王曉群，郭衛(wèi)東

(1. 中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000；2. 常州市君泰機械科技有限公司，江蘇 常州 213000)

動車風(fēng)機電機(以下簡稱風(fēng)機電機)用于我公司軌道牽引變壓器的散熱器驅(qū)動單元，對產(chǎn)品的質(zhì)量及穩(wěn)定性要求很高。目前，該類風(fēng)機電機的機座以鑄鋁材質(zhì)為主，定子與機座的裝配采用烘爐加熱工藝：將機座放入熱風(fēng)循環(huán)烘箱，由常溫加熱至工藝溫度并保溫一定的時間，使鋁機座受熱膨脹，再將受熱的機座套入定子，待機座冷卻至室溫后即完成裝配。采用傳統(tǒng)的烘爐加熱工藝，加熱效率低，加熱時間長，能耗高，對現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境有一定的影響，且存在一定的作業(yè)安全隱患。

為提升風(fēng)機電機定子與機座的裝配工藝、產(chǎn)品質(zhì)量及作業(yè)效率，降低能源消耗、作業(yè)等待浪費等生產(chǎn)成本，改善作業(yè)環(huán)境，減少烘爐加熱工藝作業(yè)勞動強度及安全隱患，針對風(fēng)機電機機座加熱工藝開展了以下研究：①機座加熱工藝介紹；②機座理論感應(yīng)加熱溫度及膨脹量計算；③感應(yīng)加熱工藝驗證；④機座感應(yīng)加熱前后變形量分析；⑤感應(yīng)加熱工藝的優(yōu)勢。

1 機座加熱工藝介紹

1.1 烘爐加熱工藝

烘爐加熱工藝采用熱風(fēng)循環(huán)烘箱進行加熱，烘箱采用風(fēng)機循環(huán)送風(fēng)方式，風(fēng)源由循環(huán)送風(fēng)電機帶動風(fēng)輪經(jīng)由加熱器，經(jīng)由風(fēng)道將熱風(fēng)送至烘箱內(nèi)部，再將使用后的空氣吸入風(fēng)道成為風(fēng)源再度循環(huán)，加熱使用，使被加熱的工件如機座受熱均勻[4]。該工藝過程通過將4～6臺風(fēng)機電機機座同時放入烘箱，將烘箱由常溫加熱至指定的工藝溫度參數(shù)(如140 ℃)，到達設(shè)定溫度后繼續(xù)保溫1.5 h，機座出烘箱后迅速套入定子，待機座冷卻后進行后續(xù)作業(yè)，烘爐加熱設(shè)備見圖1。

1.2 感應(yīng)加熱工藝

感應(yīng)加熱工藝采用感應(yīng)加熱機進行加熱，該設(shè)備使用工頻電源，具有加熱效率高，對工件尺寸的通用性強等優(yōu)點，設(shè)備結(jié)構(gòu)主要包括加熱機床、加熱主機、電氣操作控制臺、工件通用定位工裝、加熱桿升降氣缸及工件彈性測溫等裝置。該工藝過程通過將風(fēng)機電機機座放入加熱工裝上，待機座達到相應(yīng)的工藝溫度后，迅速將機座套入定子，完成套裝作業(yè)。感應(yīng)加熱設(shè)備見圖2。

圖1 烘爐加熱設(shè)備

圖2 感應(yīng)加熱設(shè)備

2 機座理論感應(yīng)加熱溫度及膨脹量計算

選取了某典型風(fēng)機電機JDX進行感應(yīng)加熱工藝研究，其機座采用鑄鋁合金制造。

2.1 感應(yīng)加熱驗證溫度確定

根據(jù)感應(yīng)加熱溫度計算公式：

(1)

式中：T為機座需要加熱的溫度值，℃；Δ為機座與定子鐵芯配合面的最大過盈量，查閱技術(shù)圖紙，該產(chǎn)品Δ=|機座內(nèi)徑最小值-定子外徑最大值|=|210.012-210.126|=0.111 mm；K為加大系數(shù)，當軸頸Φ為150～220 mm時，K為0.2～0.3，該機座軸頸(內(nèi)徑)尺寸為210 mm，取K=0.3；α為線膨脹系數(shù)，α(鋁)=0.000 023 8 ℃-1；D為機座與定子鐵芯配合面的基本直徑尺寸，mm；t為室溫，考慮廠房夏天極端氣溫，此處t取40 ℃。

野葡萄樹長在右邊園里。樹干比大拇指粗點不多，又黑又干又硬，看上去一點生機都沒有，春天的到來，他卻來了精神，沒幾天長出新枝葉。新發(fā)出的枝葉向旁邊的樟松樹，沒皮沒臉地攀援著，青青的黃豆大的果實不知道啥時候長了出來，偶爾看到喜鵲在葉子里偷吃果子，當人接近時，發(fā)出嘎嘎叫聲，似乎在向人們說：這是我的領(lǐng)地，不許靠近。

考慮生產(chǎn)實際情況及公司以往經(jīng)驗(該型號產(chǎn)品烘爐加熱溫度為140 ℃)，該型號產(chǎn)品感應(yīng)加熱驗證溫度T初始理論值設(shè)為130 ℃，同時為了對加熱效果進行對比，增加140、150 ℃下的對比驗證。

2.2 機座膨脹量計算

為便于對感應(yīng)加熱的實際膨脹量進行驗證，對不同感應(yīng)加熱溫度下機座的膨脹量進行了理論計算，其中 130、140、150 ℃時，根據(jù)機座內(nèi)徑尺寸膨脹量計算公式(2)：

△LT2=α×(T2-T1)×LT1

(2)

各驗證溫度下的機座膨脹量分別為

△L130℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(130-25)×210 =0.525mm

△L140℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(140-25)×210 =0.575mm

△L150℃=α×(T2-T1)×LT1=0.000 023 8×(150-25)×210 =0.625mm

按照產(chǎn)品設(shè)計圖紙，T1選取25 ℃，該溫度下機座的基本內(nèi)徑尺寸為210 mm，鋁的線膨脹系數(shù)α=0.000 023 8 ℃-1。

3 感應(yīng)加熱工藝驗證

選取1臺JDX型風(fēng)機電機機座及定子，采用游標卡尺分別測量機座兩個不同位置的內(nèi)徑尺寸，并做好位置標記，將定子預(yù)先放置在支撐工裝上等待套裝。

將機座放置在感應(yīng)加熱機的定位工裝上，設(shè)置加熱溫度為130 ℃，啟動設(shè)備開始加熱，采用接觸式測溫槍對機座的表面溫度進行測量，當機座表面溫度達到130 ℃后，設(shè)備自動停止加熱，迅速測量標記位置的內(nèi)徑值及實際膨脹量，并將機座迅速套入定子。經(jīng)驗證，該溫度下機座可以套入定子，但套入比較困難，環(huán)境溫度較低時機座快速冷卻，出現(xiàn)異常情況無法及時將機座退出。感應(yīng)加熱過程及機座套定子成品分別見圖3、圖4。

圖3 感應(yīng)加熱過程

圖4 機座套定子成品

待機座冷卻到室溫后，繼續(xù)完成140 ℃及150 ℃下的感應(yīng)加熱驗證，最終結(jié)果見表1。

通過對JDX型機座分別在130、140、150 ℃的溫度下進行感應(yīng)加熱工藝驗證，綜合考慮實際操作環(huán)境、機座的自然冷卻速度及設(shè)備能耗等因素，將140 ℃定為該型號風(fēng)機電機機座的感應(yīng)加熱工藝溫度。

4 機座感應(yīng)加熱前后變形量分析

為驗證感應(yīng)加熱工藝對風(fēng)機電機機座尺寸變形量的影響，采用三坐標儀掃描了JDX型風(fēng)機電機機座在恒溫(20 ℃)環(huán)境下的機座內(nèi)徑尺寸，同時，將機座進行感應(yīng)加熱后，再次測量了自然冷卻至20 ℃后對應(yīng)機座的內(nèi)徑尺寸，以衡量感應(yīng)加熱前后機座尺寸的穩(wěn)定性，防止因感應(yīng)加熱效率過快造成機座不可逆的形變。測試結(jié)果見表2。

表1 JDX型動車風(fēng)機電機機座感應(yīng)加熱試驗記錄表

表2 感應(yīng)加熱對JDX型鋁機座變形量的影響 mm

通過對機座感應(yīng)加熱前后內(nèi)徑尺寸進行三坐標檢測，感應(yīng)加熱對機座的尺寸及圓度影響很小，且機座尺寸均在設(shè)計的尺寸范圍內(nèi)，機座不會產(chǎn)生不可逆的形變，冷卻后機座尺寸的穩(wěn)定性可以保證產(chǎn)品性能。

5 感應(yīng)加熱工藝優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的烘爐加熱工藝相比，感應(yīng)加熱工藝具有以下優(yōu)點：

(1)感應(yīng)加熱工藝效率高，鋁機座從常溫加熱至140 ℃僅需3～4 min，與烘爐加熱(4～6臺機座同時加熱)約需2 h(含保溫時間)相比，綜合加熱效率提升了5～10倍以上。

(2)生產(chǎn)效率提升的同時，能耗也得到大大降低，感應(yīng)加熱機功率為45 kVA，按照加熱3 min計算，單臺能耗為2.25 kW·h，而烘爐(功率63 kW)加熱2 h，單臺能耗約21 kW·h，單臺可節(jié)約電能18.75 kW·h，能耗降低了89.3%。

(3)采用感應(yīng)加熱，設(shè)備占地面積小，適用于流水線批量生產(chǎn)作業(yè)，同時，感應(yīng)加熱時間短，只對工件加熱，不會造成嚴重的環(huán)境污染，更有利于現(xiàn)場操作人員的身體健康。

6 結(jié) 論

本文通過采用感應(yīng)加熱技術(shù)對動車風(fēng)機電機鋁機座熱套定子工藝進行了研究，驗證了不同的感應(yīng)加熱溫度下機座套裝定子的裝配情況及感應(yīng)加熱工藝對機座變形量的影響。感應(yīng)加熱技術(shù)極大的提升了加熱效率，能有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本及操作者的勞動強度，減少烘爐對環(huán)境的影響，更適應(yīng)電機組裝流水線操作及電機的批量化生產(chǎn)，可進一步推廣應(yīng)用于其他產(chǎn)品的過盈裝配。