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        風(fēng)電機(jī)組軸承加熱技術(shù)研究

        2022-09-22 01:23:26王靛
        機(jī)床與液壓 2022年3期
        關(guān)鍵詞:游隙軸承座內(nèi)圈

        王靛

        (中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司,湖南株洲 412001)

        0 前言

        隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的進(jìn)步,機(jī)組功率等級(jí)不斷增加。陸上風(fēng)電機(jī)組功率已經(jīng)達(dá)4 MW,行業(yè)最新數(shù)據(jù)顯示5、6 MW都會(huì)出現(xiàn);海上風(fēng)電功率等級(jí)超過10 MW。隨著機(jī)組功率等級(jí)增加,主軸承的尺寸與質(zhì)量也越來越大。軸承、軸承座裝配屬于過盈或過渡配合,所以在裝配過程中均需要加熱膨脹。為保證質(zhì)量,在軸承加熱過程中需要嚴(yán)格控制軸承的加熱溫度和內(nèi)外圈溫差。目前,常用加熱方法有油浴加熱、電阻爐加熱、感應(yīng)加熱。感應(yīng)加熱又分為變壓器結(jié)構(gòu)式的軛鐵穿過軸承的加熱方式與采用專用線圈的諧振加熱方式。

        油浴加熱的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、容易控制,缺點(diǎn)是軸承容易受到污染、單個(gè)加熱時(shí)間長、燃燒后存在有毒氣體危害人體健康、存在火災(zāi)危險(xiǎn),因此該方法沒有在風(fēng)電行業(yè)使用。

        電阻爐加熱優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、控制方便、成本較低,可以同時(shí)加熱多個(gè)軸承;缺點(diǎn)是耗電量大、加熱速度慢。風(fēng)電裝配一般采用串聯(lián)式作業(yè),即先將軸承加熱后裝入主軸,在軸承冷卻過程中加熱軸承座,冷卻完成后軸承座加熱完成,裝入軸承座。由于電阻爐加熱速度慢,不適合用于這種串聯(lián)作業(yè)的場(chǎng)合。

        軛鐵耦合加熱原理:一個(gè)可以開合的軛鐵上繞有線圈,通入交流電,則相當(dāng)于變壓器原邊,軸承套入軛鐵后相當(dāng)于變壓器次邊,原邊通入電流后,通過軛鐵耦合到次邊,軸承相當(dāng)于次邊短路加熱。這種加熱方式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性很強(qiáng),只需將軸承套在軛鐵上即可加熱,可適用于多種尺寸;缺點(diǎn)是軛鐵小、與軸承內(nèi)外圈間漏磁大、效率低并且對(duì)周邊的金屬及電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響。由于大型軸承加熱速度慢,并且無法準(zhǔn)確保證內(nèi)外圈溫差,存在吃掉游隙滾子受壓的風(fēng)險(xiǎn),這類加熱器不建議用于大型風(fēng)電主軸承。

        諧振電源加熱主要分為晶閘管、MOSFET、IGBT 3種開關(guān)器件形式。晶閘管優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低,缺點(diǎn)是效率低、諧波大、對(duì)電網(wǎng)不友好。MOSFET優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度更快、輸入阻抗低、驅(qū)動(dòng)功率小、工作頻率高;缺點(diǎn)是電流容量小、耐壓低,一般用于10 kW以下的電源。IGBT優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快、損耗小、開關(guān)頻率高、具有耐脈沖電流沖擊能力、通態(tài)壓低;缺點(diǎn)是成本較高、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、對(duì)應(yīng)用技術(shù)要求高。

        結(jié)合感應(yīng)加熱技術(shù)特點(diǎn)與風(fēng)電機(jī)組主軸承加熱工藝需求,從感應(yīng)加熱原理、感應(yīng)加熱設(shè)備方案、運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果等方面,開發(fā)一套一拖二的全數(shù)字化IGBT諧振電源加熱設(shè)備。

        1 感應(yīng)加熱原理

        感應(yīng)加熱原理:將被加熱的金屬工件外繞一組感應(yīng)線圈,當(dāng)線圈中流過交流電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生相同頻率的交變磁通,交變磁通又會(huì)在金屬工件上感應(yīng)出電勢(shì),從而產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流在金屬工件中形成短路,工件有一定的電阻從而產(chǎn)生熱量,實(shí)現(xiàn)工件加熱。感應(yīng)加熱原理如圖1所示。

        圖1 感應(yīng)加熱原理

        諧振的實(shí)質(zhì)是電容中電場(chǎng)能與電感中的磁場(chǎng)能互相轉(zhuǎn)換,此增彼減,完全補(bǔ)償。電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的總和時(shí)刻保持不變,電源不必與電容或電感往返轉(zhuǎn)換能量,只需要提供電路中電阻所消耗的電能即可。

        繞在金屬外面的感應(yīng)線圈中通過交變電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生同頻率的交變磁通量,工件同時(shí)感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),由Maxwell方程式可得:

        (1)

        式中:是線圈匝數(shù),負(fù)號(hào)是因?yàn)楦袘?yīng)電勢(shì)總是阻止磁通變化。

        =Sin

        (2)

        有效值為

        (3)

        金屬工件必定有電阻,則金屬工件可以看成導(dǎo)體,感應(yīng)電勢(shì)在通過電阻后形成回路,產(chǎn)生渦流,消耗的功率為

        =cos=444cos

        (4)

        根據(jù)焦耳-楞次定律,可得:

        (5)

        式中:為電流通過電阻產(chǎn)生的熱量(J);為電流有效值(A);為工件等效電阻(Ω);為工件通電時(shí)間(s)。

        由此可見,感應(yīng)加熱是感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬,然后電能在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)換成熱能,感應(yīng)線圈并不與被加熱體直接接觸,能量通過電磁感應(yīng)傳遞。

        2 感應(yīng)加熱電源方案設(shè)計(jì)

        風(fēng)電機(jī)組主軸承需要內(nèi)外圈同時(shí)加熱來控制游隙,所以要將內(nèi)外圈溫差控制在一定的溫度范圍。因此,采用一拖二的加熱電源方案,即一臺(tái)主機(jī)同時(shí)輸出兩路電源,兩路電源之間需要互相通信彼此的工作狀態(tài)與軸承內(nèi)外圈的溫度,計(jì)算溫差是否在設(shè)定范圍內(nèi)。在風(fēng)機(jī)主軸裝配過程中不僅要加熱軸承,軸承座、軸套也需加熱,在電源功率設(shè)計(jì)時(shí)需要按最大工件考慮。

        2.1 功率計(jì)算

        根據(jù)240/900軸承、軸承座的尺寸與質(zhì)量信息(見表1),軸承座最重,可以按其質(zhì)量計(jì)算。加熱時(shí)間定為30 min,考慮到北方氣溫較低,加熱范圍-10~90 ℃。

        表1 軸承與軸承座信息

        軸承座需加熱中間與軸承配合部位,根據(jù)能量守恒定理,軸承座所需要的熱量為

        =Δ=175×10

        (6)

        式中:為軸承座材料(碳鋼)比熱容,=465 J/(kg·℃);為質(zhì)量,=3 766 kg;Δ為所需溫升,Δ=100 ℃。

        所需功率為

        (7)

        式中:為電源功率(kW);為加熱所需時(shí)間(s);為電源效率。

        根據(jù)以上計(jì)算,電源1除加熱軸承外圈還需加熱軸承座,因此功率選擇120 kW。電源2用來加熱軸承內(nèi)圈,功率選擇60 kW。

        2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

        整個(gè)軸承感應(yīng)加熱系統(tǒng)由工控機(jī)、控制單元、功率單元、諧振單元、隔離單元、加熱器、溫度采集系統(tǒng)、控制軟件等組成,系統(tǒng)框圖如圖2所示。

        圖2 軸承感應(yīng)加熱系統(tǒng)框圖

        3 溫度計(jì)算與運(yùn)行試驗(yàn)

        Δ=+06

        (8)

        式中:為過盈量,=0.266+0.1=0.366 mm;Δ為膨脹量,Δ=+0.6=0.266+0.1+0.6=0.966 mm。

        軸承內(nèi)圈加熱溫度為

        =+Δ

        (9)

        (10)

        式中:為軸承加熱設(shè)定溫度(℃);為環(huán)境溫度(℃);Δ為軸承內(nèi)圈溫升(℃);為軸承內(nèi)徑(mm);為軸承鋼的線性膨脹系數(shù)(1/℃),=12.5×10(1/℃)。

        取30 ℃、取900 mm,則加熱溫度為

        =+Δ=+Δ(×)=1058 ℃

        計(jì)算內(nèi)外圈溫差。在內(nèi)外圈加熱時(shí)需要保證軸承徑向游隙的變化量小于軸承理論的最小游隙,因此需要控制內(nèi)外圈溫差最大值。240/900軸承徑向游隙為0.43~0.56 mm,取0.43 mm。

        (11)

        式中:Δ為內(nèi)外圈溫差引起的游隙變化量(mm);Δ′為內(nèi)外圈溫差(℃);為軸承外徑(mm);為軸承理論徑向游隙最小值(mm)。

        根據(jù)公式(11)可得:

        理論上內(nèi)外圈溫差小于31.5 ℃就可以滿足滾子不被擠死的情況,但是為防止加熱探頭采集誤差以及在探頭沒有監(jiān)測(cè)到溫度最高點(diǎn)等特殊情況,將溫差設(shè)置為20 ℃較為合理。

        按照以上計(jì)算結(jié)果,對(duì)240/900軸承進(jìn)行加熱試驗(yàn),加熱前在工控機(jī)顯示屏上分別設(shè)置外圈與內(nèi)圈目標(biāo)溫度??紤]到在加熱完成后至裝配過程中有一定的時(shí)間差,由于自然對(duì)流散熱的關(guān)系,這段時(shí)間內(nèi)溫度會(huì)降低約5 ℃,所以裝配外圈目標(biāo)溫度設(shè)置為90 ℃、最大加熱功率百分比65%,內(nèi)圈目標(biāo)溫度設(shè)置為110 ℃、最大加熱功率百分比46%。通過分別設(shè)置內(nèi)外圈兩組電源的功率百分比值,可以控制內(nèi)外圈加熱的速度,讓外圈溫度升速更快,避免因內(nèi)圈加熱速度過快而使?jié)L子受到擠壓。在軟件里設(shè)置控制算法與保護(hù)策略,如某些不確定因素導(dǎo)致內(nèi)圈溫度高于外圈溫度30 ℃時(shí),電源就會(huì)停止加熱,報(bào)溫度異常故障。根據(jù)不同軸承型號(hào)與不同參數(shù),設(shè)置相對(duì)的控制與保護(hù)參數(shù)。240/900軸承外圈目標(biāo)溫度為90 ℃、內(nèi)圈目標(biāo)溫度為110 ℃,各自的實(shí)際溫度(至少3個(gè)探頭中的任意最大值)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度時(shí),電源控制系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入保溫控制。通過PID恒溫控制算法,讓實(shí)際加熱溫度始終保持在目標(biāo)溫度,保持2 400 s后記錄軸承內(nèi)外圈溫度,如240/900軸承加熱溫度記錄表(見表2),軸承外圈溫差控制在6 ℃以內(nèi)、內(nèi)圈溫差控制在3 ℃以內(nèi),滿足軸承加熱技術(shù)要求。

        表2 240/900軸承加熱溫度記錄

        4 小結(jié)

        通過研究加熱原理、研究和對(duì)比不同加熱技術(shù),確定采用諧振電源加熱方式。結(jié)合被熱工件的結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定加熱設(shè)備功率等級(jí)和結(jié)構(gòu)形式。通過開發(fā)一拖二智能化的IGBT數(shù)字感應(yīng)加熱電源,大大提高加熱工作效率。以240/900軸承為例,加熱時(shí)間由原來專用軸承加熱器的3 h縮短到0.5 h內(nèi),加熱效率提高了5倍。采用智能化加熱電源后,既能同時(shí)加熱內(nèi)外圈,又能監(jiān)測(cè)內(nèi)外圈的溫差,不會(huì)出現(xiàn)擠壓滾子的情況。采用PID恒溫控制算法,保證了加熱目標(biāo)溫度的精準(zhǔn)度,可提高軸承裝配精度,降低因軸承裝配工藝給整機(jī)帶來的可靠性差與壽命短的問題。

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