3 MW風電主軸軸承淬火油槽設計

邵陽，馬忠超，姚艷書

(瓦房店軸承集團有限責任公司，遼寧 瓦房店 116300)

隨著我國風力發電產業的發展，風力發電機由1.5 MW發展到3 MW[1-2]，風電軸承的使用壽命一般要求為20年[1]，所以對軸承熱處理的要求非常高。3 MW風電主軸軸承采用G20Cr2Ni4A滲碳鋼制造，軸承質量3 t，外徑2.5 m，壁厚160 mm，硬度要求不小于60 HRC。由于軸承尺寸大，為防止套圈在二次淬火過程中變形，必須采用模具淬火。由于多種影響因素的作用，軸承熱處理后硬度在55 HRC左右，達不到技術要求，成為3 MW風電主軸軸承研制的瓶頸。

經過多次分析論證及試驗發現，套圈的材料、外形尺寸、壁厚以及模具因素都無法改變，唯一能改變的是冷卻過程，因此，以淬火冷卻裝置為突破口，研制出一種新型淬火油槽。

1 淬火油槽裝油量計算

以前滲碳鋼軸承一次淬火和二次淬火均采用同一淬火油槽，造成油槽裝油量大。在相同機械攪拌力作用下，裝油量越小，油的流動速度越快，越能提高冷卻速度。依照3 MW風電主軸軸承套圈的外形尺寸和質量，通過熱量傳導計算淬火油的質量，進而計算淬火油槽的體積。

1.1 淬火工件放熱量

淬火工件放熱量Q為[3]

Q=m(Cs1ts1-Cs2ts2)= 1 660 500 (kJ),

式中：m為淬火工件質量，包括模具、料架，最大約為3 000 kg；Cs1為工件由0℃加熱到850 ℃的平均比熱容，約0.71 kJ/(kg·℃)；Cs2為工件由0 ℃冷卻至100 ℃的平均比熱容，約0.50 kJ/(kg· ℃)；ts1，ts2分別為工件冷卻開始溫度(850 ℃)和終了溫度(100 ℃)。

1.2 淬火油需求量

依據淬火工件放熱量，計算得淬火油體積為[3]

V=Q/ρC0(t02-t01)=78.5(m3),

式中：ρ為淬火油密度，當油溫為30～40 ℃時，ρ=900 kg/m3，當油溫為80～90 ℃時，ρ=870 kg/m3，未查得油溫60～70 ℃時的密度，因此取已知數據的平均值得ρ=885 kg/m3；C0為淬火油平均比熱容，油溫20～100 ℃時，C0=1.88～2.09 kJ/(kg·℃)，取平均值為1.99 kJ/(kg· ℃)；t01，t02分別為淬火油開始溫度(58 ℃)和終了溫度(70 ℃)。

依據所需淬火油體積，設計淬火油槽結構如圖1所示。

圖1 淬火油槽結構示意圖

2 輔助油循環裝置

普通軸承的外形尺寸和壁厚較小，一般采用帶有單一頂插式或側插式攪拌器的淬火油槽即可滿足套圈的淬火要求。而對于3 MW風電主軸軸承，采用單一頂插式攪拌器的淬火油槽只能保證外滾道的硬度，無法保證內滾道的硬度；若采用單一側插式攪拌器的淬火油槽只能保證內滾道的硬度，而無法保證外滾道硬度。因此，通過流體力學及試驗等多方面的分析計算，設計了帶有頂插式和側插式組合攪拌器的淬火油槽，并加裝輔助油循環裝置，滿足了風電主軸軸承套圈的淬火要求。

整體插拔涌泉式底返油攪拌器由攪拌電動機、攪拌軸、三葉螺旋槳組成，攪拌電動機通過攪拌軸帶動三葉螺旋槳將油推進導流筒，經導流筒將油從底端向上噴出。安裝涌泉式攪拌器4臺，電動機功率7.5 kW，葉輪直徑450 mm，4只導油桶直徑均為500 mm，可變頻調速。提升了涌泉攪拌效果，能使淬火油在軸向形成快速環流，對提升工件內徑淬火硬度有明顯效果。

安裝側循環攪拌器4臺，整體插拔側循環攪拌器與整體插拔涌泉式底返油攪拌器結構基本相同，只是沒有導油桶。其能夠使淬火油徑向形成快速環流，對提升工件外徑淬火硬度有明顯效果。

頂插式和側插式組合攪拌器屬于整體插拔式，在不排油的情況下可整體維護、維修。

3 熱處理工藝試驗

3 MW風電主軸軸承外圈FL-3506/2000.21淬火工藝為：淬火加熱溫度820 ℃，總加熱時間6 h，工件淬火前涂防脫碳劑；工件入油淬火時油溫為58 ℃，淬火冷卻23 min，出油后油溫為70 ℃，工件出油溫度為90 ℃；工件冷卻至60 ℃后清洗，清洗液溫度為19 ℃，工件清洗后溫度為30 ℃。接著工件入回火爐進行回火。3 MW風電主軸軸承FL-3506/2000.21回火后硬度為60.5～61.0 HRC，達到JB/T 8881—2011標準要求。

4 結束語

傳統淬火油槽采用單一頂插式或側插式攪拌器的淬火油槽，無法保證3 MW風電主軸軸承淬火冷卻后的硬度，將兩者成功組合，設計出新型淬火油槽，已加工近百件3 MW風電主軸軸承，完全達到了技術要求。