牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱技術(shù)研究

袁雙玲

(中車株洲電機(jī)有限公司,湖南 株洲 412001)

0 引 言

牽引電機(jī)工程制造中通常需采用熱裝配實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸的過盈配合。傳統(tǒng)的烘爐加熱方式由于存在加熱時(shí)間長、占地面積大等缺點(diǎn)，越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)效率高、節(jié)能環(huán)保等要求。感應(yīng)加熱作為一種新型的加熱方式，具備加熱周期短、生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保、占地面積小、加熱溫度便于控制等諸多優(yōu)勢(shì)[1]，已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、有色金屬、汽車、機(jī)械軍工產(chǎn)品的零部件熱處理方面，隨著感應(yīng)加熱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其市場(chǎng)應(yīng)用前景也越來越廣闊[2]。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中由于感應(yīng)加熱存在集膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)，若加熱參數(shù)設(shè)置不合理，容易出現(xiàn)工件的心表溫差較大的問題。因此如何設(shè)置合理的加熱程序、提高加熱效率，滿足工件各個(gè)部位的溫度需求是感應(yīng)加熱工程應(yīng)用需要解決的問題。

1 感應(yīng)加熱的原理及特點(diǎn)

1.1 感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)加熱的本質(zhì)就是感應(yīng)線圈中的交變電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)穿過金屬工件形成回路，在其橫截面內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而發(fā)熱實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬工件的加熱。

感應(yīng)加熱的基本原理可以用電磁感應(yīng)定理和焦耳楞次定理來表示。穿過閉合回路的磁通量Φ，隨時(shí)間變化時(shí)，在回路上產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)E:

E=dΦ/dt

(1)

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的渦流i，繼而產(chǎn)生焦耳熱Q，可以用焦耳定律表示。

Q=i2Rt

(2)

1.2 感應(yīng)加熱的特點(diǎn)

當(dāng)?shù)冉孛娴膶?dǎo)體中通過交變電流時(shí)，導(dǎo)體界面上的電流分布將呈現(xiàn)一種不均勻的狀態(tài)，電流的大部分只在導(dǎo)體表層流過。且表層的電流密度最大，外層向內(nèi)層呈冪指數(shù)規(guī)律逐漸遞減。感應(yīng)加熱的工件中的電流也是交變電流，具有集膚效應(yīng)。以圓形的工件為例，表面的電流為I0，沿工作半徑x方向的電流密度為[3]

(3)

其中δ為電流的透入深度，按下式計(jì)算：

(4)

式中,ρ為工件的電阻率；μ為工件的磁導(dǎo)率；f為電源頻率(Hz)。

由上式可以看出，電流透入深度由電源頻率f、工件的磁導(dǎo)率μ和電阻率ρ決定。而材料ρ、μ的不變，電流透入深度由電源頻率f決定。一般硅鋼片的電流透入深度為3 mm～5 mm，之后電流的數(shù)值從表面向里近似指數(shù)曲線迅速衰減，中心電流很小或無電流。電流透入深度內(nèi)產(chǎn)生的能量占總能量的86.5%，因此在電流透入深度內(nèi)產(chǎn)生的能量用于表層金屬加熱，內(nèi)部金屬靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行加熱。

根據(jù)集膚效應(yīng)的電流密度分布公式，則厚為dr、高為h的圓筒狀薄層吸收的功率為

(5)

dI=ihdr

(6)

dP=πphi2rdr

(7)

其中dI為半徑r處的電流強(qiáng)度。

因此

(8)

式中，P(r)為半徑為r的區(qū)域的功率。由上式可以看出功率的數(shù)值從表面向里近似指數(shù)迅速衰減。

臨近效應(yīng)是指當(dāng)交變電流分別流過相鄰兩個(gè)導(dǎo)體，在電磁感應(yīng)作用下，原本導(dǎo)體上均勻分布的電流將重新分布，電流偏向一側(cè)。當(dāng)兩個(gè)相鄰的導(dǎo)體流過相反的電流時(shí)，相鄰兩導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)電流密度比外側(cè)大得多。若通過相同方向的電流，則外側(cè)電流密度比內(nèi)側(cè)要大一些。而對(duì)于感應(yīng)加熱過程中，任何時(shí)刻，工件內(nèi)電流與感應(yīng)線圈的電流方向都是相反的，因此電流聚集在加熱工件的外表面。

2 轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱工藝難點(diǎn)分析

以某典型牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心為例，鐵心外徑為Ф307 mm，軸孔直徑Ф90 mm，鐵心長度280 mm，其中轉(zhuǎn)子鐵心所用材料為50W470硅鋼片，壓圈所用材料為35CrMo鋼。根據(jù)轉(zhuǎn)軸與鐵心/壓圈的過盈量，工藝上將轉(zhuǎn)子鐵心加熱至300℃，然后實(shí)施轉(zhuǎn)軸熱套。

實(shí)際生產(chǎn)中，由于感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，大部分的電流只從表層流過，表層(電流透入深度內(nèi))的能量占86.5%，因此表層渦流發(fā)熱較大，且加熱時(shí)間較短，表層來不及傳熱至內(nèi)部，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)外溫差較大，不僅轉(zhuǎn)子鐵心軸孔溫度達(dá)不到熱裝溫度，而且鐵心外部還容易因?yàn)闇囟冗^高而破壞硅鋼片涂層，難以滿足轉(zhuǎn)子鐵心熱裝質(zhì)量要求。因此在滿足轉(zhuǎn)子鐵心生產(chǎn)線節(jié)拍要求(18 min)的前提下，需要采用加熱-保溫-加熱-保溫的加熱模式對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心進(jìn)行加熱，通過熱傳導(dǎo)的方式使內(nèi)部得到加熱。同時(shí)為了確保鐵心內(nèi)外溫差盡可能小，工藝上采用內(nèi)、外兩組感應(yīng)線圈和電源對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心同時(shí)進(jìn)行加熱。

顯然基于大量的試驗(yàn)驗(yàn)證感應(yīng)加熱程序，需要耗費(fèi)大量的人力和物力，并且精確的溫度測(cè)量成本高，傳感器的引入也會(huì)導(dǎo)致溫度測(cè)量結(jié)果與實(shí)際溫度存在一定的偏差。為了更好地分析特定加熱參數(shù)下轉(zhuǎn)子鐵心的溫度分布情況，對(duì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱過程進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析。

3 轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)仿真分析

感應(yīng)加熱產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的大小分布不同，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子鐵心中渦流產(chǎn)生的焦耳熱各不相同。已知電源自身的功率損耗約為10%，感應(yīng)線圈本身的熱損耗和電損耗約為10%,則取總體加熱效率為80%。通過初步理論計(jì)算，由式(8)和集膚效應(yīng)，得出轉(zhuǎn)子鐵心在感應(yīng)加熱過程中的功率分布情況，根據(jù)感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，設(shè)置合理的加熱程序如表1所示。

表1 感應(yīng)加熱程序

設(shè)置模擬仿真的邊界條件：轉(zhuǎn)子鐵心的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分別為44 W/m、400J/kg·C，轉(zhuǎn)子的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容分別為40 W/m·C、434 J/kg·C，初始環(huán)境溫度和初始模型溫度為22 ℃，模型表面與空氣的對(duì)流系數(shù)為10 W/m2。

仿真結(jié)果如圖1所示。從溫度場(chǎng)云圖可以看出最低溫度275.32 ℃位于壓圈處，最高溫度299.81 ℃位于鐵心外側(cè)，溫差24.49 ℃，溫度分布總體為外側(cè)高內(nèi)側(cè)低。從仿真的角度來說，鐵心內(nèi)部溫度較目標(biāo)熱裝溫度略低，因此可以考慮將主電源程序進(jìn)行微調(diào)(略調(diào)高保溫段的輸出功率)，同時(shí)增加輔助電源的加熱功率，升高下部壓圈和鐵心的溫度，降低內(nèi)外溫差。

圖1 轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 溫度采集

為了驗(yàn)證上述計(jì)算及仿真分析的有效性，采用主電源為80 kW，輔助電源為50 kW的雙輸出感應(yīng)加熱電源，對(duì)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心采用內(nèi)、外兩個(gè)感應(yīng)線圈同時(shí)加熱。為了獲取轉(zhuǎn)子鐵心各部位的溫度數(shù)據(jù)，在鐵心不同部位點(diǎn)焊熱電偶進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，熱電偶分布情況如圖2所示。

圖2 熱電偶位置分布圖

按照如表1的加熱程序，轉(zhuǎn)子鐵心各部位最終溫度和冷卻2 min后的溫度如圖3和表2所示。

圖3 轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱溫度變化曲線圖(℃)

表2 轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱溫度數(shù)據(jù)匯總(℃)

從上述轉(zhuǎn)子鐵心加熱溫度分布數(shù)據(jù)情況可以看出：

(1)轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)加熱后各部位的溫度在283.40 ℃～313.69 ℃之間，各部位溫度均≥280 ℃，最大溫差為30.29 ℃，加熱過程中最高溫度均≤350 ℃，加熱過程中鐵心溫度控制在合理范圍，不會(huì)對(duì)鐵心硅鋼片涂層造成破壞性影響。

(2)通常轉(zhuǎn)軸套裝作業(yè)在轉(zhuǎn)子加熱到溫后2 min內(nèi)完成，因此對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心加熱結(jié)束2 min后的溫度情況進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)子鐵心各部位的最終溫度在280.12 ℃～299 ℃之間，最大溫差為18.88 ℃，滿足產(chǎn)品熱套溫度要求。

(3)轉(zhuǎn)子鐵心同一水平位置的外圈溫度與內(nèi)圈溫度差值均≤30 ℃，表明轉(zhuǎn)子鐵心水平方向溫度場(chǎng)分布均勻。

4.2 尺寸檢測(cè)

對(duì)加熱前后的轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑尺寸進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)子鐵心加熱前后尺寸對(duì)比

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑的熱膨脹量為0.33 mm～0.345 mm，按照鐵的熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5m/℃，溫度升高260 ℃，理論膨脹量為0.28 mm，轉(zhuǎn)子鐵心的實(shí)際熱膨脹量測(cè)量值與理論值相近，滿足轉(zhuǎn)軸的套裝要求。

5 結(jié) 語

通過理論分析、有限元模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，采用感應(yīng)加熱的方式加熱轉(zhuǎn)子鐵心的方案是可行的。針對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心的溫度要求、感應(yīng)加熱的特點(diǎn)，采用加熱-保溫-加熱-保溫的加熱模式，設(shè)置如表1的加熱程序加熱轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心加熱溫度和內(nèi)孔尺寸膨脹量符合其套軸工藝設(shè)計(jì)要求。