高效火焰加热器在风电齿轮箱装配中的应用

陈震

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，沈阳 110869）

1 引言

在零部件的过盈装配过程中，有时采用火焰加热方式进行热装。在火焰加热中常用乙炔、丙烷、天然气、煤气，以前用量最多的是乙炔，近年来，由于丙烷价格便宜，使用安全，气源充足，对环境无污染，综合效果优于乙炔及其他燃气，故用量大大增加。

丙烷是一个三碳的烷烃，化学式为C3H8，着火点为450℃，易燃，化学方程式：C3H8+5O2→3CO2+4H2O，在氧气中燃烧温度低于2500℃，虽然低于乙炔的3100℃，切割效果不如乙炔，但是作为零部件热装过程的热源足够了，其加热温度可达300℃以上。风电齿轮箱的前箱体内孔与轴承的外圈采用过盈连接，配合面靠前端，为整个前箱体高度的1/3，工艺上采用加热前箱体的热装方式，为了保证装配的可靠性，须将内孔加热胀出1.5mm，由于前箱体体积较大，在批量生产中如何高效经济且保证质量完成这道工序，是本文研究的主要方向。

2 风电齿轮箱前箱体加热方式比较

2.1 采用箱式电加热炉加热前箱体的时间和成本分析

风电齿轮箱的前箱体材料是球墨铸铁，与主轴轴承外圈的过盈配合尺寸公差为0.14～0.43mm，考虑到如果使用箱式电加热炉加热，需要准备室内容积较大的加热炉，加热时间较长，而且在加热炉中前箱体是整体加热，冷却时间也会很长。

另外，在前箱体与主轴轴承装配时，为了防止轴承表面硬度和轴承游隙的变化，热装后轴承外表面温度应控制在120℃以内，不能超过回火温度。热装间隙为配合轴承外圈直径的1/1000，加热时间按前箱体厚100mm 需加热100min 估算。保温时间按加热时间的1/4 估算，需要25min，总共加热时间至少为125min。

如果环境温度为20℃，装配间隙按1.1mm，前箱体理论加热温度：t1=（Δ+δ）/（dα）+t0=1.5/（1300×1.2×10-5）+20=116℃式中，Δ为过盈值；δ为装配间隙；d为配合尺寸；α为线膨胀系数，钢件为1.2×10-5/℃；t1为加热温度；t0为环境温度。

按照加热炉额定功率60kW 计算，使用2h 需要120kW·h 电，按每kW·h 电1元钱计算，加热前箱体，每件需要120元。能用于前箱体的加热炉每台价格为15 万元。

2.2 采用氧丙烷火焰加热前箱体的时间和成本分析

根据经验使用氧丙烷加热前箱体温度达到120℃时的材料消耗为：丙烷1 瓶+氧气5 瓶=3个前箱体，丙烷的规格为30kg/瓶，售价220元，氧气的规格为40L/瓶，售价14.5元，则每个前箱体使用氧丙烷加热的成本为：（220+14.5×5）/3=97.5元。

每个前箱体的加热时间为40min，另外，使用火焰加热还可以缩短吊具安装的时间，避免前箱体装配过程温度的降低。

可移动式火焰加热器设备价格为7 万元。

表1 两种加热方式时间及成本比较

2.3 结果对比

对于前箱体的加热，采用火焰加热在加热时间、消耗成本和设备的投入成本上，都要优于箱式电加热炉。

3 高效火焰加热器对前箱体加热效率的提升

3.1 人工割枪效率低，作业空间窄

如图1 所示，在风电齿轮箱装配前期，前箱体的火焰加热是由几名操作工人每人手持一把割枪，沿与轴承配合表面上下移动烘烤，这种方式存在许多问题与不便：表面受热不均，内孔出现椭圆和上下尺寸差别大。四把割枪，需五人同时操作，火力不够，效率较低。作业面积小，操作人员多，现场显得混乱。

3.2 高效火焰加热器的结构和操作

为了提高火焰加热的效率，我们根据前箱体受热的面积、位置，设计、制造了一种新型的火焰加热设备，它的结构如图2 所示，包括割枪组车、2×5 对瓶组丙烷汇流排、2×5 对瓶组氧气汇流排。

图2 高效火焰加热设备的结构示意图

（1）割枪组车：根据火焰加热时前箱体的受热直径和宽度，我们沿圆周方向布置了3 杆割枪，每个割枪上设计了两个喷火口，相当于有6 把割枪同时均匀地给前箱体加热，操作上只须由1 人转动吊起的前箱体即可。加热40min 后，测量配合尺寸，达到装配的间隙后，加热结束。割枪组车的燃气来源于丙烷汇流排和氧气汇流排。

（2）丙烷汇流排：丙烷集中供气装置将10个丙烷气瓶分两组，每组5 瓶安装一起进行汇流、减压，然后以0.01～0.15MPa的压力输送给割枪组车。

（3）氧气汇流排：将10个氧气气瓶分两组，每组5 瓶安装一起进行汇流、减压，然后以0.15～1.5MPa的压力输送给割枪组车。

割枪组车、丙烷汇流排和氧气汇流排三者的存放宽度至少在5m 以上。

如图3 所示此装置结构合理、操作简单、受热均匀、节约能源、节省气体，不仅大大减轻了操作者的劳动强度、节省工时、提高工作效率，而且使工作环境更加安全整齐。

图3 使用高效火焰加热器加热前箱体

4 结论

根据风电齿轮箱前箱体与主轴轴承的配合形式，采用高效火焰加热器对前箱体加热，只用一个人操作即可完成全部的加热过程，效率大大提高。由于火焰喷嘴的合理设计，在加热时，能使前箱体受热面均匀，内孔各截面膨胀尺寸一致，确保了与主轴轴承装配时的质量。

［1］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2008.