大型回转支承无软带感应淬火设备开发

肖礼志,胡江平,翁武钊

(三一重能有限公司，北京 102206)

在混凝土泵车、风力发电设备、港口设备、起重机设备中，大量使用回转支承等大型传动件。最常用的回转支承结构由内、外圈及钢球或辊子等组成。为了提高回转支承的承载能力及使用寿命，内外圈必须进行淬火处理。现阶段最常用的淬火方式主要为高温炉淬火及感应淬火，由于感应淬火对工件淬火速度快而受到广泛应用。目前国内外感应淬火设备，主要采用感应器与工件相对运动的扫描式感应加热淬火，且工件在加热的过程中快速冷却，此方式加工出来的产品都存在软带问题。本文研究出一种新型感应淬火设备，通过创新加热模式，给出了设备的基本组成、工作原理，并利用有限元分析软件，模拟热力场，有效解决了回转支承软带问题，保证产品更加安全可靠。

1 设备工作原理及组成

1.1 设备技术分析

回转支承零件内圈如图1所示，零件材料为42CrMo，属于淬透性较高的高合金钢，此类零件由于尺寸较大，用传统的淬火工艺容易产生软带和裂纹，软带受力较大部位有断裂风险。本文设计一种新型感应淬火设备，能适应直径φ2000～φ4500 mm，高度小于300 mm的零件，采用整体式加热，实现零件无软带淬火。设备示意图如图2所示，主要由旋转升降平台、感应器部件、龙门架部件、液压系统、电气系统、冷却系统等组成。

图1 回转支承内圈

图2 感应淬火设备

工件淬火的基本原理：旋转升降平台通过顶升油缸驱动旋转平台上升至预定位置，将待加工工件吊装至旋转平台上，通过锁紧装置固定；感应器部件和龙门架部件沿导轨行走至旋转升降平台正上方；通过滚珠丝杆和调节机构，调节感应器与工件之间的距离；调整完成后，旋转平台带动工件旋转；此时开启电气系统和冷却系统，对工件进行加热，使工件表面温度整体达到预定值；顶升油缸迅速驱动旋转平台及工件下降至淬火液池中进行冷却；冷却完成后旋转升降平台将工件上升至预定位置，松开锁紧装置，吊装工件实现一次整体淬火。

1)升降旋转工作台

升降旋转平台主要包括顶升油缸、导向筒、旋转平台、锁紧装置、滚轮、滚道、马达等。其中三个顶升油缸下端通过地脚螺栓固定在地面上，上端与旋转平台的旋转支架连接，旋转平台在油缸的驱动下做上下升降运动。其中，为了使顶升油缸升降过程中稳定可靠，在其外部还设计导向筒。旋转平台与旋转支架之间设计滚轮及滚道，旋转支架上安装马达及减速机。待加工工件放置在旋转平台上，通过锁紧装置固定。马达和减速机驱动旋转平台的滚轮在滚道上360°旋转。升降旋转平台通过顶升油缸装置能迅速准确地将工件升降至预定位置；通过旋转装置使工件稳定地周向旋转，极大满足工件在加热过程中受热均匀及可靠性。

2)感应器部件

感应器部件主要包括伸出臂、圆盘组件、滚珠丝杆、马达、悬挂组件、调节组件、感应器、变压器等。其中八个伸出臂均布在圆盘组件上，单个伸出臂上安装滚珠丝杆和悬挂组件，滚珠丝杆在马达驱动下，可实现悬挂组件沿伸出臂左右移动。悬挂组件上安装调节结构，可实现上下调节及周向旋转。调节机构下端安装变压器及感应器。此感应器部件可根据待加工工件尺寸进行感应器数量调节，淬火前后，可随时调节感应器与工件之间的距离，调节灵活，操作简单。

3)机架部件

龙门架部件主要包括龙门架、电机部件、箱体横梁组件、小伸出臂、连接板、轨道等。其中龙门架在电机部件的驱动下沿预铺的轨道移动，龙门架上设计箱体横梁组件。箱体横梁组件上安装八个小伸出臂和连接板，可与感应器部件通过螺栓进行连接。此部件是感应器部件的承重机构，也是感应器部件的驱动机构。

4)其他系统

液压系统主要实现液压油缸的上下动作；电气系统主要控制淬火电源开关、机架行走、淬火感应器调节和总体控制等；冷却系统主要实现淬火感应器和电容冷却。这些系统都比较成熟，本文不再详细介绍。

2 工件加热有限元热力场分析

由于设备主要针对大型回转支承淬火，能否将工件整体加热至预定值成为关键点。通过有限元软件对要求淬硬层深度为4 mm的回转支撑外表面进行多点式感应淬火热力场分析，得出距离感应内表面的加热T-t分布图及所需时间。

1)电磁-热耦合计算流程图见图3。

2)模型及加载。建立电磁-热双相耦合多物理场载荷传递分析法的有限元简化模型如图4所示。

图3 电磁-热耦合计算流程图

以加工直径为φ4000 mm的回转支承工件为例，工况参数表如表1所示。

表1 工况参数表

3)有限元分析结果如图5所示。其中距离工件表面4 mm处，加热前90 s可迅速升温到750 ℃。随后由于750 ℃附近是42CrMo的居里点，材料的相对磁导率迅速降低，由有序的铁磁体变为无序的顺磁体，需消耗大量的能量。伴随温度越高，热辐射及对流能量损失越大，导致升温速度越来越慢。

图4 有限元简化模型

图5 热力场分析结果图

距离工件表面4 mm处，在280～290 s时间段，温度场一直保持880～900 ℃范围内，且距离工件表面145 mm处，加热230 s后温度大约为300 ℃，满足淬火所需温度以及保温时间要求。

3 结论

在分析了目前大型回转支承淬火存在软带问题的基础上，研究出了一种新型的无软带感应淬火设备。通过对设备工作原理的介绍，详细设计出了旋转升降平台、感应器部件、龙门架部件等结构，并利用有限元软件模拟工件加热过程中的热力场分布，给出加热至预定值所需时间，最终实现大型回转支承整体淬火，有效解决工件软带问题。此设备已经在公司内部试装运行，取得了预期效果，但是还有待继续研究改进。