浅析轴承感应拆装的计算机仿真

左娟
（洛阳LYC轴承有限公司技术中心，河南洛阳　471039）

　　摘　要：应用计算机技术进行仿真可有效描述轴承感应拆装过程中磁场变化情况和分布规律，便于轴承拆装。本次研究设计了轴承感应拆装器的结构，并应用感应加热理论和Matlab、ANSYS软件完成了感应拆装模拟，得出了磁场的分布规律，验证了集肤效应，为轴承感应拆装器的设计提供参考。

　　关键词：轴承；感应拆装；加热；仿真；集肤效应

　　轴承感应拆装需要应用电磁感应加热技术使被加热轴承外部产生涡流，实现内环的无损拆装，这种技术可控性好、速度快、效率高、高度自动化，能够有效保护轴承，因此目前在轴承拆装中广泛应用。轴承感应拆装过程需要对感应加热过程中电磁分布所遵循的麦克斯韦方程组进行计算，求解难度高，所以应用计算机技术进行仿真可有效描述磁场变化情况，了解涡流与磁场分布情况，便于引用感应器进行轴承拆装^[1]。轴承感应拆装的计算机仿真我们以Matlab、ANSYS软件为主尝试应用探索。

　　一、轴承感应拆装器的设计

　　轴承感应拆装器的设计要满足内环拆装需求，且为后续求解计算和计算机模拟打下良好基础，一般轴承内环感应器拆装结构从内到外依次是径向导磁体、周向导磁体、支撑盘、径向调环、夹紧杆、手柄。轴承感应拆装器具体结构见图1。这个感应器利用径向调环内侧的螺旋槽与径向导磁体相互配合，实现对不同尺寸轴承内环的固定与夹紧，这个过程是夹紧杆、螺旋槽与径向导磁体互相配合滑动的过程，尤其是径向、周向导磁体被与被加热工件共同构成完整闭合线路，一旦感应线圈通以交流电就会在内部形成磁场产生涡流，从而在磁场作用下实现快速无损拆装^[2]。

图1 轴承感应拆装器具体结构
 

　　二、感应加热理论计算

　　将待处理轴承工件放入感应线圈，交变电流磁场作用下会产生感应电动势，其表达式为：，表达式中e为感应电势的瞬时值，Φ为交变电流产生的总磁通，负号表示磁通方向与电势方向相反。工件与感应线圈构成闭合回路，在电势作用下产生涡流，其具体表达公式为：，其中R为材料电阻，X_L为感抗；此涡流在工件上产生热量可表达为：。
　　若轴承与感应圈之间的间隙很小，漏磁损失很少，可把感应圈所产生的磁能看做全被工件吸收而产生涡流，此时涡流I_f将与通过感应圈的交变电流I大小相等，方向相反，据此，在高为1cm的单匝感应圈中加热工件吸收的功率为：，式中Pa为工件吸收的功率，R₀为工件半径，ρ为工件材料电阻率，μ为工件材料磁导率，f为交变电流频率。在工件磁场与涡流描述中，感应器加热后工件涡流If从表现到中心呈规律性衰减，从而形成集肤效应，应用麦克斯韦方程组进行求解计算。

　　三、轴承感应拆装的计算机仿真

　　以轴承感应器为基础，应用感应加热理论进行计算，应用Matlab软件，以此作出轴承工件内部感应加热后磁场、电场、涡流分布情况，形成仿真图。我们假设仿真过程中感应器线圈电流频率为f，分别在10赫兹、50赫兹和500赫兹时加热轴承内环，以内径、外径Φ分别为128mm与148mm，计算得出磁导率μ和电导率ρ，那么磁场、涡流、电场三者密度分布情况具体如图2所示。从图中数据分布情况来看，轴承工件在加热过程中三者密度分布变换规律基本相同，且随着电流频率的升高集肤效应越显著。

图2 被加热轴承工件三者密度分布图

　　轴承感应器拆装过程应用ANSYS软件进行仿真，要先建立拆装器模型，具体包含径向导磁体、空气隙、轴、轴承内环、周向导磁体和三相感应圈。拆装器的感应线圈采用三角形并接的方式对称接到三项电源上，以220KV电压和50赫兹频率进行加热，对拆装器施加荷载后对数据进行网格划分可得到具体仿真磁力线分布图、磁通密度等值分布图和磁场强度与半径分布路径图。在感应加热过程中，涡流分布密度直接影响轴承内环温度场的分布，感应涡流虽然难以检测，但是可以根据加热后内环温度场的分布来间接明晰电磁场分布和涡流密度分布情况。仿真结果表明，电磁场分布带有显著的集肤效应，磁力线多集中在轴承内环，感应涡流也主要分布在轴承内环，轴内分布较少。这主要是由于拆卸过程中感应加热时，轴承换碰撞但是轴内不受热，导致可轻易将轴承环顺利拆卸^[3]。

　　此外，我们对比Matlab仿真结果与ANSYS仿真结果中被加热轴承工件三者密度分布情况与拆装器磁通密度等值分布情况可发现二者具有高度良好的一致性，这无疑证实了集肤效应的存在，并且也验证了轴承感应拆装器实现高效快速拆卸的可能性与可行性，证实轴承电磁场、涡流和电场分布规律的一致性以及所建立模型和计算机仿真结果的准确性^[4]。

　　小结

　　轴承感应拆装应用电磁感应加热技术实现内环的无损拆装，本文根据感应器结构应用感应加热理论指导计算，使用Matlab和ANSYS软件完成了轴承感应拆装的计算机模拟，证实集肤效应的存在，验证了轴承感应拆装器实现高效快速拆卸的可能性与可行性，证实轴承电磁场、涡流和电场分布规律的一致性以及所建立模型和计算机仿真结果的准确性。

　　参考文献

　　[1]彭开武，安景灏.感应加热在轴承装卸上的应用[J].信息空间，1999（02）.

　　[2]吴金福，许雪峰.感应加热工件内电磁场的计算及其有限元模拟[J].浙江工业大学学报，2004，32（1）：58-62.

　　[3]许雪峰，赵敏，吴金富.45钢工件感应淬火温度场有限元模拟分析[A].第三届中国热处理活动周暨第六次全国热处理生产技术改造会议论文专辑[C]，2005.

　　[4]李国发，杨淑香，王龙山，等.轴承感应拆装过程中工件内电磁场模型的建立及计算机仿真[J].工业加热，2007，36（4）：23-25.
 

来源：《科技与企业》2014年9期