Que sont les pièces forgées de boîtes de vitesses d'éoliennes ?

Pièces forgées de boîte de vitesses d'éolienne sont des composants en acier formés avec précision qui constituent la structure interne de transmission de puissance d'une boîte de vitesses d'éolienne, produits par des processus de forgeage à chaud ou en matrice fermée qui alignent la structure des grains de l'acier pour une résistance à la fatigue et une capacité de charge maximales. Les principaux composants forgés d'une boîte d'engrenages d'éolienne sont la couronne dentée, les engrenages planétaires, le porte-satellites, le planétaire, les arbres d'entrée et de sortie et les pignons. Ces pièces sont forgées plutôt que coulées, car la boîte d'engrenages fonctionne sous des charges alternées continues provenant d'apports de vent variables, et la structure métallique dense et sans défaut produite par forgeage offre la durée de vie nécessaire pour répondre à la durée de vie typique de 20 ans d'une éolienne moderne (Source : Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Le forgeage n'est pas interchangeable avec le moulage des composants de qualité boîte de vitesses, car les différences de propriétés mécaniques entre les deux processus déterminent directement la durée de survie de la boîte de vitesses sous des charges de fonctionnement réelles.

Le rôle de la boîte de vitesses dans une éolienne

Pour comprendre pourquoi la qualité du forgeage des composants de la boîte de vitesses est si importante, il est nécessaire de comprendre ce que fait la boîte de vitesses à l'intérieur de la turbine et la sévérité de l'environnement mécanique dans lequel elle fonctionne.

Le rotor d'une éolienne tourne lentement en réponse au vent, généralement entre 10 et 22 tours par minute pour une grande turbine de plusieurs mégawatts. Le générateur qui convertit l’énergie mécanique en électricité doit tourner à des vitesses beaucoup plus élevées, généralement de 1 000 à 1 500 tours par minute ou plus. La boîte de vitesses comble cette différence de vitesse. Fuhong Steel décrit directement la fonction : la boîte de vitesses de l'énergie éolienne est le composant central de l'éolienne, sa fonction principale étant de convertir l'énergie cinétique générée par la roue éolienne sous l'action du vent en énergie mécanique et enfin de la transférer au générateur (Source : Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Un dépôt de brevet décrivant l'ensemble de boîte de vitesses a confirmé que l'arbre du rotor fournit une entrée à faible vitesse et à couple élevé à la boîte de vitesses, qui est ensuite configurée pour convertir cette entrée en une sortie à grande vitesse et à faible couple qui entraîne le générateur (Source : Brevet USPTO 11085421, Porte-planète of a Wind Turbine Gearbox with Improvementd Lubricant Path).

Les exigences mécaniques de cette conversion sont extrêmes. La boîte de vitesses doit gérer charges de couple à variation continue en raison des fluctuations de la vitesse du vent, des charges de choc soudaines lors des rafales, de la fatigue cyclique continue sur 20 ans ou plus, et faites tout cela de manière fiable dans une nacelle située en hauteur au-dessus du sol où l'entretien est coûteux et le remplacement des principaux composants peut coûter des centaines de milliers de dollars par événement. Ces exigences expliquent pourquoi chaque composant structurel majeur à l’intérieur de la boîte de vitesses est spécifié comme étant une pièce forgée plutôt qu’une pièce moulée.

Les principaux composants forgés d'une boîte de vitesses d'éolienne

Un réducteur d’éolienne n’est pas une simple pièce forgée. Il s'agit d'un assemblage de plusieurs composants forgés distincts, chacun remplissant une fonction spécifique dans les étages d'engrenages planétaires et hélicoïdaux qui composent la transmission complète augmentant la vitesse.

Couronne dentée (engrenage annulaire)

La couronne dentée est le grand engrenage extérieur avec des dents internes qui forme la limite extérieure de l'étage de l'engrenage planétaire. Les engrenages planétaires s'engrènent contre sa surface intérieure lorsqu'ils tournent autour de l'engrenage solaire, et la couronne reste stationnaire ou tourne en fonction de la conception de la boîte de vitesses. Étant donné que la couronne transmet la charge de couple totale de l'étage planétaire et est en contact constant avec les dents de trois engrenages planétaires ou plus simultanément, ses propriétés matérielles et sa précision dimensionnelle sont essentielles aux performances de l'ensemble de la boîte de vitesses. Un brevet de l'USPTO décrivant le processus de fabrication de la couronne dentée indique que la couronne dentée est généralement formée par forgeage et doit ensuite être traitée thermiquement pour obtenir la dureté requise, et que la précision dimensionnelle grâce au processus de forgeage et de traitement thermique est essentielle, car le traitement thermique peut provoquer une distorsion dimensionnelle qui nécessite une correction d'usinage (Source : Brevet USPTO 10495210, Integral Ring Gear and Torque Arm for a Wind Turbine Gearbox).

Engrenages planétaires

Les engrenages planétaires sont les engrenages intermédiaires qui gravitent entre la couronne et le planétaire, transmettant le couple entre les deux tout en tournant sur leurs propres axes. Dans un étage planétaire d'une grande éolienne, généralement trois ou quatre engrenages planétaires se partagent la charge totale, la répartissant simultanément sur plusieurs contacts dentaires. Cet agencement permet d'obtenir une densité de couple élevée dans un boîtier compact, mais cela signifie également que chaque engrenage planétaire supporte une fraction significative de la charge totale dans un cycle de fatigue continu. Zhangqiu Heavy Forging confirme qu'après un traitement thermique de trempe et de revenu, les porte-engrenages planétaires forgés peuvent résister à des contraintes alternées à long terme avec une durée de vie qui est 2 à 3 fois plus longtemps que les composants produits par des processus ordinaires, un rapport qui s'applique également aux engrenages planétaires eux-mêmes (Source : Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Planet Carrier

Le porte-satellites est le composant structurel qui maintient les arbres des engrenages planétaires dans leurs positions orbitales correctes les uns par rapport aux autres et par rapport à la couronne et aux engrenages solaires. Il doit maintenir une précision de positionnement précise sous charge pour maintenir simultanément tous les engrenages planétaires dans un engrènement approprié, ce qui nécessite à la fois une rigidité élevée et une excellente résistance à la fatigue. Zhangqiu Heavy Forging décrit les principales exigences d'un porte-satellites forgé : le processus de mise en forme quasi-net combiné à un traitement précis garantit un contrôle strict de la précision de la taille et de la tolérance de position, garantissant une coopération précise avec les engrenages planétaires, les engrenages solaires et les arbres de sortie, réduisant ainsi la perte de transmission et le bruit (Source : Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier). Les matériaux utilisés pour les porte-satellites comprennent des aciers alliés à haute résistance 42CrMo, 20CrMnTi et 35CrMo, avec des séquences de traitement thermique de trempe et de revenu ainsi que de cémentation pour obtenir le bon équilibre entre dureté de surface et ténacité du noyau (Source : Zhangqiu Heavy Forging).

Engrenages solaires et pignons

Le planétaire se trouve au centre de l'étage planétaire et engrène simultanément avec tous les engrenages planétaires, tandis que les pignons apparaissent dans les étages hélicoïdaux d'une boîte de vitesses à plusieurs étages où des augmentations de vitesse supplémentaires sont nécessaires. Les deux types doivent être forgés à partir de nuances d'acier allié avec une trempabilité suffisante pour obtenir des flancs de dents cémentés par cémentation ou nitruration après un usinage grossier, fournissant la dureté de surface nécessaire pour résister aux piqûres et à la fatigue des flancs de dents sur des décennies de chargement cyclique.

Arbres d'entrée et de sortie

L'arbre d'entrée relie l'arbre du rotor principal au premier étage planétaire de la boîte de vitesses, et l'arbre de sortie à grande vitesse relie l'étage final à l'accouplement du générateur. Les deux arbres subissent des profils de charge différents : l'arbre d'entrée supporte un couple élevé à basse vitesse avec des moments de flexion élevés du rotor, tandis que l'arbre de sortie supporte un couple plus faible à haute vitesse avec une fatigue de torsion due aux transitoires de charge du générateur. Tiptop Heavy Forging note que l'arbre à grande vitesse dans un système d'éolienne est situé après la boîte de vitesses, tournant beaucoup plus vite mais transmettant un couple plus faible au générateur, et que les deux types d'arbre nécessitent de grandes dimensions et des matériaux forgés solides (Source : Tiptop Heavy Forging, Arbre d'une éolienne : Structure, Matériaux et Forgeage).

Pourquoi le forgeage est le processus requis pour les composants de boîte de vitesses

La décision de forger plutôt que de couler des composants de qualité boîte de vitesses n’est pas une préférence ; il s'agit d'une exigence motivée par les exigences de durée de vie en fatigue liées au fonctionnement des éoliennes.

Débit de grains et supériorité mécanique

Le forgeage façonne le métal sous une force de compression élevée, qui ferme les vides internes, affine la structure des grains et aligne le flux des grains le long de la géométrie de la pièce. Cela produit un composant avec une limite d'élasticité, une résistance à la traction et une résistance à la fatigue nettement supérieures à celles de la même géométrie produite par moulage à partir du même alliage. Tiptop Heavy Forging explique que le forgeage modifie la structure interne du métal de manière à aider à produire des composants volumineux et fiables pour un service intensif, et que les arbres principaux des éoliennes sont normalement fabriqués en acier forgé plutôt que moulés spécifiquement en raison de cette différence structurelle (Source : Tiptop Heavy Forging, Shaft of a Wind Turbine).

Durée de vie en fatigue en chargement cyclique

Les composants de la boîte de vitesses des éoliennes subissent des charges de fatigue à chaque tour du rotor, et une durée de vie de conception de 20 ans à vitesse opérationnelle correspond à des centaines de millions de cycles de contrainte sur les dents de l'engrenage et les sections transversales de l'arbre. Les composants moulés contiennent une porosité de retrait, des inclusions de gaz et une orientation aléatoire des grains qui créent des concentrations de contraintes auxquelles des fissures de fatigue peuvent s'initier et se propager. Les composants forgés à porosité fermée et à structure de grains alignés offrent une limite de fatigue nettement plus élevée, leur permettant de supporter la même amplitude de contrainte pendant bien plus de cycles avant l'apparition de fissures. La documentation de Zhangqiu Heavy Forging sur les porte-engrenages planétaires forgés atteignant une durée de vie 2 à 3 fois plus longue que les processus ordinaires quantifie directement cet avantage en termes de fatigue en termes spécifiques à l'application (Source : Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Stabilité dimensionnelle sous charge

La précision de l'engrènement dépend de la stabilité dimensionnelle de chaque composant forgé sous charge statique et dynamique. Si un porte-satellites fléchit sous la charge de manière à modifier les positions relatives des arbres des engrenages planétaires, la répartition de la charge entre les engrenages planétaires devient inégale et les engrenages planétaires surchargés tombent en panne prématurément. Les composants forgés avec des propriétés de matériau prévisibles et uniformes sont plus faciles à modéliser et à concevoir pour répondre aux exigences de rigidité que les pièces moulées avec des propriétés variables sur toute la section.

Nuances d'acier utilisées dans les pièces forgées de boîtes de vitesses d'éoliennes

La sélection des matériaux pour les pièces forgées de boîtes de vitesses équilibre la trempabilité, la ténacité, l'usinabilité et la disponibilité dans les chaînes d'approvisionnement mondiales.

Fuhong Steel confirme que 18CrNiMo7-6 et 8620 sont les types d'acier principalement utilisés par les clients européens et américains pour les réducteurs d'énergie éolienne, reflétant les différentes préférences en matière de normes de matériaux qui se sont développées sur chaque marché majeur (Source : Fuhong Steel, Special Steel for Wind Power Equipment Forgings). Le choix entre ces nuances dépend de la fonction de l'engrenage, de la profondeur du carter requise après carburation, de la dureté du noyau requise pour l'état de contrainte spécifique et des exigences de certification du fabricant d'équipement d'origine.

Séquences de traitement thermique pour les pièces forgées de boîtes de vitesses

Une pièce forgée à l'état brut de forge n'a pas les propriétés mécaniques requises pour l'entretien des boîtes de vitesses. Le traitement thermique après le forgeage et l'usinage grossier est essentiel pour obtenir la combinaison de dureté de surface et de ténacité à noyau requise par les dents d'engrenage et les sections transversales d'arbre.

1. Normalisation : appliqué après le forgeage pour soulager les contraintes résiduelles, homogénéiser la structure et préparer le matériau pour un usinage et un traitement thermique ultérieurs sans la distorsion qui peut survenir dans les pièces forgées non normalisées.
2. Trempe et revenu : utilisé pour les composants structurels tels que les porte-satellites et les arbres afin de développer une résistance et une ténacité élevées du noyau ; le taux de trempe et la température de revenu sont sélectionnés pour cibler la limite d'élasticité spécifique et l'énergie d'impact requises par la norme de conception
3. Cémentation et cémentation : utilisés pour les dents d'engrenages sur les engrenages planétaires, les engrenages solaires, les couronnes dentées et les pignons ; le carbone est diffusé dans la couche de surface jusqu'à une profondeur de boîtier spécifiée, suivi d'un durcissement par trempe pour atteindre une dureté de surface généralement comprise entre 58 et 62 HRC tandis que le noyau reste résistant
4. Nitruration : utilisée lorsque la distorsion due à la cémentation est inacceptable ou lorsque la composition de l'alliage est adaptée au durcissement par diffusion d'azote ; permet d'obtenir un boîtier dur à des températures plus basses et avec moins de changement dimensionnel que la cémentation
5. Trempe par induction : utilisé pour certaines surfaces d'arbre telles que les sièges de paliers lisses où un durcissement de surface localisé est nécessaire sans le coût d'une cémentation complète

Zhangqiu Heavy Forging décrit la sélection des matériaux et du traitement thermique pour les porte-satellites : des procédés privilégiés de forgeage sous pression et de forgeage libre sont utilisés, avec des matériaux comprenant des aciers alliés à haute résistance 42CrMo, 20CrMnTi et 35CrMo combinés à une trempe et un revenu ainsi qu'une cémentation et une trempe pour obtenir l'équilibre entre résistance et ténacité requis pour ce composant (Source : Zhangqiu Heavy Forging, Forged Planetary Gear Carrier).

Normes de qualité et de test pour les pièces forgées de boîtes de vitesses d'éoliennes

Les pièces forgées de boîtes de vitesses d'éoliennes sont produites selon des normes de matériaux et de dimensions traçables avec des enregistrements de tests documentés qui accompagnent les composants tout au long de la chaîne d'approvisionnement et restent disponibles pendant toute la durée de vie de l'éolienne.

1. Vérification de la composition chimique par analyse spectrographique de chaque chaleur pour confirmer la qualité du matériau dans les limites de spécification de la norme applicable
2. Tests de propriétés mécaniques sur des éprouvettes provenant du forgeage ou d'une éprouvette forgée dans les mêmes conditions, y compris la résistance à la traction, la limite d'élasticité, l'allongement, la réduction de surface et l'énergie d'impact Charpy à la température d'essai spécifiée
3. Tests par ultrasons sur l'ensemble du volume forgé pour détecter les défauts internes, les inclusions ou la ségrégation qui ne sont pas visibles en surface mais réduiraient la résistance à la fatigue en service.
4. Inspection par magnétoscopie ou inspection par ressuage des surfaces pour détecter les fissures de surface introduites lors du forgeage ou du traitement thermique
5. Contrôle dimensionnel jusqu'aux tolérances de dessin à l'aide de machines à mesurer tridimensionnelles pour les géométries complexes et mesure de précision pour les diamètres d'alésage et les rainures de clavette critiques
6. Vérification de la dureté par des tests Brinell ou Rockwell à des positions spécifiées pour confirmer que le traitement thermique a atteint les propriétés requises à travers la section

Le processus ACE Pièces forgées de boîte de vitesses d'éolienne sont produits selon cette norme de qualité complète, avec des certifications de matériaux, des rapports d'essais mécaniques, des dossiers d'examen non destructifs et une documentation d'inspection dimensionnelle fournis avec chaque pièce forgée pour répondre aux exigences de traçabilité et de certification des équipementiers d'éoliennes et de leurs organismes de certification.