关于双馈风机主轴系统拆解方案的研究

成 伟

(东方电气风电有限公司，四川618000)

目前，风场返回的双馈型风电机组主轴系统，其故障主要原因是主轴轴承损坏，主轴系统返回生产基地后，需要对其拆解、返修、再利用，从而降低费用，而主轴系统存在两处过渡配合，是拆解的难点，从两处难点着手，提出返修方案，通过理论计算得出拔出物理数值要求，并通过实践检验方案的可行性。

1 主轴系统

主轴系统主要包含主轴、主轴轴承、油封、主轴轴承座等，其中油封、主轴轴承座是拆解的难点，结构见图1。

2 返修难点

主轴系统中，油封与主轴轴承座装配时采用热套的方法，装配后，由于可能存在的过盈量会带来较大的摩擦力，被拆解件不与主体同心，导致拆解困难，拆解难点主要有两个：

(1)油封从主轴上拆解，主轴与油封配合属于过渡配合；

(2)主轴轴承座从主轴轴承上拆解，主轴轴承座与主轴轴承配合属于过渡配合。

3 拆解方案

3.1 主轴与油封的拆解方案

3.1.1 基本情况简介

这里提到的油封包括轮毂侧油封和齿轮箱侧油封，位于主轴轴承的两端，这里统称油封。

油封与主轴之间设计为过渡配合，配合量是间隙0.031 mm～过盈0.123 mm，图2为油封外形图，表1列出了油封外形尺寸。

1—主轴轴承 2—轮毂侧油封 3—轮毂侧端盖 4—主轴轴承座 5—齿轮箱侧端盖 6—齿轮箱侧油封 7—主轴图1 主轴轴承及组件图Figure 1 Main shaft bearing and components

图2 油封外形图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

油封与主轴之间为过渡配合，最大过盈量0.123 mm，拔出时需克服较大的摩擦力。油封外形为环形结构，没有起吊孔。拔出时，油封中心与主轴中心容易偏斜，导致不同心，增加拔出阻力。强制拔出会损伤主轴，不建议采用，且没有合适的着力点。拆解时可考虑加热油封或冷却主轴，显然，由于主轴的巨大尺寸，冷却主轴是不可行的。

油封装配时将油封加热到一定温度，当油封温度达到一定数值时，其膨胀量足以使油封能轻松地吊入主轴，拆解时，亦考虑对油封加热拔出。

油封的拆解考虑传统的加热方法——火焰加热，加热后的油封可以借用装配工装拔出。将装配工装装配于油封上，用火焰对油封加热，待到合适的温度(油封与主轴之间出现间隙值)，利用吊车将油封拔出。

3.2 主轴轴承座与主轴轴承的拆解方案

3.2.1 基本情况简介

主轴轴承座的外形见图3，主轴轴承外圈与主轴轴承座内圈之间为过渡配合，其配合为间隙0.098 mm～过盈0.09 mm。主轴轴承座长1870 mm，高1105 mm，宽595 mm，重量1600 kg，总体来说，属于大尺寸、大质量的部件。图4为主轴轴承座装配于主轴上的情况。

图3 主轴轴承座外形Figure 3 Appearance of main shaft bearing block

图4 主轴轴承座装配图Figure 4 Assembly of main shaft bearing block

3.2.2 解决方案

主轴轴承座装配时，采用红套工艺，采用高频加热器，由于高频加热器中部有加热棒，拆解时无法应用高频加热器。

用火焰加热对轴承座加热，再利用工装将轴承座吊离。用火焰加热对主轴轴承座试验时，发现轴承座体积大，质量大，散热快，温度难以迅速上升，试验效果不理想，且轴承座中心与主轴轴承中心难同心。

主轴轴承座热拔效果不理想，考虑到轴承座与主轴轴承外圈之间的最大过盈量0.09 mm，过盈量不大，只要克服过盈量带来的摩擦力，就可以在冷态下用外力拔出，外力的来源可以采用液压千斤顶。

4 数值计算

由于主轴与油封、主轴轴承与主轴轴承座的配合属于过渡配合，拆卸时使用加热或强制顶出的方式，产生如下一些问题：

(1)因为存在过盈配合的可能性，采用加热方式拔出时，需要考虑部件合理的加热温度。

(2)主轴轴承外圈与主轴轴承座之间为过渡配合，存在过盈的可能性，考虑用千斤顶顶出的方式，需要计算出千斤顶的出力大小。

4.1 主轴与油封的热拔温度计算

油封与主轴配合关系为间隙0.031 mm～过盈0.123 mm，其最大间隙仅为0.031 mm，由于油封偏斜后摩擦阻力的影响，油封拔出困难，也可能导致主轴配合面拉伤。所以，油封拆卸时，用加热方法使油封膨胀，使主轴与油封间有足够合理的间隙。

用工装吊装油封时，油封与主轴不能绝对同心，需要多预留出一定的空隙。

LT=L0(1+ALΔT)

式中，LT为材料受热后的线性尺寸；L0为材料受热前的线性尺寸；AL为材料的线性膨胀系数；ΔT为材料的温度变化量[1]；ΔT=T1-T0，T1为变换后的温度，T0为室温(取20℃)。

油封与主轴间是过渡配合，最大过盈量为0.123 mm，油封内径为600 mm，根据红套同类产品的经验，红套时，有0.40 mm间隙就能顺利完成拆卸。铁的膨胀系数为1.15×10-5/K[2]，由热膨胀公式变形：

式中，取LT-L0=最大间隙+最大过盈量=0.40 mm+0.123 mm=0.523 mm；L0为油封内径600 mm；则T1=ΔT+T0=76℃+20℃=96℃。即将油封加热到96℃以上即可将其顺利拔出来。

4.2 主轴轴承座与主轴轴承外圈分离轴力计算

轴承座内圈与主轴轴承外圈的配合为间隙0.098 mm～过盈0.09 mm。主轴轴承座采用千斤顶垂直顶出的方式。实施时，需要计算过盈配合的拔出轴向力。

主轴轴承座与主轴轴承参数：

包容件外径：da=1100 mm(平均直径)

结合直径：df=870 mm

被包容件内径：di=740 mm(平均直径)

结合长度：lf=272 mm

表面粗糙度：Ra=1.6 μm

摩擦因素：μ=0.11

包容件弹性模量：Ea=170 GPa

被包容件弹性模量：Ei=2120 GPa

(材质GCr15)

包容件泊松比：va=0.31

被包容件泊松比：vi=0.29

计算时，采用主轴轴承座与主轴轴承的最大过盈量，即δe=0.09 mm，装配时采用涨缩法，计算出配合的过盈量[3]：

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

式中，δ为压平后的过盈量；δe为有效过盈量；Sa为包容件的粗糙度；Si为被包容件的粗糙度。

根据径比公式，计算得出包容件与被包容件的直径比[4]：

包容件直径比：qa=df/da=870/1100=0.79

被包容件直径比：qi=di/df=740/870=0.85

根据直径变化量公式[5]：

δe=ea+ei

=padfCa/Ea+pidfCi/Ei

=pdfCa/Ea+pdfCi/Ei

式中，Ca=4.855；Ci=5.907；ea为包容件直径变化量；ei为被包容件直径变化量；e=pCdf/E；可求出配合面压强p=2.66 MPa。

过盈配合轴向力的计算公式为[3]：

Ft=pπdflfμ

=2.66×3.14×600×272×0.11

=149.9 kN

即用千斤顶顶出时，至少需要149.9 kN的力才能将主轴轴承座与主轴轴承完全分离。顶升时，两处千斤顶平均用力，则每个千斤顶理论需要承担约75 kN的力，即7.5 t的力。

5 方案验证

5.1 油封热拔验证

根据油封热拔温度计算，加热到96℃时，可以实现油封与主轴间至少0.40 mm间隙，采用将油封加热到100℃，再实施拆解。拆解步骤如下：

(1)利用火焰加热将油封加热，监控温度达到100℃。

(2)油封工装吊具具有调平的结构，通过调整工装绳索长度，使油封中心大致与主轴中心重合，然后将油封吊离主轴。

通过实验，共拆解主轴系统28根，油封均能较轻松地从主轴中拔出，主轴均未出现因油封拔出导致拉伤现象。

5.2 主轴轴承座顶升方案验证

根据主轴轴承座分离轴力的计算结果，理论上两个7.5 t的千斤顶能将主轴轴承座从主轴系统中拔出，顶升时主轴轴承座与主轴轴承结合面间可能存在异物，且两个千斤顶无法完全使主轴轴承座处于水平状态，所以操作时选择超过7.5 t的千斤顶，根据现场工具情况，采用两个15 t的千斤顶。

拆解步骤如下：

(1)吊具三点挂住主轴轴承座，调整调平结构，使绳索均匀受力；

(2)主轴轴承座下部用两个15 t的千斤顶，均匀缓慢顶升；

(3)顶升的过程中，主轴轴承座向上缓慢移动，同步控制吊车缓慢起升，使吊具不间断地施加一定的牵拉力；

(4)重复前两步，直至主轴轴承座顶离主轴系统。

经过验证证明，两个15 t的千斤顶能使主轴轴承座顶离主轴系统，顶离后，主轴轴承座内径配合面上，没有明显的拉伤痕迹，可以重复使用。

6 总结

对风电双馈机组主轴系统的拆解方案做了分析与研究，根据实际拆解情况得出：

(1)油封与主轴之间是过渡配合，采用热拔的方式，主轴与油封之间的合理热拔温度为96℃，通过验证，加热到100℃后，满足实际使用。

(2)主轴轴承座与主轴之间采用过渡配合，主轴轴承座体积大，加热时散热快，过盈量不大，采用千斤顶直接顶出的方式，通过计算，采用两个7.5 t以上的千斤顶能顺利分离轴承座与轴承外圈，实际验证采用两个15 t千斤顶，通过验证，满足实际使用。

实践证明，方案切实可行，能满足双馈型风电机组主轴系统的拆解和维修。