風力發電機主軸軸承感應加熱裝配工藝

王洪波，任俊祺，李長春，徐帆，周意普

(南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001)

主傳動鏈是風機將風能轉化為電能的主要部件，主軸軸承是主傳動鏈的關鍵部件，因此，主軸軸承的性能將直接影響風機發電效率及維護成本。在軸承各種失效形式中，因軸承安裝工藝或使用工具不當而導致軸承過早損壞的比例約為16%。因此，采用合理的裝配工藝對保證軸承壽命和可靠性很有必要。

通常，為保證軸承能夠傳遞足夠的轉矩，主軸軸承與主軸采用過盈配合連接。因此，主軸軸承組裝多采用熱裝法，即利用熱脹冷縮原理加熱軸承，使其內圈脹大，實現準確裝配。熱裝法要求：(1)清洗軸承及與其相配合的零件表面，保證無油污等雜質；(2)加熱軸承至要求溫度值；(3)水平吊裝軸承套放到軸頸上，要求軸承內圈與軸套端面無間隙貼合。

下文以調心滾子軸承的感應加熱為例，介紹軸承熱裝工藝中溫度設定、加熱器選型、軸承預緊等技術要點，為實現風機主軸軸承的可靠裝配提供技術支持。

1 軸承加熱溫度設定

1.1 內圈溫度

軸承內圈加熱膨脹后，內圈與軸頸的配合由緊配合轉變為松配合，實現軸承快速裝配。一般軸承裝配間隙≥0.5 mm即可實現松配合裝配，即

(1)

(2)

將膨脹量與溫升的關系δ=ΔT內ad[1]代入(1)式和(2)式，可得

(3)

式中：ΔT內為滿足裝配要求的軸承內圈溫升，℃；a為軸承鋼的線膨脹系數，12.5×10-6(1/℃)；d為軸承內徑，mm。

內圈加熱時，為防止發生回火效應產生組織變化，影響軸承使用壽命，必須嚴格控制內圈溫度不得超過120 ℃[2]。因此，內圈加熱目標溫度為

T=ΔT內+T0≤120(℃)，

(4)

式中：T0為環境溫度，℃。

可得，

(5)

因此，在室溫條件下，240/800ECA/W33熱裝配時，內圈加熱溫度至少為83.8 ℃。

1.2 內、外圈溫差限制

軸承加熱時因加熱設備、內外圈散熱量不同等因素，內、外圈溫度在加熱過程中并不相同，即內、外圈存在溫差，造成內、外圈膨脹量的差異，軸承徑向游隙隨之發生變化。但軸承理論游隙是有限的，一旦出現溫差引起軸承有效游隙變小，甚至為零，將使滾子擠壓內、外滾道，影響軸承使用壽命。因此，在對軸承加熱時，需控制其內、外圈溫差，保證徑向游隙的變化量應小于最小理論游隙，即[3]

(6)

式中：D為軸承外徑，mm；Δt′為軸承內、外圈溫差，℃；Grmin為軸承理論徑向游隙最小值，mm；δt為因軸承內、外圈溫差引起的徑向游隙變化量，mm。

由(6)式可知，軸承加熱時，應限制軸承內、外圈溫差為

(7)

以調心滾子軸承240/800ECA/W33為例，徑向游隙見表1[2]。取徑向游隙為常用組C0，即Grmin=390 μm，代入(7)式，可得

表1 軸承游隙表

由此可得，調心滾子軸承240/800ECA/W33游隙為C0組時，加熱時內、外圈溫差應不大于32 ℃，即可保證軸承加熱時不會造成內、外滾道與滾子發生擠壓。

2 軸承加熱器選型

軸承加熱方法有多種，如油浴加熱、火焰加熱、電烤箱加熱、電磁感應加熱等。其中電磁感應加熱器是一種新型軸承加熱設備，其利用電磁感應原理，將被加熱工件(軸承等金屬零件)設為線圈的次級，當通電后被加熱工件在感應電流作用下，形成很高的低壓感應電流，由里及表產生熱膨脹，滿足了過盈裝配的需要，成為軸承加熱設備的首選[4]。但感應加熱器設計主要以加熱軸承內徑為目的，因此，要滿足軸承溫差控制的要求，就需要綜合考慮其結構尺寸及加熱功率。

2.1 加熱桿選型

感應加熱器通常由主機、控制面板、軛鐵、帶磁性的溫度傳感器和電源組成。目前市場上主流的2種加熱器結構如圖1所示。2種加熱器均利用交變磁場對軸承進行渦流加熱。在功能上，2種加熱器均具備時間控制、溫度控制、退磁等功能。在結構上， a型加熱器利用線圈產生的磁場，通過軛鐵傳導磁通量，對軸承渦流加熱；而b型加熱器利用線圈產生的磁場直接對軸承進行渦流加熱，效率更高。

圖1 軸承感應加熱器結構

根據軸承渦流感應加熱原理，渦流產生的能量為

P=Kf2BmV，

(8)

由(8)式可知，在軸承材質、外形一定的情況下，軸承內、外圈溫升主要與Bm相關，即軸承內、外圈所獲得的渦流熱量與軸承內徑面或外徑面到加熱桿(軛鐵或線圈)的距離成反比，得到

(9)

式中：P為軸承加熱所需熱量；r0為軸承內、外圈與加熱桿的距離。

如圖2所示，采用截面為L×L的加熱桿，忽略形狀等因素，軸承內、外圈獲得的能量比約為

圖2 加熱桿位置圖

(10)

式中：D1為軸承外圈內徑，mm。

根據能量轉化公式

Q=CmΔT，

(11)

式中：C為比熱容，J/(kg·℃)；m為質量，kg；ΔT為溫升，℃。

由于軸承內、外圈均為軸承鋼，比熱容相同，則內、外圈溫升比近似為

(12)

根據1.2節分析，內、外圈溫差值應限制在Δt′范圍內，因此

(13)

推導得出，

(14)

仍以軸承240/800ECA/W33為例，由1.1節、1.2節計算軸承內圈加熱到83.8 ℃，內、外圈溫差控制在32 ℃，其質量近似相等，代入(13)和(14)式，計算得

即內、外圈溫差比小于2，加熱桿直徑小于574 mm，可滿足其加熱時溫差控制要求。

分別采用a型加熱器(加熱桿尺寸為Φ100 mm×800 mm)和b型加熱器(加熱桿尺寸為Φ720 mm×650 mm)加熱軸承240/800ECA/W33為例，內、外圈溫升比近似為

ΔTa內=1.3ΔTa外<2；

ΔTb內=3.8ΔTb外>2。

由計算可知，采用b型加熱器無法滿足溫差控制要求。

加熱桿結構尺寸大小對軸承內、外圈加熱溫度有著顯著的影響，為避免加熱時內、外圈溫升比過大而造成內、外圈溫差超限，在選擇加熱桿時可參照(13)和(14)式進行理論計算選型，并輔助加熱試驗，以有效控制軸承加熱器對內、外圈溫差的影響。另外，環境溫度不易控制，其對內、外圈加熱過程也產生一定影響，會造成試驗結果與理論計算的差異。

2.2 加熱器功率的確定

軸承加熱過程中遵循能量守恒定理，軸承溫升所需的熱量與加熱器輸出功率相平衡。根據Q=ηPt可知，加熱器功率P越大，所需時間t就越短。目前，風機主軸軸承一般加熱時間約為1 h。以軸承240/800ECA/W33加熱為例，確定軸承加熱器功率。

軸承由室溫加熱到設定溫度(100 ℃)時，需要的熱量為

Q=CmΔT=475×1 200×80=4.56×104(kJ)，

式中：軸承鋼100 ℃時的比熱容為475 J/(kg·℃)；軸承質量約為1 200 kg。

因此，如選用加熱器功率為40 kW，工作頻率為50 Hz，所需加熱時間為

式中：η為工頻感應加熱功率因數，取為0.35。

由上述計算可知，選擇40 kW的加熱器能夠滿足軸承240/800ECA/W33的加熱時間要求。

3 軸向間隙控制方法

軸承完成加熱后，可輕松套放在軸頸上，但在冷卻過程中，軸承內圈沿寬度方向收縮將會使軸承與軸套端面出現間隙，因此，冷卻過程中應采用合理的工藝方法控制軸向間隙，確保軸承內圈端面與軸肩緊密貼合，最大間隙不大于0.1 mm[5]。

目前，風機主軸軸承軸向定位多采用鎖緊螺母，軸承熱裝后采用鎖緊螺母直接預緊，如圖3所示。此方法需要特制一把仿形扳手卡住鎖緊螺母，利用沖擊力撞擊扳手，帶動螺母旋轉，依靠直接擰緊鎖緊螺母產生的軸向力壓緊軸承，隨著軸承不斷冷卻至室溫，多次沖擊扳手，實現軸承無間隙貼合，使用塞尺測量軸承內圈端面與軸肩間隙值不大于0.1 mm即可。完成緊固后，將扳手拆除，完成后續裝配工作。

圖3 軸承預緊示意圖

4 結束語

風機主軸軸承熱裝配工藝將對軸承壽命和可靠性產生影響。文中以調心滾子軸承240/800 ECA/W33為例，依據材料線膨脹及軸承配合公差，得出軸承內圈加熱的合理溫度；通過經驗公式計算得出了軸承在加熱時的內、外圈溫差控制要求；同時，通過理論計算與加熱試驗驗證，闡述了在軸承感應加熱器選型時，應限制加熱桿尺寸及功率，以控制軸承溫差及加熱時間。另外，在軸承裝配中，為減小軸承冷卻時收縮產生的軸向間隙，采用鎖緊螺母直接預緊，有效地限制了軸承冷卻收縮間隙。