某大型風(fēng)電齒輪箱彈性銷軸的過盈裝配

張 皓

（廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，廣東 中山 528437）

1 問題的提出

某大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司從國外引進(jìn)技術(shù)許可而生產(chǎn)的一種超緊湊型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，齒輪箱是發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，它采用二級(jí)行星傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)，制造精度高，運(yùn)行可靠。

一級(jí)行星架的最大直徑為Φ2 242mm，最大厚度為166mm，屬典型盤形法蘭零件，上裝5 個(gè)彈性銷軸，采用無鍵聯(lián)接的過盈配合，銷軸直徑為Φ250mm，結(jié)合長(zhǎng)度為155mm，過盈量為0.30mm～0.36mm，其裝配示意圖見圖1。這種小直徑、大過盈量的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給裝配工藝造成了很大的困難，也成為齒輪箱裝配和主要性能質(zhì)量保證的一個(gè)關(guān)鍵工序。

圖1 銷軸裝配示意圖

2 確定工藝方案

2.1 聯(lián)接原理

在機(jī)械裝配中過盈聯(lián)接占有重要地位，應(yīng)用比較廣泛。過盈聯(lián)接是利用包容件（孔）和被包容件（軸）配合后的過盈值來達(dá)到緊固聯(lián)接的。裝配后，材料在彈性變形的作用下會(huì)對(duì)包容件和被包容件的配合面產(chǎn)生壓力，工作時(shí)，依靠此壓力產(chǎn)生的摩擦力傳遞力矩、軸向力或兩者均有的復(fù)雜載荷。這種聯(lián)接的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)中性好，承載能力強(qiáng)，能承受交變載荷和沖擊力［1］。

2.2 工藝方案分析

對(duì)過盈聯(lián)接的裝配方法有靜力壓入法、動(dòng)力壓入法、溫差裝配法及液壓裝配法等幾種。由于包容件大而剛性差，被包容件小而過盈量大，用常溫壓裝困難很大，無法保證裝配質(zhì)量。本設(shè)計(jì)選擇了溫差裝配工藝，即加熱包容件或冷卻被包容件來進(jìn)行裝配的方法。這時(shí)有3種方案可供我們選擇：①把包容件加熱至預(yù)定溫度后進(jìn)行裝配；②把被包容件冷卻至預(yù)定溫度后進(jìn)行裝配；③同時(shí)加熱包容件和冷卻被包容件至預(yù)定溫度后進(jìn)行裝配。

裝配前應(yīng)根據(jù)最大過盈量和被加熱（冷凍）工件材料的線膨脹系數(shù)，計(jì)算出需要加熱（冷凍）的溫度，確定相應(yīng)的裝配工藝方案。

2.3 工藝參數(shù)的計(jì)算

（1）通常情況下從手冊(cè)中選擇熱裝最小間隙，由熱裝時(shí)的最小間隙表［2］（見表1）可知，結(jié)合直徑為Φ250mm 的最小裝配間隙約為0.10mm?？紤]到依次裝配5件彈性銷軸所需的時(shí)間較長(zhǎng)，包容件的溫度會(huì)有所降低，所以我們把所需的最小裝配間隙調(diào)整為0.20 mm。即對(duì)包容件加熱使裝配內(nèi)孔尺寸膨脹0.50mm～0.56mm，或者對(duì)被包容件冷卻使裝配軸尺寸收縮0.50mm～0.56mm。

（2）根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］的計(jì)算公式，我們分別對(duì)包容件所需的加熱溫度和被包容件所需的冷卻溫度進(jìn)行了計(jì)算。加熱（冷卻）溫度計(jì)算公式為：

其中：t為零件所需的加熱（冷卻）溫度，℃；t1為室溫，20℃；Δ1為配合的最大過盈量，mm；Δ2為熱裝（冷裝）時(shí)所需的最小間隙，mm；a為材料的線膨脹系數(shù)，加熱時(shí)a＝11×10－6／℃，冷卻時(shí)a＝－8.5×10－6／℃；d 為結(jié)合直徑，mm。

將相關(guān)參數(shù)代入式（1），可計(jì)算出包容件所需的加熱溫度為：

t＝20＋（0.36＋0.20）／（11×10－6）×250≈220℃。

被包容件所需的冷卻溫度為：

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

表1 熱裝時(shí)的最小間隙 mm

2.4 物理?xiàng)l件分析

作為包容件的一級(jí)行星架，材質(zhì)為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，重量3 310kg，加工精度等級(jí)為6級(jí)。做為被包容件的彈性銷軸，材質(zhì)42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，單件重量300kg，加工精度等級(jí)為6級(jí)。

熱裝時(shí)對(duì)零件的加熱溫度應(yīng)低于此零件材質(zhì)低溫回火的溫度。如果采用方案（1），最高加熱溫度不但已進(jìn)入了42CrMo的低溫回火區(qū)（160℃～250℃），而且接近了第一類回火脆性（250 ℃～400 ℃）的溫度范圍，這樣對(duì)零件的機(jī)械性能會(huì)造成一定的影響；把盤形零件（此種結(jié)構(gòu)的零件剛性較差）加熱至220℃也會(huì)產(chǎn)生一定的變形，對(duì)于這種高精度的零件來說是不允許的。所以方案（1）不能滿足要求。

冷裝時(shí)冷凍劑的溫度必須低于被包容件所需的冷凍溫度（－240 ℃）。液氮的最低冷凍溫度為－195℃，液氧為－180 ℃，干冰為－78 ℃，顯然這幾種常用的冷凍劑均不能滿足方案（2）的要求。

綜上所述，只有方案（3）有一定的可行性，即同時(shí)加熱包容件和冷卻被包容件至預(yù)定溫度后進(jìn)行裝配。我公司現(xiàn)有一臺(tái)低溫冷凍箱，冷凍介質(zhì)為98%無水乙醇，最低冷凍溫度為－85 ℃。另外還有一臺(tái)柔性線圈低頻感應(yīng)加熱器，最高加熱溫度為150℃。用加熱（冷卻）溫度計(jì)算公式計(jì)算，裝配軸在冷凍至－85 ℃時(shí)尺寸收縮量為0.22mm，裝配內(nèi)孔在加熱至150 ℃時(shí)尺寸膨脹量為0.36mm，這樣就產(chǎn)生了0.58mm 的裝配間隙，理論上滿足了所需的裝配要求，所以我們選擇方案（3）進(jìn)行裝配。

3 加熱和冷凍試驗(yàn)

正式裝配前必須通過試驗(yàn)來驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)的可行性。

3.1 加熱試驗(yàn)

我們所使用的柔性線圈低頻感應(yīng)加熱器由控制柜、固定加熱線圈（可同時(shí)加熱5個(gè)裝配內(nèi)孔）和一定長(zhǎng)度的加熱電纜線組成。控制柜為感應(yīng)線圈提供加熱工件用的低頻振蕩電流，同時(shí)也提供精確的溫度控制和時(shí)間控制。根據(jù)被加熱零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們將一部分加熱電纜纏在一級(jí)行星架的外圓上，剩余部分以同心圓的形式盤放在端面上，這樣通過其中的可變電流在感應(yīng)圈中產(chǎn)生的高密度磁力線，切割感應(yīng)圈里放置一級(jí)行星架，并在其中產(chǎn)生很大的渦流，達(dá)到對(duì)其進(jìn)行整體加熱的目的；固定加熱線圈由柔性線圈硫化而成，將固定加熱線圈插入到一級(jí)行星架的5個(gè)內(nèi)孔中進(jìn)行精確的局部加熱。我們采用階段升溫、外圓與內(nèi)孔交替加熱的方法對(duì)一級(jí)行星架進(jìn)行加熱。從85 ℃開始，最高加熱至150℃。經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定了一級(jí)行星架的加熱工藝參數(shù)（見表2）。用內(nèi)徑千分尺對(duì)內(nèi)孔直徑進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)得尺寸膨脹量為0.30mm～0.32mm，與計(jì)算值相符合。

表2 一級(jí)行星架加熱工藝參數(shù)

3.2 冷凍試驗(yàn)

將彈性銷軸放入低溫冷凍箱內(nèi)進(jìn)行冷凍，冷凍溫度為－85 ℃，時(shí)間24h。用外徑千分尺對(duì)裝配軸直徑進(jìn)行多次測(cè)量，尺寸收縮量為0.23mm～0.25mm，與計(jì)算值相符合。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，同時(shí)加熱包容件和冷凍被包容件的工藝方案是可行的。

4 裝配過程

根據(jù)裝配工藝進(jìn)行操作，在依次裝入5件彈性銷軸后裝配工作順利結(jié)束。根據(jù)以往的裝配經(jīng)驗(yàn)，被包容件的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于包容件的重量時(shí)，在熱裝后的冷卻過程中，包容件產(chǎn)生的彈性變形會(huì)對(duì)被包容件產(chǎn)生軸向“托舉”力，造成軸向定位軸肩裝配不到位。我們利用彈性銷軸底部的M24吊裝螺絲孔，用U 形工裝、20t中空液壓千斤頂和螺桿分別對(duì)5件彈性銷軸沿軸向方向施加了一定的預(yù)緊力（見圖2），待裝配體的溫度恢復(fù)到室溫后取下，有效地克服了這一問題。經(jīng)檢測(cè)裝配后的部件符合圖紙的技術(shù)要求。

圖2 軸向預(yù)緊工裝

5 結(jié)語

大過盈量的裝配是一項(xiàng)較復(fù)雜而又細(xì)致的工作，需要做大量的準(zhǔn)備工作，要求技術(shù)人員精心計(jì)算，制訂科學(xué)合理的裝配工藝；現(xiàn)場(chǎng)裝配工人認(rèn)真負(fù)責(zé)，確保操作萬無一失。通過這次裝配使我們積累了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為此后同型號(hào)齒輪箱的批量化裝配奠定了良好的基礎(chǔ)。

［1］ 張士斌，唐杰.機(jī)械裝配中的過盈聯(lián)接裝配［J］.一重技術(shù)，2006（2）：23－24.

［2］ 機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化研究所.JB／T 5994－1992裝配通用技術(shù)要求［S］.北京：機(jī)械科學(xué)研究院，1992：1－10.