回转支承文献综述

回转支承文献综述
摘要：本文简要概述了回转支承定义、发展和展望，并通过回转支承的常见故障进行描述，给出了相应的诊断及改进措施。

同时，运用有限元的分析方法，对回转支承的接触问题进行了浅析。

关键词：回转支承，发展，故障诊断，有限元分析
0 引言
回转支承(又称回转支承、大轴承，也称旋转支承或回旋支承)是大型装卸机械以及一些大型设备中的核心部件，它能否正常工作直接影响整台设备以至整条生产作业线的生产效率，也直接关系到人员和设备的安全。

回转支承由于采用封闭式结构，例如对于风机上的回转支承的检修，只有将几百吨的上部结构顶升到一定高度，才能检查回转支承内部状况，从导致工期长、危险性大、费用高，而且存在不确定因素，易造成浪费。

因此，对回转支承进行有效的有限元分析，同时研究回转支承的损坏形式，分析故障原因，一方面可以为正确地设计、选择使用轴承，提供详实的资料，进而改进设计，合理选用轴承，充分发挥轴承的功能，提高经济效益。

另一方面，更重要的是可以提高使用安全性，避免重大事故的发生。

1 回转支承定义
回转支承又称回转支承、大轴承，也称旋转支承或回旋支承。

是一种能够同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩等综合载荷，集支承、旋转、传动、固定等多种功能于一身的特殊结构的大型轴承。

一般情况下，回转支承自身均带有安装孔、润滑油和密封装置，可以满足各种不同工况条件下工作的各类主机的不同需求；另一方面，回转支承本身具有结构紧凑、引导旋转方便、安装简便和维护容易等特点，被人们称为：“机器的关节”，广泛用于起重运输机械、采掘机、建筑工程机械、港口机械、风力发电、医疗设备、机器人以及旋转餐厅、雷达和导弹发射架等大型回转装置上。

图1 回转支承分类
（a）三排滚柱（b）交叉滚柱（c）单排滚珠（d）双排滚珠
回转支承一般有单排四点接触球式、双排四点接触球式、交叉滚子式、三排滚子式等形式，其中单排四点接触球式回转支承成本较低，且综合性能较高；双排球式回转支承使用寿命长，承载能力强回转阻力小，允许磨损量大，对安装基座要求不高，但其运动精度较低；交叉滚子式回转支承精度高，寿命长，动载荷容量较高，但对基座刚性和精度有较高要求，且滚子与滚道在接触时易发生边缘效应，导致边缘实际应力远大于设计应力；三排滚子式回转支承一般具有非常高的静承载能力。

在一般的应用场合，通常认为中小规格的回转支承应以四点接触单排球式为主，大规格的回转支承应以三排滚子式为主。

2 回转支承发展概述
回转支承是近四十年在世界范围内随着机械工业的发展而逐渐发展起来的新型机器部件。

它已从用于塔式起重机、汽车起重机、挖掘机，逐渐延伸护展到运输机械、冶金机械、食品加工机械、军事装备（坦克、高炮、雷达、火箭发射台）、医疗机械、天梯、风车、机械人、旋转娱乐设施等领域。

目前，我国定型生产的回转支承，主要是80年代初由机械工业部指定天津工程机械研究所组织引进的原联邦德国的罗德爱德（Rothe Erde）公司的专有设计和制造技术。

组织引进时，先后考察了日本、英国、法国和原联邦德国的制造公司，通过分析对比，原联邦德国的罗德爱德公司是其中最著名的公司，可生产直径0.35～40m的回转支承，年产54000套，品种多、规格全，已形成严格科学的理论研究、设计制造、试验检测、售后服务体系，在世界范围内享有极高的声誉。

80年代以前，我国在塔式起重机、汽车起重机、挖掘机等机械设备上，主要采用转柱式回转支承、定柱式回转支承、转盘式回转支承、钢丝滚道式回转支承。

随着国外技术的引进和进口设备的大量涌入，滚动轴承式回转支承的先进性、科学性逐渐为大家所认识，如运转轻便灵活、回转阻力小；结构紧凑、外形尺寸小（主要是指高度）；维护方便、使用寿命长；由内、外套圈、滚动体、隔离块、密封条等组成，安装方便，又便于专业化集中生产；无中心枢轴、中间空间可安装其它部件。

随着时间的推移，其它类型的回转支承慢慢被淘汰，回转支承也就专指轴承式回转支承了。

80年代，随着经济的复苏和改革开放的迫切要求，1984年12月20日发布的中华人民共和国机械工业部部标准JB2300-84《回转支承型式、基本参数和技术要求》，主要由机械电子工业部天津工程机械研究所、徐州回转支承厂负责起草提出，对回转支承的型式、分类、尺寸系列、技术要求、安装维护进行了详细的说明，给用户提供了极大的方便，为回转支承的设计、生产、选购提供了科学和规范。

1991年11月22日发布的中华人民共和国建设部行业标准JJ36.1-36.3-91《建设机械用回转支承》，主要由建设部北京建筑机械综合研究所、马鞍山回转支承厂负责起草提出，形成具有行业特点的新的型式、分类和尺寸系列。

同时，市场对HS系列回转支承的需求量依然很大，它采用机械部标准JB2300-78A，这种类型的回转支承滚动体小，厚度尺寸大。

这三个标准的回转支承在市场上长期共存，各领风骚。

1990年前后，国民经济持续快速发展，基础建设规模不断扩大，工程机械和建筑机械热销，回转支承生产厂家少，回转支承确实有过“皇帝的女儿不愁嫁”的辉煌时代，带款排队提货，名符其实的紧销商品。

由于存在巨大的市场缺口，存在丰厚的利润，自然会有许多地方，许多单位去淘金，去投资，1994年以后的短短的几年，全国各地大大小小的回转支承生产厂如雨后春笋般地冒出来，结束了以徐州回转支承厂、马鞍山回转支承厂称雄市场，分割天下的局面，仅小小的胶东半岛就有三个专业生产厂，一个徐州回转支承厂的销售办事处，号称“塔机之乡”的胶东半岛的回转支承的商业竞争日趋白热化，生产厂家为了赢得更多的市场份额，竟相抛出促销手段，当然也包括许多种不合法的手段，严重影响了回转支承
的正常经营环境和商业秩序。

2000年后，市场上用量最大的是单排四点接触球式回转支承，约占市场总份额的95%以上，而其中滚道直径在φ500～φ1500mm之间的占绝大部分，由于加工难度小，市场广阔，设备造价低，所以大多数厂家只能生产这种单一的回转支承。

单排交叉滚柱式回转支承和三排滚柱式回转支承科技含量高，加工难度大，设备规格大，投资大，市场需求面窄量小，虽然利润丰厚，但只有二、三个骨干大厂能够生产，基本上形成垄断。

双排异径球式回转支承由于结构特点和适用场合的限制，很少有人选择，很少有厂家生产制造。

可以看出，小直径单排四点接触球式回转支承的市场竞争最为激烈，供大于求，形成群雄割居，相互蚕食市场的局面，而大直径的单排交叉滚柱式回转支承和三排滚柱式回转支承主要是徐州回转支承厂一枝独放，垄断市场。

鉴于目前我国回转支承生产趋于饱和，但科技含量高的却很少，质量也不过硬，综观一下对回转支承齿淬火和滚道淬火要求较高的挖掘机市场，国产挖掘机在诸如三峡工程、黄河小浪底工程等国家级大型土建施工现场几乎看不到，清一色的进口设备，日本的小松、韩国的现代、美国的卡特彼勒，虽然价格昂贵，但施工单位却依然选中了它，出巨资购买，主要原因就是质量过得硬，关键部件可靠性强，使用寿命长，不易损坏，关键时候抛不了锚，耽误不了工期，影响不了信誉，避免一些工程纠纷的发生。

制约我国挖掘机发展的因素很多，但机械配件，如回转支承、液压元件的质量不过硬，是其中的重要环节。

从与国外回转支承的对比来看，国产回转支承的材质和热处理技术、齿淬火技术远远落后，这就要求广大工程技术人员不懈努力，刻苦钻研，力争尽早赶超世界先进技术，为回转支承冲出国门，走向世界奠定基础。

3 回转支承常见故障分析及改进措施
回转支承的损坏情况比一般机械零件的损坏要复杂的多。

它的损坏形式多种多样，原因各异。

除了有轴承设计和制造的自身因素外，大部分损坏的原因与轴承选型不当、支承座架设计不合理、刚性弱及连续面的平面度差、超载运转、安装不当、润滑不良和密封不严等使用因素有关。

研究回转支承的损坏形式，分析故障原因，一方面可以为正确地设计、选择使用轴承，提供详实的资料，进而改进设计合理选用轴承，充分发挥轴承的功能，提高经济效益。

另一方面，更重要的是可以提高使用安全性，避免重大事故的发生。

3.1 轴承选型不当造成的故障
正确合理地选用轴承是充分发挥轴承功能的保障。

如果在机械设计中考虑不周全，会出现载荷超载，导致滚动体碎裂、滚道剥落或出现裂纹。

满足承载能力是首要考虑的问题，内部参数设计是关键因素，合理选择材料及材料的热处理状态也是重要的。

要根据主机的实际工况，一般应考虑空间位置、载荷大小及性质、转速、旋转精度、摩擦力矩和安装方式等方面。

另外，回转支承的游隙也是不容忽视的因素。

一般来说，对工程机械、矿山机械和起重机械等应用场合，通常轴承应选择较大的游隙。

若游隙太小，轴承固定后由于支承平面度不好，会导致轴承游隙减小，使轴承在运转中出现卡死现象或者滚动体间相互挤压出现响声；同时会造成滚道局部应力过高而引起失效。

另一方面，由于支承面平面度的影响使得固定后的轴承出现0 波浪型，使滚动体不在同一平面上由此造成摩擦力矩过大。

根据经验，一般情况下回转支承的游隙应不小于安装面平面度的1.2倍。

3.2 支承座架刚性不足引起的故障
回转支承自身的刚性不好，若座架刚性不足，回转支承将随座架的的变形而变形，造成原始游隙的不均匀性，致使轴承在工作时运转不平稳，发生异常响声。

这种情况对于交叉圆柱滚子轴承的影响尤其明显，造成轴承多处局部无游隙，滚子和滚子间、滚道和滚子间因相互挤压而磨损。

同时，座架的变形不仅会导致滚道分离而翘曲，影响齿圈与小齿轮的啮合间隙和啮合性能，进而影响主机的工作质量，还会使滚道与滚动体产生边缘应力而造成轴承早期失效。

回转支承是用螺栓与主机固定的，座架刚性不足产生的变形，在外载荷作用下使得螺栓受力不均，严重时将会因局部严重偏载而使螺栓断裂，造成事故。

为提高座架刚度，可从以下几个方面考虑: 支承座要进行足够的时效处理，使内应力彻底释放；座架尽可能做成空心圆柱体结构，还应具有足够的高度；如果采用焊接座架，要设置适当的加强筋，以防座架水平和垂直方向的变形。

3.3 安装平面的平面度超差引起的故障
由于回转支承自身刚性较差，轴向抗弯能力弱，安装后，在螺栓的作用下轴承会随安装平面的加工质量而变形，其变形量的大小，随安装平面的平面度降低而升高。

受载后，翘曲变形会引起滚道局部变形，造成滚动体在转动时被卡死或轴承在回转时发出撞击声，同时在滚道边缘出现应力集中，造成轴承早期损坏。

表1和图2、图3列出了回转支承对座架表面的平面度要求及各要素间的对应关系。

回转支承在安装前，应对与其相配的支承座安装平面进行必要的检查，要求支承座架除
应具有足够的刚度外，还要对连接表面进行机械加工，并清除表面杂物和毛剌。

对支承零件连接表面技术要求应符合表1的规定。

对不能进行机械加工的连接表面应采用注塑法使其平整。

3.4 安装不当引起的故障
3.4.1 螺栓预紧力不够
回转支承通常是用螺栓固定在座架上的，在安装螺栓时，要注意采用对角线法安装螺栓。

螺栓的预紧力要达到螺栓屈服极限的70%左右。

若预紧力不够，容易引起轴承在受时内外圈相对错位，使接触角发生变化，造成滚动体载荷不均匀或滚动体与滚道产生边缘应力。

对于带齿圈的轴承，还会引起齿圈啮合间隙和啮合质量发生变化而齿面早期损坏。

3.4.2 软带位置安装不当
回转支承套圈的滚道是经表面感应淬火热处理的，这种工艺方法在淬火带的始端和末端之间会产生一个软带区，通常用S作为标志。

安装时软带位置应置于非载荷区或非经常载荷区。

以起重机为例，即套圈的软带应偏离主载荷方向90b，使其偏离最大载荷回转区域，避免最大工作载荷在软带位置处，从而使滚道不产生塑性变形，保证轴承的使用寿命。

3.5 润滑不良引起的故障
润滑对延长回转支承的疲劳寿命和减少摩擦、磨损和温升等有重要作用，没有适当的润滑，轴承就不能很好地工作，许多轴承的损坏都与润滑不良有关。

回转支承的润滑多采用脂润滑，它不仅能够有效地减少摩擦副表面的摩擦力和磨损及温升，也可起到密封和防锈作用。

虽然回转支承的工作转速不高，但大部分是在重载荷下工作，因此润滑不良的相对运动表面容易发生粘着磨损，甚至发生烧伤。

同时回转支承大多是在露天工况下工作，高温潮湿的环境可使滚动体和滚道很快锈蚀。

回转支承的润滑，考虑复杂综合因素的影响，用户可根据具体要求自行选择最佳润滑脂，推荐的润滑脂如表2。

回转支承在使用过程中，也要定期充填润滑脂。

通常在工作100～200 h 后应重新充填一次，在高温高湿环境和灰尘较多的工况下填脂周期应更短一些。

充填时应边填边回转轴承，
使润滑脂均匀分布，直到新的油脂开始被挤出密封部位为止。

机器长期停止运转也必须加足新的润滑脂。

3.6 密封不当引起的损坏
回转支承的密封一方面能防止润滑剂的泄漏，另一方面在野外露天使用时也能防止水、灰尘及其他杂质的进入。

若密封不良，润滑脂填充不充分或泄漏，潮湿空气及水的侵入能使滚动体和滚道锈蚀、剥落；若灰尘杂质进入轴承内部，经过碾压可使滚动面产生压痕，加大轴承工作表面粗糙度，从而缩短轴承寿命；若较硬的杂质进入轴承内部，则会与滚道和滚动体互相研磨，可造成轴承的磨损，进而增大游隙，或者划伤工作表面。

比较常用的密封是密封条密封。

这种密封是在轴承的内外圈上分别加工好密封槽，装配时再加入密封条。

这种方式能比较有效地防止灰尘、杂质进入轴承内部，还能防止润滑剂的泄漏。

在某些特殊场合，采用迷宫式密封比较可靠。

由于使用条件和载荷性质的差异，也许会有别的故障现象出现，应具体分析，查出原因，妥善处理，以保安全。

随着技术的发展会有新的处理方法出现，我们应及时采用新的有效的方法，处理回转支承在使用中可能出现的故障，以延长回转支承的使用寿命，提高经济效益。

4 回转支承故障检测
轴承故障检测技术较多，主要有3种，即振动检测、铁谱分析和光谱分析。

大型回转支承分析系统主要采用多通道振动测试。

对大轴承进行振动监测时，在大轴承四周等间距安放4 个振动加速度传感器，采用磁带机或数据记录系统完整记录数据，并通过多通道波形分析仪或频谱分析仪进行时域和频域的分析处理。

大轴承的振动分析分为时域分析和频域分析两种。

4.1 时域分析技术
针对不同的故障类型，可以采用不同的时域诊断技术，或者将几种诊断方法结合使用。

4.1.1 振动能量值统计
振动能量直接反映了大轴承的内部状态信息，所以可以通过振动能量值的统计分析来判断大轴承的局部或整体是否出现缺陷或故障，并根据不同测点振动能量值的大小来判断大轴承不同部位的状态。

现场经验和所采集的大量数据样本证明，正常和异常的大轴承其振动能量值往往相差几十倍甚至几百倍。

经过各种不同状态门机的振动数据的比较，可得出大轴承的振动参考门限值。

类似于ISO国际振动标准，处于A 类状态的大轴承，滚柱、滚道和润滑条件各方面均处于良好状态；处于B 类状态的大轴承则应注意加强润滑管理；处于C 类状态的则应加强现场观察，并落实润滑是否到位；而被列入D类状态的则不能继续运行，要停机进行设备检修。

4.1.2 冲击脉冲延迟分析
针对大轴承的整个支承结构出现确定性冲击脉冲等异常现象，可以通过多通道信号记录分析仪器进行同步采样，根据产生脉冲的时间延迟，来判断每个信号的产生顺序，得出产生故障的部位。

4.1.3 峰-峰值变化量统计
通过统计振动的峰-峰值可以观察大轴承振动信号是否平稳。

在正常状态，大轴承振动的最大和最小值变化并不很大，所以其振动峰-峰值从统计角度看处于平稳状态，而且总的振动能量也不大。

一旦大轴承出现异常，如滚柱滚道损坏或润滑不良，大轴承的振动会明显加大，在振动的时域图上，一个突出的现象就是振动的峰-峰值出现明显的波动，在一个时
刻很小，而在另一时刻很大。

当峰-峰值变化到足够大时，形成有害的冲击脉冲。

如果能够知道大轴承的滚柱数目，并测出这些明显的峰值间隔，可以判断滚道或滚柱是否出现异常。

4.2 频域分析
和振动的时域波形诊断一样，频谱分析也是对大轴承进行异常诊断的一种有效方法。

除了可对旋转机构传动系统进行频率分析外，对大轴承发生故障时的特征频率也可进行早期的分析和诊断。

4.2.1 全频带的振动总量统计
根据振动总量值的统计可以判断大轴承的局部或整体是否出现缺陷或故障。

这个方法可与时域分析中的振动能量值的统计相对应，
4.2.2 旋转机构传动系统分析
大轴承的驱动形式为电机通过——多级行星齿轮箱减速，再驱动小齿轮围绕大齿轮旋转，所以在用振动传感器测量大轴承的振动时，必然会包含其齿轮传动的信息。

而一旦电机和齿轮箱产生故障，则在振动的频谱中会出现这些故障频率，所以在对大轴承进行频谱分析前需对传动系统进行特征频率的计算。

4.2.3 高频带能量分析
大轴承发生缺陷或故障时，工作载荷发生变化会导致电机转频、齿轮箱啮合频率的幅值也相应变化。

由于载荷及润滑等因素，大轴承在运转时，滚珠(滚柱)在滚道内不是纯滚动运动，往往会伴随着滚珠(滚柱)和滚珠(滚柱)，滚珠(滚柱)与隔离圈、滚珠(滚柱)和滚道之间的相对滑动、碰撞和冲击。

这种不规则的滑动、碰撞和冲击会产生一个高频带信号。

根据现场经验，这个频带信号在1KHz-3KHz。

当大轴承内部滚珠(滚柱)隔离圈滚道发生缺陷或故障时，这部分高频带振动总量值会发生相应的变化，并且当进入故障后期时，高频带信号会向低频方向转移。

4.3 铁谱和光谱分析
对于大型低速回转支承，可采用铁谱和光谱分析检测技术。

如某轴承直径达5.4m，回转速度为0.9r/min，滚动体的自转频率小于1Hz。

该轴承的内外圈和滚动体特征频率通过普通的加速度传感器无法采集，因此动检测方式不适用该轴承的故障诊断。

而铁谱和光谱检测技术可以通过对润滑脂进行采样分析，了解回转轴承的磨损状态，诊断轴承故障，为回转轴承的修复提供进一步技术依据。

如是例中该轴承属低速重载型，采用了1号极压锂基质润滑，润滑脂的黏度较大，流动性差，其中的磨损微粒分布很不均匀、为克服润滑脂样中磨粒分布不均匀的现象，除增加脂样数量以外，还对每个脂样各制作3张铁谱片和进行3次原子发射光潜分析分别从现场回转轴承内外圈挤出的旧油中采集油样，采集点等距分布。

5 回转支承有限元分析
回转支承可以看成是上、下两个推力轴承与中间一个径向轴承的组合体, 而目前国际、国内在滚动轴承分析的方法中,利用有限元软件分析滚动体与滚道之间的接触是公认比较合理的一种方法。

5.1 赫兹理论接触分析
接触广泛存在于工程实际中, 接触问题属于边界非线性问题。

回转支承依靠其内部各构件间的滚动接触来支撑转动零件实现运动和力的传递, 其工作情况的好坏直接影响整个系
统的运行。

其静力学分析可以分为两个方面：滚动体与滚道之间的接触承载能力问题；轴承整体的变形与平衡问题。

通过有限元数值模拟可以直接快速解决,并得到内外圈与滚动体接触应力分布与变形之间的关系。

5.1.1 最大载荷
由于在进行理论计算时假设轴向载荷是由上、下两排滚柱承受。

且轴向载荷沿外圈平均分布,各个滚柱上的受力是相等的, 每个滚柱上的载荷为轴向力除以滚柱数。

径向载荷由中排滚柱承受, 可视为一向心滚子轴承。

根据Stribeck 的结论, 径向游隙为零的向心滚子轴承, 仅承受径向载荷时滚柱所承受的最大载荷经验计算公式为
F r 为总的径向载荷, z为滚柱数, A为两相邻滚柱之间的夹角, 其径向载荷分布如图3
所示。

5.1.2 最大接触应力
回转支承中排滚柱与内、外圈之间的接触相当于两个圆柱体之间的接触, 其初始接触形式为线接触。

根据赫兹公式, 便可求出两个圆柱线接触的最大接触应力。

5.2 有限元接触分析
迄今为止, 国内已经有很多学者在利用有限元分析软件ANSYS 对轴承进行接触分析方面做了大量研究。

根据有限元计算结果和赫兹理论计算结果的对比表明, 有限元软件在解决滚动轴承接触问题时能正确的反应轴承的实际受力情况, 解决了传统赫兹理论无法对复杂模型进行精确计算的局限性。

但是目前的研究大多只涉及一列或多列平行的滚动体接触问题, 对于三排滚柱式回转支承这类多个部件受偏载力且同时承受几个方向力的复杂接触问题, 还很少有人对其进行深入分析。

下面主要对这类复杂接触问题进行了研究。

5.2.1 有限元模型
由于该回转支承体积较大, 且总滚柱数量较多, 建立
其完整的有限元模型进行计算显然是不现实的, 在实际静
力分析时只需考虑受力最大的滚柱。

根据对称性, 为节约计
算机资源,取滚柱的一半进行分析。

选用8 节点的Solid45
实体单元, 自由划分网格, 在接触区域进行局部细化,如图
4 所示。

中间各分界平面上施加对称约束, 按照实际情况在总
体坐标系下完全约束内圈安装面上的六个自由度, 在局部
柱坐标系下约束滚柱沿自身轴线转动和移动的自由度。

由于回转支承的转速较慢,惯性载荷沿切向方向, 其对
计算结果的影响不大, 这里忽略惯性力的影响。