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加热装置、加热方法以及轴系装配方法

阅读：212发布：2020-05-11

专利汇可以提供加热装置、加热方法以及轴系装配方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种用于风力发电机的大型轴系部件的加热装置、加热方法以及轴系装配方法。所述加热装置包括：柔性加热膜，用于包覆在所述待加热部件的表面上；抽真空系统，用于在所述柔性加热膜密封地包覆在所述待加热部件上的情况下，对所述柔性加热膜的内部抽真空；控制单元，控制柔性加热膜的加热操作以及所述抽真空系统的操作。根据本发明的技术方案，解决了传统加热方法和装配方法存在的加热不均导致的装配质量问题，并且更加节能环保。，下面是加热装置、加热方法以及轴系装配方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于加热待加热部件的加热装置，其特征在于，所述加热装置包括：
柔性加热膜(500)，埋设有柔性电热元件，用于包覆在所述待加热部件的表面上，以对所述待加热部件进行加热；
抽真空系统(600)，用于在所述柔性加热膜(500)密封地包覆在所述待加热部件的表面上的情况下，对所述柔性加热膜(500)的内部抽真空，使所述柔性加热膜(500)紧密贴附在所述待加热部件的表面上；
控制单元(800)，控制所述柔性加热膜(500)的加热操作以及所述抽真空系统(600)的操作，
其中，所述柔性加热膜(500)形成为袋状或片状，包括用于包覆所述待加热部件的外侧表面的第一加热膜(510)和用于包覆所述待加热部件的内侧表面的第二加热膜(520)。
2.如权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括多个压电传感器(560)，所述压电传感器(560)埋设在所述柔性加热膜(500)中，或者贴附在所述柔性加热膜(500)的内表面与所述待加热部件的表面之间，所述控制单元(800)根据所述压电传感器(560)的感测值控制所述抽真空系统(600)和/或判断所述柔性加热膜(500)的泄露位置。
3.如权利要求2所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括第一温度传感器(540)和第二温度传感器(550)，第一温度传感器(540)用于感测待加热部件的温度，第二温度传感器(550)用于感测所述柔性加热膜(500)的加热温度，所述控制单元(800)根据所述第一温度传感器(540)和第二温度传感器(550)的感测值，控制所述柔性加热膜(500)的加热操作。
4.如权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述柔性加热膜(500)具有封口边缘，多个所述压电传感器(560)中的至少一个布置在所述封口边缘的周围。
5.如权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述待加热部件为筒状结构并具有筒体，所述第一加热膜(510)包覆所述筒体的外侧表面，所述第二加热膜(520)包覆所述筒体的内侧表面，所述第一加热膜(510)和所述第二加热膜(520)在所述筒体的端部对接，多个所述压电传感器(560)中的至少一个布置在所述第一加热膜(510)和第二加热膜(520)的对接处周围。
6.如权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述待加热部件包括本体部和从所述本体部凸出的凸出部，所述凸出部中设置有安装孔，所述加热装置还包括感应加热单元(700)，所述感应加热单元(700)包括感应加热器(710)，所述感应加热器(710)用于布置在所述安装孔中。
7.如权利要求6所述的加热装置，其特征在于，多个所述压电传感器(560)中的至少一个布置在所述柔性加热膜(500)的与所述凸出部和所述本体部连接处相应的位置。
8.如权利要求1-4中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述待加热部件包括筒体以及设置在所述筒体上的外法兰(203、204)，所述外法兰(203、204)具有多个螺栓孔，所述加热装置还包括感应加热单元(700)，所述感应加热单元(700)包括多个感应加热器(710)，多个所述感应加热器(710)用于分别设置在所述多个螺栓孔中。
9.如权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述感应加热器(710)利用电磁感应的集肤效应和临近效应对所述外法兰(203、204)进行加热，通过所述外法兰(203、204)向所述筒体导热，使所述外法兰(203、204)先于所述筒体膨胀，解除所述外法兰(203、204)对所述筒体膨胀时施加的压应力。
10.如权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述感应加热单元(700)还包括连接所述多个感应加热器(710)的电磁线(720)以及感应加热电源(730)，所述多个感应加热器(710)通过所述电磁线(720)相互串联或并联。
11.如权利要求8中所述的加热装置，其特征在于，所述待加热部件为永磁直驱风力发电机的转动轴(2)。
12.如权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述感应加热器(710)在所述螺栓孔中设置为更靠近所述筒体。
13.如权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括绝热保温层，用于在所述柔性加热膜(500)包覆在待加热部件上之后覆盖在所述柔性加热膜(500)的外侧。
14.一种用于加热待加热部件的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
用柔性加热膜(500)包覆所述待加热部件的表面，所述柔性加热膜(500)中埋设有柔性电热元件，所述柔性加热膜(500)形成为袋状或片状，包括用于包覆所述待加热部件的外侧表面的第一加热膜(510)和用于包覆所述待加热部件的内侧表面的第二加热膜(520)；
将所述柔性加热膜(500)密封并利用抽真空系统(600)对柔性加热膜(500)的内部抽真空，使所述柔性加热膜(500)紧密贴附在所述待加热部件的表面上；
利用所述柔性加热膜(500)对所述待加热部件进行加热。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述柔性加热膜(500)中埋设有压电传感器(560)，或者在所述柔性加热膜(500)与所述待加热部件之间设置有压电传感器(560)，所述方法还包括如下步骤：根据所述压电传感器(560)的感测值，对所述柔性加热膜(500)的内部抽真空和/或检查所述柔性加热膜(500)的泄露位置。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述待加热部件的表面上设置有第一温度传感器(540)，在所述柔性加热膜(500)中埋设有第二温度传感器(550)，所述第一温度传感器(540)用于感测所述待加热部件的壁温，所述第二温度传感器(560)用于感测所述柔性加热膜(500)的加热温度，所述方法还包括：在对所述待加热部件进行加热的过程中，根据所述第一温度传感器(540)和第二温度传感器(550)的感测值控制所述柔性加热膜(500)的加热操作；
根据所述压电传感器(560)的感测值、所述第二温度传感器(550)的感测值、所述第一温度传感器(540)的感测值与所述第二温度传感器(550)的感测值之间的差值中的至少一种来控制抽真空系统(600)的操作或判断所述柔性加热膜(500)是否存在泄露。
17.如权利要求14-16中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述待加热部件包括本体部和从所述本体部凸出的凸出部，所述凸出部中设置有安装孔，所述方法还包括：在所述安装孔中布置感应加热器(710)并利用所述感应加热器(710)以及所述柔性加热膜(500)协同对所述待加热部件进行加热。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述感应加热器(710)在所述安装孔中偏心布置为更靠近所述本体部。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述本体部为筒体，所述凸出部为设置在所述筒体上的外法兰(203、204)，安装孔为设置在所述外法兰(203、204)上的多个螺栓孔。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：利用包覆在所述外法兰(203、204)的径向外表面、轴向上表面和轴向下表面的所述柔性加热膜(500)以及设置在螺栓孔中的所述感应加热器(710)对所述待加热部件协同加热。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述螺栓孔中将所述感应加热器(710)偏心布置为更靠近所述筒体，所述感应加热器(710)利用电磁感应的集肤效应和临近效应对所述外法兰(203、204)进行加热，通过所述外法兰(203、204)向所述筒体导热，使所述外法兰(203、204)先于所述筒体膨胀，解除所述外法兰(203、204)对所述筒体膨胀施加的压应力。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，在协同加热过程中，控制所述柔性加热膜(500)的加热温度或加热功率、所述感应加热器(710)的感应频率，使得所述筒体的径向厚度的质心位置从所述筒体的外侧表面吸收热量而达到设定温度的速度大于或等于所述筒体的径向厚度质心位置从所述筒体的内侧表面吸收热量而达到同样的设定温度的速度。
23.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述多个螺栓孔中的感应加热器(710)之间串联连接或并联连接。
24.如权利要求19所述的方法，其特征在于，在对所述待加热部件加热的过程中，首先使柔性加热膜(500)以恒定功率对待加热部件进行加热，在所述待加热部件的壁温达到预定值后，以恒壁温方式对所述待加热部件进行加热。
25.如权利要求14所述方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述柔性加热膜(500)包覆在待加热部件上之后在所述柔性加热膜(500)的外侧覆盖绝热保温层。
26.一种用于风力发电机的轴系装配方法，所述轴系包括定子主轴(1)、转动轴(2)、后轴承(30)和前轴承(40)，其特征在于，所述方法包括：
在所述转动轴(2)的整个表面上包覆柔性加热膜(500)，所述柔性加热膜(500)形成为袋状或片状，包括用于包覆所述转动轴(2)的外侧表面的第一加热膜(510)和用于包覆所述转动轴(2)的内侧表面的第二加热膜(520)，
在所述转动轴(2)的外法兰(203、204)的多个螺栓孔中布置多个感应加热器(710)；
将所述柔性加热膜(500)密封，并对所述柔性加热膜(500)内部抽真空；
利用所述柔性加热膜(500)和所述感应加热器(710)对转动轴(2)进行加热。
27.如权利要求26所述的轴系装配方法，其在特征在于，所述方法还包括：将加热膨胀后的所述转动轴(2)套装到已经套装了所述后轴承(30)的所述定子主轴(1)上，使所述转动轴(2)的后端装配到所述后轴承(30)的轴承外圈上。
28.如权利要求27所述的轴系装配方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述转动轴(2)处于膨胀并且满足装配过盈量的状态下，将所述前轴承(40)装配到所述转动轴(2)的前端与所述定子主轴(1)的前端之间。

说明书全文

加热装置、加热方法以及轴系装配方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电机轴系装配领域。更具体地，本发明涉及一种用于对诸如风力发电机的转动轴这样的大尺度、大质量、变径、非等截面的待加热部件进行加热的加热装置以及使用该加热装置对这种待加热部件进行加热的方法，以及对发电机轴系进行装配的方法。

背景技术

[0002] 风力发电机包括支撑定子的定子主轴和支撑转子的转动轴，定子主轴和转动轴通过轴承可相对旋转地装配在一起。对于大型风力发电机而言，需要在定子主轴和转动轴之间安装前后两个轴承。以外转子结构的大型直驱永磁风力发电机为例，发电机定子主轴与定子支架法兰连接。发电机定子主轴和发电机转动轴之间前后两端通过过盈配合安装两个轴承，即前轴承和后轴承。前轴承位于定子主轴和转动轴小径端之间；后轴承位于定子主轴与转动轴的大径端之间。转动轴上的中法兰用于与叶轮轮毂连接，叶片固定在叶轮轮毂上，通过转动轴间接驱动发电机转子。通常情况下，前轴承采用圆锥滚子轴承(简称BT轴承)，后轴承采用圆柱滚子轴承(简称NJ轴承)。图1和图2分别是风力直驱永磁发电机的定子主轴1的主视图和转动轴2的立体图。

[0003] 为了将轴承安装在定子主轴和转动轴之间，通常采用轴承安装温差法。轴承安装温差法是通过加热胀大包容件或冷却收缩被包容件或两者加热与冷却兼用以形成装入间隙过盈联接的装配方法。目前，对于BT轴承和NJ轴承的装配一般采用温差法，将轴承过盈装配在定子主轴1和转动轴2之间。

[0004] 如图3-10所示，BT轴承40和NJ轴承30的装配方法大约包括如下步骤：

[0005] (1)如图3所示，将发电机定子主轴1垂直固定在安装台上，借助感应加热器将NJ轴承30的内圈31加热膨大至满足要求的膨胀量后，将其套入定子主轴1；

[0006] (2)如图4和图5所示，借助冷却柜将NJ轴承30的外圈及保持架滚动体32和BT轴承40的第一外圈41冷却收缩至满足要求的收缩量后，分别装入发电机转动轴2的大径端201的轴承安装面和小径端202的轴承安装面；

[0007] (3)如图6和图7所示，将安装有NJ轴承的外圈及保持架滚动体32和BT轴承的第一外圈41的转动轴2套在定子主轴1上，并使NJ轴承的外圈及保持架滚动体32套在NJ轴承的内圈31上；

[0008] (4)如图8所示，借助加热器将BT轴承的内圈保持架及滚动体42加热膨大至满足要求的膨胀量后，装入定子主轴1和转动轴2的小径端202之间；

[0009] (5)如图9所示，最后，采用冷冻柜冷却BT轴承的第二外圈43后，将第二外圈43放入定子主轴1和转动轴2的小径端202之间。

[0010] 至此，如图10所示，待轴承温度恢复到室温状态时，发电机的定子主轴1、转动轴2、前轴承40和后轴承30相互配合在一起形成一个整体，发电机的定子主轴、转动轴2和轴承之间形成过盈配合。

[0011] 对于转动轴尺度较小、质量较轻的电机结构的轴承安装，温差法装配是比较简便的装配方法，在装配过程中只需对轴承的某些部件进行加热胀大或冷却收缩即可完成装配，而无需对转动轴和定子主轴进行加热或冷却。但是对于具有大尺度(直径、轴向长度较大，直径近2米，高度达4米)、大质量(重达几吨)的转动轴的风力发电机的而言，需要将转动轴进行加热，待转动轴加热膨胀到设定量后，将转动轴吊起到定子主轴上方，从上方下落，与定子主轴进行轴承装配。因此，对于大型风力发电机，在采用温差法装配轴系的过程中，需要对这种大尺度、大质量、厚度不均的转动轴进行加热。

[0012] 现有技术中，常采用的加热的方法主要介质加热法和电加热法。

[0013] 油浴法为常用的介质加热法。安装前，把被加热部件放入矿物油内加热，加热温度通常为80℃-100℃。但是，对于风力发电机的转动轴和轴承而言，使用这种方法，轴承和转动轴容易被污染，且存在火灾风险。除了健康和安全因素需要考虑外，还需要考虑环境污染问题。由于大型风力发电机的轴承和转动轴尺寸较大，加热用的矿物油用量巨大，因此，对加热油的后续处理问题导致的费用非常高。此外，对于轴承而言，采用油浴法还会损坏轴承的防护油的作用。因此，对于大型风力发电机的轴系温差装配工艺，油浴法已经不再推荐使用。

[0014] 电加热法主要有电阻加热法和感应加热法。电阻加热法通常采用电热盘方式直接让电压通过轴承或转动轴来加热，但是，这种方式很危险，易伤轴承，而且对于转动轴这种大尺度、大重量且具有不规则尺寸的被加热部件而言，难以实现均匀膨胀。

[0015] 感应加热法具有高品质、加热快的特点。但是，对于使用感应加热器对大尺度、大质量、非等厚度部件进行加热也存在诸多弊端和风险。

[0016] 感应加热首先存在集肤效应，被加热部件截面上的电流密度不是均匀分布的，最大电流密度出现在被加热部件的表层，其热量从被加热部件的表面向质心部热传导，所以表面与质心部存在着一定的温差。当被加热部件的径向尺寸、壁厚、轴向高度较大时，表面与中心的温差就很大。由于感应电流只沿着被加热部件的“电流穿透深度层”流动，热量也仅在这一层产生。这时，在电流穿透深度以下的部分，仅能从已加热层以热传导方式传递热能获得热量。同时，使用感应加热器致使被加热部件表面产热的同时也在向安装环境散热。被加热部件的表面向周围环境以其表面热力学温度四次方的强度一直产生辐射热损失；加热过程中被加热部件也一直与安装环境空气进行自然对流换热。因此，采用感应加热方式来加热大型风力发电机的轴承或转动轴时，“均温”效果太差，轴承和转动轴的断面温度难以“均一化”。尤其是，对于具有外法兰的转动轴，在用感应加热法进行加热时，通常会出现由于膨胀不均导致的扭曲变形，扭曲变形主要出现在转动轴筒体的筒节位置附近。其中一个原因是，当热量从法兰的外表面沿着径向向内传热时，在螺栓孔处热传导路径中断，对于位于螺栓孔内侧的法兰部分以及法兰根部的筒体，主要依赖于从法兰的相邻螺栓孔之间的部分吸收热量，传热路径较长，从而导致法兰处的筒体周向上各部分受热不均，膨胀速度不一致。对于法兰径向厚度较大的情况下，在轴向上法兰处的筒体与其他位置的筒体之间的膨胀速度差异更大，从而更容易导致法兰和/或筒体扭曲变形。

[0017] 其次是感应加热存在邻近效应。在进行感应加热时，把感应加热器和被加热部件须同心安置。通过对称安置，待加热的轴承或转动轴中电流分布才会是对称均匀的。但是，如果没有对称安置的工装，仅凭套装人员视觉感觉来放置，难以做到使感应加热器与被加热部件同心安装，这会造成电流密度分布不均匀，导致产热不均匀，热膨胀自然不均匀。轴承圈和保持架以及滚动体由于特殊的结构以及转动轴这种具有变径非等截面特点的部件，更容易出现各部分产热不同，膨胀程度与速率均不同。因此，对这种大尺度、大质量轴承部件进行感应加热时，尤其需要采取措施去消除这样的临近效应造成的轴承膨胀不均匀带来的缺陷，相应地，造成加热装置复杂化，加热和安装工艺复杂化。

[0018] 因此，对于大型风力发电机的轴系中的这种大尺度、不规则形状的部件的加热一直以来是本领域技术人员所面临的难题。

[0019] 除了上面提到的加热难题之外，现有技术中的装配过程也容易对轴系造成致命损伤。当将加热后的转动轴装配到定子主轴上时，利用大型行车吊装设备将重达几吨重的转动轴2携带着装入大端内的NJ 轴承外圈和保持架滚动体32从定子主轴1上方下落。在吊装下落过程中，由于NJ轴承30的外圈和保持架滚动体32在与内圈31的装配过程中没有可视化的具体措施，转动轴2上的NJ轴承30的外圈和保持架滚动体32与定子主轴上的NJ轴承的内圈31无法实现精确的对准，安装人员完全凭借经验将转动轴2安装到定子主轴1上，在安装中不可避免地会出现滚动体保持架与轴承内圈31的撞击，这样，NJ轴承30的滚动体和保持架不可避免地会发生碰撞损伤，导致NJ轴承30的使用寿命显著降低。此外，NJ轴承30的外圈和内圈的间隙较小，仅凭经验对准的情况下可能需要多次重新吊起后再安装，使得装配的精度不高，效率也不高，在多次撞击的情况下，更是导致了轴承部件的严重损害，因此，直接降低了风力发电机的性能，且提高了装配成本。实践中，通过将故障轴系拆开发现，很大一部分故障是由于保持架或滚动体碎裂导致的。统计数据表明，16％的轴承失效是由于安装不当引起的。因此，采用合适的安装方能够客户观上保证轴承安装质量。

[0020] 因此，为了提高装配精度、高效地完成轴承的装配，保证轴承安装质量，提高轴承的使用寿命，本发明的发明人设计了一种加热炉以及利用该加热炉对轴承进行装配的方法，记载在已授权专利CN103078454B中，图11是该加热炉的截面图。该专利采用电阻炉加热空气，以循环的热空气作为传热介质，对转动轴进行加热，解决了上述油浴法、感应加热法中存在的各种问题。同时，该专利提出了在转动轴2套装到定子主轴1上的过程中，前后轴承始终是一个整体，避免了轴承保持架与轴承内圈之间的撞击。具体地，将NJ轴承30整体安装在定子主轴1上，将BT轴承40整体冷装在转动轴2的小径端202的轴承安装面上，将转动轴2以及BT轴承40一起吊入加热炉中进行加热，到达预定的膨胀量之后，打开加热炉的炉盖8，将转动轴2吊出加热炉，然后吊装到定子主轴1上。该专利解决了在将转动轴2吊装到定子主轴1的过程中轴承内圈和轴承外圈无法精确对准以及多次碰撞导致的轴承损坏的问题。

[0021] 然而，该专利中的加热炉以及加热方法也存在诸多缺陷。通常情况下，对于1.5-5.0兆瓦的大型直驱永磁发电机而言，转动轴2的质量重达4吨多，高度达3-4米，直径达2米，定子主轴高度约6米。因此，用于加热如此大尺度部件的加热炉的高度达5米，为了将转动轴
2吊入及吊出加热炉，实践中吊装行车的高度为25米左右。在吊装炉盖8时，工作人员还需要爬上梯子，将炉盖8上的吊环挂到吊装行车的吊钩上，吊走炉盖8之后，工人还需爬上4米多高的位置，将转动轴吊挂到吊装行车的吊钩上，这样的操作过程对工人而言存在一定的安全隐患。

[0022] 因此，现有技术中的这种加热炉存在体积大、高度大、吊装行车规模大、厂房高度大、占地面积大、成本高以及工作过程存在安全隐患等问题。并且，加热炉的预热以及离心风机的旋转等耗能较大，还有一定噪声。

[0023] 此外，在将在BT轴承40的轴承外圈安装在转动轴2的小径端202的轴承安装面上以及将NJ轴承30的轴承外圈安装于转动轴2的大径端201的轴承安装面上时，由于对转动轴2进行加热的成本较高，一般采用冷装的方法，将轴承外圈安装到转动轴的轴承安装面上。然而，当将轴承外圈从冷柜中取出时，与周围环境的较大温差使得轴承外圈上瞬间形成大量冷凝水。在将轴承外圈装入转动轴2后，在装配面之间留存了一定量的湿气。同时，凝结在轴承外圈内表面上的水气进入滚动体保持架中的润滑油脂中。实践中，在将故障轴系拆开后，发现在轴承外圈与转动轴2的轴承安装面之间存在大量锈迹，有的甚至出现大面积的腐蚀，并且润滑油脂变质失效。因此，现有技术中将轴承外圈冷装到转动轴2的方式大大减缓了轴系的使用寿命。

[0024] 发电机轴承是承载轴向力、径向力、实现能量传递的关节，轴承装配质量状况决定着发电机能否运行以及使用寿命长短的问题。如果加热或装配方式不当，不仅存在装配成本高、存在安全隐患，还会对轴系的装配质量造成极大的损害。因此，为了解决现有技术中存在的难题，本发明提供了一种新型的加热装置以及轴系装配方法。

发明内容

[0025] 为了解决现有技术中的大尺度、大重量、变径非等截面的铸件的加热以及装配难题，本发明提供了一种新型的加热装置和加热方法以及轴系装配方法。

[0026] 根据本发明的一方面，提供了一种用于加热待加热部件的加热装置，所述加热装置可包括：柔性加热膜，埋设有柔性电热元件，用于包覆在所述待加热部件的表面上，以对所述待加热部件进行加热；抽真空系统，用于在所述柔性加热膜密封地包覆在所述待加热部件的表面上的情况下，对所述柔性加热膜的内部抽真空，使所述柔性加热膜紧密贴附在所述待加热部件的表面上；控制单元，控制所述柔性加热膜的加热操作以及所述抽真空系统的操作。

[0027] 根据本发明的一方面，所述加热装置还可包括压电传感器，所述压电传感器埋设在所述柔性加热膜中，或者贴附在所述柔性加热膜的内表面与所述待加热部件的表面之间，所述控制单元根据所述压电传感器的感测值控制所述抽真空系统和/或判断所述柔性加热膜的泄露位置。

[0028] 根据本发明的一方面，所述加热装置还可包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度触感器用于感测待加热部件的温度，第二温度传感器用于感测所述柔性加热膜的加热温度，所述控制器根据所述第一温度传感器和第二温度传感器的感测值，控制所述柔性加热膜的加热操作。

[0029] 根据本发明的一方面，所述柔性加热膜可为袋状或片状，并具有封口边缘，所述压电传感器布置在所述封口边缘的周围。

[0030] 根据本发明的一方面，所述待加热部件可为筒状结构并具有筒体，所述柔性加热膜包括包覆所述筒体的外侧表面的第一加热膜以及包覆所述筒体的内侧表面的第二加热膜，所述压电传感器布置在所述第一加热膜和第二加热膜的对接处周围。

[0031] 根据本发明的一方面，所述待加热部件可包括本体部和从所述本体部凸出的凸出部，所述凸出部中设置有安装孔，所述加热装置还包括感应加热单元，所述感应加热单元包括感应加热器，所述感应加热器用于布置在所述安装孔中。

[0032] 根据本发明的一方面，可在所述柔性加热膜与所述凸出部与所述本体部连接的位置处布置所述压电传感器。

[0033] 根据本发明的一方面，所述待加热部件可包括筒体以及设置在所述筒体上的外法兰，所述外法兰具有多个螺栓孔，所述加热装置还包括感应加热单元，所述感应加热单元包括多个感应加热器，所述多个感应加热器用于分别设置在所述多个螺栓孔中。

[0034] 根据本发明的一方面，所述感应加热器可利用电磁感应的集肤效应，或者电磁感应的集肤效应和临近效应对所述外法兰进行加热，通过所述外法兰向筒体导热，使所外法兰先于所述筒体膨胀，解除外所述外法兰对所述筒体膨胀时施加的指向转动轴轴线的压应力。

[0035] 根据本发明的一方面，所述感应加热单元还可包括连接所述多个感应加热器的电磁线以及感应加热电源，所述多个感应加热器通过所述电磁线相互串联或并联。

[0036] 根据本发明的一方面，所述待加热部件可为永磁直驱风力发电机的转动轴。

[0037] 根据本发明的一方面，所述感应加热器可在所述螺栓孔中设置为更靠近所述筒体。

[0038] 根据本发明的一方面，所述加热装置还可包括绝热保温层，用于在所述柔性加热膜包覆在待加热部件上之后覆盖在所述柔性加热膜的外侧。

[0039] 根据本发明的另一方面，本发明提供了一种用于加热待加热部件的方法，所述方法可包括如下步骤：用柔性加热膜包覆所述待加热部件的表面，所述柔性加热膜中埋设有柔性电热元件；将所述柔性加热膜密封并利用抽真空系统对柔性加热膜的内部抽真空，使所述柔性加热膜紧密贴附在所述待加热部件的表面上；利用所述柔性加热膜对所述待加热部件进行加热。

[0040] 根据本发明的另一方面，所述柔性加热膜中可埋设有压电传感器，或者在所述柔性加热膜与所述待加热部件之间设置有压电传感器，所述方法还包括如下步骤：根据所述压电传感器的感测值，对所述柔性加热膜的内部抽真空和/或检查所述柔性加热膜的泄露位置。

[0041] 根据本发明的另一方面，在所述待加热部件的表面上可设置有第一温度传感器，在所述柔性加热膜中可埋设有第二温度传感器，所述第一温度触感器用于感测所述待加热部件的壁温，所述第二温度传感器用于感测所述柔性加热膜的加热温度，所述方法还包括：在对所述待加热部件进行加热的过程中，根据所述第一温度传感器和第二温度传感器的感测值控制所述柔性加热膜的加热操作；根据所述压电传感器的感测值、所述第二温度传感器的感测值、所述第一温度传感器的感测值与所述第二温度传感器的感测值之间的差值中的至少一种来控制抽真空系统的操作或判断所述柔性加热膜是否存在泄露。

[0042] 根据本发明的另一方面，所述待加热部件可包括本体部和从所述本体部凸出的凸出部，所述凸出部中设置有安装孔，所述方法还可包括：在所述安装孔中布置感应加热器并利用所述感应加热器以及所述柔性加热膜协同对所述待加热部件进行加热。

[0043] 根据本发明的另一方面，所述方法还可包括：将所述感应加热器在所述安装孔中偏心布置为更靠近所述本体部。

[0044] 根据本发明的另一方面，所述本体部可为筒体，所述凸出部为设置在所述筒体上的外法兰，安装孔为设置在所述外法兰上的多个螺栓孔。

[0045] 根据本发明的另一方面，所述方法还可包括：利用包覆在所述外法兰的径向外表面、轴向上表面和轴向下表面的所述柔性加热膜以及设置在螺栓孔中的所述感应加热器对所述待加热部件协同加热。

[0046] 根据本发明的另一方面，在所述螺栓孔中可将所述感应加热器偏心布置为更靠近所述筒体，所述感应加热器利用电磁感应的集肤效应和临近效应对所述外法兰进行加热，通过所述外法兰向所述筒体传热导热，解除所述外法兰对所述筒体膨胀施加的压应力。

[0047] 根据本发明的另一方面，在协同加热过程中，可控制所述柔性加热膜的加热温度或加热功率、所述感应加热器的感应频率，使得所述筒体的径向厚度的质心位置从所述筒体的外侧表面吸收热量而达到设定温度的速度稍大于或等于所述筒体的径向厚度质心位置从所述筒体的内侧表面吸收热量而达到同样的设定温度的速度。

[0048] 根据本发明的另一方面，所述多个螺栓孔中的感应加热器之间可串联连接或并联连接。

[0049] 根据本发明的另一方面，在对所述待加热部件加热的过程中，可首先使柔性加热膜以恒定功率对待加热部件进行加热，在所述待加热部件的壁温达到预定值后，以恒壁温方式对所述待加热部件进行加热。

[0050] 根据本发明的另一方面，所述方法还可包括：在所述柔性加热膜包覆在待加热部件上之后在所述柔性加热膜的外侧覆盖绝热保温层。

[0051] 根据本发明的又一方面，提供了一种用于风力发电机的轴系装配方法，所述轴系可包括定子主轴、转动轴、后轴承和前轴承，所述方法可包括：在所述转动轴的整个表面上包覆柔性加热膜，在所述转动轴的外法兰的多个螺栓孔中布置多个感应加热器；将所述柔性加热膜密封，并对所述柔性加热膜内部抽真空；利用所述柔性加热膜和所述感应加热器对转动轴进行加热。

[0052] 根据本发明的又一方面，所述方法还可包括：将加热膨胀后的所述转动轴套装到已经套装了所述后轴承的所述定子主轴上，使所述转动轴的后端装配到所述后轴承的轴承外圈上。

[0053] 根据本发明的又一方面，所述方法还可包括：在所述转动轴处于膨胀并且满足装配过盈量的状态下，将所述前轴承装配到所述转动轴的前端与所述定子主轴的前端之间。

[0054] 本发明的技术方案突破了传统的介质加热和电加热以及感应加热的常规思路，开发了新的轴系装配工艺过程更进一步节能的工艺装备，完全不采用现有技术中的加热方式，采用复合物理场协同作用于筒体控制膨胀的方法解决变径、非等截面筒体轴系热装配工艺问题，利用真空系统、电加热系统和电磁感应系统协同作用，解决了传统工业大型电机大尺度环形非等厚铸件热传导的加热膨胀不均导致部件变形扭曲的问题，解决了传统工业大型空气加热炉历史以来由于大型加热炉空间径向尺度大、炉内对流换热受制于流动面积大和驱动风机能耗限制导致的换热速率低的问题，并且消除了工业生产车间过程装备中的离心风机的电机运转必然产生噪音污染的事实，减少了行车使用从而节省了厂用电并减少行车移动造成的噪音，减少了工人高空作业带来的人身安全隐患。

[0055] 根据本发明的技术方案，在保证轴系膨胀均匀的情况下避免了加热过程中膨胀不均导致的部件扭曲变形，从而能够在提高轴系装配质量的同时，还能极大地降低装配设备成本。附图说明

[0056] 通过下面结合附图对本发明的实施例进行描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

[0057] 图1是现有技术中大型永磁直驱风力发电机的定子主轴的示例图；

[0058] 图2是现有技术中大型永磁直驱风力发电机的转动轴的示例图；

[0059] 图3-图10示出了现有技术中定子主轴与转动轴进行轴承装配的过程示意图；

[0060] 图11是现有技术中的加热炉的示意图；

[0061] 图12是根据本发明示例性实施例的转动轴的局部剖开立体图；

[0062] 图13是根据本发明示例性实施例的转动轴的局部剖面图；

[0063] 图14是利用根据本发明实施例的加热装置对转动轴进行加热的示例性示意图；

[0064] 图15和图16分别示出了多个感应加热器并联连接和串联连接的示例；

[0065] 图17示出了转动轴的大端法兰处具有压应力的局部截面示意图；

[0066] 图18示出了转动轴的大端法兰处的受热状况的局部截面示意图。

[0067] 附图中：1-定子主轴，2-转动轴；201-转动轴的大径端；202-转动轴的小径端；203-大端法兰；204-中法兰；205-后轴承安装面；206-前轴承安装面；30-后轴承；31-后轴承内圈，32-后轴承的外圈及保持架滚动体；40-前轴承；41-前轴承的第一外圈；42-前轴承的内圈及保持架滚动体；43-前轴承的第二外圈；500-柔性加热膜；510-第一加热膜；520-第二加热膜；540-第一温度传感器；550-第二温度传感器；560-压电传感器；600-抽真空系统；700-感应加热单元；710-感应加热器；720-电磁线；730-感应加热电源；800-控制单元；210-压应力；230、240、250-热传导方向。

具体实施方式

[0068] 为了解决现有技术中存在的各种问题，本发明的发明人本着能够实现减少噪声污染、减少环境污染、降低生产成本、节能环保、绿色制造的可持续发展目标的理念，提出了一种新型的用于大尺度、大质量、变径、非等截面部件的加热装置、加热方法以及轴系装配方法。将在下面结合附图详细描述本发明的实施例，以将本发明的技术构思充分传达给本领域的技术人员。

[0069] 为了避免在转动轴套装到定子主轴的过程中，轴承内圈和轴承外圈相互碰撞而导致轴承损坏的问题，本发明的实施例仍然采用在套装过程中定子主轴与转动轴间的后轴承是“一个整体”的思路。

[0070] 在后轴承为一个整体的情况下，为了保证发电机轴系的安装质量问题，最根本的是需要解决大尺度、大质量、非等截面的转动轴的轴承装配面内径加热胀大去套装定子主轴上已通过热套而安装到位的完整的后轴承的问题。因此，本发明的实施例提出了一种新型的加热装置和加热方法以及相应的轴系装配工艺，来克服现有技术中的采用诸如加热炉加热转动轴而存在的各种缺陷。

[0071] 下面参照附图详细描述本发明提出的转动轴加热装置以及加热方法。

[0072] 图12是根据本发明示例性实施例的转动轴的局部剖开立体图。图13是根据本发明示例性实施例的转动轴的局部剖面图。

[0073] 如图12和13所示，转动轴2包括非等截面、非等厚度的筒体，该筒体包括大径端201和小径端202。在筒体的大径端201的外表面上设置有大端法兰203，并且形成有多个螺栓孔，用于与转子支架相连接。在转动轴的大概中部的位置设置有中法兰204，并且形成有多个螺栓孔，用于与轮毂连接。大径端201的内表面为后轴承安装面205，小径端202的内表面为前轴承安装面206。

[0074] 图14是利用根据本发明实施例的加热装置对转动轴进行加热的示例性示意图。图15和图16分别示出了法兰螺栓孔中的感应加热器并联连接和串联连接的示意图。

[0075] 如图14-16所示，根据本发明实施例的加热装置包括柔性加热膜500、抽真空系统600、电磁感应加热单元700以及控制单元800。

[0076] 柔性加热膜500可形成为袋状或片状，包覆在待加热部件(转动轴2)的整个表面上。在柔性加热膜500中埋设有柔性电热元件，通电后可以散发热量，从而对所包覆的转动轴2进行加热。柔性加热膜500可以由柔性耐热材料形成，例如，硅橡胶材料。在柔性耐热材料中铺设柔性电热元件，可通过使柔性耐热材料与柔性电热元件流态化一体成型，形成为厚度大约1.5mm-3mm的柔性薄膜。

[0077] 在图14所示的示例性实施例中，为了便于将柔性加热膜500包覆在转动轴2的整个表面上，柔性加热膜500包括第一加热膜510和第二加热膜520。第一加热膜510覆盖转动轴2的外侧表面，第二加热膜520覆盖转动轴2的内侧表面，然后分别在大径端201和小径端202处对接，对接处分别利用密封材料进行粘接密封。可以利用耐热橡胶粘接材料在对接边界处形成密封环530。例如，可以采用真空密封胶带将对接处粘接密封。根据待加热部件的形状和构造，柔性加热膜500可以为一体结构，也可以分为多片，并且各个分片可具有各种形状，只要拼接后能够将待加热部件完全包覆并密封即可。

[0078] 抽真空系统600用于对柔性加热膜500的内部抽真空，使得柔性加热膜500紧紧贴附在转动轴2的表面上。在图14所示的示例中，抽真空系统600可以连接在第一加热膜510和第二加热膜520的对接处。但是，本发明不限于此，抽真空系统600可以设置在柔性加热膜500的任意位置处。根据本发明的实施例，利用抽真空系统600抽真空，一方面能够使柔性加热膜500紧紧贴附在不规则的转动轴2的整个表面上，使得法兰根部等拐角位置均能与柔性加热膜500紧密贴附，从而以热传导的方式有效加热。另一方面，当真空泄压后，柔性加热膜
500能够整体上快速与转动轴2分离，不仅便于安装和拆除柔性加热膜500，还能避免采用其他手段(例如，粘接法)将柔性加热膜500贴附到转动轴2上时需要撕除而导致柔性加热膜
500损坏以及对转动轴2的表面造成的污染或损坏，使得能够重复使用柔性加热膜500且保证转动轴2表面清洁无损。

[0079] 可在转动轴2的表面上设置第一温度传感器540，以检测转动轴2的壁面温度。柔性加热膜500的内部除了埋设有电热元件外，还可设置有第二温度传感器550、压电传感器(例如高分子压电材料传感器)560等。控制单元800可以根据第一温度传感器540、第二温度传感器550反馈的温度信号控制柔性加热膜500的加热功率或加热温度，以及根据压电传感器560感测的压力值，判断柔性加热膜500与转动轴2的各个部分的贴合状况，并据此控制抽真空系统600的操作。在根据压电传感器560的压力值判断柔性加热膜500内部的真空度不符合要求的情况下，可以通过抽真空系统600对柔性加热膜500的内部持续抽真空。当在持续抽真空的情况下，压电传感器560感测的压力值仍然没有达到预定值的情况下，可以判断柔性加热膜500某处存在泄露。可以根据不同位置处的压电传感器的感测值来判断泄露位置，并采取相应的密封措施，例如，采用真空密封胶对该处进行密封处理。通常情况下，柔性加热膜500的封口处相对容易泄露，因此，可以将一部分压电传感器560布置在柔性加热膜500的封口处。

[0080] 压电传感器560可以是聚偏氟乙烯(PVDF)压电传感器。作为示例，也可以利用PDVF作为加热膜500的柔性材料，在这种情况下，可以直接利用柔性加热膜500本身的压电特性来检测柔性加热膜500与转动轴的接触状况。然而，温度传感器和压电传感器不必与柔性加热膜500一体形成，也可以另外设置在转动轴2的表面上或柔性加热膜500的内表面上。

[0081] 电磁感应加热单元700可设置在大端法兰203以及中法兰204中，用于对大端法兰203以及中法兰204进行加热。电磁感应加热单元700可包括多个感应器710、连接多个感应加热器710的电磁线720、感应加热电源730等。多个感应加热器710分别布置在法兰的螺栓孔中，可通过电磁线720并联连接或串联连接(如图15和16所示)。感应加热电源730将交流电施加到多个感应加热器710，使得感应加热器710通过法兰螺栓孔壁由于短路电流而发热。

[0082] 在本发明的实施例中，当采用柔性加热膜500对转动轴2进行加热膨胀时，虽然柔性加热膜500紧紧包覆在转动轴2的整个表面上，能够对转动轴2进行快速有效的加热，但是，由于转动轴2为大尺度、非等厚变截面圆筒结构，在大端法兰203和中法兰204的位置，径向厚度增大，热量传递到筒体厚度的深层处的速度较慢，因此，当转动轴2的内表面由于受热而膨胀时，转动轴2的位于法兰根部的外侧筒体部分由于受热较慢而膨胀速度慢于内侧筒体部分的膨胀速度，从而会对内侧筒体部分的膨胀造成束缚，使得内侧筒体部分受到外侧筒体施加的压应力。

[0083] 图17示出了转动轴2的大端法兰处的局部截面示意图。如图17所示，对于大端法兰203的根部位置的筒体部分，当径向内侧受热膨胀而径向外侧由于受热较慢而不能率先膨胀的情况下，膨胀较慢的位置会对内侧筒体部分的向外膨胀施加压应力(如图中箭头210所示)，对该处筒体的膨胀形成束缚，阻碍筒体的胀大，使得法兰处的筒体的膨胀速度与其他位置的筒体的膨胀速度不一致，造成转动轴筒体的扭曲变形。因此，要想让整个筒体均匀一致的膨胀，需要解除这个束缚对法兰根部筒体膨胀造成的障碍。

[0084] 本发明的实施例提出，通过对法兰进行加热，使法兰受热“率先”膨胀，为法兰根部筒体的膨胀“让路”，解除对法兰处筒体的膨胀造成的限制和束缚。

[0085] 根据本发明的实施例，在大端法兰203和中法兰204中设置电磁感应加热器，使法兰在通过柔性加热膜500受热的同时，还通过电磁涡流感应产热而吸收热量。具体地，本发明的实施例利用了电磁感应加热的集肤效应，在法兰的螺栓孔设置感应加热器710。图18示意性示出了感应加热器710设置在大端法兰203的螺栓孔中的示意图。利用集肤效应，感应加热器710对法兰的螺栓孔加热，热量从螺栓孔的孔壁沿着厚度方向传递，使得法兰在外表面、上表面和下表面三个表面通过柔性加热膜500而受热的同时，还从螺栓孔的孔壁处受热，从而使得法兰本体先于法兰根部的筒体受热膨胀，撤离外法兰对根部圆筒的压应力。

[0086] 优选地，由于法兰盘位于螺栓孔内侧的部分的径向厚度较大，感应加热器710可以设置为相对于螺栓孔的轴线偏心设置，在螺栓孔更靠近法兰根部。如图18所示，感应加热器710更靠近螺栓孔内侧壁面设置，由于临近效应，螺栓孔内侧壁的感应电流的穿透深度更大，从而更容易向内侧的法兰根部传递热量。对于大端法兰203而言，柔性加热膜500不仅包覆在法兰径向外表面上，还紧紧包覆在法兰轴向的上表面和下表面上，使得法兰三个外表面同时受热(如图中箭头230、240、250所示)，避免端部受热不足而导致的端部效应，防止法兰面径向膨胀较多而导致的法兰扭曲。

[0087] 如图15所示，设置在大端法兰203或中法兰204中的各个感应加热器710可以相互并联连接。如图16所示，设置在大端法兰203或中法兰204中的各个感应加热器710也可以相互串联连接。通过相互并联或串联，使得各个感应加热器710中的流过的电流大小相同，从而提高法兰受热的均匀度。感应加热电源730可以通过电磁线720对感应加热器710施加交流电。感应加热电源730可以采用工频感应加热电源。可以通过施加的感应电流的频率来控制电流穿透深度层的厚度，从而控制加热速度。

[0088] 对于法兰部的筒体而言，通过电阻加热以及感应加热，使得抽真空系统、电加热系统、感应加热系统三大系统协同作用于法兰处，使得外法兰率先受热膨胀，为法兰根部筒体的受热膨胀撤离压应力(膨胀阻力)，解除了大端法兰对转动轴的后轴承安装表面的膨胀束缚，抑制了筒体受热不均膨胀速度不均导致的筒体扭曲变形，从而解决变径、非等截面筒体的加热膨胀问题。

[0089] 此外，为了避免在对转动轴加热过程中热量向周围环境散热，还可在将柔性加热膜500包覆在转动轴2上之后，在柔性加热膜500的外表面上覆盖一层绝热保温材料。

[0090] 下面，详细描述利用根据本发明实施例的加热装置加热转动轴的方法。

[0091] 首先，将柔性加热膜500包覆在转动轴2的整个表面上，将第一温度传感器540、第二温度传感器550和压电传感器560布置在待检测位置，并布置抽真空系统600的吸气管路。根据本发明的实施例，第二温度传感器550和压力传感器560可埋设在柔性加热膜500中。在柔性加热膜500的封口处，可用真空密封胶进行粘接封口和密封。

[0092] 第一温度传感器540、第二温度传感器550和压力传感器560可以均匀布置在整个包覆表面上，以检测每一个位置处的压力和温度。然而，为了减少压力传感器和温度传感器的数量，可选择性地在特定位置布置第一温度传感器540、第二温度传感器550和压力传感器560。例如，压力传感器560可主要布置在柔性加热膜500的封口位置或封口附近以及变径位置，例如，布置在法兰根部，凸台与筒体的连接处等。这是因为，在筒体厚度突变的位置，柔性加热膜500容易与转动轴贴合不紧，在柔性加热膜500的封口位置容易出现气体泄漏，从而导致真空度不符合要求。如果通过压力传感器560判断柔性加热膜500在这些位置已经紧紧贴合在转动轴2上，则通常情况下，可以判断柔性加热膜500在其他位置也已经和转动轴2紧紧贴合。

[0093] 根据本发明的实施例，还在转动轴2上布置感应加热单元700。在柔性加热膜500已经包覆在转动轴2的外表面上的情况下，通过在螺栓孔对应的位置将柔性加热膜500局部开口，然后将多个感应加热器710放置在螺栓孔中，并利用电磁线720将多个感应加热器串联或并联，然后利用真空密封胶将开口封闭。然而，也可以先布置多个感应加热器710，并利用电磁线720将多个感应加热器710串联或并联后，通过引出线从柔性加热膜500的某一位置开口处与感应加热电源730连接。

[0094] 在布置感应加热器710时，将感应加热器710相对于螺栓孔的中心偏心设置，使感应加热器710更靠近法兰根部。

[0095] 上述布置柔性加热膜500、抽真空系统600以及感应加热单元700的顺序不是特定的或唯一的，也可以先布置感应加热单元700，再布置柔性加热膜500和抽真空系统600，还可以先布置柔性加热膜500和感应加热单元700之后，再布置抽真空系统600。

[0096] 在布置好柔性加热膜500、抽真空系统600以及感应加热单元700之后，利用抽真空系统600对柔性加热膜500的内部抽真空。控制单元800根据压电传感器560的感测值来判断柔性加热膜500是否已经仅仅贴合在转动轴2的表面上。

[0097] 当完成抽真空操作后，可以启动柔性加热膜500和感应加热单元700执行加热操作。

[0098] 假如以筒体厚度的质心为界将筒体分为外侧筒体部分和内侧筒体部分，在转动轴2的筒体受热膨胀的过程中，如果内侧筒体部分的膨胀速度大于外侧筒体部分的膨胀速度，那么外侧筒体部分会对内侧筒体部分产生压应力，对内侧筒体部分向外膨胀产生束缚，结果通常导致筒体两端向外侧扭曲而形成喇叭口状。因此，要想解除这种束缚，需要是外侧筒体部分率先膨胀。然而，另一方面，如果内侧筒体部分膨胀速度慢于外侧筒体部分的膨胀速度，那么内侧筒体部分也会对外侧筒体部分的膨胀产生拉应力，约束外侧筒体部分的膨胀。
因此，根据本发明的实施例，控制柔性加热膜500和感应加热单元700的一个总体构思是，在筒体的径向方向上，控制从筒体内侧表面向外传热的速度以及从筒体外侧表面向内传热的速度，使得质心处由于从筒体外侧吸热而达到设定温度所需的时间，等于或稍微大于质心处从筒体内侧吸热而达到同样温度所需的时间。根据这一原则，可以计算出筒体各个位置处的加热所需的热量和达到设定温度所需的时间，从而可以据此控制柔性加热膜500和感应加热单元700的加热功率或加热温度以及加热时间。

[0099] 柔性加热膜500紧密贴合在转动轴2的表面上，与转动轴2的表面之间没有空气热阻，因此，柔性加热膜500在通电后迅速升温并与转动轴2之间进行直接热传导。由于柔性加热膜500的外部还包覆有绝热材料，因此，柔性加热膜500产生的热量几乎无损失地传递给转动轴2。根据转动轴2的质量、密度、导热系数和比热容，可以确定在转动轴受热达到要求的温度时所述需要吸收的热量以及需要的加热时间等。

[0100] 根据本发明的实施例，可以先对转动轴2实施恒定功率加热达设定壁温后再实施恒定壁温加热。因此，可以根据采取的加热方式确定电热元的加热功率。电热元件是柔性加热膜500的发热元件，在选用电热元件前，可以根据确定的功率、供电电压来确定电热元件的材料及其连接方式。选择电热元件材料应满足要求：具有高的电阻率、小的电阻温度系数、足够的耐热性与高温强度、热膨胀系数小。

[0101] 以实施全功率加热达到80℃壁温后实施恒壁温加热为例，在确定的恒定加热功率下，可以计算出壁温达到80℃所需要的加热时间，根据这个时间可以计算出转动轴2的壁厚质心位置在此时刻的温度。随后对转动轴2再实施恒壁温加热，转动轴2壁厚中部温度的上升速率由转动轴2的材料的导热系数、密度和比热容构成的热扩散速率确定。可使用《传热学》、《传热学手册》中的海斯勒图或近似拟合公式确定转动轴的整个加热时间。

[0102] 对于转动轴2的筒体厚度变化的位置(即，筒节位置处)，例如，在小径端202的内表面以及大径端201的内表面上形成有用于支撑前轴承和后轴承的凸台。在该位置，柔性加热膜500的电热元件的加热功率或加热温度可以相对高一些，例如，在法兰处的筒体内表面，柔性加热膜500中的加热元件的加热温度可以比其他位置的加热温度高一些，例如，高10℃，从而使得不同厚度的位置处的质心温度上升速率尽可能一致，从而减小筒体的扭曲变形，消弱由于温度差异导致的应力。对于设置有外法兰的位置处，由于在螺栓孔中设置感应加热器710，此处的筒体通过感应加热和电热阻加热两种方式同时受热。对于位于螺栓孔中的感应加热器710，当感应加热的频率不同时，在螺栓孔内壁上感应的电磁加热深度也相应不同，因此，可以通过控制感应加热的频率来控制感应加热产生的热量以及加热功率的大小。为了使得各个螺栓孔处均匀受热，同步膨胀，可以将各个感应加热器710串联或并联，以通过相同的电流或相同的频率进行感应加热。此外，在位于螺栓孔内侧的部分较厚的情况下，可以将各个感应加热器710在螺栓孔中更靠近法兰根部放置。

[0103] 根据本发明的实施例，每两个相邻的螺栓孔中都设置有感应加热器710，当螺栓孔内壁受热时，热量会从螺栓孔内壁以辐射状向周围进行热传导。因此，对于法兰的位于两个相邻螺栓孔之间的部分，会同时从两个螺栓孔处吸收热量，从而该部分从热源获得热量的热传导路径变短。同时，对于法兰根部的筒体，由于热量直接从螺栓孔的内壁直接向法兰根据传热，与现有技术的感应加热方式相比，该部分从热源获得热量的热传导路径缩短，从而法兰根部达到同样温度所需的时间变短。

[0104] 因此，根据本发明的实施例，虽然法兰处的筒体较厚，但是，由于设置的感应加热器710协同柔性加热膜500一起加热，对于筒体的各个部分，能够实现厚度较大的位置处的质心温度上升速度与厚度较小位置处的质心温度上升速度尽可能一致，并且优选地使得外侧筒体率先膨胀，解除对内侧筒体膨胀造成的束缚。在加热过程中，可通过第一温度传感器540监测转动轴2的温度。同时，可以根据抽真空系统600本身的压力表值、压电传感器560的感测值、柔性加热膜500的加热温度、柔性加热膜500的加热温度与转动轴2的温度差中的至少一种来判断柔性加热膜500与转动轴2的贴合程度。例如，如果压电传感器560的读数降低预定值，则可以判断为该处的柔性加热膜500可能存在破损泄露；如果柔性加热膜500的某处的温度急剧上升，可以判断为此处与转动轴2的贴合不够紧密导致热阻上升而不能很快地将热量传递给转动轴2；同样的，如果柔性加热膜500与转动轴2的表面之间温差大于预定数值，也可以判断为此处贴合不紧。因此，可以检查相应位置处的柔性加热膜500并进行密封处理，相应地启动抽真空系统600操作。根据本发明的实施例，在将转动轴2加热膨胀到预定膨胀量之后，将转动轴2吊到定子主轴1上方，在定子主轴1上，已经将整个后轴承30热套于定子主轴1的后轴承安装面上。当转动轴2下落时，转动轴2的大径端201套装到后轴承30的轴承外圈的外周。

[0105] 根据本发明的轴系装配方法，由于后轴承外圈通常由不锈钢等硬度较高的材料制成，且具有相当的厚度，即使在转动轴2下落时大径端201与后轴承30的轴承外圈碰撞，也不会对轴承外圈造成严重损伤，由此能够避免对保持架以及滚动体造成破坏。此外，可以通过在大径端201上安装导向条，使转动轴2的大径端201与后轴承30的轴承外圈对准，避免两者发生碰撞。通常情况下，后轴承30的轴承外圈的边缘上设置有倒角，能够引导转动轴2的大径端与后轴承30的装配，即使在对准不那么精确的情况下，也能通过倒角引导两者的配合，避免将转动轴2反复吊起下落。

[0106] 在将转动轴2套装套定子主轴1上之后，可以将前轴承40的轴承内圈以及保持架加热后套装在定子主轴的小端上，然后将前轴承40的轴承外圈安装于转动轴2的前轴承安装表面上，从而完成整个轴系的装配。

[0107] 在实践中，对于重达几吨的转动轴2而言，加热膨胀后的转动轴2在常温下冷却恢复到原始状态的时间通常需要12-15小时，因此，在将转动轴2套装到定子主轴1上之后，有足够的操作时间在转动轴2保持膨胀并且满足装配过盈量的状态下将前轴承40安装于转动轴2的小径端202与定子主轴1的小端之间。因此，与现有技术中将前轴承外圈冷装于转动轴2的小径端的轴承安装面的方式相比，避免了冷凝水凝结在轴承外圈上导致的装配面生锈腐蚀以及润滑油脂变质失效。

[0108] 同样地，对于安装于转动轴2的大径端201的后轴承30，在转动轴2热膨胀的状态下套装到后轴承30上，而不是如现有技术中那样将后轴承30冷装于转动轴2的大端，避免了冷凝水凝结在轴承装配面上，同时避免了水汽进入润滑油脂而导致润滑油脂变质失效。

[0109] 根据本发明实施例的加热装置，通过设置抽真空系统、电热系统、感应加热系统，采用复合物理场协同作用于筒体控制筒体膨胀。通过设置感应加热单元，有利地利用感应加热的集肤效应和临近效应，有效地保证转动轴外法兰相对于法兰根部筒体受热“率先”膨胀，对法兰根部筒体的膨胀“让路”，“解除”对法兰根部筒体膨胀造成的约束，避免筒体扭曲变形，保证了轴系装配质量。本发明的实施例摒弃了传统工业中采用油浴法加热这种大尺度、大重量、非等截面的转动轴的方案，避免了加热油带来的环境污染、产品污染等、后续加热油处理带来的成本问题，避免了油浴法对轴承、转动轴等部件的防护油造成损坏，因此，更加节能环保、安全可靠。

[0110] 本发明的实施例摒弃了传统工业中采用电磁感应加热法加热这种大尺度、大重量、非等截面的转动轴的方案，避免了电磁感应加热法的集肤效应和临近效应带来的温度分布不均、膨胀不均匀导致筒体扭曲变形等问题。

[0111] 本发明的实施例还摒弃了传统工业中采用大型加热炉对这种大尺度部件进行加热的方式，因此，减少了炉体预热消耗的能量，减少了离心风机运转消耗的电能；不需要反复吊装炉盖和转动轴，减少吊装行车的使用次数，节省了工序和由此消耗的电能，提高了工作效率；此外，大型加热炉需要占用较大的厂房面积和操作空间，往往需要建造20多米高的厂房，并需要安装相应高度的吊装行车，建设成本非常高，然而，应用本发明实施例的加热装置和加热方法时，不需要占用很大的厂房面积和操作空间，为企业节省了建设成本；采用本发明的技术方案时，不需要使用离心风机，避免了离心风机运转导致的噪声，减少了行车移动造成的噪声，减少了噪声污染；更重要的是，工人可以在地面上进行操作，不需要像采用传统加热炉那样需要爬到几米高的炉顶上，减少了高空作业带来的安全隐患。

[0112] 根据本发明实施例的加热装置，使转动轴加热膨胀所消耗的电能非常少，远远小于人们感观上来源于对转动轴质量大、尺度大造成的认识。电耗少的原因之一柔性加热膜本身吸收的热量少，通过加热装置内的真空密闭结构，在转动轴表面达到预设温度后，转动轴表面热能以热传导方式向材料内部传导，加热速度快。此外，在有绝热保温层覆盖的情况下，由于向环境散热而导致的热量损失很小。因此，根据本发明实施例的加热装置对转动轴进行加热所消耗的能量远远小于其他传统手段的加热方式的能耗。

[0113] 总之，根据本发明实施例的加热装置、加热方法以及轴系装配方法，在节能环保、减少厂房占用面积，减少装备制造成本的同时，利用抽真空系统、电加热系统、感应加热系统三大系统协同作用，解决了大型电机的大尺度非等截面非等厚铸件的加热问题以及装配问题，避免了加热炉对流换热主流流速受制于流通面积大和驱动风机能耗限制导致的换热速率低的问题，解决了电磁感应涡流加热产生的非对称膨胀、非对称变形造成安装困难以及安装应力成为运行诱发振动质量不平衡的问题，提高轴系装配质量，保证了风力发电机组的安全运行、提高了机组使用寿命。

[0114] 虽然已经参照附图以加热转动轴为例详细描述了本发明的示例性实施例，但是本发明的加热装置和加热方法并不限于所述实施例，本发明的加热装置可以用于加热各种具有不规则形状、非等截面、非等厚度的待加热部件，例如，可以用于加热具有本体部和凸起部的待加热部件、具有筒体和外法兰的待加热部件等等。

[0115] 因此，本发明的保护范围不受限于上述实施例，本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明的技术方案进行各种修改和变型。

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加热装置、加热方法以及轴系装配方法

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