3MW風電主軸軸承淬火油槽設計

■孫茂林，姚艷書

近幾年，隨著我國風力發(fā)電新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風力發(fā)電軸承由1.5MW發(fā)展到3MW，風電軸承的使用壽命為20年，所以對軸承熱處理的要求非常高。3MW風電主軸軸承，為我公司在國內(nèi)首次開發(fā)研制，采用G20Cr2Ni4A滲碳鋼制造，軸承重量為3t，外徑2.5m，壁厚160mm，硬度要求不小于60HRC。由于軸承尺寸大，為防止軸承套圈在二次淬火過程中變形，必須采用模具淬火。由于以上諸多原因，軸承在熱處理后，硬度一直在55HRC左右，成為3MW風電主軸軸承研制的瓶頸。

經(jīng)無數(shù)次的分析論證、試驗，發(fā)現(xiàn)套圈的材料、尺寸、壁厚、模具等元素都無法改變，唯一能改變的是冷卻過程，為此，我們研制出一種新型淬火油槽。

1. 淬火油槽裝油量計算

以前滲碳鋼軸承一次淬火和二次淬火均采用同一油槽，造成裝油量大。在相同機械攪拌力的作用下，油量越少，油的流動速度越大，越能提高冷卻速度。

為此按照3MW套圈的形狀和重量，通過熱量傳導計算出淬火油的質(zhì)量，從而計算出淬火油槽的體積。

油的密度ρ為900kg/m3（30～40℃）、870kg/m3（80～90℃）。

（1）淬火油的質(zhì)量

質(zhì)量=體積×密度=3.14×2.3 ×2.3×4×0.9=60（t）

（2）淬火工件放出的最大熱量

式中 G——淬火件重量（包括模具、 料架）最大約3000kg；

C1——鋼的加熱溫度為850℃ 時的平均比容熱 0.71kJ/(kg·℃)；

C2——鋼冷卻到100℃時的平 均比容熱0.50kJ/(kg·℃)；

t1——工件冷卻開始溫度 850℃；

t2——工件冷卻終了溫度 100℃。

代入數(shù)據(jù)：

（3）淬火介質(zhì)需要量

V=Q/ρC（t3-t4）

式中 C——淬火介質(zhì)油平均比容 1.88～2.09kJ/(kg·℃)；

t3、t4——介質(zhì)開始和終了溫 度。

代入數(shù)據(jù)：

淬火油質(zhì)量=體積×密度=67×900=60（t）

淬火油槽結(jié)構(gòu)如附圖所示。

2. 加裝輔助油循環(huán)裝置

（1）由于軸承的尺寸和壁厚小，以前一般采用單一的頂插式或單一的側(cè)插式淬火油槽，就能滿足軸承的淬火要求。而3MW風電主軸軸承如采用單一的頂插式淬火油槽只能保證外圈滾道的硬度，而內(nèi)圈滾道的硬度無法保證；單一的側(cè)插式淬火油槽只能保證內(nèi)圈滾道的硬度，而外圈滾道的硬度無法保證。為此，通過流體力學及試驗等多方面的計算，設計出頂插式和側(cè)插式組合淬火油槽，既保證軸承外圈的淬火硬度又保證軸承內(nèi)圈的淬火硬度。

（2）安裝涌泉式底返油攪油器4臺，電動機功率7.5kW，葉輪直徑450mm，導油桶直徑500mm，變頻調(diào)速，可明顯提升涌泉攪拌效果，在軸向形成快速環(huán)流，對提高工件內(nèi)徑淬火硬度有明顯效果。

（3）安裝側(cè)循環(huán)攪油器4臺，電動機功率7.5k W，葉輪直徑450mm，可變頻調(diào)速，能使淬火油徑向形成快速環(huán)流，對提高工件外徑淬火硬度有明顯效果。

（4）以上兩種攪油裝置屬于整體插拔式，在不排油的情況下可整體維護、維修。

3. 結(jié)語

該設計的突破在于，傳統(tǒng)淬火油槽一般是采用單一的頂插式或單一的側(cè)插式淬火油槽，其都無法保證3MW風電主軸軸承淬火后的硬度。將兩者成功組合后，解決了3 MW風電主軸軸承冷卻難題，使我公司成為國內(nèi)首家加工此軸承廠家。

淬火油槽的示意