某大型风电齿轮箱弹性销轴的过盈装配

张 皓

（广东明阳风电产业集团有限公司，广东 中山 528437）

1 问题的提出

某大型风力发电机组是广东明阳风电产业集团有限公司从国外引进技术许可而生产的一种超紧凑型风力发电机组，齿轮箱是发电机组的关键部件之一，它采用二级行星传动的结构形式，设计严谨，制造精度高，运行可靠。

一级行星架的最大直径为Φ2 242mm，最大厚度为166mm，属典型盘形法兰零件，上装5 个弹性销轴，采用无键联接的过盈配合，销轴直径为Φ250mm，结合长度为155mm，过盈量为0.30mm～0.36mm，其装配示意图见图1。这种小直径、大过盈量的结构特点给装配工艺造成了很大的困难，也成为齿轮箱装配和主要性能质量保证的一个关键工序。

图1 销轴装配示意图

2 确定工艺方案

2.1 联接原理

在机械装配中过盈联接占有重要地位，应用比较广泛。过盈联接是利用包容件（孔）和被包容件（轴）配合后的过盈值来达到紧固联接的。装配后，材料在弹性变形的作用下会对包容件和被包容件的配合面产生压力，工作时，依靠此压力产生的摩擦力传递力矩、轴向力或两者均有的复杂载荷。这种联接的结构简单，对中性好，承载能力强，能承受交变载荷和冲击力［1］。

2.2 工艺方案分析

对过盈联接的装配方法有静力压入法、动力压入法、温差装配法及液压装配法等几种。由于包容件大而刚性差，被包容件小而过盈量大，用常温压装困难很大，无法保证装配质量。本设计选择了温差装配工艺，即加热包容件或冷却被包容件来进行装配的方法。这时有3种方案可供我们选择：①把包容件加热至预定温度后进行装配；②把被包容件冷却至预定温度后进行装配；③同时加热包容件和冷却被包容件至预定温度后进行装配。

装配前应根据最大过盈量和被加热（冷冻）工件材料的线膨胀系数，计算出需要加热（冷冻）的温度，确定相应的装配工艺方案。

2.3 工艺参数的计算

（1）通常情况下从手册中选择热装最小间隙，由热装时的最小间隙表［2］（见表1）可知，结合直径为Φ250mm 的最小装配间隙约为0.10mm。考虑到依次装配5件弹性销轴所需的时间较长，包容件的温度会有所降低，所以我们把所需的最小装配间隙调整为0.20 mm。即对包容件加热使装配内孔尺寸膨胀0.50mm～0.56mm，或者对被包容件冷却使装配轴尺寸收缩0.50mm～0.56mm。

（2）根据参考文献［2］的计算公式，我们分别对包容件所需的加热温度和被包容件所需的冷却温度进行了计算。加热（冷却）温度计算公式为：

其中：t为零件所需的加热（冷却）温度，℃；t1为室温，20℃；Δ1为配合的最大过盈量，mm；Δ2为热装（冷装）时所需的最小间隙，mm；a为材料的线膨胀系数，加热时a＝11×10－6／℃，冷却时a＝－8.5×10－6／℃；d 为结合直径，mm。

将相关参数代入式（1），可计算出包容件所需的加热温度为：

t＝20＋（0.36＋0.20）／（11×10－6）×250≈220℃。

被包容件所需的冷却温度为：

t＝20＋（0.36＋0.20）／（－8.5×10－6）×250≈－240 ℃。

表1 热装时的最小间隙 mm

2.4 物理条件分析

作为包容件的一级行星架，材质为42CrMo，调质处理，重量3 310kg，加工精度等级为6级。做为被包容件的弹性销轴，材质42CrMo，调质处理，单件重量300kg，加工精度等级为6级。

热装时对零件的加热温度应低于此零件材质低温回火的温度。如果采用方案（1），最高加热温度不但已进入了42CrMo的低温回火区（160℃～250℃），而且接近了第一类回火脆性（250 ℃～400 ℃）的温度范围，这样对零件的机械性能会造成一定的影响；把盘形零件（此种结构的零件刚性较差）加热至220℃也会产生一定的变形，对于这种高精度的零件来说是不允许的。所以方案（1）不能满足要求。

冷装时冷冻剂的温度必须低于被包容件所需的冷冻温度（－240 ℃）。液氮的最低冷冻温度为－195℃，液氧为－180 ℃，干冰为－78 ℃，显然这几种常用的冷冻剂均不能满足方案（2）的要求。

综上所述，只有方案（3）有一定的可行性，即同时加热包容件和冷却被包容件至预定温度后进行装配。我公司现有一台低温冷冻箱，冷冻介质为98%无水乙醇，最低冷冻温度为－85 ℃。另外还有一台柔性线圈低频感应加热器，最高加热温度为150℃。用加热（冷却）温度计算公式计算，装配轴在冷冻至－85 ℃时尺寸收缩量为0.22mm，装配内孔在加热至150 ℃时尺寸膨胀量为0.36mm，这样就产生了0.58mm 的装配间隙，理论上满足了所需的装配要求，所以我们选择方案（3）进行装配。

3 加热和冷冻试验

正式装配前必须通过试验来验证计算数据的可行性。

3.1 加热试验

我们所使用的柔性线圈低频感应加热器由控制柜、固定加热线圈（可同时加热5个装配内孔）和一定长度的加热电缆线组成。控制柜为感应线圈提供加热工件用的低频振荡电流，同时也提供精确的温度控制和时间控制。根据被加热零件的结构特点，我们将一部分加热电缆缠在一级行星架的外圆上，剩余部分以同心圆的形式盘放在端面上，这样通过其中的可变电流在感应圈中产生的高密度磁力线，切割感应圈里放置一级行星架，并在其中产生很大的涡流，达到对其进行整体加热的目的；固定加热线圈由柔性线圈硫化而成，将固定加热线圈插入到一级行星架的5个内孔中进行精确的局部加热。我们采用阶段升温、外圆与内孔交替加热的方法对一级行星架进行加热。从85 ℃开始，最高加热至150℃。经过多次试验，确定了一级行星架的加热工艺参数（见表2）。用内径千分尺对内孔直径进行多次测量，测得尺寸膨胀量为0.30mm～0.32mm，与计算值相符合。

表2 一级行星架加热工艺参数

3.2 冷冻试验

将弹性销轴放入低温冷冻箱内进行冷冻，冷冻温度为－85 ℃，时间24h。用外径千分尺对装配轴直径进行多次测量，尺寸收缩量为0.23mm～0.25mm，与计算值相符合。

由试验结果可知，同时加热包容件和冷冻被包容件的工艺方案是可行的。

4 装配过程

根据装配工艺进行操作，在依次装入5件弹性销轴后装配工作顺利结束。根据以往的装配经验，被包容件的重量远远小于包容件的重量时，在热装后的冷却过程中，包容件产生的弹性变形会对被包容件产生轴向“托举”力，造成轴向定位轴肩装配不到位。我们利用弹性销轴底部的M24吊装螺丝孔，用U 形工装、20t中空液压千斤顶和螺杆分别对5件弹性销轴沿轴向方向施加了一定的预紧力（见图2），待装配体的温度恢复到室温后取下，有效地克服了这一问题。经检测装配后的部件符合图纸的技术要求。

图2 轴向预紧工装

5 结语

大过盈量的装配是一项较复杂而又细致的工作，需要做大量的准备工作，要求技术人员精心计算，制订科学合理的装配工艺；现场装配工人认真负责，确保操作万无一失。通过这次装配使我们积累了一些宝贵的经验，为此后同型号齿轮箱的批量化装配奠定了良好的基础。

［1］ 张士斌，唐杰.机械装配中的过盈联接装配［J］.一重技术，2006（2）：23－24.

［2］ 机械标准化研究所.JB／T 5994－1992装配通用技术要求［S］.北京：机械科学研究院，1992：1－10.