應用有限元技術優化羅茨風機軸承拆卸工具

趙明甡，楊志業，王 超

（三門核電有限公司維修處，浙江臺州 317100）

0 引言

羅茨風機作為鼓風機的一種，排氣壓力不高，排風風壓與風機轉速無關，隨著風機轉速的提高風量提高。羅茨風機各葉輪始終由同步齒輪保持正確的相位，運行過程中轉子不會接觸，因不需要內部潤滑，所以可以高速化。此外，羅茨風機結構簡單，運轉平穩，性能穩定。因此，三葉臥式羅茨風機應用在三門核電多個系統（共計11臺），主要用于廢水池曝氣。羅茨風機工作原理見圖1。

圖1 羅茨風機工作原理

由于羅茨風機主要用于廢水池曝氣，多安裝于室外，沿海地區海風鹽分高，設備工作環境惡劣。羅茨風機如故障嚴重，需要解體檢修，檢修關鍵點在于葉輪軸承的拆卸與安裝。由于羅茨風機各葉輪始終由同步齒輪保持正確的相位，不會出現相互碰觸的現象，解體檢修過程中需要保證2個葉輪之間間隙、葉輪端面與殼體內壁間隙等滿足要求，這2個間隙的大小與軸承安裝有直接關系。檢修過程中軸承一般采用冷裝，即借助外力強行將軸承裝到位。由于該設備結構特點，軸承外圈完全陷在軸承座內，無法利用拉馬等工具拆卸軸承。將羅茨風機軸承完整、安全地拆卸下是檢修的難點。

1 軸承拆卸方法

軸承的拆卸是機械維修的重要內容。由于軸承與軸的配合較緊（過盈配合），需要較大的力才能拆卸下來。拆卸方法不當，容易造成軸承及相關零件的損壞。軸承常用拆卸方法有5種。

（1）敲擊法。是一種最簡單、最常見的軸承拆卸方法。借助錘擊的力量使相互配合的零件產生位移而相互脫離，實現拆卸。采用敲擊法拆卸軸承時，敲擊力不應施加在軸承的滾動體和保持架上，一般應施加在軸承內圈，這種拆卸方法簡單易行，但常會損壞零件，甚至達不到拆卸的目的。

（2）拉出法。利用2爪或3爪拉馬等工具拆卸軸承，采用拉出法軸承受力均勻，拆卸力的大小和方向容易控制，適用于軸承與軸配合過盈量較大的情況。這種方法損壞零部件的概率較小。

（3）推壓法。利用壓力機將軸承推出，優點是工作可靠，對機器和軸承的損傷小。拆卸時壓力機的著力點應保持在軸的中心，墊塊抵住軸承內圈。

（4）熱拆法。用熱拆法拆卸軸承時，首先應將拉具安裝在準備拆卸的軸承上，并提供一定的預拉力。用高溫機油（100℃左右）反復淋澆在軸承上，軸承圈受熱膨脹后改變與軸的配合過盈量。如需拆卸軸承較少或沒有大量機油，可以采用噴槍烘烤的方式，但要注意軸承加熱時溫度不能太高且火焰不能對著軸，防止軸受熱后材料組織結構變化。

（5）液壓法。適用于尺寸較大且配合很緊的軸承，使用液壓拆卸時軸上應有預制孔。液壓拆卸工具主要有液壓泵、液壓管、壓力表及接頭等，并需要配合拉馬使用。操作時壓力應緩慢升高，聽到軸承與軸分離的聲音后，使用拉馬等工具拆卸。如在打壓過程中壓力已升的很高，但始終沒有分離，應首先泄壓，避免壓力過高出現設備損壞、人員受傷等情況。

2 解決方案

2.1 工具要求

羅茨風機檢修難點是將軸承完整、安全地拆除。由于風機鑄鐵軸承端蓋為整體式，且軸承在箱體內涵較深，無法使用拉馬等工具，只能采用敲擊法等拆卸方法，但敲擊的沖擊力會造成軸承端蓋產生裂紋的風險。由于軸承安裝涵較深，無法使用“拉”的辦法拆卸，只能采取“壓”的辦法。對此拆卸工具應具備5點要求：①采取手動推壓法拆卸；②拆卸工具最好可以將2個軸承同步拆卸；③工具有足夠的強度；④體積、重量需方便攜帶；⑤拆卸工具對鑄造軸承蓋不能有損傷。

2.2 工具建模

測量設計工具所需的尺寸后，利用繪圖軟件對軸承拆卸工具初步建模。軸承拆卸工具為滿足工具設計要求，制作2個相同且可以互換使用的拆卸工具。每個拆卸工具包括1個壓板、4根拉桿（M8）、1根頂桿（M16）及若干螺母。工作時將4根拉桿旋入軸承座上的4個螺紋孔內，利用定位螺栓調整壓板位置，使2個軸承拆卸互不干涉。頂桿頭部螺母與頂桿焊死，頂桿與葉輪軸接觸面加銅墊，避免旋進頂桿時壓傷葉輪軸端部。利用扳手旋進頂桿時，利用頂桿壓力將葉輪軸和軸承一起從軸承座內拆下。

2.3 工具受力分析與優化

使用該工具時首先要驗證頂桿和拉桿能否承擔軸承與軸承座之間過盈配合的摩擦力。非驅動端軸承型號為5207，屬于角接觸軸承，內徑35 mm，外徑72 mm，寬度27 mm，外圈與軸承座為過渡配合（計算時忽略）。

從軸上拆卸軸承所需摩擦力計算方法見式（1）。

式中F——壓入力，N

Pf——結合面承受最大的壓力，N/mm2

df——結合直徑，mm

Lf——結合長度，mm

μ——結合表面摩擦因數

其中結合面承受最大壓力Pf的計算見式（2）～式（4）。

式中δmax——最大過盈量，mm

Ea，Ei——包容體和背包容體的材料彈性模量

Ca，Ci——系數

da，di——分別為包容件外徑和被包容件內徑（實心軸 di=0），mm

v——泊松比

查找相關手冊，對式（1）～式（4）中部分數值進行約定。由于軸與軸承都是鋼材，取摩擦因數μ=0.16，彈性模量Ea=Ei=235 kN/mm2，泊松比 v=0.3，df=35 mm，da=72 mm，di=0 mm。軸與軸承配合屬于基孔配合H7/k6，δmax=0.033 mm。將這些數值帶入式（3）、（4）、（2）中，得出 Pf=1.21 N/mm2。帶入式（1）中得出：F=574.33 N。為方便計算，F≈600 N。一般壓力值為計算值的（3～3.5）倍，即F的實際值可能達到2000 N。

在2000 N作用下，分析工具受力及位移情況（圖2）。通過受力和位移分析得出該拆卸工具可以滿足軸承拆卸要求。

3 使用效果及優化

3.1 使用效果

利用已經建模完成的圖紙加工軸承拆卸工具，通過實際使用驗證該工具主要優點：①拆卸平穩，省力，不容易傷到軸承及軸承座；②操作人員只需2人，且操作方便容易掌握；③快捷，效率高；④敲擊法作業風險小。缺點：①工具整體重量重，由于過分考慮壓板的承受力，壓板較厚且為一整塊，不方便攜帶；②調整壓板不方便，為使2個拆卸工具不干涉，調整時間較長；③拆卸用力較大，工作強度大。

3.2 優化

為減輕拆卸工具重量，方便攜帶。對拆卸工具優化，重新設計建模并作受力分析。優化后工具受力及位移分析見圖3。通過分析得出切除部分壓板材料對壓板受力影響很小，滿足功能的同時減輕工具重量，方便攜帶。圖4為羅茨風機軸承拆卸工具優化前后使用情況。

4 結語

利用有限元分析技術，可以在軸承拆卸工具加工制造前通過建模與受力分析驗證工具的可用性，優化設計、檢驗設計，在設計制造工作中達到事半功倍的效果。工具加工制造出來后，在實際工作中得到驗證，能安全、無損傷的將軸承拆下。

結構優化只是減輕了工具的重量，方便操作攜帶。后續的優化工作可以考慮將4跟拉桿加工出臺階，直接將壓板放在臺階上，便于調整。此外，可以考慮將螺紋頂桿改為液壓，或利用電動扳手或氣動扳手進行拆卸作業，但需要考慮扳手旋轉速度與力矩值。

圖2 等效應力及位移分析

圖3 優化后工具等效應力及位移分析

圖4 優化前后拆卸工具使用情況