一种免解体更换电机轴承工艺的研究

邓先平，李琳浩，杨 莺

(中车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

在铁路干线电力机车、工矿电力机车、电力传动内燃机车和各种电动车辆上，常用牵引电机进行动力驱动[1]。牵引电机中轴承的检修维护工作异常关键，在规定的时间或者公里数内必须进行检测或者更换[2]。目前牵引电机在更换轴承时，大都需要对电机进行解体，将电机转子从电机中拔出，之后再利用特定的装置将轴承拔下，最后再通过工装将新轴承重新安装至转轴上，并将转子重新放入电机内，重新组装电机[3]。整个更换轴承过程操作复杂，耗时较长，并且在解体与重新组装电机的过程中，存在着人为操作失误造成电机损伤的风险[4]。

因此，如何实现电机轴承的免解体更换，提高电机检修效率，是本领域技术人员面临的技术难题。本文针对某型带有轴承套结构的牵引电机，通过分析该型电机轴承装配的结构特点，提出一种免解体更换电机轴承的工艺方案，并通过现场拆装轴承确认了方案的可行性，为其他同类型轴承结构的电机更换轴承提供了参考。

1 电机轴承配置结构

本文以某型带有轴承套结构的牵引电机作为研究对象，该电机传动端与小齿轮箱直接装配为一体，以小齿轮箱作为电机传动端支撑，非传动端轴承配置结构如图1所示，采用的是圆柱轴承，其中轴承内圈安装在转轴上，轴承外圈安装在轴承套中，轴承套安装在非传动端端盖中。

图1 某型牵引电机非传动端轴承配置结构

2 电机免解体更换轴承工艺的研究

2.1 制定电机免解体更换轴承工艺流程

通常情况下，针对图1所示的轴承配置结构，更换轴承的工艺流程为：拆下传感器盖板及测速齿盘—拆下小齿轮箱—定转子分离—拆下非传动端端盖—拆下轴承盖—退出轴承套及轴承外圈—从轴承套中退出轴承外圈—从转轴上退出轴承内圈—重新安装轴承内外圈—按反向顺序组装电机。

根据轴承配置结构，制定电机免解体更换轴承工艺流程：拆下传感器盖板及测速齿盘—拆下轴承盖—安装更换轴承辅助工装—退出轴承套及轴承外圈—从轴承套中退出轴承外圈—从转轴上退出轴承内圈—重新安装轴承内外圈—按反向顺序组装电机，其中主要工艺流程如图2所示。

图2 电机免解体更换轴承工艺流程

2.2 工艺难点

通过分析电机轴承配置结构并结合免解体更换轴承工艺流程，可知免解体更换轴承的工艺难点主要是轴承套及轴承外圈退出后，采用何种方式支撑转子重量；更换轴承过程中，如何保证转子与端盖轴承室同心。

2.3 电机免解体更换轴承关键工装设计

2.3.1 转子支撑工装一设计

从图2可以看出，在退出轴承套及轴承后，需要给转子提供一个支撑力，确保转子不产生下沉。针对这种情况，工装设计思路为：通过在转子中心孔安装支撑杆，并在支撑杆末端下方安放千斤顶，使用千斤顶提供顶升力，确保轴承套及轴承退出后转子不产生下沉，如图3所示。

图3 转子支撑工装一

2.3.1.1 转子支撑力计算

为了确认转子所需支撑力大小，对转子受力情况进行分析，转换成受力模型图，如图4所示。

图4 转子受力模型图

从图4可知，根据转子受力平衡，则有F1×(L1+L2)=G×L1。其中转子重650 kg，L1=465 mm，L2=715 mm，可求得支撑力F1=2 561.4 N。

2.3.1.2 转子支撑杆受力变形分析

查机械设计手册[5]，上述转子支撑杆属于一种悬臂梁结构，计算转子支撑杆末端变形挠度f为：

f=FL3/3EI

(1)

式中：F为受力载荷，单位N；L为杆件长度，单位mm；E为杆件弹性模量，单位MPa；I为杆件截面惯性矩，单位mm4；I=πd4/64，d为杆件直径，单位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。

对转子支持杆受力情况进行有限元分析(见图5)，支撑杆末端最大变形量约5.2 mm(与计算结果相同)，不影响其支撑效果，能满足使用要求。

图5 转子支撑杆受力分析

2.3.1.3 千斤顶显示压力计算

转子支撑选用的是一个5 t量程的千斤顶，其中千斤顶液压缸有效面积S为6.5 cm2，将转子支撑起来的最小压力为P=F1/S=394 bar，考虑到阻力影响，千斤顶实际支撑作业时采用400 bar的压力。

2.3.2 转子支撑工装二设计

从图2可以看出，要能实现轴承更换，在靠近端盖位置还需要提供一个支撑力F2，确保支撑力F1撤去后，转子仍不产生下沉，同时还需要保证转子与端盖轴承室同心。根据轴承装配结构，设计一个定位套和定位支撑块，其中定位套用螺栓固定在非传动端端盖上，定位支撑块安装在定位套与转子支撑杆之间，通过支撑杆、定位支撑块、定位套，最后将转子支撑力传递至非传动端端盖上，如图6所示。

图6 转子支撑工装二

2.3.2.1 转子支撑力计算

对转子受力情况进行分析，转换成受力模型图，如图7所示。

从图4可知，根据转子受力平衡，则有F2×(L1+L3)=G×L1。其中，转子重650 kg，L1=465 mm，L2=355 mm，可求得支撑力F2=4 197.9 N。

图7 转子受力模型图

2.3.2.2 定位套与非传动端端盖受力计算

定位套通过6个M12×40内六角螺钉(8.8级)固定在非传动端端盖上，紧固力矩70 N·m。查机械设计手册[5]，扭矩系数计算公式为：

K=T/(F×d)

(2)

式中：T为紧固扭矩，单位N·m；K为扭矩系数；d为螺栓公称直径，单位mm；F为螺栓预紧力，单位kN。其中T为70 N·m，K取值0.13，d为12 mm，代入公式(2)中可计算出螺栓预紧力F=44.87 kN。则6个内六角螺钉提供的拧紧力F合=6F=269.22 kN。计算定位套与非传动端端盖的摩擦力F摩=μF合，其中摩擦系数μ取0.3，则F摩=80.77 kN，远大于支撑力F2，因此定位套安装后不会因为支撑力F2而产生滑动，可保证更换轴承过程中转子与端盖轴承室同心。

2.3.3 轴承退出工装设计

在解决转子支撑问题后，根据产品及支撑工装的结构，设计一种退轴承套的拉拔工装(见图8)。工装主要由拉杆、拉板及固定螺母等组成，并借用转子支撑工装部分零件。其中拉杆一端安装在轴承套的工艺孔中，另一端通过螺母固定在拉板上，千斤顶安装在转子支撑杆上。

图8 轴承退出示意图

通过千斤顶产生的顶升力，给拉板提供一个向外的推力，推力通过拉杆传递至轴承套上，从而将轴承套连同轴承外圈一起退出。退轴承内圈时，可通过中频感应加热器对轴承内圈进行加热退出。

2.3.4 轴承安装工装设计

在退出轴承套及轴承后，按照常规方法对轴承套中的轴承外圈换新。轴承内圈安装时，采用热套方式安装至转轴上。轴承套及轴承外圈安装时，设计一种轴承套的压装工装(见图9)，工装主要由压板、垫套及圆螺母等组成，并借用转子支撑工装部分零件。其中压板通过工艺螺栓固定在轴承套上，再安装千斤顶、垫套、圆螺母。

通过千斤顶产生的顶升力，给压板提供一个向内的推力，传递至轴承套上，从而将轴承套连同轴承外圈一起压装至非传动端端盖轴承室中。

3 电机免解体更换轴承工艺方案验证

设计制作电机免解体更换轴承所需的工装后，通过现场工艺验证，顺利完成电机免解体更换轴承作业(见图10)。对更换轴承后的电机进行轴承绝缘电阻测量、游隙检测以及电机空转试验，各项检测数据合格，证明电机免解体更换轴承工艺的可行性。

图9 轴承压装示意图

图10 电机免解体更换轴承工艺验证过程

4 结语

本文通过分析一种带有轴承套的牵引电机轴承装配结构配置，提出了一种电机免解体更换轴承的工艺方案，并通过现场验证确认工艺方案的可行性。该免解体更换轴承的工艺方案简单实用，大幅提高了电机更换轴承效率，降低了检修成本，可为同类型结构的牵引电机更换轴承提供参考。