淺析軸承感應(yīng)拆裝的計算機仿真

【摘要】應(yīng)用計算機技術(shù)進行仿真可有效描述軸承感應(yīng)拆裝過程中磁場變化情況和分布規(guī)律，便于軸承拆裝。本次研究設(shè)計了軸承感應(yīng)拆裝器的結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用感應(yīng)加熱理論和Matlab、ANSYS軟件完成了感應(yīng)拆裝模擬，得出了磁場的分布規(guī)律，驗證了集膚效應(yīng)，為軸承感應(yīng)拆裝器的設(shè)計提供參考。

【關(guān)鍵詞】軸承；感應(yīng)拆裝；加熱；仿真；集膚效應(yīng)

軸承感應(yīng)拆裝需要應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)使被加熱軸承外部產(chǎn)生渦流，實現(xiàn)內(nèi)環(huán)的無損拆裝，這種技術(shù)可控性好、速度快、效率高、高度自動化，能夠有效保護軸承，因此目前在軸承拆裝中廣泛應(yīng)用。軸承感應(yīng)拆裝過程需要對感應(yīng)加熱過程中電磁分布所遵循的麥克斯韋方程組進行計算，求解難度高，所以應(yīng)用計算機技術(shù)進行仿真可有效描述磁場變化情況，了解渦流與磁場分布情況，便于引用感應(yīng)器進行軸承拆裝[1]。軸承感應(yīng)拆裝的計算機仿真我們以Matlab、ANSYS軟件為主嘗試應(yīng)用探索。

一.軸承感應(yīng)拆裝器的設(shè)計

軸承感應(yīng)拆裝器的設(shè)計要滿足內(nèi)環(huán)拆裝需求，且為后續(xù)求解計算和計算機模擬打下良好基礎(chǔ)，一般軸承內(nèi)環(huán)感應(yīng)器拆裝結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次是徑向?qū)Т朋w、周向?qū)Т朋w、支撐盤、徑向調(diào)環(huán)、夾緊桿、手柄。軸承感應(yīng)拆裝器具體結(jié)構(gòu)見圖1。這個感應(yīng)器利用徑向調(diào)環(huán)內(nèi)側(cè)的螺旋槽與徑向?qū)Т朋w相互配合，實現(xiàn)對不同尺寸軸承內(nèi)環(huán)的固定與夾緊，這個過程是夾緊桿、螺旋槽與徑向?qū)Т朋w互相配合滑動的過程，尤其是徑向、周向?qū)Т朋w被與被加熱工件共同構(gòu)成完整閉合線路，一旦感應(yīng)線圈通以交流電就會在內(nèi)部形成磁場產(chǎn)生渦流，從而在磁場作用下實現(xiàn)快速無損拆裝[2]。

二.感應(yīng)加熱理論計算

將待處理軸承工件放入感應(yīng)線圈，交變電流磁場作用下會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其表達式為：，表達式中e為感應(yīng)電勢的瞬時值，Φ為交變電流產(chǎn)生的總磁通，負號表示磁通方向與電勢方向相反。

三.軸承感應(yīng)拆裝的計算機仿真

以軸承感應(yīng)器為基礎(chǔ)，應(yīng)用感應(yīng)加熱理論進行計算，應(yīng)用Matlab 軟件，以此作出軸承工件內(nèi)部感應(yīng)加熱后磁場、電場、渦流分布情況，形成仿真圖。我們假設(shè)仿真過程中感應(yīng)器線圈電流頻率為f，分別在10赫茲、50赫茲和500赫茲時加熱軸承內(nèi)環(huán)，以內(nèi)徑、外徑Φ分別為128mm與148mm，計算得出磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率ρ，那么磁場、渦流、電場三者密度分布情況具體如圖2所示。從圖中數(shù)據(jù)分布情況來看，軸承工件在加熱過程中三者密度分布變換規(guī)律基本相同，且隨著電流頻率的升高集膚效應(yīng)越顯著。

軸承感應(yīng)器拆裝過程應(yīng)用ANSYS軟件進行仿真，要先建立拆裝器模型，具體包含徑向?qū)Т朋w、空氣隙、軸、軸承內(nèi)環(huán)、周向?qū)Т朋w和三相感應(yīng)圈。拆裝器的感應(yīng)線圈采用三角形并接的方式對稱接到三項電源上，以220KV電壓和50赫茲頻率進行加熱，對拆裝器施加荷載后對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格劃分可得到具體仿真磁力線分布圖、磁通密度等值分布圖和磁場強度與半徑分布路徑圖。在感應(yīng)加熱過程中，渦流分布密度直接影響軸承內(nèi)環(huán)溫度場的分布，感應(yīng)渦流雖然難以檢測，但是可以根據(jù)加熱后內(nèi)環(huán)溫度場的分布來間接明晰電磁場分布和渦流密度分布情況。仿真結(jié)果表明，電磁場分布帶有顯著的集膚效應(yīng)，磁力線多集中在軸承內(nèi)環(huán)，感應(yīng)渦流也主要分布在軸承內(nèi)環(huán)，軸內(nèi)分布較少。這主要是由于拆卸過程中感應(yīng)加熱時，軸承換碰撞但是軸內(nèi)不受熱，導(dǎo)致可輕易將軸承環(huán)順利拆卸[3]。

此外，我們對比Matlab仿真結(jié)果與ANSYS仿真結(jié)果中被加熱軸承工件三者密度分布情況與拆裝器磁通密度等值分布情況可發(fā)現(xiàn)二者具有高度良好的一致性，這無疑證實了集膚效應(yīng)的存在，并且也驗證了軸承感應(yīng)拆裝器實現(xiàn)高效快速拆卸的可能性與可行性，證實軸承電磁場、渦流和電場分布規(guī)律的一致性以及所建立模型和計算機仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性[4]。

小結(jié)

軸承感應(yīng)拆裝應(yīng)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)環(huán)的無損拆裝，本文根據(jù)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)應(yīng)用感應(yīng)加熱理論指導(dǎo)計算，使用Matlab和ANSYS軟件完成了軸承感應(yīng)拆裝的計算機模擬，證實集膚效應(yīng)的存在，驗證了軸承感應(yīng)拆裝器實現(xiàn)高效快速拆卸的可能性與可行性，證實軸承電磁場、渦流和電場分布規(guī)律的一致性以及所建立模型和計算機仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

參考文獻

[1]彭開武，安景灝.感應(yīng)加熱在軸承裝卸上的應(yīng)用[J].信息空間，1999（02）.

[2]吳金福，許雪峰.感應(yīng)加熱工件內(nèi)電磁場的計算及其有限元模擬[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，32（1）：58-62.

[3]許雪峰，趙敏，吳金富.45鋼工件感應(yīng)淬火溫度場有限元模擬分析[A].第三屆中國熱處理活動周暨第六次全國熱處理生產(chǎn)技術(shù)改造會議論文專輯[C]，2005.

[4]李國發(fā)，楊淑香，王龍山，等.軸承感應(yīng)拆裝過程中工件內(nèi)電磁場模型的建立及計算機仿真[J].工業(yè)加熱，2007，36（4）：23-25.

作者簡介

左娟，1985.3，女，漢族，河南省舞陽縣，河南洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心，助理工程師，本科。