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作为重要的清洁能源，风电产业正进入规模化的快速发展时代，并将保持良好的发展势头。齿轮和齿轮箱是风电系统的核心部件，对风电系统运行的稳定性有着至关重要的作用，因此对齿轮和齿轮箱的质量和可靠性提出了更高的要求，需要从源头上对齿轮和齿轮箱的加工质量进行控制。齿轮加工涉及到切削，热处理及防锈等环节，相应需要配套的切削油，热处理油和防锈油。本文对齿轮加工工艺及配套金属加工油的性能进行了综述。

随着国家“碳达峰”及“碳中和”战略（简称“双碳”战略）的推进，我国的风电产业正进入规模化的快速发展时代。

根据国家能源局统计：2022 年全国风电新增并网装机容量为 37.63 GW（3763 万千瓦），截至 2022年底，全国风电累计装机容量为396 GW（3.96 亿千瓦），其中陆上风电累计装机容量为 360 GW （3.6 亿千瓦）、海上风电累计装机容量为 30.51 GW （3051 万千瓦）。《2022 全球海上风电大会倡议》则指出：到“十四五”末，我国海上风电累计装机容量需达到100 GW（1亿千瓦）以上。

作为重要的清洁能源，风能必将承担起新能源主力军的重大责任，可以预想在未来几十年，风力发电将保持良好的发展势头，风电装机容量会不断增加，海上风电也将迎来发展壮大。

风电行业的快速发展，必然对风电系统核心零部件的质量和可靠性提出了更高的要求，风电齿轮箱作为风力发电机组的关键零部件之一，在风机中起匹配转速和传递扭矩的作用，对风力发电系统的正常运行有至关重要的作用，而风电齿轮箱和齿轮的制造加工是从源头上进行质量控制的关键。

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风电齿轮的加工

目前，我国已经成为全球最大的风电装备制造基地，风电机组的产量占全球2/3以上，全球风电装备的头部制造商也不乏中国企业。国内风电整机厂的代表企业有金风科技、远景能源、上海电气、三一重能及中国海装等公司；风电齿轮箱的生产厂家主要有南高齿、杭齿前进、重齿及大连重工等企业，其中南高齿作为该领域的领军企业，已连续多年占据风电齿轮箱全球细分市场的第一名。

风电齿轮箱是双馈型和半直驱型风电机组中传递兆瓦级功率的关键部件，是风力发电机组中技术含量最高的大部件之一，其稳定性和可靠性格外重要，成本占风机总成本的15%左右。

因风机运行工况恶劣、受力复杂、载荷大，长时间运行齿轮箱中各零部件的故障也时有发生。据统计，齿轮本身因断齿、磨损等损坏形式在齿轮箱故障中占有最大的比重，约为60%。

齿轮是维持齿轮箱传动系统平稳运行的关键，其在机械加工中是一种高度复杂的成型零件。风电齿轮在高速、重载运行下，其工作条件尤其恶劣。除疲劳、过载、润滑不良、冲击等原因外，齿面硬度低会导致轮齿发生点蚀；齿轮精度低和齿面硬度低会导致轮齿发生胶合；齿根圆角处热处理或加工缺陷会导致发生齿根疲劳裂纹。因此齿轮加工中要对精度、硬度、热处理等进行严格质量控制，合理的齿轮加工工艺及其加工用油的选择将有助于提升齿轮零件的质量，有利于从源头防止故障发生而降低后期的维修维护成本。因此风电齿轮箱要在设计、原材料、齿轮加工等各方面从源头严格把控。

风电齿轮加工的典型工艺流程及其配套所用的加工用油见图1。

图1 风电齿轮的典型加工工艺及其配套加工用油

对于不同材质、大小、功能的风电齿轮，具体的加工工艺也会有所差异，可能会涉及多级加工或多次热处理等，比如针对 42CrMoA材质的 3 MW 级风电的内齿圈，其加工工艺流程为：毛坯（探伤）—粗铣齿—调质淬火—半精加工—半精铣齿—去应力退火—抛丸—精加工—磨齿—氮化—防护等。

但总的来说，风电齿轮加工中涉及到的金属加工油主要有以下三类：切削加工（包括铣、磨等）所用的切削油、热处理过程所用的热处理油（主要为淬火油）、包装运输防护所用的防锈油等。

目前，中国石化长城润滑油等国内品牌的产品线均已涵盖上述风电齿轮配套加工所需油品，可以满足和支持风电核心零部件的国产化制造需要。

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风电齿轮加工用油

如前文所述，风电齿轮加工中所涉及到的金属加工油液主要有切削油液、热处理油液和防锈油液，下面逐一阐述。

齿轮加工用切削油：齿轮加工工艺包括滚齿、搓齿、铣齿及磨齿等 工序，配套使用的主要是纯油型的切削油用于润滑和冷却，根据配套工艺可分为切削油和磨削油。其中切削油配套滚齿、插齿、齿轮钻孔等中重负荷工艺，应用于高档机床，可以在很好地满足齿轮加工质量的同时，有效延长刀具的使用寿命；磨削油主要配套磨削工艺，可保证工件的表面精度和维持砂轮的锋利度。

风电齿轮零部件的加工余量大、加工难度大、精度要求高，尤其是齿轮磨削加工，作为工序末端最为关键的一道加工工序，其磨削加工质量直接影响齿轮箱的整体质量。大型磨齿机所加工齿轮的直径可达2000 mm以上，加工砂轮转速大于5000 r/min，选用的磨削油需兼顾润滑性、清洗性和冷却性。

不同齿轮加工工艺对切削油/磨削油的性能要求及长城配套加工油见表1。

表1 不同齿轮加工工艺对切削油/磨削油的性能要求及长城配套加工油

优质的磨削油不仅能有效降低磨削温度，延长磨具的使用寿命，并且能有效冲洗磨屑和砂轮末，提高工件的表面质量。同时，优质切削油/磨削油还应具有良好的抗磨极压性以起到抗擦伤和抗烧结的作用，以及较好的抗油雾性能以改善现场的工作环境。

齿轮加工用热处理油：齿轮热处理是决定齿轮使用寿命的关键过程之一，目前在齿轮的表面硬化技术中，渗碳淬火工艺因技术成熟在风电齿轮表面强化的工艺中普遍使用，且多用于风电齿轮箱的外齿轮处理，而内齿圈由于淬火变形较大，主要采用的是渗氮淬火或高 频感应淬火等工艺。

渗碳处理是将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入到钢件表层的化学热处理工艺，其目的是为了提高钢件表层的含碳量并形成一定的碳含量梯度，经淬火和低温回火后提高钢件表面硬度和耐磨性，同时使钢件内部保持良好的韧性。

风电齿轮渗碳淬火的有效硬化层较深，采用直接淬火无法满足组织要求。目前主要采用重新加热淬火工艺，即渗碳后冷却至室温，重新加热至奥氏体化温度保温后，再用淬火介质冷却。

齿轮淬火介质主要有油介质和硝盐介质，热处理油介质即为工艺配套的淬火油。

国内某风电齿轮生产企业典型的热处理工况及其使用淬火油要求如下：齿轮材料有 18CrNiMo7-6 钢，20CrNiMo 钢及 20CrMnMo 钢等，齿轮有效尺寸为 φ1000 mm×L200 mm，基本工艺为气体渗碳后淬火。

齿轮淬火油典型的技术参数见表2。

表2 齿轮淬火油典型技术参数

从表2的技术参数看，齿轮淬火油的技术参数大致与《热处理油》：SH/T 0564 行业标准中的快速或超速淬火油相当，但其冷却性能及其他理化指标的实际控制要求远大于行业标准要求；并且还有齿轮椭圆畸变变形不大于0.2 mm，表面硬度不均匀度允许偏差≤2 HRC 等变形和硬度控制要求。由此可见，风电大型齿轮的淬火条件非常苛刻，但同时也是对齿轮生产质量的技术保证。

适用于风电齿轮热处理加工的优质快速淬火油或超速淬火油不仅要保证良好的组织与性能，而且还要保持工件尺寸精度，这两者往往有矛盾。为了获得足够的淬透深度，需要剧烈地冷却工件，但这又导致淬火应力的发生，增加变形和开裂倾向。齿轮作为大尺寸厚壁工件，需要淬火油高中温区的冷却速度足够快，保证淬火后的硬度和淬硬层深度，但同时在低温区的冷却速度要适当缓慢，以减小齿轮工件的开裂和变形。

对于有些需要采用等温淬火或者分级淬火工艺的齿轮零件，可配套使用等温分级淬火油（其适用于精密程度很高的零件）。热处理后除要达到所需的硬度和组织，同时也要求变形量更小，解决工件尺寸改变过多等问题。由于等温分级淬火油的使用温度为 120 ℃~160 ℃，对热处理油的冷却性能、热氧化安定性都提出了更苛刻的要求。

此外，随着清洁热处理工艺概念的深入，水基淬火液得到了大量的推广和使用，已部分替代了传统的淬火油，解决了淬火过程中的油烟问题，可基本实现清洁淬火。

对齿轮热处理油液的性能要求及长城典型的配套热处理油液产品见表3。

表3 齿轮热处理油液的性能要求

及长城配套热处理油液

风电齿轮箱的内齿圈感应淬火介质通常为聚合物的水溶液（水基淬火液），其冷却速度介于水和油之间。淬火介质是影响内齿圈感应淬火硬化效果和抑制裂纹产生的关键因素之一，需从含量、温度、流量和压力等方面进行控制。

齿轮加工用防锈油：风电齿轮箱的设计寿命为 20 年，防腐蚀寿命不低于 15 年，因此在风电运行过程中主要依靠油漆涂装工艺和齿轮油等设备用油来保护。但在风电齿轮箱的前期零部件生产，装配，储存及运输等环节中，临时性的防锈抗腐蚀保护也非常重要，是保证风电齿轮箱能顺利装机及运行的基础。

防锈油涂覆是齿轮加工流程的最后一道工艺，要求防锈油应具有优良的抗湿热性能，一定的抗盐雾性能和抗重叠性能，对包装后的齿轮能提供良好的中长期封存防锈保护，甚至能满足齿轮包装后出口海运的防锈要求。

防锈油的选择种类通常以润滑油型防锈油和溶剂稀释型防锈油为主。对于润滑油型防锈油，要求能较好地平衡防锈剂与润滑剂之间的竞争吸附，且满足一定的清洁度要求；同时还需与润滑脂、齿轮油等具有良好的兼容性。对于溶剂稀释型防锈油，除了要满足齿轮中长期的封存防锈要求外，一般还要求兼具脱水或清洗等功能，以满足油膜涂层薄、使用方便、免清洗等要求；同时为了保护环境和满足齿轮箱出口海外的要求，有些设备制造商还要求防锈油的组成中不含重金属钡元素。

此外，由于风电齿轮箱在储存和运输过程中密闭系统内腔金属表面隐蔽而不易发现锈蚀，使用油溶性气相防锈油是解决该问题的有效方法之一。

齿轮或齿轮箱对防锈油的性能要求及长城典 型的配套防锈油的见表4。

表4 齿轮或齿轮箱防锈油的性能要求

及长城配套的防锈油

普通防锈油不可能充满密闭系统的内腔，且由于昼夜温差的周期性变化，使腔体内的水分呈周期性地“蒸发—凝露—滴落”，并在氧的作用下使金属缓慢锈蚀；而气相防锈油中由于含有气相缓蚀剂，即使在防锈油浸润不到的部位，也可以因气相防锈 的挥发而得到保护，有助于大型齿轮箱的长期储存，保障风电机组在安装投运前的有效性。

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结束语

在“双碳”背景下，风电作为我国可利用的重要清洁能源必将得到更大更快的发展。风电齿轮箱作为风力发电机组的关键零部件之一，在风力发电机组中起重要的增速降扭作用，其可靠性直接影响到风机运行的稳定性。

风电齿轮的制造加工及其配套用的金属加工油液是过程质量控制中的重要环节，中国石化润滑油有限公司将持续致力于为国家战略和国民经济制造提供可靠的润滑服务保障，也将在风电齿轮制造的金属加工油液领域助力行业的技术突破和全产业链发展，向高端制造迈进。

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