摘要：感应加热是一种典型的电加热。主要是利用电磁感应的方法在被加热工件的内部产生电流（即涡流），通过涡流产生的涡流热来加热工件。该方法具有加热效率高、节能；温度易控制和调节；升温快；无明火，可控性好等优点。特别适用于圆筒形导电物体的加热，在轴承分解中使用方便。本文主要介绍了感应加热技术在航空轴承分解工艺中的应用。通过技术分析和方案研究，设计并制造了航空轴承内环电感应分解设备。经过实验，该设备工作稳定；节能；温度易控和调节；升温快；效率高；具有广泛的应用前景。
关键词：航空轴承内环 感应加热 硬度
前言：在航空发动机结构中，高压压气机转子后轴承属主轴轴承，工作时支撑着发动机的高速旋转转子，属高速旋转件，亦是关键件，工作时最高转速达17626r/min，对发动机的安全可靠工作起着非常重要的作用。高压压气机转子后轴承为内圈无挡边的圆柱滚子轴承，轴承内环与高压压气机转子轴颈过盈量最大达到0.038mm，其主要分解工艺方法是采用拔卸工具。因此，在常温下任何分解操作不当都易造成高压压气机转子后轴颈外表面产生严重拉伤、拉沟、甚至报废，严重影响航空发动机的生产交付。
1、感应加热原理及设备参数选择
1.1感应加热的基本工作原理
如图1所示，导电物体被置于交变电磁场中，利用电磁感应的涡流及磁滞所产生的热量加热，它是电磁感应、涡流的集肤效应及热传递三项基本原理的实际应用。集肤效应表明：电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效用越显著。电流在表面流动，中心则无电流。同时，涡流的电流密度由物体的表面向内部方向按指数规律衰减。
图1 感应电流视图
1.2分解工艺方法
由于高压压气机转子后轴承内环感应加热后，向轴颈传递热量较快，因此分解过程应迅速。通过研究分析，若在加热过程中，将高压压气机转子后轴颈置于竖直向下，轴承内环感应加热后在自重作用下能够实现自动脱落。采用该方式，保证轴承内环分解迅速，不会造成高压压气机转子后轴颈外表面产生机械损伤。但加热后应保证轴承内环温度不能超过最高允许温度。
1.3设备基本参数确定
感应加热器的设备参数一般根据工艺要求的功率、轴承内环的外形尺寸、材料性能等来计算线圈的匝数、导线的截面、加热频率大小及磁路的结构等。
1.3.1 线圈匝数
因影响因素较多，常采用如下经验公式来确定线圈的匝数：N=（√1600ηL/DP√ρµƒ）Ucosφ
适中：N-所需匝数（匝）；U-电源电压（伏）；η-加热器效率,可按0.8~0.9计；L-轴承内环宽度（cm）；cosφ-圈的功率因素,可按0.5~0.7计；D-轴承内环宽外径（cm）；P-加热器电功率（Kw），由工艺要求而定；ρ-轴承内环的电阻系数（Ω.cm）；µ-轴承内环的导电率，一般和铁和钢可按250计；ƒ-工作频率（Hz）
1.3.2集肤深度
在工程上，当涡电流密度由表面向内衰减到数值等于表面涡电流密度的0.368倍时的距离称为涡流的集肤深度。可用下式来表示：δ=503√（ρ/µƒ）式中：δ-涡电流的集肤深度（mm）；ρ-轴承内环的电阻率（Ω.m）；µ-轴承内环的相对导磁率；ƒ-电磁场交变频率（Hz）
当轴承内环加热分解时，由于涡电流的集肤效应，是大量的涡电流集中在轴承内环的外层，而内层和轴颈产生的涡电流热很少，导致轴承内环迅速膨胀，最终从轴颈上脱落下来。
1.3.3工作频率的选择
由公式可知，当其它条件一定时，N、δ取决于工作频率ƒ。ƒ值越大，渗透深度越小；反之，则越深。对于中小型轴承（直径小于Φ100mm，δ在2~10mm），工作频率一般选择中频，在减少线圈匝数N的同时，还可以很好的保证轴承内环加热后与轴颈产生较大的膨胀间隙。
表1 在环境温度为25℃下测量结果
表2 在环境温度在15℃下测量结果
针对某涡扇航空发动机高压压气机转子后轴承5D32916N 3Q内环无损分解问题，根据轴承内环相关参数；材料为轴承结构钢CCr15，内径82mm，外径93.5mm，宽度19mm.本论文研制了基于中频（电220V，频率12.1KHz）感应加热设备，线圈匝数为2圈。
本论文做了在环境分别为15℃和25℃下的工艺实验，要求在轴承内环最终加热温度不超过150℃（由红外线测温仪控制）的情况下，对不同加热时间、不同加热温度进行了测量。内环加热后，能够从高压压气机后轴颈上自动脱落，表明实验成功。测量结果见表1~表2。
实验结果表明，在不同的环境温度下，要保证轴承内环自动脱落，轴承内环加热后的最高温度不同，但加热时时间均较短。证明所研制的分解设备加热效率较高，能够满足过盈分解的要求。
2、检测
2.1残磁检测
对于航空轴承而言，若残磁量较大，对航空发动机的安全使用存在很大隐患。不同于电阻加热、电弧加热等其它加热方法，轴承内环经过感应加热后存在残磁。经检测，轴承内环残磁值符合GJB 269A-2000《航空滚动轴承通用规范》中，轴承外径﹥50～120mm，残磁最大值不大于0.6mT的规定。
表3 轴承内环感应加热后残磁值
2.2硬度检测
为了检测高压压气机后轴承内环在感应加热后机械性能的变化情况，本论文对实验件进行了硬度检测。检测结果表明，轴承内环感应加热前、后，硬度无明显变化。并符合GJB 269A-2000《航空滚动轴承通用规范》中，同一零件的硬度差不超过1HRC的规定。
结语：本论文研制的中频感应加热设备，工作稳定，体积小，经加热后的轴承内环残磁值小于0.2mT，表面硬度无明显变化，完全符合GJB 269A-2000标准。该设备除用于小型轴承的分解外，也可用于其它具有类似配合的导电工件分解，如隔圈、轴外衬套等，并广泛用于汽车、机床、铁路等行业。
参考文献：
[1]王建华等.电气工程师手册，机械工业出版社.2016.10
[2]电工基础教程.电子工业出版社.2007.04
论文作者:王磊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/16
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