一種免解體更換電機軸承工藝的研究

鄧先平，李琳浩，楊 鶯

(中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

在鐵路干線電力機車、工礦電力機車、電力傳動內燃機車和各種電動車輛上，常用牽引電機進行動力驅動[1]。牽引電機中軸承的檢修維護工作異常關鍵，在規定的時間或者公里數內必須進行檢測或者更換[2]。目前牽引電機在更換軸承時，大都需要對電機進行解體，將電機轉子從電機中拔出，之后再利用特定的裝置將軸承拔下，最后再通過工裝將新軸承重新安裝至轉軸上，并將轉子重新放入電機內，重新組裝電機[3]。整個更換軸承過程操作復雜，耗時較長，并且在解體與重新組裝電機的過程中，存在著人為操作失誤造成電機損傷的風險[4]。

因此，如何實現電機軸承的免解體更換，提高電機檢修效率，是本領域技術人員面臨的技術難題。本文針對某型帶有軸承套結構的牽引電機，通過分析該型電機軸承裝配的結構特點，提出一種免解體更換電機軸承的工藝方案，并通過現場拆裝軸承確認了方案的可行性，為其他同類型軸承結構的電機更換軸承提供了參考。

1 電機軸承配置結構

本文以某型帶有軸承套結構的牽引電機作為研究對象，該電機傳動端與小齒輪箱直接裝配為一體，以小齒輪箱作為電機傳動端支撐，非傳動端軸承配置結構如圖1所示，采用的是圓柱軸承，其中軸承內圈安裝在轉軸上，軸承外圈安裝在軸承套中，軸承套安裝在非傳動端端蓋中。

圖1 某型牽引電機非傳動端軸承配置結構

2 電機免解體更換軸承工藝的研究

2.1 制定電機免解體更換軸承工藝流程

通常情況下，針對圖1所示的軸承配置結構，更換軸承的工藝流程為：拆下傳感器蓋板及測速齒盤—拆下小齒輪箱—定轉子分離—拆下非傳動端端蓋—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—從轉軸上退出軸承內圈—重新安裝軸承內外圈—按反向順序組裝電機。

根據軸承配置結構，制定電機免解體更換軸承工藝流程：拆下傳感器蓋板及測速齒盤—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—從轉軸上退出軸承內圈—重新安裝軸承內外圈—按反向順序組裝電機，其中主要工藝流程如圖2所示。

圖2 電機免解體更換軸承工藝流程

2.2 工藝難點

通過分析電機軸承配置結構并結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主要是軸承套及軸承外圈退出后，采用何種方式支撐轉子重量；更換軸承過程中，如何保證轉子與端蓋軸承室同心。

2.3 電機免解體更換軸承關鍵工裝設計

2.3.1 轉子支撐工裝一設計

從圖2可以看出，在退出軸承套及軸承后，需要給轉子提供一個支撐力，確保轉子不產生下沉。針對這種情況，工裝設計思路為：通過在轉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子不產生下沉，如圖3所示。

圖3 轉子支撐工裝一

2.3.1.1 轉子支撐力計算

為了確認轉子所需支撐力大小，對轉子受力情況進行分析，轉換成受力模型圖，如圖4所示。

圖4 轉子受力模型圖

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

2.3.1.2 轉子支撐桿受力變形分析

查機械設計手冊[5]，上述轉子支撐桿屬于一種懸臂梁結構，計算轉子支撐桿末端變形撓度f為：

f=FL3/3EI

(1)

式中：F為受力載荷，單位N；L為桿件長度，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。

對轉子支持桿受力情況進行有限元分析(見圖5)，支撐桿末端最大變形量約5.2 mm(與計算結果相同)，不影響其支撐效果，能滿足使用要求。

圖5 轉子支撐桿受力分析

2.3.1.3 千斤頂顯示壓力計算

轉子支撐選用的是一個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，將轉子支撐起來的最小壓力為P=F1/S=394 bar，考慮到阻力影響，千斤頂實際支撐作業時采用400 bar的壓力。

2.3.2 轉子支撐工裝二設計

從圖2可以看出，要能實現軸承更換，在靠近端蓋位置還需要提供一個支撐力F2，確保支撐力F1撤去后，轉子仍不產生下沉，同時還需要保證轉子與端蓋軸承室同心。根據軸承裝配結構，設計一個定位套和定位支撐塊，其中定位套用螺栓固定在非傳動端端蓋上，定位支撐塊安裝在定位套與轉子支撐桿之間，通過支撐桿、定位支撐塊、定位套，最后將轉子支撐力傳遞至非傳動端端蓋上，如圖6所示。

圖6 轉子支撐工裝二

2.3.2.1 轉子支撐力計算

對轉子受力情況進行分析，轉換成受力模型圖，如圖7所示。

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

圖7 轉子受力模型圖

2.3.2.2 定位套與非傳動端端蓋受力計算

定位套通過6個M12×40內六角螺釘(8.8級)固定在非傳動端端蓋上，緊固力矩70 N·m。查機械設計手冊[5]，扭矩系數計算公式為：

K=T/(F×d)

(2)

式中：T為緊固扭矩，單位N·m；K為扭矩系數；d為螺栓公稱直徑，單位mm；F為螺栓預緊力，單位kN。其中T為70 N·m，K取值0.13，d為12 mm，代入公式(2)中可計算出螺栓預緊力F=44.87 kN。則6個內六角螺釘提供的擰緊力F合=6F=269.22 kN。計算定位套與非傳動端端蓋的摩擦力F摩=μF合，其中摩擦系數μ取0.3，則F摩=80.77 kN，遠大于支撐力F2，因此定位套安裝后不會因為支撐力F2而產生滑動，可保證更換軸承過程中轉子與端蓋軸承室同心。

2.3.3 軸承退出工裝設計

在解決轉子支撐問題后，根據產品及支撐工裝的結構，設計一種退軸承套的拉拔工裝(見圖8)。工裝主要由拉桿、拉板及固定螺母等組成，并借用轉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，另一端通過螺母固定在拉板上，千斤頂安裝在轉子支撐桿上。

圖8 軸承退出示意圖

通過千斤頂產生的頂升力，給拉板提供一個向外的推力，推力通過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。退軸承內圈時，可通過中頻感應加熱器對軸承內圈進行加熱退出。

2.3.4 軸承安裝工裝設計

在退出軸承套及軸承后，按照常規方法對軸承套中的軸承外圈換新。軸承內圈安裝時，采用熱套方式安裝至轉軸上。軸承套及軸承外圈安裝時，設計一種軸承套的壓裝工裝(見圖9)，工裝主要由壓板、墊套及圓螺母等組成，并借用轉子支撐工裝部分零件。其中壓板通過工藝螺栓固定在軸承套上，再安裝千斤頂、墊套、圓螺母。

通過千斤頂產生的頂升力，給壓板提供一個向內的推力，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端端蓋軸承室中。

3 電機免解體更換軸承工藝方案驗證

設計制作電機免解體更換軸承所需的工裝后，通過現場工藝驗證，順利完成電機免解體更換軸承作業(見圖10)。對更換軸承后的電機進行軸承絕緣電阻測量、游隙檢測以及電機空轉試驗，各項檢測數據合格，證明電機免解體更換軸承工藝的可行性。

圖9 軸承壓裝示意圖

圖10 電機免解體更換軸承工藝驗證過程

4 結語

本文通過分析一種帶有軸承套的牽引電機軸承裝配結構配置，提出了一種電機免解體更換軸承的工藝方案，并通過現場驗證確認工藝方案的可行性。該免解體更換軸承的工藝方案簡單實用，大幅提高了電機更換軸承效率，降低了檢修成本，可為同類型結構的牽引電機更換軸承提供參考。