大型回轉(zhuǎn)支承無軟帶感應(yīng)淬火設(shè)備開發(fā)

肖禮志,胡江平,翁武釗

(三一重能有限公司，北京 102206)

在混凝土泵車、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、港口設(shè)備、起重機(jī)設(shè)備中，大量使用回轉(zhuǎn)支承等大型傳動(dòng)件。最常用的回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外圈及鋼球或輥?zhàn)拥冉M成。為了提高回轉(zhuǎn)支承的承載能力及使用壽命，內(nèi)外圈必須進(jìn)行淬火處理?，F(xiàn)階段最常用的淬火方式主要為高溫爐淬火及感應(yīng)淬火，由于感應(yīng)淬火對工件淬火速度快而受到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外感應(yīng)淬火設(shè)備，主要采用感應(yīng)器與工件相對運(yùn)動(dòng)的掃描式感應(yīng)加熱淬火，且工件在加熱的過程中快速冷卻，此方式加工出來的產(chǎn)品都存在軟帶問題。本文研究出一種新型感應(yīng)淬火設(shè)備，通過創(chuàng)新加熱模式，給出了設(shè)備的基本組成、工作原理，并利用有限元分析軟件，模擬熱力場，有效解決了回轉(zhuǎn)支承軟帶問題，保證產(chǎn)品更加安全可靠。

1 設(shè)備工作原理及組成

1.1 設(shè)備技術(shù)分析

回轉(zhuǎn)支承零件內(nèi)圈如圖1所示，零件材料為42CrMo，屬于淬透性較高的高合金鋼，此類零件由于尺寸較大，用傳統(tǒng)的淬火工藝容易產(chǎn)生軟帶和裂紋，軟帶受力較大部位有斷裂風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)一種新型感應(yīng)淬火設(shè)備，能適應(yīng)直徑φ2000～φ4500 mm，高度小于300 mm的零件，采用整體式加熱，實(shí)現(xiàn)零件無軟帶淬火。設(shè)備示意圖如圖2所示，主要由旋轉(zhuǎn)升降平臺、感應(yīng)器部件、龍門架部件、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。

圖1 回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈

圖2 感應(yīng)淬火設(shè)備

工件淬火的基本原理：旋轉(zhuǎn)升降平臺通過頂升油缸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺上升至預(yù)定位置，將待加工工件吊裝至旋轉(zhuǎn)平臺上，通過鎖緊裝置固定；感應(yīng)器部件和龍門架部件沿導(dǎo)軌行走至旋轉(zhuǎn)升降平臺正上方；通過滾珠絲桿和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)感應(yīng)器與工件之間的距離；調(diào)整完成后，旋轉(zhuǎn)平臺帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)；此時(shí)開啟電氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，對工件進(jìn)行加熱，使工件表面溫度整體達(dá)到預(yù)定值；頂升油缸迅速驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺及工件下降至淬火液池中進(jìn)行冷卻；冷卻完成后旋轉(zhuǎn)升降平臺將工件上升至預(yù)定位置，松開鎖緊裝置，吊裝工件實(shí)現(xiàn)一次整體淬火。

1)升降旋轉(zhuǎn)工作臺

升降旋轉(zhuǎn)平臺主要包括頂升油缸、導(dǎo)向筒、旋轉(zhuǎn)平臺、鎖緊裝置、滾輪、滾道、馬達(dá)等。其中三個(gè)頂升油缸下端通過地腳螺栓固定在地面上，上端與旋轉(zhuǎn)平臺的旋轉(zhuǎn)支架連接，旋轉(zhuǎn)平臺在油缸的驅(qū)動(dòng)下做上下升降運(yùn)動(dòng)。其中，為了使頂升油缸升降過程中穩(wěn)定可靠，在其外部還設(shè)計(jì)導(dǎo)向筒。旋轉(zhuǎn)平臺與旋轉(zhuǎn)支架之間設(shè)計(jì)滾輪及滾道，旋轉(zhuǎn)支架上安裝馬達(dá)及減速機(jī)。待加工工件放置在旋轉(zhuǎn)平臺上，通過鎖緊裝置固定。馬達(dá)和減速機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺的滾輪在滾道上360°旋轉(zhuǎn)。升降旋轉(zhuǎn)平臺通過頂升油缸裝置能迅速準(zhǔn)確地將工件升降至預(yù)定位置；通過旋轉(zhuǎn)裝置使工件穩(wěn)定地周向旋轉(zhuǎn)，極大滿足工件在加熱過程中受熱均勻及可靠性。

2)感應(yīng)器部件

感應(yīng)器部件主要包括伸出臂、圓盤組件、滾珠絲桿、馬達(dá)、懸掛組件、調(diào)節(jié)組件、感應(yīng)器、變壓器等。其中八個(gè)伸出臂均布在圓盤組件上，單個(gè)伸出臂上安裝滾珠絲桿和懸掛組件，滾珠絲桿在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)懸掛組件沿伸出臂左右移動(dòng)。懸掛組件上安裝調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)及周向旋轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下端安裝變壓器及感應(yīng)器。此感應(yīng)器部件可根據(jù)待加工工件尺寸進(jìn)行感應(yīng)器數(shù)量調(diào)節(jié)，淬火前后，可隨時(shí)調(diào)節(jié)感應(yīng)器與工件之間的距離，調(diào)節(jié)靈活，操作簡單。

3)機(jī)架部件

龍門架部件主要包括龍門架、電機(jī)部件、箱體橫梁組件、小伸出臂、連接板、軌道等。其中龍門架在電機(jī)部件的驅(qū)動(dòng)下沿預(yù)鋪的軌道移動(dòng)，龍門架上設(shè)計(jì)箱體橫梁組件。箱體橫梁組件上安裝八個(gè)小伸出臂和連接板，可與感應(yīng)器部件通過螺栓進(jìn)行連接。此部件是感應(yīng)器部件的承重機(jī)構(gòu)，也是感應(yīng)器部件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

4)其他系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)液壓油缸的上下動(dòng)作；電氣系統(tǒng)主要控制淬火電源開關(guān)、機(jī)架行走、淬火感應(yīng)器調(diào)節(jié)和總體控制等；冷卻系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)淬火感應(yīng)器和電容冷卻。這些系統(tǒng)都比較成熟，本文不再詳細(xì)介紹。

2 工件加熱有限元熱力場分析

由于設(shè)備主要針對大型回轉(zhuǎn)支承淬火，能否將工件整體加熱至預(yù)定值成為關(guān)鍵點(diǎn)。通過有限元軟件對要求淬硬層深度為4 mm的回轉(zhuǎn)支撐外表面進(jìn)行多點(diǎn)式感應(yīng)淬火熱力場分析，得出距離感應(yīng)內(nèi)表面的加熱T-t分布圖及所需時(shí)間。

1)電磁-熱耦合計(jì)算流程圖見圖3。

2)模型及加載。建立電磁-熱雙相耦合多物理場載荷傳遞分析法的有限元簡化模型如圖4所示。

圖3 電磁-熱耦合計(jì)算流程圖

以加工直徑為φ4000 mm的回轉(zhuǎn)支承工件為例，工況參數(shù)表如表1所示。

表1 工況參數(shù)表

3)有限元分析結(jié)果如圖5所示。其中距離工件表面4 mm處，加熱前90 s可迅速升溫到750 ℃。隨后由于750 ℃附近是42CrMo的居里點(diǎn)，材料的相對磁導(dǎo)率迅速降低，由有序的鐵磁體變?yōu)闊o序的順磁體，需消耗大量的能量。伴隨溫度越高，熱輻射及對流能量損失越大，導(dǎo)致升溫速度越來越慢。

圖4 有限元簡化模型

圖5 熱力場分析結(jié)果圖

距離工件表面4 mm處，在280～290 s時(shí)間段，溫度場一直保持880～900 ℃范圍內(nèi)，且距離工件表面145 mm處，加熱230 s后溫度大約為300 ℃，滿足淬火所需溫度以及保溫時(shí)間要求。

3 結(jié)論

在分析了目前大型回轉(zhuǎn)支承淬火存在軟帶問題的基礎(chǔ)上，研究出了一種新型的無軟帶感應(yīng)淬火設(shè)備。通過對設(shè)備工作原理的介紹，詳細(xì)設(shè)計(jì)出了旋轉(zhuǎn)升降平臺、感應(yīng)器部件、龍門架部件等結(jié)構(gòu)，并利用有限元軟件模擬工件加熱過程中的熱力場分布，給出加熱至預(yù)定值所需時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)大型回轉(zhuǎn)支承整體淬火，有效解決工件軟帶問題。此設(shè)備已經(jīng)在公司內(nèi)部試裝運(yùn)行，取得了預(yù)期效果，但是還有待繼續(xù)研究改進(jìn)。