2.0MW風力發電機組主軸承熱裝分析及主軸選配工藝操作控制改進

摘 要：風力發電機組主傳動系統的功能是將風力機的動力傳遞給發電機再由發電系統把機械能變成電能，并輸送給電網。主傳動裝置主要由主軸、主軸承、齒輪箱、聯軸器等部件組成。是風力發電機組的動力傳遞中心，其裝配質量的好壞將直接影響整臺機組的正常運行。而風機連續正常運行，要求主軸承及齒輪箱使用壽命至少25年以上（300000h），所以對主軸承裝配質量及主軸與齒輪箱體裝配質量操作工藝控制提出了更高要求。在此我們通過兩個質量事故案例，提出對主軸承熱裝及主軸與齒箱裝配工藝操作控制補充、改進，收到了良好工效。

關鍵詞：主軸承;主軸;齒輪箱;裝配質量;工藝要求;改進

1事例一：主軸承熱裝問題工藝操作控制改進

1.1問題提出

2019年8月31日，國華項目一臺風機主軸軸承（SKF編號ZG00068#，型號為240/750ECA/W33RE10.）熱套主軸（DF-10-10，編號：2909168-1）時出現了裝配未到位即卡死現象。這種現象一旦發生，需要大型專業拆裝廠對主軸和軸承進行分解，給企業造成直接經濟損失5萬以上。為防止此現象的再次發生，我們分析了主軸承裝配未到位產生的原因并對主軸承熱裝操作工藝控制進行了補充與改進。

1.2主軸軸承裝配示意圖（1-主軸;2-主軸承;）

1.3原因分析

1.3.1主軸承裝配工作環境

（1）主軸與主軸軸承配合按技術要求采用P6/r6屬過盈配合，故工藝上采用熱裝法;

（2）加熱設備為電感應加熱器，型號為IMD-100，規格為100KW，380V.加熱時間、溫度由微電腦控制;

1.3.2主軸承加熱工藝操作要求

（1）主軸承加熱溫度為120℃;沒有保溫要求。

（2）主軸承起吊后水平套入主軸;主軸承套入是否到位沒有測量手段;

1.3.3主軸承熱裝間隙不足，是軸承熱套不到位出現卡死的主要原因;而導致熱裝間隙不足的原因一是加熱溫度不到120℃，另一個原因是加熱到指定溫度后沒有保溫時間，軸承未熱透。三是軸承加熱后內圈直徑達到多少才可套軸沒有明確。

1.3.4用魚刺圖分析主軸承裝配不到位的各種因素（見附圖一）.

從因果分析圖中可以看出，主軸承裝配未到位的直接原因是軸承與主軸間熱裝間隙不足所致。而加熱設備出現故障，溫度、時間顯示錯誤，也是其中原因之一。因此主軸承熱裝時，必須保證主軸承與主軸間熱裝間隙達到軸承可以套入的理論經驗值，否則熱裝工藝控制操作無法進行。為此我們從理論上找依據，從實踐上找經驗，對主軸承熱裝工藝進行修改、補充、完善：

（1）主軸承熱裝分析

利用物體受熱后膨脹的原理，采用各種手段使零件或部件加熱到一定的溫度，然后再進行裝配的方法稱為熱裝。熱裝是過盈配合零部件裝配的重要方法之一，對于裝配鉗工，掌握這種裝配方法非常重要。

采用熱裝法裝配，首先要知道配合件的熱裝間隙。

1）理論計算主軸與軸承配合最大過盈值

2.0MW風力發電機組主軸承與主軸間配合要求為屬過盈配合。根據主軸加工公差;主軸承內圈孔加工公差; 其配合的最大過盈量為0.235-0.088=0.147mm.

2）熱裝間隙理論計算經驗公式：式中：

T-加熱溫度，℃;α-加熱件的線脹系數;

Δ1-配合的最大過盈，mm;Δ2-熱裝時的間隙量，mm;

d-配合直徑，mm;室溫（一般取20℃），℃;

常用金屬材料的線脹系數：鋼、鑄鋼—0.000011;

從目前工藝操作上對主軸承加熱到120℃進行熱套，理論上計算此時熱裝間隙應為：

Δ1=（T-t）×dα-Δ1

=（120-20）×750×0.000011-0.147

=0.825-0.147=0.678mm;

考慮到夏季室溫高于20℃，計算Δ2=0.66-0.147=0.513mm;綜合以上因素軸承熱裝間隙取0.50～0.60mm值，軸承熱套可順利進行。

（2）其次要知道熱裝方法

電感應加熱法有微電腦程序控制，能夠自動控制工件加熱溫度和保溫時間，適合大工件軸承加熱。缺點是一但計算機控制系統出現故障，會出現加熱工件溫度和保溫時間不足問題，導致熱裝失敗。

軸承內圈孔的熱脹量達到后，要立刻進行熱裝，動作要快而準確，一次裝到位，中途不得停留，一旦發生故障不允許強行裝入，要立即取下，排除故障后重新加熱，再次熱裝。

（3）對原熱裝工藝操作修改、補充、改進

1）增加主軸承保溫時間20分鐘.目的是使保溫工件熱透、熱勻;保證熱裝正常進行。

2）增加熱裝間隙測量手段，用標準量棒檢查加熱后軸承內圈尺寸達到理論熱裝可裝間隙值要求;

3）增加主軸承熱套到位檢查，用標準鋼直尺檢查主軸軸向位置是否到位;

（4）主軸軸承熱裝前、后工藝操作質量控制改進對比示意圖：

1.4結論

本次發生的主軸承未熱套到位的最終原因是：軸承加熱到規定溫度后，工人師傅沒有檢查軸承內圈是否達到理論要求的熱裝間隙的測量手段，而只是看感應加熱器上的溫度顯示。恰巧此時該設備微電腦顯示出現故障顯示錯誤，導致工件實際未達熱裝間隙要求即套入主軸，出現卡死現象。

通過以上分析和熱裝工藝操作改進、補充后，在后續軸承熱套過程中（共計400多根主軸承熱套），熱裝質量得到有效控制，至今未發生一起熱套失敗現象，收到了良好的工效。

2事例二：主軸與齒輪箱選配工藝操作質量控制改進

在風力發電機組生產過程中，主軸（軸頭尺寸）與齒輪箱行星架（空心軸）孔尺寸配合時，需要選配。因為主軸、行星架機加時存有加工偏差，進廠時有大有小，所以為保證其配合成功，工藝上要求裝配前復核主軸、行星架加工尺寸，并做好主軸與齒箱的選配工作.

主軸與齒輪箱行星架（空心軸孔）裝配示意圖：

2.1問題描述：

2018年8月12日，中廣核/馬郎坡項目810005456#驅動鏈主軸（常州東方）與齒箱（南高齒）空心軸裝配時，發生主軸卡死現象.此時主軸距離齒箱空心軸安裝到位尺寸差12.00mm.隨后班組立即組織人力，質保、技術人員到場，做好退出主軸準備工作.

2.2問題詳述：

2018年8月12日，中廣核/馬郎坡項目810005456#驅動鏈主軸DF-13-10（常州東方）與南高齒齒箱1025#空心軸裝配時，發生主軸卡死現象，現場測量此時主軸距離齒箱到位尺寸12.00mm.車間環境溫度為37℃。主軸與齒箱空心軸要求配合尺寸為? ， .

事發后，質保員立即聯系生產商常州東方、南高齒兩家企業質檢人員前來對該批次未裝配件進行了復檢。結果檢出南高齒齒箱1025#空心軸φ620孔，存在φ620+0.02與φ620+0.01加工偏差。主軸DF-13-11檢出φ620-0.01mm，φ630-0.02分別與主軸圖紙要求最低-0.03mm相差0.02和0.01mm。而南高齒廠內徑千分尺與我公司內徑千分尺比較誤差0.015mm，常州東方廠外徑千分尺與我公司外徑千分尺比較誤差0.03mm。

按照東方、南高齒各自檢尺，都說自己產品屬合格品，而事實主軸與齒箱空心軸裝配出現卡死現象。

2018 年8月20日，在車間班組、質保、工藝人員共同參與下，加上轉運班組的配合，采用12只10噸液壓千斤頂，經不懈努力，將主軸從齒箱中退出。并對主軸測量φ620-0.02mm，φ630-0.015mm。齒箱空心軸φ620+0.01mm，φ630+0.01mm.

2.3判定根本原因：

（1）主軸軸頭與齒箱空心軸配合間隙過小（0.025～0.03mm之間）

根據積累經驗主軸與齒箱配合間隙一般控制在0.04～0.05mm之間，方可實施裝配。但由于我公司與加工單位測量工具之間本身存在精度誤差，量具之間測量誤差在0.015～0.03mm之間。所以主軸與齒箱配合間隙選配范圍一旦太小，就非常容易發生裝配間隙過小導致主軸卡死問題。

（2）主軸與齒箱裝配時，主軸與空心軸尺寸間隙難調整

目前車間主軸裝配起吊依賴行車調整高低，由于行車無微調裝置，在主軸裝配上、下調整間隙時，忽高忽低，高低很難控制，易使主軸軸頭傾斜過大，將空心軸裝配面啃出溝痕，導致主軸穿入時，發生卡死現象。

另外主軸裝配時，采用手動葫蘆人工在主軸左、右用力拉主軸，主軸左右受力不均，也易造成半卡死現象。

（3）環境溫度發生變化，主軸溫升過高，軸徑尺寸發生微變化

按照常規：車間班組上午8：30清洗主軸后，由質保員測量主軸軸頭直徑。此時環境溫度33℃。等到主軸與齒箱裝配時，是中午11：30，當時車間環境溫度37℃。該主軸軸徑隨著溫度升起已發生微變化。高溫天氣尤其要注意此問題。

（4）用魚刺圖來分析原因：見附圖二.

2.4應對措施（改進方法）：

（1）提高檢測手段，減少測量誤差

齒箱空心軸內徑測量由原內徑千分尺（兩點接觸測量面測量誤差相對大）改為內徑百分表（三點接觸測量面測量誤差相對小）。

計量主軸、空心軸尺寸檢測標準以我公司為準，主要控制好裝配間隙。

（2）行車起吊增加微調裝置，或改行車調整主軸高低改用手動葫蘆調整高低

由于車間75T行車沒有微調控制系統，給主軸裝配上、下調整間隙造成很大困難，嚴重影響裝配質量。

因此增加改進內容有以下兩點：①增加行車微調裝置。（此改造成本大，實現難度高。）②采用兩只手動葫蘆分別為25T和50T等級調整主軸裝配間隙高低。（此方法成本低，見效快，容易實現。）

（3）主軸、齒箱到公司后，疏理資料，提前做好（預）選配工作

通過主軸、齒箱進廠時收集的資料（主要是尺寸檢驗記錄表上的檢驗記錄），對主軸、齒箱進行初步選配，做到心中有數。

（4）實際測量校驗主軸、齒箱空心軸尺寸，控制好裝配間隙（目前車間由于用行車調整主軸上下間隙，對中性不是很好，所以盡量將此間隙最小控制在0.05mm），并注意環境溫度的變化。

（5）主軸與齒箱進廠選配法改進前、改進后比較對比示意圖：

2.5總結：

（1）主軸進廠檢測軸頭尺寸與檢測齒輪箱空心軸尺寸統一用本廠內徑千分尺和外徑千分尺，以此為準。選配時保證主軸與空心軸裝配總間隙最小值為0.05mm，不與供應商測量尺寸作比較。

（2）注意環境溫度對裝配質量的影響。

（3）改進、補充、完善技術檢測方法，提高主軸選配水平。

（4）采用上述改進方法后，主軸裝配未發生一起失敗情況。

3 結束語

通過上述兩事例的總結分析，說明工藝操作質量控制，只有在生產實踐過程中，不斷改進、補充、完善和規范，才能達到工藝操作質量控制的有效目的。

參考文獻：

[1]《機械零件設計手冊》化學工業出版社，2001年6月出版;

[2]蘇紹禹，《風力發電機設計與維護》，北京，中國電力出版社，2003;

[3]solidworks工程圖，詹維迪主編，北京，機械工業出版2010.11;

[4]秦彥斌，陸品主編《機械設計（第七版）導教》，西安，西北工業大學出版社，2005.2;

[5]劉鴻文，《材料力學》（第四版），高等教育出版社，2004.1;

[6]《公差配合與技術測量基礎》（第二版），中國勞動社會保障出版社。2000年6月第2版.

作者簡介：

楊化根（1966-）男，漢族，江蘇東臺人， 單位：上海電氣風電設備（東臺）有限公司，工程師 ，學士學位，研究方向：風力發電機組熱裝工藝控制。

（上海電氣風電設備（東臺）有限公司 質量部，江蘇 東臺 224200）