高效火焰加熱器在風電齒輪箱裝配中的應用

陳震

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，沈陽 110869）

1 引言

在零部件的過盈裝配過程中，有時采用火焰加熱方式進行熱裝。在火焰加熱中常用乙炔、丙烷、天然氣、煤氣，以前用量最多的是乙炔，近年來，由于丙烷價格便宜，使用安全，氣源充足，對環(huán)境無污染，綜合效果優(yōu)于乙炔及其他燃氣，故用量大大增加。

丙烷是一個三碳的烷烴，化學式為C3H8，著火點為450℃，易燃，化學方程式：C3H8+5O2→3CO2+4H2O，在氧氣中燃燒溫度低于2500℃，雖然低于乙炔的3100℃，切割效果不如乙炔，但是作為零部件熱裝過程的熱源足夠了，其加熱溫度可達300℃以上。風電齒輪箱的前箱體內(nèi)孔與軸承的外圈采用過盈連接，配合面靠前端，為整個前箱體高度的1/3，工藝上采用加熱前箱體的熱裝方式，為了保證裝配的可靠性，須將內(nèi)孔加熱脹出1.5mm，由于前箱體體積較大，在批量生產(chǎn)中如何高效經(jīng)濟且保證質(zhì)量完成這道工序，是本文研究的主要方向。

2 風電齒輪箱前箱體加熱方式比較

2.1 采用箱式電加熱爐加熱前箱體的時間和成本分析

風電齒輪箱的前箱體材料是球墨鑄鐵，與主軸軸承外圈的過盈配合尺寸公差為0.14～0.43mm，考慮到如果使用箱式電加熱爐加熱，需要準備室內(nèi)容積較大的加熱爐，加熱時間較長，而且在加熱爐中前箱體是整體加熱，冷卻時間也會很長。

另外，在前箱體與主軸軸承裝配時，為了防止軸承表面硬度和軸承游隙的變化，熱裝后軸承外表面溫度應控制在120℃以內(nèi)，不能超過回火溫度。熱裝間隙為配合軸承外圈直徑的1/1000，加熱時間按前箱體厚100mm 需加熱100min 估算。保溫時間按加熱時間的1/4 估算，需要25min，總共加熱時間至少為125min。

如果環(huán)境溫度為20℃，裝配間隙按1.1mm，前箱體理論加熱溫度：t1=（Δ+δ）/（dα）+t0=1.5/（1300×1.2×10-5）+20=116℃式中，Δ為過盈值；δ為裝配間隙；d為配合尺寸；α為線膨脹系數(shù)，鋼件為1.2×10-5/℃；t1為加熱溫度；t0為環(huán)境溫度。

按照加熱爐額定功率60kW 計算，使用2h 需要120kW·h 電，按每kW·h 電1元錢計算，加熱前箱體，每件需要120元。能用于前箱體的加熱爐每臺價格為15 萬元。

2.2 采用氧丙烷火焰加熱前箱體的時間和成本分析

根據(jù)經(jīng)驗使用氧丙烷加熱前箱體溫度達到120℃時的材料消耗為：丙烷1 瓶+氧氣5 瓶=3個前箱體，丙烷的規(guī)格為30kg/瓶，售價220元，氧氣的規(guī)格為40L/瓶，售價14.5元，則每個前箱體使用氧丙烷加熱的成本為：（220+14.5×5）/3=97.5元。

每個前箱體的加熱時間為40min，另外，使用火焰加熱還可以縮短吊具安裝的時間，避免前箱體裝配過程溫度的降低。

可移動式火焰加熱器設備價格為7 萬元。

表1 兩種加熱方式時間及成本比較

2.3 結(jié)果對比

對于前箱體的加熱，采用火焰加熱在加熱時間、消耗成本和設備的投入成本上，都要優(yōu)于箱式電加熱爐。

3 高效火焰加熱器對前箱體加熱效率的提升

3.1 人工割槍效率低，作業(yè)空間窄

如圖1 所示，在風電齒輪箱裝配前期，前箱體的火焰加熱是由幾名操作工人每人手持一把割槍，沿與軸承配合表面上下移動烘烤，這種方式存在許多問題與不便：表面受熱不均，內(nèi)孔出現(xiàn)橢圓和上下尺寸差別大。四把割槍，需五人同時操作，火力不夠，效率較低。作業(yè)面積小，操作人員多，現(xiàn)場顯得混亂。

3.2 高效火焰加熱器的結(jié)構(gòu)和操作

為了提高火焰加熱的效率，我們根據(jù)前箱體受熱的面積、位置，設計、制造了一種新型的火焰加熱設備，它的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括割槍組車、2×5 對瓶組丙烷匯流排、2×5 對瓶組氧氣匯流排。

圖2 高效火焰加熱設備的結(jié)構(gòu)示意圖

（1）割槍組車：根據(jù)火焰加熱時前箱體的受熱直徑和寬度，我們沿圓周方向布置了3 桿割槍，每個割槍上設計了兩個噴火口，相當于有6 把割槍同時均勻地給前箱體加熱，操作上只須由1 人轉(zhuǎn)動吊起的前箱體即可。加熱40min 后，測量配合尺寸，達到裝配的間隙后，加熱結(jié)束。割槍組車的燃氣來源于丙烷匯流排和氧氣匯流排。

（2）丙烷匯流排：丙烷集中供氣裝置將10個丙烷氣瓶分兩組，每組5 瓶安裝一起進行匯流、減壓，然后以0.01～0.15MPa的壓力輸送給割槍組車。

（3）氧氣匯流排：將10個氧氣氣瓶分兩組，每組5 瓶安裝一起進行匯流、減壓，然后以0.15～1.5MPa的壓力輸送給割槍組車。

割槍組車、丙烷匯流排和氧氣匯流排三者的存放寬度至少在5m 以上。

如圖3 所示此裝置結(jié)構(gòu)合理、操作簡單、受熱均勻、節(jié)約能源、節(jié)省氣體，不僅大大減輕了操作者的勞動強度、節(jié)省工時、提高工作效率，而且使工作環(huán)境更加安全整齊。

圖3 使用高效火焰加熱器加熱前箱體

4 結(jié)論

根據(jù)風電齒輪箱前箱體與主軸軸承的配合形式，采用高效火焰加熱器對前箱體加熱，只用一個人操作即可完成全部的加熱過程，效率大大提高。由于火焰噴嘴的合理設計，在加熱時，能使前箱體受熱面均勻，內(nèi)孔各截面膨脹尺寸一致，確保了與主軸軸承裝配時的質(zhì)量。

［1］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.