蘇寧列

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川618000)

1 風(fēng)機(jī)主軸軸承裝配問題概述

主軸軸承是風(fēng)機(jī)機(jī)械部分的重要零件，軸承裝配是主軸系統(tǒng)裝配中的重要一環(huán)。某型1.5 MW風(fēng)機(jī)主軸軸承采用雙列球面滾柱軸承，其中使用SKF軸承較多，裝配方式采用電磁感應(yīng)加熱裝配法。

主軸軸承在裝配過(guò)程中出現(xiàn)的最大問題是“卡死”，軸承卡死在主軸軸頸上端，下不去，也取不出來(lái)，見圖1。從而導(dǎo)致該部套無(wú)法進(jìn)入下一道裝配工序，對(duì)風(fēng)電生產(chǎn)進(jìn)度帶來(lái)影響，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 主軸軸承卡死實(shí)例

軸承裝配工藝要求：軸承裝配完成后，軸承與主軸側(cè)迷宮式油封四周需接觸，0.02 mm塞尺全周不入。由圖1可以看出：軸承卡死情況下，軸承下端面與主軸側(cè)油封之間還存在一段距離，實(shí)測(cè)為40 mm。

問題發(fā)生后，應(yīng)及時(shí)查明原因，避免以后再次發(fā)生類似情況；同時(shí)，應(yīng)考慮如何將出現(xiàn)的問題處理好，最大程度減少經(jīng)濟(jì)損失。

2 原來(lái)處理方案

當(dāng)軸承裝配出現(xiàn)卡死問題時(shí)，以前的處理方案為：破壞軸承而保全主軸。

2.1 操作步驟

(1)以木方墊塊做支撐，將主軸軸向水平放置平穩(wěn)，用紫銅皮做成專用圓筒，保護(hù)T型螺紋，使用耐火材料保護(hù)主軸的其余部位，然后采用碳弧氣刨軸承外圈；

(2)軸承外圈割開后，拆卸軸承保持架及滾動(dòng)體，并清理軸承內(nèi)圈；

(3)使用耐火材料保護(hù)主軸，采用火焰烤槍(5支左右)對(duì)主軸軸承內(nèi)圈的不同部位同時(shí)進(jìn)行加熱，待軸承內(nèi)圈受熱膨脹后將其拔出。

2.2 存在問題和經(jīng)濟(jì)分析

2.2.1 存在問題

(1)按此類方法取出軸承后，主軸會(huì)有不同程度的拉毛及局部掉漆現(xiàn)象。因此，軸承拔出后，鉗工需對(duì)主軸拉毛部位進(jìn)行拋磨處理，若主軸存在掉漆現(xiàn)象，需進(jìn)行補(bǔ)漆；

(2)采用破壞軸承的方法，從碳弧氣刨外圈到主軸補(bǔ)漆，完成的總處理時(shí)間需要半個(gè)月以上，周期比較長(zhǎng)；

(3)軸承報(bào)費(fèi)，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)分析

破壞軸承、拋磨處理及補(bǔ)漆費(fèi)用約2萬(wàn)元。軸承損失費(fèi)用約13萬(wàn)元。直接經(jīng)濟(jì)損失合計(jì)約15萬(wàn)元。間接經(jīng)濟(jì)損失：風(fēng)電機(jī)組裝配進(jìn)度及交貨期延后；主軸質(zhì)量由優(yōu)質(zhì)降為回用；對(duì)質(zhì)量聲譽(yù)造成一定影響。

從以上存在問題和經(jīng)濟(jì)分析可以看出，破壞軸承的處理方法效果比較差、成本高、周期長(zhǎng)，急需進(jìn)行改進(jìn)。

3 改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案原則

通常主軸軸承的裝配是在“主軸和軸承尺寸檢查合格”的情況下進(jìn)行的。軸承裝配出現(xiàn)的卡塞問題大多緣于軸承加熱溫度不夠、吊裝不及時(shí)等因素所致。改進(jìn)方案的原則是：既保護(hù)好主軸，又保護(hù)好軸承，并將軸承重新裝配到位。

3.2 保全軸承的方法

保全軸承的方法有以下兩種：

(1)用火焰烤槍將軸承加熱到120℃后，通過(guò)主軸中心孔澆灌液氮使主軸冷卻，收縮軸頸尺寸。當(dāng)主軸和軸承間產(chǎn)生間隙、出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，利用軸承自重或采用軟金屬錘(如銅棒)輕輕敲打，使軸承裝配到位。

(2)用導(dǎo)熱油加熱主軸軸承內(nèi)圈，待軸承內(nèi)圈溫度達(dá)到120℃后，通過(guò)相關(guān)工裝對(duì)主軸軸承施加一定的軸向力，將軸承裝配到位。

3.3 可行性分析

(1)方法一能保全軸承，但其對(duì)主軸而言，相當(dāng)于進(jìn)行低溫回火后又進(jìn)行淬火處理，會(huì)對(duì)主軸造成一定傷害。因此，該方案不宜采用。

(2)方法二能保全主軸，經(jīng)查相關(guān)資料和實(shí)際研究得知，雙列球面滾柱軸承可以承受較大的軸向力，對(duì)主軸軸承施加適當(dāng)?shù)妮S向力以后，不會(huì)對(duì)軸承造成傷害。因此所研究的改進(jìn)方案為：根據(jù)需要設(shè)計(jì)部分工裝，采用導(dǎo)熱油加熱主軸軸承內(nèi)圈，對(duì)軸承進(jìn)行裝配處理。

3.4 工裝設(shè)計(jì)

3.4.1 軸承軸向載荷計(jì)算

主軸軸承結(jié)構(gòu)如圖2所示，球面滾柱軸承具備固有的自調(diào)心功能，而且很堅(jiān)固。雙列滾柱使該軸承能夠承受重載荷。

由于其特殊的內(nèi)部設(shè)計(jì)，球面滾柱軸承可承受很重的軸向載荷，甚至純軸向載荷。軸承的軸向載荷可用下面公式進(jìn)行計(jì)算：

Fap=0.003Bd

式中，F(xiàn)ap為最大容許軸向載荷，單位kN；B為軸承寬度，單位mm；d為軸承內(nèi)徑，單位mm。

Fap=0.003×272×600=489.6 kN

要求實(shí)際操作中對(duì)軸承所施加的軸向力需控制在489.6 kN以內(nèi)。以此計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，選用兩個(gè)20 t液壓千斤頂，圓周對(duì)角安裝，對(duì)稱施加作用力。

圖2 主軸軸承結(jié)構(gòu)圖

圖3 SKF軸承壓入安裝法

Figure 3 Press assembly of SKF bearing

圖4 頂盤

Figure 4 Terminal disc

3.4.2 工裝零部件設(shè)計(jì)

參照SKF軸承壓入安裝法見圖3，當(dāng)軸承內(nèi)圈與軸是緊配合，外圈與軸承座為較松配合時(shí)，裝配壓力施加在軸承內(nèi)圈上。為此，本方案在液壓千斤頂與軸承間需設(shè)計(jì)一盤狀施力部件——頂盤，見圖4。頂盤為軟鋼材料，經(jīng)起吊螺釘與主軸套裝，與軸承內(nèi)圈充分接觸，有效接觸面積為：

A=π(D2-d2)4

=3.14×(6752-6102)4=65600 mm2

頂盤與軸承接觸端的外緣直徑比軸承內(nèi)圈擋邊略小，以免壓在保持架或滾柱上。將液壓千斤頂放置在頂盤上施加壓力，可通過(guò)過(guò)盈配合的軸承內(nèi)圈來(lái)傳遞該作用力，有效地避免了對(duì)軸承滾道和滾動(dòng)體的損傷。

為方便導(dǎo)熱油能夠有效加熱軸承內(nèi)圈，在頂盤外邊緣與軸承接觸的一面設(shè)計(jì)成倒角形，如圖5所示。

圖5 頂盤外邊緣局部圖

1—主軸 2—主軸軸承 3—頂盤 4—液壓千斤頂 5—螺桿 6—U型鋼 7—墊片 8—螺母

圖6 工裝總成軸側(cè)圖

Figure 6 Tooling assembly shaft side diagram

(a)剪力圖

(b)彎矩圖

圖7 U型鋼剪力圖和彎矩圖

Figure 7 Shearing force and bending moment of U shaped steel

在液壓千斤頂上放置U型鋼，通過(guò)螺桿及緊固件將其與主軸法蘭盤相連接。螺桿采用?38 mm的圓鋼(45號(hào)鋼)加工而成，U型鋼為Q345-B的鍛件。緊固件選用8.8級(jí)以上。工裝總成如圖6所示。

3.4.3 零部件強(qiáng)度校核

單個(gè)液壓千斤頂作用力為20 t，即P=0.2 MN。45號(hào)鋼的許用拉伸應(yīng)力為600 MPa，Q345-B許用彎曲應(yīng)力為265 MPa，許用剪切應(yīng)力為155 MPa。U型鋼受橫力彎曲，剪力圖和彎矩圖如圖7所示。

(1)螺桿拉伸應(yīng)力的校核：

σ=P2A

=98.3 MPa<600 MPa

(2)U型鋼剪切應(yīng)力的校核：

τ=3Q2bh

=12.5 MPa<155 MPa

(3)U型鋼彎曲應(yīng)力的校核：

σmax=MmaxW

=6PL4bh2

=250 MPa<265 MPa

由以上計(jì)算可以看出，所選材料強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4.4 加熱工具設(shè)計(jì)

改進(jìn)方案采用導(dǎo)熱油將軸承加熱到120℃，以達(dá)到軸承膨脹后與主軸間保持最大間隙量，減少軸承裝配所需的軸向力。另外，加熱軸承還需設(shè)計(jì)配置一套射油管，見圖8。射油管采用高壓油管制作，內(nèi)側(cè)均勻密布射油小孔，便于導(dǎo)熱油與軸承的熱傳遞。

將導(dǎo)熱油通過(guò)電動(dòng)泵注入射油管中，射油管內(nèi)下側(cè)開小孔，導(dǎo)熱油由小孔射出，通過(guò)頂盤外緣倒角處向軸承內(nèi)圈澆油對(duì)軸承內(nèi)圈加熱。

圖8 射油管

3.5 操作步驟

(1)準(zhǔn)備“2.4 m×2.4 m×0.8 m”的油池一個(gè)，將導(dǎo)熱油(約800 L)事先加熱到140℃以上，以備使用。實(shí)際應(yīng)用中，加熱油也可使用風(fēng)場(chǎng)返修齒輪箱的廢棄潤(rùn)滑油，以降低成本。

(2)在鋼板地上放置4個(gè)平面千斤頂，將“卡死”的問題軸承連同主軸平穩(wěn)吊放其上，通過(guò)平面千斤頂調(diào)整主軸法蘭面水平。

(3)清洗工裝各部件，防止雜物掉入軸承內(nèi)。

(4)按圖紙要求依次裝配工裝各零部件，將液壓千斤頂與主軸綁扎在一起，防止滑落。

(5)按把緊螺栓力矩1800 N·m，并用液壓千斤頂施加一定的力(防止整套工裝松動(dòng)即可)。

(6)在油池中放入支撐墊塊，將裝好工裝的主軸吊裝到油池上方，平穩(wěn)放置在墊塊上。

(7)采用電動(dòng)泵將已加熱140℃左右的導(dǎo)熱油注入射油管中，射油管通過(guò)頂盤外緣倒角處向軸承內(nèi)圈澆油。

(8)采用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量軸承內(nèi)圈的溫升(可在裝配射油管前預(yù)留出檢測(cè)空間)，并注意觀察液壓千斤頂?shù)乃删o程度變化。

(9)導(dǎo)熱油工作10 min后，軸承內(nèi)圈溫度上升到110～120℃，液壓千斤頂出現(xiàn)松動(dòng)，此時(shí)可操作液壓千斤頂向頂盤施加壓力(此過(guò)程中不可停止導(dǎo)熱油加熱，液壓千斤頂?shù)牟僮鞑荒荛g斷)，操作持續(xù)幾分鐘，軸承即可裝配到位。

(10)待軸承裝配到位后，停止射油管工作，將主軸連同工裝一并吊離油池，吊放在場(chǎng)外預(yù)先準(zhǔn)備好的平臺(tái)上。

(11)所有工作人員戴上專用的防護(hù)具及耐熱手套，用軟布擦干工裝及軸承上的導(dǎo)熱油，然后拆解工裝，并檢查軸承裝配尺寸，根據(jù)需要可采用尼龍錘對(duì)熱軸承輕輕敲擊以修正微小偏差。

(12)軸承自然冷卻到室溫。

(13)軸承冷卻后，工作人員還應(yīng)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

3.6 改進(jìn)方案后效果

采用改進(jìn)方案處理后，主軸沒有出現(xiàn)拉毛和掉漆問題，有效保護(hù)了主軸和主軸軸承，跟蹤車間盤車試驗(yàn)及風(fēng)電運(yùn)行情況，軸承工作正常，達(dá)到了預(yù)期效果。

此方案的工裝費(fèi)用只有1000元左右，油池及導(dǎo)熱油是風(fēng)電2.5 MW風(fēng)機(jī)裝配試驗(yàn)的現(xiàn)有設(shè)備和余油，導(dǎo)熱油還可使用風(fēng)場(chǎng)返修齒輪箱的廢油。工裝工具的準(zhǔn)備時(shí)間為3天，實(shí)際操作過(guò)程可在4 h內(nèi)結(jié)束。相比于原來(lái)采用的破壞軸承方案，改進(jìn)方案后，操作時(shí)間短、效果好、費(fèi)用低。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上工裝設(shè)計(jì)、計(jì)算和實(shí)際使用效果可以看出，風(fēng)電主軸軸承卡死問題處理的改進(jìn)方案是合理可行的。該項(xiàng)設(shè)計(jì)為今后同類軸承裝配過(guò)程中出現(xiàn)“卡死”問題的處理提供了有效的方法。