3 MW风电主轴轴承淬火油槽设计

邵阳，马忠超，姚艳书

(瓦房店轴承集团有限责任公司，辽宁 瓦房店 116300)

随着我国风力发电产业的发展，风力发电机由1.5 MW发展到3 MW[1-2]，风电轴承的使用寿命一般要求为20年[1]，所以对轴承热处理的要求非常高。3 MW风电主轴轴承采用G20Cr2Ni4A渗碳钢制造，轴承质量3 t，外径2.5 m，壁厚160 mm，硬度要求不小于60 HRC。由于轴承尺寸大，为防止套圈在二次淬火过程中变形，必须采用模具淬火。由于多种影响因素的作用，轴承热处理后硬度在55 HRC左右，达不到技术要求，成为3 MW风电主轴轴承研制的瓶颈。

经过多次分析论证及试验发现，套圈的材料、外形尺寸、壁厚以及模具因素都无法改变，唯一能改变的是冷却过程，因此，以淬火冷却装置为突破口，研制出一种新型淬火油槽。

1 淬火油槽装油量计算

以前渗碳钢轴承一次淬火和二次淬火均采用同一淬火油槽，造成油槽装油量大。在相同机械搅拌力作用下，装油量越小，油的流动速度越快，越能提高冷却速度。依照3 MW风电主轴轴承套圈的外形尺寸和质量，通过热量传导计算淬火油的质量，进而计算淬火油槽的体积。

1.1 淬火工件放热量

淬火工件放热量Q为[3]

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

式中：m为淬火工件质量，包括模具、料架，最大约为3 000 kg；Cs1为工件由0℃加热到850 ℃的平均比热容，约0.71 kJ/(kg·℃)；Cs2为工件由0 ℃冷却至100 ℃的平均比热容，约0.50 kJ/(kg· ℃)；ts1，ts2分别为工件冷却开始温度(850 ℃)和终了温度(100 ℃)。

1.2 淬火油需求量

依据淬火工件放热量，计算得淬火油体积为[3]

V=Q/ρC0(t02-t01)=78.5(m3),

式中：ρ为淬火油密度，当油温为30～40 ℃时，ρ=900 kg/m3，当油温为80～90 ℃时，ρ=870 kg/m3，未查得油温60～70 ℃时的密度，因此取已知数据的平均值得ρ=885 kg/m3；C0为淬火油平均比热容，油温20～100 ℃时，C0=1.88～2.09 kJ/(kg·℃)，取平均值为1.99 kJ/(kg· ℃)；t01，t02分别为淬火油开始温度(58 ℃)和终了温度(70 ℃)。

依据所需淬火油体积，设计淬火油槽结构如图1所示。

图1 淬火油槽结构示意图

2 辅助油循环装置

普通轴承的外形尺寸和壁厚较小，一般采用带有单一顶插式或侧插式搅拌器的淬火油槽即可满足套圈的淬火要求。而对于3 MW风电主轴轴承，采用单一顶插式搅拌器的淬火油槽只能保证外滚道的硬度，无法保证内滚道的硬度；若采用单一侧插式搅拌器的淬火油槽只能保证内滚道的硬度，而无法保证外滚道硬度。因此，通过流体力学及试验等多方面的分析计算，设计了带有顶插式和侧插式组合搅拌器的淬火油槽，并加装辅助油循环装置，满足了风电主轴轴承套圈的淬火要求。

整体插拔涌泉式底返油搅拌器由搅拌电动机、搅拌轴、三叶螺旋桨组成，搅拌电动机通过搅拌轴带动三叶螺旋桨将油推进导流筒，经导流筒将油从底端向上喷出。安装涌泉式搅拌器4台，电动机功率7.5 kW，叶轮直径450 mm，4只导油桶直径均为500 mm，可变频调速。提升了涌泉搅拌效果，能使淬火油在轴向形成快速环流，对提升工件内径淬火硬度有明显效果。

安装侧循环搅拌器4台，整体插拔侧循环搅拌器与整体插拔涌泉式底返油搅拌器结构基本相同，只是没有导油桶。其能够使淬火油径向形成快速环流，对提升工件外径淬火硬度有明显效果。

顶插式和侧插式组合搅拌器属于整体插拔式，在不排油的情况下可整体维护、维修。

3 热处理工艺试验

3 MW风电主轴轴承外圈FL-3506/2000.21淬火工艺为：淬火加热温度820 ℃，总加热时间6 h，工件淬火前涂防脱碳剂；工件入油淬火时油温为58 ℃，淬火冷却23 min，出油后油温为70 ℃，工件出油温度为90 ℃；工件冷却至60 ℃后清洗，清洗液温度为19 ℃，工件清洗后温度为30 ℃。接着工件入回火炉进行回火。3 MW风电主轴轴承FL-3506/2000.21回火后硬度为60.5～61.0 HRC，达到JB/T 8881—2011标准要求。

4 结束语

传统淬火油槽采用单一顶插式或侧插式搅拌器的淬火油槽，无法保证3 MW风电主轴轴承淬火冷却后的硬度，将两者成功组合，设计出新型淬火油槽，已加工近百件3 MW风电主轴轴承，完全达到了技术要求。