一種免解體更換電機(jī)軸承工藝的研究

鄧先平，李琳浩，楊 鶯

(中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

在鐵路干線電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車和各種電動(dòng)車輛上，常用牽引電機(jī)進(jìn)行動(dòng)力驅(qū)動(dòng)[1]。牽引電機(jī)中軸承的檢修維護(hù)工作異常關(guān)鍵，在規(guī)定的時(shí)間或者公里數(shù)內(nèi)必須進(jìn)行檢測(cè)或者更換[2]。目前牽引電機(jī)在更換軸承時(shí)，大都需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行解體，將電機(jī)轉(zhuǎn)子從電機(jī)中拔出，之后再利用特定的裝置將軸承拔下，最后再通過(guò)工裝將新軸承重新安裝至轉(zhuǎn)軸上，并將轉(zhuǎn)子重新放入電機(jī)內(nèi)，重新組裝電機(jī)[3]。整個(gè)更換軸承過(guò)程操作復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，并且在解體與重新組裝電機(jī)的過(guò)程中，存在著人為操作失誤造成電機(jī)損傷的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

因此，如何實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸承的免解體更換，提高電機(jī)檢修效率，是本領(lǐng)域技術(shù)人員面臨的技術(shù)難題。本文針對(duì)某型帶有軸承套結(jié)構(gòu)的牽引電機(jī)，通過(guò)分析該型電機(jī)軸承裝配的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種免解體更換電機(jī)軸承的工藝方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拆裝軸承確認(rèn)了方案的可行性，為其他同類型軸承結(jié)構(gòu)的電機(jī)更換軸承提供了參考。

1 電機(jī)軸承配置結(jié)構(gòu)

本文以某型帶有軸承套結(jié)構(gòu)的牽引電機(jī)作為研究對(duì)象，該電機(jī)傳動(dòng)端與小齒輪箱直接裝配為一體，以小齒輪箱作為電機(jī)傳動(dòng)端支撐，非傳動(dòng)端軸承配置結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用的是圓柱軸承，其中軸承內(nèi)圈安裝在轉(zhuǎn)軸上，軸承外圈安裝在軸承套中，軸承套安裝在非傳動(dòng)端端蓋中。

圖1 某型牽引電機(jī)非傳動(dòng)端軸承配置結(jié)構(gòu)

2 電機(jī)免解體更換軸承工藝的研究

2.1 制定電機(jī)免解體更換軸承工藝流程

通常情況下，針對(duì)圖1所示的軸承配置結(jié)構(gòu)，更換軸承的工藝流程為：拆下傳感器蓋板及測(cè)速齒盤—拆下小齒輪箱—定轉(zhuǎn)子分離—拆下非傳動(dòng)端端蓋—拆下軸承蓋—退出軸承套及軸承外圈—從軸承套中退出軸承外圈—從轉(zhuǎn)軸上退出軸承內(nèi)圈—重新安裝軸承內(nèi)外圈—按反向順序組裝電機(jī)。

根據(jù)軸承配置結(jié)構(gòu)，制定電機(jī)免解體更換軸承工藝流程：拆下傳感器蓋板及測(cè)速齒盤—拆下軸承蓋—安裝更換軸承輔助工裝—退出軸承套及軸承外圈—從軸承套中退出軸承外圈—從轉(zhuǎn)軸上退出軸承內(nèi)圈—重新安裝軸承內(nèi)外圈—按反向順序組裝電機(jī)，其中主要工藝流程如圖2所示。

圖2 電機(jī)免解體更換軸承工藝流程

2.2 工藝難點(diǎn)

通過(guò)分析電機(jī)軸承配置結(jié)構(gòu)并結(jié)合免解體更換軸承工藝流程，可知免解體更換軸承的工藝難點(diǎn)主要是軸承套及軸承外圈退出后，采用何種方式支撐轉(zhuǎn)子重量；更換軸承過(guò)程中，如何保證轉(zhuǎn)子與端蓋軸承室同心。

2.3 電機(jī)免解體更換軸承關(guān)鍵工裝設(shè)計(jì)

2.3.1 轉(zhuǎn)子支撐工裝一設(shè)計(jì)

從圖2可以看出，在退出軸承套及軸承后，需要給轉(zhuǎn)子提供一個(gè)支撐力，確保轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生下沉。針對(duì)這種情況，工裝設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)在轉(zhuǎn)子中心孔安裝支撐桿，并在支撐桿末端下方安放千斤頂，使用千斤頂提供頂升力，確保軸承套及軸承退出后轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生下沉，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子支撐工裝一

2.3.1.1 轉(zhuǎn)子支撐力計(jì)算

為了確認(rèn)轉(zhuǎn)子所需支撐力大小，對(duì)轉(zhuǎn)子受力情況進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)換成受力模型圖，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子受力模型圖

從圖4可知，根據(jù)轉(zhuǎn)子受力平衡，則有F1×(L1+L2)=G×L1。其中轉(zhuǎn)子重650 kg，L1=465 mm，L2=715 mm，可求得支撐力F1=2 561.4 N。

2.3.1.2 轉(zhuǎn)子支撐桿受力變形分析

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[5]，上述轉(zhuǎn)子支撐桿屬于一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算轉(zhuǎn)子支撐桿末端變形撓度f(wàn)為：

f=FL3/3EI

(1)

式中：F為受力載荷，單位N；L為桿件長(zhǎng)度，單位mm；E為桿件彈性模量，單位MPa；I為桿件截面慣性矩，單位mm4；I=πd4/64，d為桿件直徑，單位mm。

其中F=F1=2 561.4 N，L=372 mm，E=213 000 MPa，d=30 mm，代入公式中可求得f=5.2 mm。

對(duì)轉(zhuǎn)子支持桿受力情況進(jìn)行有限元分析(見(jiàn)圖5)，支撐桿末端最大變形量約5.2 mm(與計(jì)算結(jié)果相同)，不影響其支撐效果，能滿足使用要求。

圖5 轉(zhuǎn)子支撐桿受力分析

2.3.1.3 千斤頂顯示壓力計(jì)算

轉(zhuǎn)子支撐選用的是一個(gè)5 t量程的千斤頂，其中千斤頂液壓缸有效面積S為6.5 cm2，將轉(zhuǎn)子支撐起來(lái)的最小壓力為P=F1/S=394 bar，考慮到阻力影響，千斤頂實(shí)際支撐作業(yè)時(shí)采用400 bar的壓力。

2.3.2 轉(zhuǎn)子支撐工裝二設(shè)計(jì)

從圖2可以看出，要能實(shí)現(xiàn)軸承更換，在靠近端蓋位置還需要提供一個(gè)支撐力F2，確保支撐力F1撤去后，轉(zhuǎn)子仍不產(chǎn)生下沉，同時(shí)還需要保證轉(zhuǎn)子與端蓋軸承室同心。根據(jù)軸承裝配結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)定位套和定位支撐塊，其中定位套用螺栓固定在非傳動(dòng)端端蓋上，定位支撐塊安裝在定位套與轉(zhuǎn)子支撐桿之間，通過(guò)支撐桿、定位支撐塊、定位套，最后將轉(zhuǎn)子支撐力傳遞至非傳動(dòng)端端蓋上，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子支撐工裝二

2.3.2.1 轉(zhuǎn)子支撐力計(jì)算

對(duì)轉(zhuǎn)子受力情況進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)換成受力模型圖，如圖7所示。

從圖4可知，根據(jù)轉(zhuǎn)子受力平衡，則有F2×(L1+L3)=G×L1。其中，轉(zhuǎn)子重650 kg，L1=465 mm，L2=355 mm，可求得支撐力F2=4 197.9 N。

圖7 轉(zhuǎn)子受力模型圖

2.3.2.2 定位套與非傳動(dòng)端端蓋受力計(jì)算

定位套通過(guò)6個(gè)M12×40內(nèi)六角螺釘(8.8級(jí))固定在非傳動(dòng)端端蓋上，緊固力矩70 N·m。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[5]，扭矩系數(shù)計(jì)算公式為：

K=T/(F×d)

(2)

式中：T為緊固扭矩，單位N·m；K為扭矩系數(shù)；d為螺栓公稱直徑，單位mm；F為螺栓預(yù)緊力，單位kN。其中T為70 N·m，K取值0.13，d為12 mm，代入公式(2)中可計(jì)算出螺栓預(yù)緊力F=44.87 kN。則6個(gè)內(nèi)六角螺釘提供的擰緊力F合=6F=269.22 kN。計(jì)算定位套與非傳動(dòng)端端蓋的摩擦力F摩=μF合，其中摩擦系數(shù)μ取0.3，則F摩=80.77 kN，遠(yuǎn)大于支撐力F2，因此定位套安裝后不會(huì)因?yàn)橹瘟2而產(chǎn)生滑動(dòng)，可保證更換軸承過(guò)程中轉(zhuǎn)子與端蓋軸承室同心。

2.3.3 軸承退出工裝設(shè)計(jì)

在解決轉(zhuǎn)子支撐問(wèn)題后，根據(jù)產(chǎn)品及支撐工裝的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種退軸承套的拉拔工裝(見(jiàn)圖8)。工裝主要由拉桿、拉板及固定螺母等組成，并借用轉(zhuǎn)子支撐工裝部分零件。其中拉桿一端安裝在軸承套的工藝孔中，另一端通過(guò)螺母固定在拉板上，千斤頂安裝在轉(zhuǎn)子支撐桿上。

圖8 軸承退出示意圖

通過(guò)千斤頂產(chǎn)生的頂升力，給拉板提供一個(gè)向外的推力，推力通過(guò)拉桿傳遞至軸承套上，從而將軸承套連同軸承外圈一起退出。退軸承內(nèi)圈時(shí)，可通過(guò)中頻感應(yīng)加熱器對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行加熱退出。

2.3.4 軸承安裝工裝設(shè)計(jì)

在退出軸承套及軸承后，按照常規(guī)方法對(duì)軸承套中的軸承外圈換新。軸承內(nèi)圈安裝時(shí)，采用熱套方式安裝至轉(zhuǎn)軸上。軸承套及軸承外圈安裝時(shí)，設(shè)計(jì)一種軸承套的壓裝工裝(見(jiàn)圖9)，工裝主要由壓板、墊套及圓螺母等組成，并借用轉(zhuǎn)子支撐工裝部分零件。其中壓板通過(guò)工藝螺栓固定在軸承套上，再安裝千斤頂、墊套、圓螺母。

通過(guò)千斤頂產(chǎn)生的頂升力，給壓板提供一個(gè)向內(nèi)的推力，傳遞至軸承套上，從而將軸承套連同軸承外圈一起壓裝至非傳動(dòng)端端蓋軸承室中。

3 電機(jī)免解體更換軸承工藝方案驗(yàn)證

設(shè)計(jì)制作電機(jī)免解體更換軸承所需的工裝后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝驗(yàn)證，順利完成電機(jī)免解體更換軸承作業(yè)(見(jiàn)圖10)。對(duì)更換軸承后的電機(jī)進(jìn)行軸承絕緣電阻測(cè)量、游隙檢測(cè)以及電機(jī)空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)合格，證明電機(jī)免解體更換軸承工藝的可行性。

圖9 軸承壓裝示意圖

圖10 電機(jī)免解體更換軸承工藝驗(yàn)證過(guò)程

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析一種帶有軸承套的牽引電機(jī)軸承裝配結(jié)構(gòu)配置，提出了一種電機(jī)免解體更換軸承的工藝方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證確認(rèn)工藝方案的可行性。該免解體更換軸承的工藝方案簡(jiǎn)單實(shí)用，大幅提高了電機(jī)更換軸承效率，降低了檢修成本，可為同類型結(jié)構(gòu)的牽引電機(jī)更換軸承提供參考。