CN113199215A - 风力发电主轴及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力发电主轴及其制造方法，本发明将主轴分段制造再拼焊组合。具体而言，主轴结构包括法兰端、轴身平行段、尾部齿轮箱连接段。这三段均为空心结构，相对传统的实心锻件轴能够节约材料。并且可以根据各部位的受载不同，选择不同等级的材料。主轴包括：使用第一材料制造主轴的法兰端；使用第二材料制造主轴的轴身；使用第三材料制造主轴的尾部连接段；以及通过焊接的方式将法兰端、轴身平行段以及尾部齿轮箱连接段进行组合；通常情况下：第一材料的强度高于第二材料的强度，第二材料的强度高于第三材料的强度，具体根据制造工艺和主轴载荷确定。

Description

风力发电主轴及其制造方法
技术领域
本发明涉及风力发电机技术领域，特别涉及一种风力发电主轴及其制造方法。
背景技术
低速传动主轴是风力发电机组的关键部件，现有风力发电机组的主轴多采用整锻方法制造，主轴材料一般为高强合金钢，锻造、热处理后加工成最终尺寸。随着主轴尺寸的增加，现在也存在空心球铁主轴。然而：
1)锻造主轴为整段结构，并且为合金钢，其中含有如铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)等昂贵的合金元素，这些元素的增加能够保证材料的淬透性、强度和低温韧性，然而锻件的加工量大，对于低应力区材料的性能富裕量过大；
2)球铁主轴为铸造空心结构，材料利用率高，但球铁材料强度低、韧性差，限制了被广泛使用，另外由于球铁不能焊接修复，因此增加了报废风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电主轴及其制造方法，以解决现有的风力发电主轴加工难度大、成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电主轴的制造方法，包括：
使用第一材料制造主轴的法兰端；
使用第二材料制造主轴的轴身；
使用第三材料制造主轴的连接段；
通过焊接的方式将法兰端、轴身平行段以及齿轮箱连接段进行组合。
通常情况下：第一材料的强度≥第二材料的强度≥第三材料的强度，具体根据制造工艺和主轴载荷确定。
可选的，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述第一材料包括铸钢制造的铸钢件或空心锻造的空心锻件，第二材料包括轧制无缝管件、锻件或铸钢件，第三材料包括锻件、轧制圆钢或铸钢件。
可选的，在所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，所述第二材料和第三材料中的至少一个使用低合金热轧无缝钢管，所述第一材料为含铬和/或钼和/或镍合金。
可选的，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述法兰端法兰连接轮毂，所述法兰端平行段轴肩安装主轴承，截面为圆环。所述法兰还包括轴肩段，所述轴肩段处用于安装风力发电主轴承；
可选的，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述轴身为空心管筒，空心圆柱两端分别连接法兰端和连接段；所述空心管筒的横截面圆环与法兰端的横截面圆环尺寸相匹配；
可选的，所述连接段与主齿轮箱连接，所述连接段由包括至少一个直径尺寸的同心的圆柱段和/或圆台段组成，所述连接段与轴身连接处的横截面为圆环，且与空心管筒的横截面圆环尺寸匹配；
所述连接段为变径结构，根据主轴承和主齿箱的连接尺寸进行调整。
可选的，在所述的风力发电主轴的制造方法中，根据主轴的载荷要求，在满足焊接性的前提下选择第一材料、第二材料和第三材料。
可选的，在所述的风力发电主轴的制造方法中，根据风力发电主轴的实际载荷，可通过选择第一材料、第二材料和第三材料的性能等级，调整法兰端与轴身的焊缝位置、以及轴身与连接段的焊缝位置，以达到最优的成本。
可选的，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述法兰、所述轴身和所述连接段通过气体保护金属极电弧焊、手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊中的至少一种连接。
本发明还提供一种风力发电主轴，包括：
法兰端，被配置为使用第一材料制成；
轴身，被配置为使用第一材料制成；以及
连接端，被配置为使用第三材料制成；其中：
所述法兰端、所述轴身和所述连接段通过焊接的方式依次连接；
第一材料的强度大于第二材料的强度，且第二材料的强度大于第三材料的强度。
本发明的发明人经研究发现，现有风电低速传动主轴多采用高强合金钢锻造方法制造，但是通常在工作时仅法兰端承受高应力，而主轴轴身承受应力较低，基于以上洞察，发明人预见到主轴中应力较高的区域应采用具有较高静强度和疲劳强度的材料进行制造，而主轴中应力较低的区域则无需使用性能过高的材料，若全部采用高性能的材料则使得整个主轴材料利用率低，加工量大，价格高，而分段制造可以达到降低加工难度和节约成本。
发明人还发现，风电主轴的接口主要包括连接轮毂的法兰，安装主轴承的轴肩，连接齿轮箱的连接段。不同部位的载荷和应力大小不同。风机主轴的载荷主要在轴承前沿，而轴承后端至主轴的尾端应力小。因此开发主轴焊接技术，可以在高应力和低应力区使用性能不同的材料，从而提高主轴的灵活性，并降低价格。
在本发明提供的风力发电主轴及其制造方法中，通过使用第一材料形成风力发电主轴的法兰端，使用第二材料形成风力发电主轴的轴身，使用第三材料形成风力发电主轴的连接端，即根据主轴不同区域的应力分布不同，选择性能等级不同的材料，在高应力区使用高强度等级材料，低应力区使用低强度等级材料，使用焊接的方法对主轴的不同段进行拼焊，在降低总体成本的同时，降低了加工难度。
本发明通过第一材料包括铸钢制造的铸钢件或空心锻造的空心锻件，第二材料包括轧制无缝管件、铸钢件或锻件，第三材料包括锻件、轧制圆钢或铸钢，低应力段的区域使用第二材料或第三材料、高应力段的区域使用第一材料(铸钢件或空心锻件)，轧制管件的成本低于铸钢件和空心锻件，可以控制材料成本，进一步的，主轴由不同段的材料组成，可综合控制成本。使用铸钢、无缝轧管等工艺在风电主轴上应用，相比于现有技术能够降低制造成本，而在低应力区使用低合金热轧无缝钢管，是风电主轴制造领域的首创，能够克服风力发电主轴制造领域的技术偏见。
本发明可以根据载荷的不同，在满足焊接性的前提下可灵活选材。例如，法兰使用空心锻造/铸钢制造，轴身使用轧制无缝管件(或锻件)，齿轮箱连接段使用锻件、轧制圆钢或铸钢；具体的，法兰可选材料包括G18CrNiMo3-6、G24Mn6等，轴身可选材料包括S355、20Mn、20CrMo、25CrMo、30CrMo等，连接段可选材料包括S355、G24Mn6等。
本发明主轴的整体结构为空心结构，相比于实心轴，空心轴热处理时，内外表面均可受热和冷却，材料本体的热处理性能更优；通过控制壁厚可以控制焊接量，相比于实心轴，空心轴焊接工作量小，焊接质量更可控；另外，相比于实心轴，空心轴进一步的还降低了主轴的整体重量，成本更优；在低应力区使用低合金材料，相对整体制造的主轴，有成本优势；
本发明根据风力发电主轴的实际载荷，在满足焊接性的前提下选择第一材料、第二材料和第三材料，根据风力发电主轴的实际载荷，可通过选择第一材料、第二材料和第三材料的性能等级，调整法兰端与轴身的焊缝位置、以及轴身与连接段的焊缝位置，使得制造工艺更加灵活，以达到最优的成本。尤其是针对于大型风力发电机的主轴锻造，克服了难以实现的工艺瓶颈。
本发明在使用焊接的方式将法兰、轴身、连接段拼焊起来时，轴身应力低，应优先使用低合金热轧钢管，从而降低主轴综合成本。
附图说明
图1是本发明一实施例风力发电主轴示意图；
图2是本发明另一实施例风力发电主轴示意图；
图中所示：1-法兰端；2-轴身；3-连接段。
具体实施方式
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的风力发电主轴及其制造方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的目的在于提供一种风力发电主轴及其制造方法，以解决现有的风力发电主轴加工难度大、成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种风力发电主轴及其制造方法，包括：使用第一材料制造主轴的法兰端；使用第二材料制造主轴的轴身；使用第三材料制造主轴的连接段；通过焊接的方式将法兰端、轴身平行段以及齿轮箱连接段进行组合。通常情况下：第一材料的强度≥第二材料的强度≥第三材料的强度，具体根据制造工艺和主轴载荷确定。
本发明的实施例提供一种风力发电主轴的制造方法，如图1～2所示，包括：使用第一材料形成风力发电主轴的法兰端1；使用第二材料形成风力发电主轴的轴身2；使用第三材料形成风力发电主轴的连接段3；以及通过焊接的方式将法兰端1、轴身2、以及连接段3依次连接；其中：第一材料的强度大于第二材料的强度，且第二材料的强度大于第三材料的强度。在本发明的范围内，术语“法兰端”是指风发电机主轴的凸缘或含有凸缘的部分。术语“连接段”是指将风力发电主轴的与主齿轮箱(增速箱)相连接的部分。术语“轴身”是指风力发电主轴的处于法兰端与连接段之间的部分。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述第一材料包括铸钢制造的铸钢件或空心锻造的空心锻件，第二材料包括轧制无缝管件或锻件，第三材料包括锻件、轧制或铸钢。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述第二材料和第三材料中的至少一个使用低合金热轧无缝钢管，所述第一材料中包括铬(Cr)和/或钼(Mo)和/或镍(Ni)合金。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述法兰端1连接轮毂，所述法兰端平行段轴肩安装主轴承，截面为圆环。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述轴身2为空心管筒，空心管筒两端分别连接法兰端1和连接段3；所述空心管筒的横截面圆环与法兰端1的横截面圆环尺寸相匹配。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述连接段3连接增速齿轮箱，所述连接段3可变径，所述连接段3与轴身2连接处的横截面为圆环，且与空心管筒的横截面圆环尺寸匹配；所述连接段3与齿轮箱配合。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，根据风力发电主轴的实际载荷，在满足焊接性的前提下选择第一材料、第二材料和第三材料。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，根据风力发电主轴的实际载荷、第一材料、第二材料和第三材料的性能，调节法兰端1与轴身2的焊缝位置、以及轴身2与连接段3的焊缝位置。如图1、2所示，图1中法兰端1与轴身2的焊缝位置、以及轴身2与连接段3的焊缝位置，与图2中对应的焊缝位置不同，图1中的主轴载荷较大，因此法兰的尺寸较大，焊缝位置靠后，增加了法兰的强度，能够承载较大载荷。图1与图2中的尺寸不能对本发明中风力发电主轴的实际尺寸进行限定，仅用于对比说明焊缝位置的不同。
在本发明的一个实施例中，在所述的风力发电主轴的制造方法中，所述法兰端1、所述轴身2和所述连接段3通过气体保护金属极电弧焊、氩弧焊、手工电弧焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊中的至少一种连接。
本发明还提供一种风力发电主轴，包括：法兰端1，被配置为使用第一材料制成；轴身2，被配置为使用第二材料制成；以及连接段3，被配置为使用第三材料制成；其中：所述法兰端1、所述轴身2和所述连接段3通过焊接的方式依次连接；第一材料的强度大于第二材料的强度，且第二材料的强度大于第三材料的强度。
本发明的发明人经研究发现，为了使风力发电主轴具有大致均质的强度性能多采用锻造方法制造主轴，但是通常在工作时主轴前部附近的区域经受高应力，而主轴后部中的区域经受很低的应力，基于以上洞察发明人预见到，主轴中应力较高的区域应采用具有较高的诸如拉伸强度的机械性能的材料进行制造，主轴中应力较低的区域则无需较高的诸如拉伸强度的机械性能的材料，若全部采用高性能的材料则使得整个主轴材料利用率低，加工量大，价格高，而分段制造也可以达到降低加工难度这一意料之外的效果。
发明人还发现，风电主轴的接口主要包括连接轮毂的法兰，安装主轴承的轴肩，连接齿轮箱的尾端。不同部位的载荷和应力大小不同。风机主轴的载荷主要在轴承前沿，而轴承后端至主轴的尾端应力小。因此开发主轴焊接技术，可以在高应力和低应力区使用性能不同的材料，从而提高主轴的灵活性，并降低价格。
在本发明提供的风力发电主轴及其制造方法中，通过使用第一材料形成风力发电主轴的法兰端1，使用第二材料形成风力发电主轴的轴身2，使用第三材料形成风力发电主轴的连接段3，即根据主轴不同区域的应力不同，对主轴进行分段形成法兰端1、轴身2、连接段3，实现了根据主轴的应力分布，在高应力区使用高强度等级材料，低应力区使用低强度等级材料，进一步的，使用焊接的方法对主轴的不同段进行拼焊，还可以实现降低加工难度这一意料之外的附加效果。
本发明通过第一材料包括铸钢制造的铸钢件或空心锻造的空心锻件，第二材料包括轧制无缝管件或锻件，第三材料包括锻件、轧制或铸钢，低应力段的区域使用第二材料或第三材料(轧制管件)、高应力段的区域使用第一材料(铸钢件或空心锻件)，轧制管件的成本低于铸钢件和空心锻件，可以控制材料成本，进一步的，主轴由不同段的材料组成，可综合控制成本。使用铸钢、无缝轧管等工艺在风电主轴上应用，相比于现有技术能够降低制造成本，而在低应力区使用低合金热轧无缝钢管，是风电主轴制造领域的首创，能够克服风力发电主轴制造领域的技术偏见。
本发明可以根据载荷的不同，在满足焊接性的前提下可灵活选材。例如，法兰端1使用空心锻造/铸钢制造，轴身2使用轧制无缝管件(或锻件)，齿轮箱连接段使用锻件、轧制或铸钢；具体的，法兰端1可选材料包括G18CrNiMo3-6、G24Mn6等，轴身2可选材料包括S355、20Mn、20CrMo、25CrMo、30CrMo等，连接段3可选材料包括S355、G24Mn6等。
本发明主轴的整体结构为空心结构，相比于实心轴，空心轴热处理时，内外表面均可受热和冷却，材料本体的热处理性能更优；通过控制壁厚可以控制焊接量，相比于实心轴，空心轴焊接工作量小，焊接质量更可控；另外，相比于实心轴，空心轴进一步的还降低了主轴的整体重量，成本更优；在低应力区使用低合金材料，相对整体制造的主轴，有成本优势；
本发明根据风力发电主轴的实际载荷，在满足焊接性的前提下选择第一材料、第二材料和第三材料，并根据风力发电主轴的实际载荷、第一材料、第二材料和第三材料的性能，调节法兰端1与轴身2的焊缝位置、以及轴身2与连接段3的焊缝位置，使得制造工艺更加灵活，尤其是针对于大型风力发电机的主轴锻造，克服了难以实现的工艺瓶颈。
本发明在使用焊接的方式将法兰端1、轴身2、连接段3拼焊起来时，轴身2应力低，应优先使用低合金热轧钢管，从而降低主轴综合成本。
综上，上述实施例对风力发电主轴及其制造方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力发电主轴的制造方法，其特征在于，包括：
使用第一材料制造主轴的法兰端；
使用第二材料制造主轴的轴身；
使用第三材料制造主轴的连接段；
通过焊接的方式将法兰端、轴身以及连接段进行组合；
第一材料的强度大于第二材料的强度，第二材料的强度大于第三材料的强度。
2.如权利要求1所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，所述第一材料包括铸钢制造的铸钢件或空心锻造的空心锻件，第二材料包括轧制无缝管件、锻件或铸钢件，第三材料包括锻件、轧制圆钢或铸钢件。
3.如权利要求1所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，所述第二材料和第三材料中的至少一个使用低合金热轧无缝钢管，所述第一材料为含铬合金和/或含钼合金和/或含镍合金。
4.如权利要求1所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，所述法兰端连接轮毂，所述法兰端的平行段轴肩安装主轴承，所述法兰端的截面为圆环。
5.如权利要求4所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，所述轴身为空心管筒，空心圆柱两端分别连接法兰端和连接端；所述空心管筒的横截面圆环与法兰端的横截面圆环尺寸相匹配。
6.如权利要求5所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，所述连接段与主齿轮箱连接，所述连接段由包括至少一个直径尺寸的同心的圆柱段和/或圆台段组成，所述连接段与轴身连接处的横截面为圆环，且与空心管筒的横截面圆环尺寸匹配；
所述连接端为变径结构，根据主轴承和主齿箱的连接尺寸进行调整。
7.如权利要求1所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，根据制造工艺和主轴的载荷要求，在满足焊接性的前提下选择第一材料、第二材料和第三材料。
8.如权利要求1所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，根据风力发电主轴的实际载荷，通过选择第一材料、第二材料和第三材料的性能等级，调整法兰端与轴身的焊缝位置、以及轴身与连接端的焊缝位置，以达到最优的成本。
9.如权利要求1所述的风力发电主轴的制造方法，其特征在于，所述法兰、所述轴身和所述连接段通过气体保护金属极电弧焊、手工电弧焊、氩弧焊、埋弧焊、药芯焊丝电弧焊、激光束焊接、复合式激光束焊接、电阻焊和摩擦焊中的至少一种连接。
10.一种风力发电主轴，其特征在于，包括：
法兰端，被配置为使用第一材料制成；
轴身，被配置为使用第一材料制成；
连接段，被配置为使用第三材料制成；
其中：所述法兰端、所述轴身和所述连接端通过焊接的方式依次连接；
第一材料的强度高于第二材料的强度，第二材料的强度高于第三材料的强度。
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