感应加热技术在风力发电机轴承热装中的应用

王庆伟

(东方电气集团东方电机有限公司，四川618000)

1 感应加热原理

感应加热原理是利用电磁感应，使被加热材料内部产生电流，依靠涡流的能量达到加热的目的。在加热过程中，迅速变化的电流流过金属工件时产生集肤效应，在金属表层产生很高的热源，再利用受热工件自身作为热源进行热传递。

2 加热设备的选择

3 轴承加热工装设计

根据轴承尺寸分别设计轴承内圈和外圈加热工装，工装主体为焊接结构和绝缘材料制作的加热电缆支撑悬臂；轴承外圈加热器电缆在工装内圆的电缆支臂上缠绕5圈，内圈加热器电缆在工装外圆的支臂上缠绕6圈，缠绕后用∅3 mm玻璃丝纤维绳穿过电缆支臂上的固定孔，将电缆线绑扎牢固，绑扎绳刷上环氧室温固化胶DECJ0708。使用0.5 mm厚度层压板随形裁剪，用热收缩带将其绑扎在工装支臂上，防止线缆上的杂物污染轴承，保持工装美观。工装的外形如图1所示。

图1 感应加热工装Figure 1 Induction heating fixture

4 感应加热升温速率均匀性工艺试验

4.1 选择加热器控制模式分析

(1)轴承加热不允许超过120℃，且禁止使用明火，过高的加热温度将降低轴承硬度，从而导致轴承早期失效。

(2)不能单独对轴承内圈进行加热，双列圆锥滚子轴承必须整体进行加热。

(3)在加热过程中需对轴承内外圈的温差进行持续监控，温差不应超过15℃，一旦温差超过会引起滚动体和滚道之间的预负荷，会导致滚道提前失效。

感应加热在热传递过程中，如果升温速率过快，就会在厚大工件的不同区域产生一定的温度梯度，高温区产生较大的拉伸应力而受到低温区的限制，由此产生一定的温度应力，当温度应力达到材料的屈服点时，轴承会产生永久的塑性变形，对轴承的尺寸精度造成影响，存在较大的安全隐患。因此，在使用感应加热器加热轴承前，需充分了解其各项参数功能，必须寻找一个温度和时间相对线性的升温速率。

根据厂商推荐，选择恒温控制模式设置工艺参数，主要参数为：升温速率、温度最大值、恒温PID比例系数、恒温PID积分时间、恒温PID微分时间、预置PID积分以及超温差设定等。由于不同材质、不同形状和厚度的工件，实现线性升温的加热参数不同，因此需要进行多次调试验证后方可确定加热参数。

4.2 轴承加热参数设置

4.2.1 轴承内外圈加热参数设置

经多次参数调试并拟合温度-时间曲线，发现影响升温速率均匀性的主要参数变量是升温速率、恒温PID比例系数、恒温PID积分时间这三个参数；根据轴承安装要求将温度最大值定为110℃，超温差设定为5℃，一旦超过设定温差，控制系统会反馈并等待低温区升温，从而防止轴承局部过热。最终确定的轴承内外圈感应加热器参数见表1。试验时必须先在外圈上进行，与产品热装时相同，防止先加热内圈时内圈膨胀，受到外圈的拘束产生预负荷，导致滚动体受到损伤。

在加热过程中，使用PT100铂热电阻对测温点实施监控，校核感应加热器界面反馈的温度。应确保PT100铂热电阻与轴承紧密贴合。全程记录PT100铂热电阻测试的温度值，避免试验过程中操作失误造成轴承损伤。

根据轴承内外圈上分别布置的6点测温传感器反馈的温度值，开始加热时，每隔10 min采集一次温度数据，过程记录分别见表2和表3。

表1 轴承内外圈加热器参数Table 1 Respective parameters of bearing outer ring heater and inner ring heater

表 2 轴承外圈加热升温记录Table 2 Heating records of bearing outer ring

表3 轴承内圈加热升温记录Table 3 Heating records of bearing inner ring

4.2.2 试验数据分析

外圈加热过程中的最大温差4℃，最大功率22.9 kW；内圈加热过程中的最大温差4.5℃，最大功率26.7 kW；内外圈整个过程升温速率较均匀，根据表2、表3记录数据换算可知，升温速率基本呈现线形；外圈达到保温温度时超过设定温度仅0.8℃，内圈达到保温温度时超过设定温度仅0.6℃。因此，采用感应加热技术可保证轴承内外圈均匀加热，加热过程中的最大温差和最高温度可控，满足轴承加热要求。

5 感应加热技术的实际应用

5.1 轴承加热准备

将轴承开箱检查、清理、调同心后轴承安装夹具吊运至加热区域，放置在加热工装内，调节线缆支撑臂，保证感应加热线圈与轴承间隙均匀。

在轴承内外圈端面各均布安置6件测温探头，并与感应加热器的接口连接，形成闭环回路。

测温探头为带磁力K型热电偶，最大测温范围为200℃，加热过程中应保证探头不失磁。

5.2 轴承内外圈加热过程

5.2.1 先加热外圈

(1)开启外圈加热器电源，确认感应加热器参数按表1设置。

(2)将轴承外圈加热到110℃。

(3)到达加热温度后，保温30 min后加热内圈。轴承外圈需要持续保温，不能中断，直至内圈保温完成。

5.2.2 再加热内圈

(1)开启内圈加热器电源，确认感应加热器参数按表1设置。

(2)将轴承内圈加热到110℃。

(3)到达加热温度后，保温60 min后测量尺寸。

5.2.3 注意事项

(1)为保证轴承装配的洁净度，轴承加热过程中使用透明可视的塑料薄膜覆盖工装。

(2)需专人监督加热器的功率、电流变化、各点的温差变化情况。

(3)每隔10 min需使用PT100铂热电阻测试轴承测温点附近的温度，并做好记录。

5.3 装配尺寸测量

使用吊装工具水平起吊轴承并调平，使用内径千分尺测量4点轴承内径，要求测量内径尺寸≥(轴承名义尺寸+1.5 mm=∅2000.15 mm)，实测的内径平均值为∅2001.72 mm，轴承加热后内径尺寸完全满足轴承加热要求。

6 结论

(1)ATECFR中频加热器选择恒温模式，通过调节升温速率、温度最大值、恒温PID积分时间、预置PID积分、恒温PID比例系数以及超温差设定等参数，可实现加热过程中线性的升温速率，能可靠地将轴承加热膨胀至符合装配要求。

(2)在加热轴承时需使用两台感应加热器配合设计专用工装，先用一台加热器对轴承外圈进行加热，待外圈升温至设定温度，并保温至充分膨胀后，再用另一台加热器对轴承内圈进行加热，防止轴承外圈对内圈的约束对轴承造成损伤。

(3)感应加热技术应用于轴承加热，具有工作环境好、操作方便、效率高、安全可靠、洁净度高的特点，目前已经在公司内广泛应用于风力发电机轴承热装。