風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸軸承感應(yīng)加熱裝配工藝

王洪波，任俊祺，李長(zhǎng)春，徐帆，周意普

(南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001)

主傳動(dòng)鏈?zhǔn)秋L(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的主要部件，主軸軸承是主傳動(dòng)鏈的關(guān)鍵部件，因此，主軸軸承的性能將直接影響風(fēng)機(jī)發(fā)電效率及維護(hù)成本。在軸承各種失效形式中，因軸承安裝工藝或使用工具不當(dāng)而導(dǎo)致軸承過(guò)早損壞的比例約為16%。因此，采用合理的裝配工藝對(duì)保證軸承壽命和可靠性很有必要。

通常，為保證軸承能夠傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩，主軸軸承與主軸采用過(guò)盈配合連接。因此，主軸軸承組裝多采用熱裝法，即利用熱脹冷縮原理加熱軸承，使其內(nèi)圈脹大，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確裝配。熱裝法要求：(1)清洗軸承及與其相配合的零件表面，保證無(wú)油污等雜質(zhì)；(2)加熱軸承至要求溫度值；(3)水平吊裝軸承套放到軸頸上，要求軸承內(nèi)圈與軸套端面無(wú)間隙貼合。

下文以調(diào)心滾子軸承的感應(yīng)加熱為例，介紹軸承熱裝工藝中溫度設(shè)定、加熱器選型、軸承預(yù)緊等技術(shù)要點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)主軸軸承的可靠裝配提供技術(shù)支持。

1 軸承加熱溫度設(shè)定

1.1 內(nèi)圈溫度

軸承內(nèi)圈加熱膨脹后，內(nèi)圈與軸頸的配合由緊配合轉(zhuǎn)變?yōu)樗膳浜?，?shí)現(xiàn)軸承快速裝配。一般軸承裝配間隙≥0.5 mm即可實(shí)現(xiàn)松配合裝配，即

(1)

(2)

將膨脹量與溫升的關(guān)系δ=ΔT內(nèi)ad[1]代入(1)式和(2)式，可得

(3)

式中：ΔT內(nèi)為滿足裝配要求的軸承內(nèi)圈溫升，℃；a為軸承鋼的線膨脹系數(shù)，12.5×10-6(1/℃)；d為軸承內(nèi)徑，mm。

內(nèi)圈加熱時(shí)，為防止發(fā)生回火效應(yīng)產(chǎn)生組織變化，影響軸承使用壽命，必須嚴(yán)格控制內(nèi)圈溫度不得超過(guò)120 ℃[2]。因此，內(nèi)圈加熱目標(biāo)溫度為

T=ΔT內(nèi)+T0≤120(℃)，

(4)

式中：T0為環(huán)境溫度，℃。

可得，

(5)

因此，在室溫條件下，240/800ECA/W33熱裝配時(shí)，內(nèi)圈加熱溫度至少為83.8 ℃。

1.2 內(nèi)、外圈溫差限制

軸承加熱時(shí)因加熱設(shè)備、內(nèi)外圈散熱量不同等因素，內(nèi)、外圈溫度在加熱過(guò)程中并不相同，即內(nèi)、外圈存在溫差，造成內(nèi)、外圈膨脹量的差異，軸承徑向游隙隨之發(fā)生變化。但軸承理論游隙是有限的，一旦出現(xiàn)溫差引起軸承有效游隙變小，甚至為零，將使?jié)L子擠壓內(nèi)、外滾道，影響軸承使用壽命。因此，在對(duì)軸承加熱時(shí)，需控制其內(nèi)、外圈溫差，保證徑向游隙的變化量應(yīng)小于最小理論游隙，即[3]

(6)

式中：D為軸承外徑，mm；Δt′為軸承內(nèi)、外圈溫差，℃；Grmin為軸承理論徑向游隙最小值，mm；δt為因軸承內(nèi)、外圈溫差引起的徑向游隙變化量，mm。

由(6)式可知，軸承加熱時(shí)，應(yīng)限制軸承內(nèi)、外圈溫差為

(7)

以調(diào)心滾子軸承240/800ECA/W33為例，徑向游隙見表1[2]。取徑向游隙為常用組C0，即Grmin=390 μm，代入(7)式，可得

表1 軸承游隙表

由此可得，調(diào)心滾子軸承240/800ECA/W33游隙為C0組時(shí)，加熱時(shí)內(nèi)、外圈溫差應(yīng)不大于32 ℃，即可保證軸承加熱時(shí)不會(huì)造成內(nèi)、外滾道與滾子發(fā)生擠壓。

2 軸承加熱器選型

軸承加熱方法有多種，如油浴加熱、火焰加熱、電烤箱加熱、電磁感應(yīng)加熱等。其中電磁感應(yīng)加熱器是一種新型軸承加熱設(shè)備，其利用電磁感應(yīng)原理，將被加熱工件(軸承等金屬零件)設(shè)為線圈的次級(jí)，當(dāng)通電后被加熱工件在感應(yīng)電流作用下，形成很高的低壓感應(yīng)電流，由里及表產(chǎn)生熱膨脹，滿足了過(guò)盈裝配的需要，成為軸承加熱設(shè)備的首選[4]。但感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)主要以加熱軸承內(nèi)徑為目的，因此，要滿足軸承溫差控制的要求，就需要綜合考慮其結(jié)構(gòu)尺寸及加熱功率。

2.1 加熱桿選型

感應(yīng)加熱器通常由主機(jī)、控制面板、軛鐵、帶磁性的溫度傳感器和電源組成。目前市場(chǎng)上主流的2種加熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。2種加熱器均利用交變磁場(chǎng)對(duì)軸承進(jìn)行渦流加熱。在功能上，2種加熱器均具備時(shí)間控制、溫度控制、退磁等功能。在結(jié)構(gòu)上， a型加熱器利用線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過(guò)軛鐵傳導(dǎo)磁通量，對(duì)軸承渦流加熱；而b型加熱器利用線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)直接對(duì)軸承進(jìn)行渦流加熱，效率更高。

圖1 軸承感應(yīng)加熱器結(jié)構(gòu)

根據(jù)軸承渦流感應(yīng)加熱原理，渦流產(chǎn)生的能量為

P=Kf2BmV，

(8)

由(8)式可知，在軸承材質(zhì)、外形一定的情況下，軸承內(nèi)、外圈溫升主要與Bm相關(guān)，即軸承內(nèi)、外圈所獲得的渦流熱量與軸承內(nèi)徑面或外徑面到加熱桿(軛鐵或線圈)的距離成反比，得到

(9)

式中：P為軸承加熱所需熱量；r0為軸承內(nèi)、外圈與加熱桿的距離。

如圖2所示，采用截面為L(zhǎng)×L的加熱桿，忽略形狀等因素，軸承內(nèi)、外圈獲得的能量比約為

圖2 加熱桿位置圖

(10)

式中：D1為軸承外圈內(nèi)徑，mm。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)化公式

Q=CmΔT，

(11)

式中：C為比熱容，J/(kg·℃)；m為質(zhì)量，kg；ΔT為溫升，℃。

由于軸承內(nèi)、外圈均為軸承鋼，比熱容相同，則內(nèi)、外圈溫升比近似為

(12)

根據(jù)1.2節(jié)分析，內(nèi)、外圈溫差值應(yīng)限制在Δt′范圍內(nèi)，因此

(13)

推導(dǎo)得出，

(14)

仍以軸承240/800ECA/W33為例，由1.1節(jié)、1.2節(jié)計(jì)算軸承內(nèi)圈加熱到83.8 ℃，內(nèi)、外圈溫差控制在32 ℃，其質(zhì)量近似相等，代入(13)和(14)式，計(jì)算得

即內(nèi)、外圈溫差比小于2，加熱桿直徑小于574 mm，可滿足其加熱時(shí)溫差控制要求。

分別采用a型加熱器(加熱桿尺寸為Φ100 mm×800 mm)和b型加熱器(加熱桿尺寸為Φ720 mm×650 mm)加熱軸承240/800ECA/W33為例，內(nèi)、外圈溫升比近似為

ΔTa內(nèi)=1.3ΔTa外<2；

ΔTb內(nèi)=3.8ΔTb外>2。

由計(jì)算可知，采用b型加熱器無(wú)法滿足溫差控制要求。

加熱桿結(jié)構(gòu)尺寸大小對(duì)軸承內(nèi)、外圈加熱溫度有著顯著的影響，為避免加熱時(shí)內(nèi)、外圈溫升比過(guò)大而造成內(nèi)、外圈溫差超限，在選擇加熱桿時(shí)可參照(13)和(14)式進(jìn)行理論計(jì)算選型，并輔助加熱試驗(yàn)，以有效控制軸承加熱器對(duì)內(nèi)、外圈溫差的影響。另外，環(huán)境溫度不易控制，其對(duì)內(nèi)、外圈加熱過(guò)程也產(chǎn)生一定影響，會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的差異。

2.2 加熱器功率的確定

軸承加熱過(guò)程中遵循能量守恒定理，軸承溫升所需的熱量與加熱器輸出功率相平衡。根據(jù)Q=ηPt可知，加熱器功率P越大，所需時(shí)間t就越短。目前，風(fēng)機(jī)主軸軸承一般加熱時(shí)間約為1 h。以軸承240/800ECA/W33加熱為例，確定軸承加熱器功率。

軸承由室溫加熱到設(shè)定溫度(100 ℃)時(shí)，需要的熱量為

Q=CmΔT=475×1 200×80=4.56×104(kJ)，

式中：軸承鋼100 ℃時(shí)的比熱容為475 J/(kg·℃)；軸承質(zhì)量約為1 200 kg。

因此，如選用加熱器功率為40 kW，工作頻率為50 Hz，所需加熱時(shí)間為

式中：η為工頻感應(yīng)加熱功率因數(shù)，取為0.35。

由上述計(jì)算可知，選擇40 kW的加熱器能夠滿足軸承240/800ECA/W33的加熱時(shí)間要求。

3 軸向間隙控制方法

軸承完成加熱后，可輕松套放在軸頸上，但在冷卻過(guò)程中，軸承內(nèi)圈沿寬度方向收縮將會(huì)使軸承與軸套端面出現(xiàn)間隙，因此，冷卻過(guò)程中應(yīng)采用合理的工藝方法控制軸向間隙，確保軸承內(nèi)圈端面與軸肩緊密貼合，最大間隙不大于0.1 mm[5]。

目前，風(fēng)機(jī)主軸軸承軸向定位多采用鎖緊螺母，軸承熱裝后采用鎖緊螺母直接預(yù)緊，如圖3所示。此方法需要特制一把仿形扳手卡住鎖緊螺母，利用沖擊力撞擊扳手，帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，依靠直接擰緊鎖緊螺母產(chǎn)生的軸向力壓緊軸承，隨著軸承不斷冷卻至室溫，多次沖擊扳手，實(shí)現(xiàn)軸承無(wú)間隙貼合，使用塞尺測(cè)量軸承內(nèi)圈端面與軸肩間隙值不大于0.1 mm即可。完成緊固后，將扳手拆除，完成后續(xù)裝配工作。

圖3 軸承預(yù)緊示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)機(jī)主軸軸承熱裝配工藝將對(duì)軸承壽命和可靠性產(chǎn)生影響。文中以調(diào)心滾子軸承240/800 ECA/W33為例，依據(jù)材料線膨脹及軸承配合公差，得出軸承內(nèi)圈加熱的合理溫度；通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出了軸承在加熱時(shí)的內(nèi)、外圈溫差控制要求；同時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算與加熱試驗(yàn)驗(yàn)證，闡述了在軸承感應(yīng)加熱器選型時(shí)，應(yīng)限制加熱桿尺寸及功率，以控制軸承溫差及加熱時(shí)間。另外，在軸承裝配中，為減小軸承冷卻時(shí)收縮產(chǎn)生的軸向間隙，采用鎖緊螺母直接預(yù)緊，有效地限制了軸承冷卻收縮間隙。