风力发电机主轴轴承感应加热装配工艺

王洪波，任俊祺，李长春，徐帆，周意普

(南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001)

主传动链是风机将风能转化为电能的主要部件，主轴轴承是主传动链的关键部件，因此，主轴轴承的性能将直接影响风机发电效率及维护成本。在轴承各种失效形式中，因轴承安装工艺或使用工具不当而导致轴承过早损坏的比例约为16%。因此，采用合理的装配工艺对保证轴承寿命和可靠性很有必要。

通常，为保证轴承能够传递足够的转矩，主轴轴承与主轴采用过盈配合连接。因此，主轴轴承组装多采用热装法，即利用热胀冷缩原理加热轴承，使其内圈胀大，实现准确装配。热装法要求：(1)清洗轴承及与其相配合的零件表面，保证无油污等杂质；(2)加热轴承至要求温度值；(3)水平吊装轴承套放到轴颈上，要求轴承内圈与轴套端面无间隙贴合。

下文以调心滚子轴承的感应加热为例，介绍轴承热装工艺中温度设定、加热器选型、轴承预紧等技术要点，为实现风机主轴轴承的可靠装配提供技术支持。

1 轴承加热温度设定

1.1 内圈温度

轴承内圈加热膨胀后，内圈与轴颈的配合由紧配合转变为松配合，实现轴承快速装配。一般轴承装配间隙≥0.5 mm即可实现松配合装配，即

(1)

(2)

将膨胀量与温升的关系δ=ΔT内ad[1]代入(1)式和(2)式，可得

(3)

式中：ΔT内为满足装配要求的轴承内圈温升，℃；a为轴承钢的线膨胀系数，12.5×10-6(1/℃)；d为轴承内径，mm。

内圈加热时，为防止发生回火效应产生组织变化，影响轴承使用寿命，必须严格控制内圈温度不得超过120 ℃[2]。因此，内圈加热目标温度为

T=ΔT内+T0≤120(℃)，

(4)

式中：T0为环境温度，℃。

可得，

(5)

因此，在室温条件下，240/800ECA/W33热装配时，内圈加热温度至少为83.8 ℃。

1.2 内、外圈温差限制

轴承加热时因加热设备、内外圈散热量不同等因素，内、外圈温度在加热过程中并不相同，即内、外圈存在温差，造成内、外圈膨胀量的差异，轴承径向游隙随之发生变化。但轴承理论游隙是有限的，一旦出现温差引起轴承有效游隙变小，甚至为零，将使滚子挤压内、外滚道，影响轴承使用寿命。因此，在对轴承加热时，需控制其内、外圈温差，保证径向游隙的变化量应小于最小理论游隙，即[3]

(6)

式中：D为轴承外径，mm；Δt′为轴承内、外圈温差，℃；Grmin为轴承理论径向游隙最小值，mm；δt为因轴承内、外圈温差引起的径向游隙变化量，mm。

由(6)式可知，轴承加热时，应限制轴承内、外圈温差为

(7)

以调心滚子轴承240/800ECA/W33为例，径向游隙见表1[2]。取径向游隙为常用组C0，即Grmin=390 μm，代入(7)式，可得

表1 轴承游隙表

由此可得，调心滚子轴承240/800ECA/W33游隙为C0组时，加热时内、外圈温差应不大于32 ℃，即可保证轴承加热时不会造成内、外滚道与滚子发生挤压。

2 轴承加热器选型

轴承加热方法有多种，如油浴加热、火焰加热、电烤箱加热、电磁感应加热等。其中电磁感应加热器是一种新型轴承加热设备，其利用电磁感应原理，将被加热工件(轴承等金属零件)设为线圈的次级，当通电后被加热工件在感应电流作用下，形成很高的低压感应电流，由里及表产生热膨胀，满足了过盈装配的需要，成为轴承加热设备的首选[4]。但感应加热器设计主要以加热轴承内径为目的，因此，要满足轴承温差控制的要求，就需要综合考虑其结构尺寸及加热功率。

2.1 加热杆选型

感应加热器通常由主机、控制面板、轭铁、带磁性的温度传感器和电源组成。目前市场上主流的2种加热器结构如图1所示。2种加热器均利用交变磁场对轴承进行涡流加热。在功能上，2种加热器均具备时间控制、温度控制、退磁等功能。在结构上， a型加热器利用线圈产生的磁场，通过轭铁传导磁通量，对轴承涡流加热；而b型加热器利用线圈产生的磁场直接对轴承进行涡流加热，效率更高。

图1 轴承感应加热器结构

根据轴承涡流感应加热原理，涡流产生的能量为

P=Kf2BmV，

(8)

由(8)式可知，在轴承材质、外形一定的情况下，轴承内、外圈温升主要与Bm相关，即轴承内、外圈所获得的涡流热量与轴承内径面或外径面到加热杆(轭铁或线圈)的距离成反比，得到

(9)

式中：P为轴承加热所需热量；r0为轴承内、外圈与加热杆的距离。

如图2所示，采用截面为L×L的加热杆，忽略形状等因素，轴承内、外圈获得的能量比约为

图2 加热杆位置图

(10)

式中：D1为轴承外圈内径，mm。

根据能量转化公式

Q=CmΔT，

(11)

式中：C为比热容，J/(kg·℃)；m为质量，kg；ΔT为温升，℃。

由于轴承内、外圈均为轴承钢，比热容相同，则内、外圈温升比近似为

(12)

根据1.2节分析，内、外圈温差值应限制在Δt′范围内，因此

(13)

推导得出，

(14)

仍以轴承240/800ECA/W33为例，由1.1节、1.2节计算轴承内圈加热到83.8 ℃，内、外圈温差控制在32 ℃，其质量近似相等，代入(13)和(14)式，计算得

即内、外圈温差比小于2，加热杆直径小于574 mm，可满足其加热时温差控制要求。

分别采用a型加热器(加热杆尺寸为Φ100 mm×800 mm)和b型加热器(加热杆尺寸为Φ720 mm×650 mm)加热轴承240/800ECA/W33为例，内、外圈温升比近似为

ΔTa内=1.3ΔTa外<2；

ΔTb内=3.8ΔTb外>2。

由计算可知，采用b型加热器无法满足温差控制要求。

加热杆结构尺寸大小对轴承内、外圈加热温度有着显著的影响，为避免加热时内、外圈温升比过大而造成内、外圈温差超限，在选择加热杆时可参照(13)和(14)式进行理论计算选型，并辅助加热试验，以有效控制轴承加热器对内、外圈温差的影响。另外，环境温度不易控制，其对内、外圈加热过程也产生一定影响，会造成试验结果与理论计算的差异。

2.2 加热器功率的确定

轴承加热过程中遵循能量守恒定理，轴承温升所需的热量与加热器输出功率相平衡。根据Q=ηPt可知，加热器功率P越大，所需时间t就越短。目前，风机主轴轴承一般加热时间约为1 h。以轴承240/800ECA/W33加热为例，确定轴承加热器功率。

轴承由室温加热到设定温度(100 ℃)时，需要的热量为

Q=CmΔT=475×1 200×80=4.56×104(kJ)，

式中：轴承钢100 ℃时的比热容为475 J/(kg·℃)；轴承质量约为1 200 kg。

因此，如选用加热器功率为40 kW，工作频率为50 Hz，所需加热时间为

式中：η为工频感应加热功率因数，取为0.35。

由上述计算可知，选择40 kW的加热器能够满足轴承240/800ECA/W33的加热时间要求。

3 轴向间隙控制方法

轴承完成加热后，可轻松套放在轴颈上，但在冷却过程中，轴承内圈沿宽度方向收缩将会使轴承与轴套端面出现间隙，因此，冷却过程中应采用合理的工艺方法控制轴向间隙，确保轴承内圈端面与轴肩紧密贴合，最大间隙不大于0.1 mm[5]。

目前，风机主轴轴承轴向定位多采用锁紧螺母，轴承热装后采用锁紧螺母直接预紧，如图3所示。此方法需要特制一把仿形扳手卡住锁紧螺母，利用冲击力撞击扳手，带动螺母旋转，依靠直接拧紧锁紧螺母产生的轴向力压紧轴承，随着轴承不断冷却至室温，多次冲击扳手，实现轴承无间隙贴合，使用塞尺测量轴承内圈端面与轴肩间隙值不大于0.1 mm即可。完成紧固后，将扳手拆除，完成后续装配工作。

图3 轴承预紧示意图

4 结束语

风机主轴轴承热装配工艺将对轴承寿命和可靠性产生影响。文中以调心滚子轴承240/800 ECA/W33为例，依据材料线膨胀及轴承配合公差，得出轴承内圈加热的合理温度；通过经验公式计算得出了轴承在加热时的内、外圈温差控制要求；同时，通过理论计算与加热试验验证，阐述了在轴承感应加热器选型时，应限制加热杆尺寸及功率，以控制轴承温差及加热时间。另外，在轴承装配中，为减小轴承冷却时收缩产生的轴向间隙，采用锁紧螺母直接预紧，有效地限制了轴承冷却收缩间隙。