關(guān)于雙饋風(fēng)機(jī)主軸系統(tǒng)拆解方案的研究

成 偉

(東方電氣風(fēng)電有限公司，四川618000)

目前，風(fēng)場(chǎng)返回的雙饋型風(fēng)電機(jī)組主軸系統(tǒng)，其故障主要原因是主軸軸承損壞，主軸系統(tǒng)返回生產(chǎn)基地后，需要對(duì)其拆解、返修、再利用，從而降低費(fèi)用，而主軸系統(tǒng)存在兩處過(guò)渡配合，是拆解的難點(diǎn)，從兩處難點(diǎn)著手，提出返修方案，通過(guò)理論計(jì)算得出拔出物理數(shù)值要求，并通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)方案的可行性。

1 主軸系統(tǒng)

主軸系統(tǒng)主要包含主軸、主軸軸承、油封、主軸軸承座等，其中油封、主軸軸承座是拆解的難點(diǎn)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 返修難點(diǎn)

主軸系統(tǒng)中，油封與主軸軸承座裝配時(shí)采用熱套的方法，裝配后，由于可能存在的過(guò)盈量會(huì)帶來(lái)較大的摩擦力，被拆解件不與主體同心，導(dǎo)致拆解困難，拆解難點(diǎn)主要有兩個(gè)：

(1)油封從主軸上拆解，主軸與油封配合屬于過(guò)渡配合；

(2)主軸軸承座從主軸軸承上拆解，主軸軸承座與主軸軸承配合屬于過(guò)渡配合。

3 拆解方案

3.1 主軸與油封的拆解方案

3.1.1 基本情況簡(jiǎn)介

這里提到的油封包括輪轂側(cè)油封和齒輪箱側(cè)油封，位于主軸軸承的兩端，這里統(tǒng)稱油封。

油封與主軸之間設(shè)計(jì)為過(guò)渡配合，配合量是間隙0.031 mm～過(guò)盈0.123 mm，圖2為油封外形圖，表1列出了油封外形尺寸。

1—主軸軸承 2—輪轂側(cè)油封 3—輪轂側(cè)端蓋 4—主軸軸承座 5—齒輪箱側(cè)端蓋 6—齒輪箱側(cè)油封 7—主軸圖1 主軸軸承及組件圖Figure 1 Main shaft bearing and components

圖2 油封外形圖Figure 2 Appearance of oil seal

表1 油封外形尺寸Table 1 Appearance size of oil seal

3.1.2 拆解方案

油封與主軸之間為過(guò)渡配合，最大過(guò)盈量0.123 mm，拔出時(shí)需克服較大的摩擦力。油封外形為環(huán)形結(jié)構(gòu)，沒(méi)有起吊孔。拔出時(shí)，油封中心與主軸中心容易偏斜，導(dǎo)致不同心，增加拔出阻力。強(qiáng)制拔出會(huì)損傷主軸，不建議采用，且沒(méi)有合適的著力點(diǎn)。拆解時(shí)可考慮加熱油封或冷卻主軸，顯然，由于主軸的巨大尺寸，冷卻主軸是不可行的。

油封裝配時(shí)將油封加熱到一定溫度，當(dāng)油封溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，其膨脹量足以使油封能輕松地吊入主軸，拆解時(shí)，亦考慮對(duì)油封加熱拔出。

油封的拆解考慮傳統(tǒng)的加熱方法——火焰加熱，加熱后的油封可以借用裝配工裝拔出。將裝配工裝裝配于油封上，用火焰對(duì)油封加熱，待到合適的溫度(油封與主軸之間出現(xiàn)間隙值)，利用吊車將油封拔出。

3.2 主軸軸承座與主軸軸承的拆解方案

3.2.1 基本情況簡(jiǎn)介

主軸軸承座的外形見(jiàn)圖3，主軸軸承外圈與主軸軸承座內(nèi)圈之間為過(guò)渡配合，其配合為間隙0.098 mm～過(guò)盈0.09 mm。主軸軸承座長(zhǎng)1870 mm，高1105 mm，寬595 mm，重量1600 kg，總體來(lái)說(shuō)，屬于大尺寸、大質(zhì)量的部件。圖4為主軸軸承座裝配于主軸上的情況。

圖3 主軸軸承座外形Figure 3 Appearance of main shaft bearing block

圖4 主軸軸承座裝配圖Figure 4 Assembly of main shaft bearing block

3.2.2 解決方案

主軸軸承座裝配時(shí)，采用紅套工藝，采用高頻加熱器，由于高頻加熱器中部有加熱棒，拆解時(shí)無(wú)法應(yīng)用高頻加熱器。

用火焰加熱對(duì)軸承座加熱，再利用工裝將軸承座吊離。用火焰加熱對(duì)主軸軸承座試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)軸承座體積大，質(zhì)量大，散熱快，溫度難以迅速上升，試驗(yàn)效果不理想，且軸承座中心與主軸軸承中心難同心。

主軸軸承座熱拔效果不理想，考慮到軸承座與主軸軸承外圈之間的最大過(guò)盈量0.09 mm，過(guò)盈量不大，只要克服過(guò)盈量帶來(lái)的摩擦力，就可以在冷態(tài)下用外力拔出，外力的來(lái)源可以采用液壓千斤頂。

4 數(shù)值計(jì)算

由于主軸與油封、主軸軸承與主軸軸承座的配合屬于過(guò)渡配合，拆卸時(shí)使用加熱或強(qiáng)制頂出的方式，產(chǎn)生如下一些問(wèn)題：

(1)因?yàn)榇嬖谶^(guò)盈配合的可能性，采用加熱方式拔出時(shí)，需要考慮部件合理的加熱溫度。

(2)主軸軸承外圈與主軸軸承座之間為過(guò)渡配合，存在過(guò)盈的可能性，考慮用千斤頂頂出的方式，需要計(jì)算出千斤頂?shù)某隽Υ笮　?/p>

4.1 主軸與油封的熱拔溫度計(jì)算

油封與主軸配合關(guān)系為間隙0.031 mm～過(guò)盈0.123 mm，其最大間隙僅為0.031 mm，由于油封偏斜后摩擦阻力的影響，油封拔出困難，也可能導(dǎo)致主軸配合面拉傷。所以，油封拆卸時(shí)，用加熱方法使油封膨脹，使主軸與油封間有足夠合理的間隙。

用工裝吊裝油封時(shí)，油封與主軸不能絕對(duì)同心，需要多預(yù)留出一定的空隙。

LT=L0(1+ALΔT)

式中，LT為材料受熱后的線性尺寸；L0為材料受熱前的線性尺寸；AL為材料的線性膨脹系數(shù)；ΔT為材料的溫度變化量[1]；ΔT=T1-T0，T1為變換后的溫度，T0為室溫(取20℃)。

油封與主軸間是過(guò)渡配合，最大過(guò)盈量為0.123 mm，油封內(nèi)徑為600 mm，根據(jù)紅套同類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，紅套時(shí)，有0.40 mm間隙就能順利完成拆卸。鐵的膨脹系數(shù)為1.15×10-5/K[2]，由熱膨脹公式變形：

式中，取LT-L0=最大間隙+最大過(guò)盈量=0.40 mm+0.123 mm=0.523 mm；L0為油封內(nèi)徑600 mm；則T1=ΔT+T0=76℃+20℃=96℃。即將油封加熱到96℃以上即可將其順利拔出來(lái)。

4.2 主軸軸承座與主軸軸承外圈分離軸力計(jì)算

軸承座內(nèi)圈與主軸軸承外圈的配合為間隙0.098 mm～過(guò)盈0.09 mm。主軸軸承座采用千斤頂垂直頂出的方式。實(shí)施時(shí)，需要計(jì)算過(guò)盈配合的拔出軸向力。

主軸軸承座與主軸軸承參數(shù)：

包容件外徑：da=1100 mm(平均直徑)

結(jié)合直徑：df=870 mm

被包容件內(nèi)徑：di=740 mm(平均直徑)

結(jié)合長(zhǎng)度：lf=272 mm

表面粗糙度：Ra=1.6 μm

摩擦因素：μ=0.11

包容件彈性模量：Ea=170 GPa

被包容件彈性模量：Ei=2120 GPa

(材質(zhì)GCr15)

包容件泊松比：va=0.31

被包容件泊松比：vi=0.29

計(jì)算時(shí)，采用主軸軸承座與主軸軸承的最大過(guò)盈量，即δe=0.09 mm，裝配時(shí)采用漲縮法，計(jì)算出配合的過(guò)盈量[3]：

δ=δe+2(Sa+Si)=0.09+2×(0.4×0.0016+0.4×0.0016)=0.0964 mm

式中，δ為壓平后的過(guò)盈量；δe為有效過(guò)盈量；Sa為包容件的粗糙度；Si為被包容件的粗糙度。

根據(jù)徑比公式，計(jì)算得出包容件與被包容件的直徑比[4]：

包容件直徑比：qa=df/da=870/1100=0.79

被包容件直徑比：qi=di/df=740/870=0.85

根據(jù)直徑變化量公式[5]：

δe=ea+ei

=padfCa/Ea+pidfCi/Ei

=pdfCa/Ea+pdfCi/Ei

式中，Ca=4.855；Ci=5.907；ea為包容件直徑變化量；ei為被包容件直徑變化量；e=pCdf/E；可求出配合面壓強(qiáng)p=2.66 MPa。

過(guò)盈配合軸向力的計(jì)算公式為[3]：

Ft=pπdflfμ

=2.66×3.14×600×272×0.11

=149.9 kN

即用千斤頂頂出時(shí)，至少需要149.9 kN的力才能將主軸軸承座與主軸軸承完全分離。頂升時(shí)，兩處千斤頂平均用力，則每個(gè)千斤頂理論需要承擔(dān)約75 kN的力，即7.5 t的力。

5 方案驗(yàn)證

5.1 油封熱拔驗(yàn)證

根據(jù)油封熱拔溫度計(jì)算，加熱到96℃時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)油封與主軸間至少0.40 mm間隙，采用將油封加熱到100℃，再實(shí)施拆解。拆解步驟如下：

(1)利用火焰加熱將油封加熱，監(jiān)控溫度達(dá)到100℃。

(2)油封工裝吊具具有調(diào)平的結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整工裝繩索長(zhǎng)度，使油封中心大致與主軸中心重合，然后將油封吊離主軸。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，共拆解主軸系統(tǒng)28根，油封均能較輕松地從主軸中拔出，主軸均未出現(xiàn)因油封拔出導(dǎo)致拉傷現(xiàn)象。

5.2 主軸軸承座頂升方案驗(yàn)證

根據(jù)主軸軸承座分離軸力的計(jì)算結(jié)果，理論上兩個(gè)7.5 t的千斤頂能將主軸軸承座從主軸系統(tǒng)中拔出，頂升時(shí)主軸軸承座與主軸軸承結(jié)合面間可能存在異物，且兩個(gè)千斤頂無(wú)法完全使主軸軸承座處于水平狀態(tài)，所以操作時(shí)選擇超過(guò)7.5 t的千斤頂，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工具情況，采用兩個(gè)15 t的千斤頂。

拆解步驟如下：

(1)吊具三點(diǎn)掛住主軸軸承座，調(diào)整調(diào)平結(jié)構(gòu)，使繩索均勻受力；

(2)主軸軸承座下部用兩個(gè)15 t的千斤頂，均勻緩慢頂升；

(3)頂升的過(guò)程中，主軸軸承座向上緩慢移動(dòng)，同步控制吊車緩慢起升，使吊具不間斷地施加一定的牽拉力；

(4)重復(fù)前兩步，直至主軸軸承座頂離主軸系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證證明，兩個(gè)15 t的千斤頂能使主軸軸承座頂離主軸系統(tǒng)，頂離后，主軸軸承座內(nèi)徑配合面上，沒(méi)有明顯的拉傷痕跡，可以重復(fù)使用。

6 總結(jié)

對(duì)風(fēng)電雙饋機(jī)組主軸系統(tǒng)的拆解方案做了分析與研究，根據(jù)實(shí)際拆解情況得出：

(1)油封與主軸之間是過(guò)渡配合，采用熱拔的方式，主軸與油封之間的合理熱拔溫度為96℃，通過(guò)驗(yàn)證，加熱到100℃后，滿足實(shí)際使用。

(2)主軸軸承座與主軸之間采用過(guò)渡配合，主軸軸承座體積大，加熱時(shí)散熱快，過(guò)盈量不大，采用千斤頂直接頂出的方式，通過(guò)計(jì)算，采用兩個(gè)7.5 t以上的千斤頂能順利分離軸承座與軸承外圈，實(shí)際驗(yàn)證采用兩個(gè)15 t千斤頂，通過(guò)驗(yàn)證，滿足實(shí)際使用。

實(shí)踐證明，方案切實(shí)可行，能滿足雙饋型風(fēng)電機(jī)組主軸系統(tǒng)的拆解和維修。