3 MW風(fēng)電主軸軸承淬火油槽設(shè)計(jì)

邵陽(yáng)，馬忠超，姚艷書(shū)

(瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 瓦房店 116300)

隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由1.5 MW發(fā)展到3 MW[1-2]，風(fēng)電軸承的使用壽命一般要求為20年[1]，所以對(duì)軸承熱處理的要求非常高。3 MW風(fēng)電主軸軸承采用G20Cr2Ni4A滲碳鋼制造，軸承質(zhì)量3 t，外徑2.5 m，壁厚160 mm，硬度要求不小于60 HRC。由于軸承尺寸大，為防止套圈在二次淬火過(guò)程中變形，必須采用模具淬火。由于多種影響因素的作用，軸承熱處理后硬度在55 HRC左右，達(dá)不到技術(shù)要求，成為3 MW風(fēng)電主軸軸承研制的瓶頸。

經(jīng)過(guò)多次分析論證及試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，套圈的材料、外形尺寸、壁厚以及模具因素都無(wú)法改變，唯一能改變的是冷卻過(guò)程，因此，以淬火冷卻裝置為突破口，研制出一種新型淬火油槽。

1 淬火油槽裝油量計(jì)算

以前滲碳鋼軸承一次淬火和二次淬火均采用同一淬火油槽，造成油槽裝油量大。在相同機(jī)械攪拌力作用下，裝油量越小，油的流動(dòng)速度越快，越能提高冷卻速度。依照3 MW風(fēng)電主軸軸承套圈的外形尺寸和質(zhì)量，通過(guò)熱量傳導(dǎo)計(jì)算淬火油的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算淬火油槽的體積。

1.1 淬火工件放熱量

淬火工件放熱量Q為[3]

Q=m(Cs1ts1-Cs2ts2)= 1 660 500 (kJ),

式中：m為淬火工件質(zhì)量，包括模具、料架，最大約為3 000 kg；Cs1為工件由0℃加熱到850 ℃的平均比熱容，約0.71 kJ/(kg·℃)；Cs2為工件由0 ℃冷卻至100 ℃的平均比熱容，約0.50 kJ/(kg· ℃)；ts1，ts2分別為工件冷卻開(kāi)始溫度(850 ℃)和終了溫度(100 ℃)。

1.2 淬火油需求量

依據(jù)淬火工件放熱量，計(jì)算得淬火油體積為[3]

V=Q/ρC0(t02-t01)=78.5(m3),

式中：ρ為淬火油密度，當(dāng)油溫為30～40 ℃時(shí)，ρ=900 kg/m3，當(dāng)油溫為80～90 ℃時(shí)，ρ=870 kg/m3，未查得油溫60～70 ℃時(shí)的密度，因此取已知數(shù)據(jù)的平均值得ρ=885 kg/m3；C0為淬火油平均比熱容，油溫20～100 ℃時(shí)，C0=1.88～2.09 kJ/(kg·℃)，取平均值為1.99 kJ/(kg· ℃)；t01，t02分別為淬火油開(kāi)始溫度(58 ℃)和終了溫度(70 ℃)。

依據(jù)所需淬火油體積，設(shè)計(jì)淬火油槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 淬火油槽結(jié)構(gòu)示意圖

2 輔助油循環(huán)裝置

普通軸承的外形尺寸和壁厚較小，一般采用帶有單一頂插式或側(cè)插式攪拌器的淬火油槽即可滿(mǎn)足套圈的淬火要求。而對(duì)于3 MW風(fēng)電主軸軸承，采用單一頂插式攪拌器的淬火油槽只能保證外滾道的硬度，無(wú)法保證內(nèi)滾道的硬度；若采用單一側(cè)插式攪拌器的淬火油槽只能保證內(nèi)滾道的硬度，而無(wú)法保證外滾道硬度。因此，通過(guò)流體力學(xué)及試驗(yàn)等多方面的分析計(jì)算，設(shè)計(jì)了帶有頂插式和側(cè)插式組合攪拌器的淬火油槽，并加裝輔助油循環(huán)裝置，滿(mǎn)足了風(fēng)電主軸軸承套圈的淬火要求。

整體插拔涌泉式底返油攪拌器由攪拌電動(dòng)機(jī)、攪拌軸、三葉螺旋槳組成，攪拌電動(dòng)機(jī)通過(guò)攪拌軸帶動(dòng)三葉螺旋槳將油推進(jìn)導(dǎo)流筒，經(jīng)導(dǎo)流筒將油從底端向上噴出。安裝涌泉式攪拌器4臺(tái)，電動(dòng)機(jī)功率7.5 kW，葉輪直徑450 mm，4只導(dǎo)油桶直徑均為500 mm，可變頻調(diào)速。提升了涌泉攪拌效果，能使淬火油在軸向形成快速環(huán)流，對(duì)提升工件內(nèi)徑淬火硬度有明顯效果。

安裝側(cè)循環(huán)攪拌器4臺(tái)，整體插拔側(cè)循環(huán)攪拌器與整體插拔涌泉式底返油攪拌器結(jié)構(gòu)基本相同，只是沒(méi)有導(dǎo)油桶。其能夠使淬火油徑向形成快速環(huán)流，對(duì)提升工件外徑淬火硬度有明顯效果。

頂插式和側(cè)插式組合攪拌器屬于整體插拔式，在不排油的情況下可整體維護(hù)、維修。

3 熱處理工藝試驗(yàn)

3 MW風(fēng)電主軸軸承外圈FL-3506/2000.21淬火工藝為：淬火加熱溫度820 ℃，總加熱時(shí)間6 h，工件淬火前涂防脫碳劑；工件入油淬火時(shí)油溫為58 ℃，淬火冷卻23 min，出油后油溫為70 ℃，工件出油溫度為90 ℃；工件冷卻至60 ℃后清洗，清洗液溫度為19 ℃，工件清洗后溫度為30 ℃。接著工件入回火爐進(jìn)行回火。3 MW風(fēng)電主軸軸承FL-3506/2000.21回火后硬度為60.5～61.0 HRC，達(dá)到JB/T 8881—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)淬火油槽采用單一頂插式或側(cè)插式攪拌器的淬火油槽，無(wú)法保證3 MW風(fēng)電主軸軸承淬火冷卻后的硬度，將兩者成功組合，設(shè)計(jì)出新型淬火油槽，已加工近百件3 MW風(fēng)電主軸軸承，完全達(dá)到了技術(shù)要求。