的滲碳溫度、滲碳工藝時(shí)間、凈裝爐量、毛裝爐量和工裝的重量。

　　表3

　　井式爐箱式爐密封箱式爐真空爐

　　滲碳溫度950℃950℃950℃1050℃

　　滲碳工藝時(shí)間35.16 h30.85 h30.185 h18.44 h

　　凈裝爐量4339 kg4018 kg4018 kg4018 kg

　　毛裝爐量6668 kg4811 kg4811 kg4811 kg

　　工裝重量2329 kg793 kg793 kg793 kg

　　2.3 各種爐型的技術(shù)性比較

　　比較時(shí)均以井式滲碳爐為對(duì)象。圖11是對(duì)幾種爐型在技術(shù)上的一些比較。

　　圖11　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖12

　　2.3.1 熱處理質(zhì)量

　　由于密封箱式爐和真空爐在市在保護(hù)氣氛下淬火，淬火時(shí)工件不接觸空氣，因而不會(huì)形成氧化皮和像井式滲碳爐和箱式滲碳爐那樣明顯的氧化脫碳現(xiàn)象。特別是真空滲碳，由于采用無(wú)氧碳?xì)浠衔餄B劑，完全擺脫了普通氣體滲碳內(nèi)氧化的困擾。

　　2.3.2 滲碳周期

　　滲碳速度隨溫度提高而加快。真空滲碳爐特殊的設(shè)計(jì)可以在高溫下使用，滲碳周期大大縮短。真空低壓滲碳周期隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖12。。

　　2.3.3 工裝

　　由于井式爐需用天車吊運(yùn)的特性，其工裝厚大笨重，制作成本高、耗能、壽命短，維修成本高。而水平式爐(箱式滲碳爐、密封箱式淬火爐、真空滲碳爐)由于用專門的裝卸料車搬運(yùn)裝卸工件，工裝重量大大減輕，制作成本低，加熱時(shí)間短，耗能小，工藝用氣少，降溫時(shí)間快，大大縮短了滲碳工藝時(shí)間。但就工裝而言，以完成本生產(chǎn)大綱為準(zhǔn)，井式爐比其它爐型多處理了約1730噸工裝。

　　2.3.3 安全性

　　就安全而言，井式滲碳爐生產(chǎn)線有許多危險(xiǎn)的因素。開式油槽安全性差，油槽失火是所有熱處理車間的滅頂之災(zāi)。

　　裝料吊入油槽淬火的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生幾米高的火焰，要求倍加警惕，并準(zhǔn)備完善的防火措施。同時(shí)巨大的油煙對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，要求配備非常昂貴的排演和慮煙裝置。見(jiàn)圖13。

　　為了減少危險(xiǎn)，需要不斷的檢查、評(píng)估調(diào)運(yùn)系統(tǒng)的安全性。

　　圖13 圖14

　　2.3.4 自動(dòng)化

　　就當(dāng)前的技術(shù)水平而言，水平裝卸料的熱處理生產(chǎn)線(包括箱式爐、密封箱式爐和真空爐)以可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人全自動(dòng)化生產(chǎn)。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定可靠，作業(yè)計(jì)劃優(yōu)化，文檔管理完善。而對(duì)于井式滲碳爐還無(wú)法達(dá)到如此的自動(dòng)化水平。

　　2.4 參比爐型的經(jīng)濟(jì)性比較

　　2.4.1 比較基礎(chǔ)

　　由于中國(guó)還沒(méi)有這樣的爐型普遍使用，無(wú)法進(jìn)行比較。現(xiàn)以在德國(guó)的情況加以比較。雖然與中國(guó)相比會(huì)有一些出入，但仍不失有一定的參考借鑒意義。

　　以投資后任意財(cái)年的純現(xiàn)價(jià)法(net present value methid)進(jìn)行比較。平均資本費(fèi)用按12%記。

　　考慮到投資后的生產(chǎn)成本會(huì)發(fā)生變化，采用了兩種不同的市場(chǎng)條件：

　　條件1.

　　· 在每桶油價(jià)格為52美元時(shí)天然氣的價(jià)格為0.25歐元/立方米。

　　· 市場(chǎng)熱處理價(jià)格為1.10歐元/公斤。

　　條件2.

　　· 在每桶油價(jià)格為150美元時(shí)天然氣的價(jià)格為0.25歐元/立方米。

　　· 市場(chǎng)熱處理價(jià)格為0.95歐元/公斤。

　　2.4.2 投資成本

　　要確定投資成本不僅僅要考慮純?cè)O(shè)備的投資，還要考慮設(shè)備今后的運(yùn)行成本。要用純現(xiàn)價(jià)法計(jì)算投資成本需要同時(shí)考慮如下的成本支出：

　　· 設(shè)備采購(gòu)成本(包括設(shè)備本身和調(diào)試費(fèi)用)

　　· 包裝、運(yùn)輸和保險(xiǎn)

　　· 淬火油

　　· 工裝卡具

　　· 配套建設(shè)(設(shè)備基礎(chǔ)、工藝用氣和冷卻水等)

　　2.4.3 生產(chǎn)成本

　　與任何類型的公司運(yùn)營(yíng)一樣，熱處理公司的生產(chǎn)成本也包括固定費(fèi)用和變動(dòng)費(fèi)用。

　　變動(dòng)費(fèi)用包括：

　　· 天然氣

　　1.在每桶油價(jià)格為52美元時(shí)天然氣的價(jià)格為0.25歐元/立方米。

　　2.在每桶油價(jià)格為150美元時(shí)天然氣的價(jià)格為0.25歐元/立方米。

　　· 電費(fèi)0.08歐元/千瓦時(shí)

　　· 淬火油2.00歐元/公斤

　　· 工裝

　　· 工藝氣體

　　固定費(fèi)用包括：

　　· 人員工資

　　· 服務(wù)和維修

　　· 廠房折舊(租賃)及相關(guān)費(fèi)用

　　· 管理費(fèi)用

　　2.4.4 投資經(jīng)濟(jì)性分析/回報(bào)曲線

　　經(jīng)濟(jì)分析僅從熱處理角度出發(fā)，沒(méi)有考慮由于熱處理質(zhì)量提高而給后續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)的成本節(jié)約。例如，由于密封箱式淬火爐，工件淬火轉(zhuǎn)移時(shí)不接觸任何空氣，沒(méi)有氧化皮產(chǎn)生，無(wú)需后續(xù)的如噴丸等清理工序，也不會(huì)由于氧化皮脫落到齒輪箱冷卻油中導(dǎo)致齒輪箱的失效。這也是巨大的潛在成本的節(jié)約，但在分析時(shí)都不涉及。

　　在條件1(天然氣價(jià)格0.25歐元/立方米，熱處理價(jià)格1.10歐元/公斤)情況下，不同爐型的投資回報(bào)時(shí)間見(jiàn)圖14和表3。

　　表3： 條件1(天然氣價(jià)格0.25歐元/立方米，熱處理價(jià)格1.10歐元/公斤)不同爐型的投資回報(bào)時(shí)間

　　井式爐箱式爐密封箱式爐真空爐

　　投資額(歐元)3,831,5503,402,2004,593,1003,958,400

　　三年后純現(xiàn)價(jià)值(NPV)(歐元)2,439,1584,420,5213,015,4852,652,971

　　回報(bào)時(shí)間(月)約21142020

　　在表3和圖14中可以看出，箱式爐初始投資是3,402,200歐元，大約在14個(gè)月后就收回了投資，3年以后盈利4,420,621歐元。

　　密封箱式淬火爐、真空爐和井式爐在初期投資時(shí)均高于箱式爐，使投資回收時(shí)間分別為20個(gè)月、20個(gè)月和21個(gè)月。

　　在條件2(天然氣價(jià)格0.50歐元/立方米，熱處理價(jià)格0.95歐元/公斤)情況下，不同爐型的投資回報(bào)時(shí)間見(jiàn)圖15和表4。

　　表4： 條件2(天然氣價(jià)格0.50歐元/立方米，熱處理價(jià)格0.95歐元/公斤)不同爐型的投資回報(bào)時(shí)間

　　井式爐箱式爐密封箱式爐真空爐

　　投資額(歐元)3,831,5503,402,2004,593,1003,958,400

　　三年后純現(xiàn)價(jià)值(NPV)(歐元)620,0652,526,091981,597965,732

　　回報(bào)時(shí)間(月)約31192928

　　在表4和圖15中可以看到，能源價(jià)格和熱處理市場(chǎng)價(jià)對(duì)設(shè)備的投資回報(bào)影響很大。

　　在條件2的情況下，箱式爐、密封箱式爐、真空爐和井式爐在3年內(nèi)均得到了回報(bào)，時(shí)間分別為19個(gè)月、29個(gè)月、28個(gè)月和31個(gè)月。

　　在條件2時(shí)，密封箱式爐在初期投資時(shí)，其比井式爐投資高出了761,550歐元，但其比井式爐的回報(bào)時(shí)間卻早，而且在34個(gè)月的時(shí)候起投資回報(bào)也趕上了真空爐。

　　圖15

　　3. 結(jié)論

　　3.1 由于技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展，風(fēng)電增速機(jī)齒輪及類似齒輪已形成集約式、規(guī)模式生產(chǎn)，對(duì)于滲碳強(qiáng)化設(shè)備除可以選擇井式爐外，也可以選擇箱式爐、密封箱式爐和真空爐。

　　3.2 從技術(shù)角度講，密封箱式淬火爐和真空低壓滲碳爐由于在淬火轉(zhuǎn)移過(guò)程中工件不接觸空氣，工件表面無(wú)表面氧化脫碳現(xiàn)象。特別是真空滲碳爐根本擺脫了內(nèi)氧化的困擾，同時(shí)滲碳周期短，變形小。

　　3.3 密封箱式淬火爐、真空爐和箱式爐齒輪強(qiáng)化生產(chǎn)線均采用密閉式油槽，淬火時(shí)無(wú)油煙和著火現(xiàn)象，環(huán)保安全性好。

　　3.4 水平式裝料的密封箱式淬火爐、真空爐和箱式爐齒輪強(qiáng)化生產(chǎn)線由于不用天車吊運(yùn)爐料，工裝重量輕，壽命長(zhǎng)，制造維護(hù)成本低，無(wú)功耗能低，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作。

　　3.5 從投資經(jīng)濟(jì)性上講，箱式爐齒輪強(qiáng)化生產(chǎn)線初始投資低，投資回報(bào)期短。

　　3.6 原材料價(jià)格和熱處理市場(chǎng)價(jià)格的變動(dòng)會(huì)明顯影響投資回報(bào)。

　　3.7 如綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面，對(duì)于風(fēng)電齒輪類似滲碳強(qiáng)化的滲碳設(shè)備，密封箱式淬火爐和真空爐滲碳強(qiáng)化生產(chǎn)線比較好，密封箱式淬火爐生產(chǎn)線在一定時(shí)間后回報(bào)性更好。

　　3.8 井式爐滲碳強(qiáng)化生產(chǎn)線雖然對(duì)于風(fēng)電齒輪滲碳強(qiáng)化上在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上均沒(méi)有大的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于大直徑齒輪和長(zhǎng)軸齒輪滲碳方面有不可替代的優(yōu)勢(shì)。