風(fēng)電機(jī)組軸承加熱技術(shù)研究

王靛

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南株洲 412001)

0 前言

隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)組功率等級(jí)不斷增加。陸上風(fēng)電機(jī)組功率已經(jīng)達(dá)4 MW，行業(yè)最新數(shù)據(jù)顯示5、6 MW都會(huì)出現(xiàn)；海上風(fēng)電功率等級(jí)超過(guò)10 MW。隨著機(jī)組功率等級(jí)增加，主軸承的尺寸與質(zhì)量也越來(lái)越大。軸承、軸承座裝配屬于過(guò)盈或過(guò)渡配合，所以在裝配過(guò)程中均需要加熱膨脹。為保證質(zhì)量，在軸承加熱過(guò)程中需要嚴(yán)格控制軸承的加熱溫度和內(nèi)外圈溫差。目前，常用加熱方法有油浴加熱、電阻爐加熱、感應(yīng)加熱。感應(yīng)加熱又分為變壓器結(jié)構(gòu)式的軛鐵穿過(guò)軸承的加熱方式與采用專(zhuān)用線圈的諧振加熱方式。

油浴加熱的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、容易控制，缺點(diǎn)是軸承容易受到污染、單個(gè)加熱時(shí)間長(zhǎng)、燃燒后存在有毒氣體危害人體健康、存在火災(zāi)危險(xiǎn)，因此該方法沒(méi)有在風(fēng)電行業(yè)使用。

電阻爐加熱優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制方便、成本較低,可以同時(shí)加熱多個(gè)軸承；缺點(diǎn)是耗電量大、加熱速度慢。風(fēng)電裝配一般采用串聯(lián)式作業(yè)，即先將軸承加熱后裝入主軸，在軸承冷卻過(guò)程中加熱軸承座，冷卻完成后軸承座加熱完成，裝入軸承座。由于電阻爐加熱速度慢，不適合用于這種串聯(lián)作業(yè)的場(chǎng)合。

軛鐵耦合加熱原理：一個(gè)可以開(kāi)合的軛鐵上繞有線圈，通入交流電，則相當(dāng)于變壓器原邊，軸承套入軛鐵后相當(dāng)于變壓器次邊，原邊通入電流后，通過(guò)軛鐵耦合到次邊，軸承相當(dāng)于次邊短路加熱。這種加熱方式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性很強(qiáng)，只需將軸承套在軛鐵上即可加熱，可適用于多種尺寸；缺點(diǎn)是軛鐵小、與軸承內(nèi)外圈間漏磁大、效率低并且對(duì)周邊的金屬及電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響。由于大型軸承加熱速度慢，并且無(wú)法準(zhǔn)確保證內(nèi)外圈溫差，存在吃掉游隙滾子受壓的風(fēng)險(xiǎn)，這類(lèi)加熱器不建議用于大型風(fēng)電主軸承。

諧振電源加熱主要分為晶閘管、MOSFET、IGBT 3種開(kāi)關(guān)器件形式。晶閘管優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，缺點(diǎn)是效率低、諧波大、對(duì)電網(wǎng)不友好。MOSFET優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度更快、輸入阻抗低、驅(qū)動(dòng)功率小、工作頻率高；缺點(diǎn)是電流容量小、耐壓低，一般用于10 kW以下的電源。IGBT優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快、損耗小、開(kāi)關(guān)頻率高、具有耐脈沖電流沖擊能力、通態(tài)壓低；缺點(diǎn)是成本較高、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、對(duì)應(yīng)用技術(shù)要求高。

結(jié)合感應(yīng)加熱技術(shù)特點(diǎn)與風(fēng)電機(jī)組主軸承加熱工藝需求，從感應(yīng)加熱原理、感應(yīng)加熱設(shè)備方案、運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果等方面，開(kāi)發(fā)一套一拖二的全數(shù)字化IGBT諧振電源加熱設(shè)備。

1 感應(yīng)加熱原理

感應(yīng)加熱原理：將被加熱的金屬工件外繞一組感應(yīng)線圈，當(dāng)線圈中流過(guò)交流電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變磁通，交變磁通又會(huì)在金屬工件上感應(yīng)出電勢(shì)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在金屬工件中形成短路，工件有一定的電阻從而產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)工件加熱。感應(yīng)加熱原理如圖1所示。

圖1 感應(yīng)加熱原理

諧振的實(shí)質(zhì)是電容中電場(chǎng)能與電感中的磁場(chǎng)能互相轉(zhuǎn)換，此增彼減，完全補(bǔ)償。電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的總和時(shí)刻保持不變，電源不必與電容或電感往返轉(zhuǎn)換能量，只需要提供電路中電阻所消耗的電能即可。

繞在金屬外面的感應(yīng)線圈中通過(guò)交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生同頻率的交變磁通量，工件同時(shí)感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由Maxwell方程式可得：

(1)

式中：是線圈匝數(shù)，負(fù)號(hào)是因?yàn)楦袘?yīng)電勢(shì)總是阻止磁通變化。

=Sin

(2)

有效值為

(3)

金屬工件必定有電阻，則金屬工件可以看成導(dǎo)體，感應(yīng)電勢(shì)在通過(guò)電阻后形成回路，產(chǎn)生渦流,消耗的功率為

=cos=444cos

(4)

根據(jù)焦耳-楞次定律，可得：

(5)

式中：為電流通過(guò)電阻產(chǎn)生的熱量(J)；為電流有效值(A)；為工件等效電阻(Ω)；為工件通電時(shí)間(s)。

由此可見(jiàn)，感應(yīng)加熱是感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬，然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)換成熱能，感應(yīng)線圈并不與被加熱體直接接觸，能量通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞。

2 感應(yīng)加熱電源方案設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組主軸承需要內(nèi)外圈同時(shí)加熱來(lái)控制游隙，所以要將內(nèi)外圈溫差控制在一定的溫度范圍。因此，采用一拖二的加熱電源方案，即一臺(tái)主機(jī)同時(shí)輸出兩路電源，兩路電源之間需要互相通信彼此的工作狀態(tài)與軸承內(nèi)外圈的溫度，計(jì)算溫差是否在設(shè)定范圍內(nèi)。在風(fēng)機(jī)主軸裝配過(guò)程中不僅要加熱軸承，軸承座、軸套也需加熱，在電源功率設(shè)計(jì)時(shí)需要按最大工件考慮。

2.1 功率計(jì)算

根據(jù)240/900軸承、軸承座的尺寸與質(zhì)量信息(見(jiàn)表1)，軸承座最重，可以按其質(zhì)量計(jì)算。加熱時(shí)間定為30 min，考慮到北方氣溫較低，加熱范圍-10～90 ℃。

表1 軸承與軸承座信息

軸承座需加熱中間與軸承配合部位，根據(jù)能量守恒定理，軸承座所需要的熱量為

=Δ=175×10

(6)

式中：為軸承座材料(碳鋼)比熱容，=465 J/(kg·℃)；為質(zhì)量，=3 766 kg；Δ為所需溫升，Δ=100 ℃。

所需功率為

(7)

式中：為電源功率(kW)；為加熱所需時(shí)間(s);為電源效率。

根據(jù)以上計(jì)算，電源1除加熱軸承外圈還需加熱軸承座，因此功率選擇120 kW。電源2用來(lái)加熱軸承內(nèi)圈，功率選擇60 kW。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)軸承感應(yīng)加熱系統(tǒng)由工控機(jī)、控制單元、功率單元、諧振單元、隔離單元、加熱器、溫度采集系統(tǒng)、控制軟件等組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 軸承感應(yīng)加熱系統(tǒng)框圖

3 溫度計(jì)算與運(yùn)行試驗(yàn)

Δ=+06

(8)

式中:為過(guò)盈量，=0.266+0.1=0.366 mm;Δ為膨脹量,Δ=+0.6=0.266+0.1+0.6=0.966 mm。

軸承內(nèi)圈加熱溫度為

=+Δ

(9)

(10)

式中：為軸承加熱設(shè)定溫度(℃)；為環(huán)境溫度(℃)；Δ為軸承內(nèi)圈溫升(℃)；為軸承內(nèi)徑(mm)；為軸承鋼的線性膨脹系數(shù)(1/℃)，=12.5×10(1/℃)。

取30 ℃、取900 mm，則加熱溫度為

=+Δ=+Δ(×)=1058 ℃

計(jì)算內(nèi)外圈溫差。在內(nèi)外圈加熱時(shí)需要保證軸承徑向游隙的變化量小于軸承理論的最小游隙，因此需要控制內(nèi)外圈溫差最大值。240/900軸承徑向游隙為0.43～0.56 mm，取0.43 mm。

(11)

式中：Δ為內(nèi)外圈溫差引起的游隙變化量(mm)；Δ′為內(nèi)外圈溫差(℃)；為軸承外徑(mm)；為軸承理論徑向游隙最小值(mm)。

根據(jù)公式(11)可得：

理論上內(nèi)外圈溫差小于31.5 ℃就可以滿(mǎn)足滾子不被擠死的情況，但是為防止加熱探頭采集誤差以及在探頭沒(méi)有監(jiān)測(cè)到溫度最高點(diǎn)等特殊情況，將溫差設(shè)置為20 ℃較為合理。

按照以上計(jì)算結(jié)果，對(duì)240/900軸承進(jìn)行加熱試驗(yàn)，加熱前在工控機(jī)顯示屏上分別設(shè)置外圈與內(nèi)圈目標(biāo)溫度。考慮到在加熱完成后至裝配過(guò)程中有一定的時(shí)間差，由于自然對(duì)流散熱的關(guān)系，這段時(shí)間內(nèi)溫度會(huì)降低約5 ℃，所以裝配外圈目標(biāo)溫度設(shè)置為90 ℃、最大加熱功率百分比65%，內(nèi)圈目標(biāo)溫度設(shè)置為110 ℃、最大加熱功率百分比46%。通過(guò)分別設(shè)置內(nèi)外圈兩組電源的功率百分比值，可以控制內(nèi)外圈加熱的速度，讓外圈溫度升速更快，避免因內(nèi)圈加熱速度過(guò)快而使?jié)L子受到擠壓。在軟件里設(shè)置控制算法與保護(hù)策略，如某些不確定因素導(dǎo)致內(nèi)圈溫度高于外圈溫度30 ℃時(shí)，電源就會(huì)停止加熱，報(bào)溫度異常故障。根據(jù)不同軸承型號(hào)與不同參數(shù)，設(shè)置相對(duì)的控制與保護(hù)參數(shù)。240/900軸承外圈目標(biāo)溫度為90 ℃、內(nèi)圈目標(biāo)溫度為110 ℃，各自的實(shí)際溫度(至少3個(gè)探頭中的任意最大值)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度時(shí)，電源控制系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入保溫控制。通過(guò)PID恒溫控制算法，讓實(shí)際加熱溫度始終保持在目標(biāo)溫度，保持2 400 s后記錄軸承內(nèi)外圈溫度,如240/900軸承加熱溫度記錄表(見(jiàn)表2)，軸承外圈溫差控制在6 ℃以?xún)?nèi)、內(nèi)圈溫差控制在3 ℃以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足軸承加熱技術(shù)要求。

表2 240/900軸承加熱溫度記錄

4 小結(jié)

通過(guò)研究加熱原理、研究和對(duì)比不同加熱技術(shù)，確定采用諧振電源加熱方式。結(jié)合被熱工件的結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定加熱設(shè)備功率等級(jí)和結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)開(kāi)發(fā)一拖二智能化的IGBT數(shù)字感應(yīng)加熱電源，大大提高加熱工作效率。以240/900軸承為例，加熱時(shí)間由原來(lái)專(zhuān)用軸承加熱器的3 h縮短到0.5 h內(nèi)，加熱效率提高了5倍。采用智能化加熱電源后，既能同時(shí)加熱內(nèi)外圈，又能監(jiān)測(cè)內(nèi)外圈的溫差，不會(huì)出現(xiàn)擠壓滾子的情況。采用PID恒溫控制算法，保證了加熱目標(biāo)溫度的精準(zhǔn)度，可提高軸承裝配精度，降低因軸承裝配工藝給整機(jī)帶來(lái)的可靠性差與壽命短的問(wèn)題。