旋转支撑系统设计要求

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4.4 滚动轴承式回转支承4.4.1 构造、类型和特点滚动轴承式回转支承由内外座圈、滚动体、隔离体、密封装置、润滑装置和连接螺栓等组成。

它是在普通滚动轴承基础上发展起来的，但又有其特点。

普通轴承主要起支承作用而它还要传递运动；普通轴承内外座圈的宽度与径向尺寸之比远大于回转支承，其刚度靠轴承座装配来保证，而回转支承则靠支承它的转台与底架来保证，设计时必须注意转台与底架的刚度；普通轴承转速高，滚动体与滚道接触的变化次数也多，失效形式主要是疲劳点蚀，回转支承转速低，载荷大，失效形式主要是塑性变形，故一般进行静容量计算即可。

回转支承按滚动体型式有滚球和滚柱；按滚动体排数有单排、双排和多排；按滚道型式有圆弧曲面、平面和钢丝滚道等。

常用的有单排滚球式、双排滚球式、单排交叉滚柱式和组合滚柱式等四种。

4.4.2 回转支承的确定结合设计题目，采用单排四点接触球式回转支承便可以满足设计要求，具体的内部结构形式如图4-7所示。

查表4-4确定型号为013，014型0安装型孔（图4-8），初步设计选用013.25.400型号尺寸，具体的参数如表4-5所示。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图4-7 单排球内齿式回转支承1-连接螺栓 2-外座圈 3-密封装置 4-滚动体 5-内座圈 6-润滑装置 7-隔离体 8-插销 9堵塞表4-4 单排球式回转轴承┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图4-8 013，014，0型安装孔表4-5 回转支承基本参数4.4.3 回转支承的受力分析研究滚动轴承式回转支承的受力状态在于找出受力最大的滚动体上的负荷，验算滚动体与滚道的接触强度。

回转支承的座圈是一个以滚动体为支点的多支点环形梁，承受着轴向载荷PG、倾覆力矩M和径向力PH。

设内座圈与转台固定，外座圈与底架固定，力的传递路线是转台经内座圈、滚动体、外座圈到底架，如图4-9所示。

由于内力分布与内外座圈的刚度、滚动体和滚道加工有关，为简化计算，假定：┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（1）内外座圈为绝对刚体，受力后变形只发生在滚动体与滚道接触处。

（2）滚动体与滚道接触良好，无加工误差，无轴向间隙和径向间隙。

内力计算有变形叠加法和载荷叠加法，后者仅适用于作用力和变形是线性关系的情况。

考虑到载荷叠加法比较简单，计算结果能满足要求，因此仍采用载荷叠加法计算内力，即上述三种载荷在滚道上引起的正压力分别计算后再叠加。

4.4.3.1 单排球式回转支承受力分析1.GP计算在GP作用下，根据上述假定每一个滚动体对滚道的正压力GP为1sinαZGP PG=（4-7）式中Z—滚动体总数；带隔离块时bdDZ+⋅⋅=310π（4-8）不带隔离块时310dDZ⋅⋅=π（4-9）式中D为滚道中心直径（m），b为隔离块有效宽度（mm），当D6.2>m时b=3mm，当D≤6.2m时b=2mm。

算出的Z值对交叉滚柱式应圆整到最接近的较小偶数；对四点接触式应圆整到最接近的较小数。

由上述可知，本设计采用隔离块，且D≤6.2m，所以取b=2mm，按式3-8计算可得：225104.014.33+⨯⨯=Z=46.52取Z=46，即滚动体个数为46个。

1α——滚动体与滚道的接触角。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图 4-9单排球式回转支承受力分析2.maxMP计算（图4-10）在倾复力矩M作用下，按照上述假定滚动体与滚道之间的弹性接触变形φδ与横坐标X成比例。

令受载最大的滚动体其变形量为m axδ，则有ϕδδφcosmax⋅=（4-10）为简化计算，暂时忽略接触角1α的影响。

按照弹性接触理论，正压力MP与变形的关系为5.1maxmax5.1,δδφkPkPMM==（4-11）式中k—比例常数，与滚动体和滚道的几何尺寸，材料和接触情况有关。

于是ϕ5.1maxcos⋅=MMPP（4-12）由于滚动体数量很多，可认为其变形式连续的，令ϕ∆表示滚动体的角节距，则单位弧长上的负荷为ϕππϕφ5.1maxcos222⋅⋅=⋅=∆⋅=DPZZDPDPP MMM（4-13）在dl一段微小弧长上的正压力对Y坐标的力矩为ϕϕϕπϕϕcos22coscos25.1max0⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=DdDDZPDdlPdM MϕϕπdDZPM5.2max cos4⋅⋅=（4-14）根据力矩平衡条件┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图 4-10单排球式回转支承受力分析ϕϕππdDZPM M⎰⋅⋅=25.2max cos4437.4max0MPDZ⋅⋅=即max37.4ZDMPM=（4-15）式中719.0cos25.2=⎰ϕϕπd┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图 4-11单排球式回转支承受力分析引入接触角1α，则有：1max sin37.4αZDMPM=（4-16）3．m axHP计算（图4-11）在径向载荷PH作用下，假定回转支承只有Y坐标右侧的滚动体受力，滚动体沿X坐标方向的移动量相等，用m a xδ表示，滚动体在径向的变形φδ符合余弦规律，即φδ=m axδϕcos⋅，又5.1maxmax5.1,δδϕϕkPkPH==，则有：ϕϕ5.1maxcos⋅=HPP（4-17）设ϕ∆表示滚动体的角节距，则单位弧长上的径向力为ϕππϕφφφ5.1maxcos222⋅⋅=⋅=∆⋅=DPZZDPDPP H（4-18）在1一段微小弧长上投影到2作用方向的分力为ϕφcos⋅⋅=dlPdHPϕκϕπcos2cos05.1max⋅⋅⋅⋅⋅=dDDPZHϕϕπdPZH5.2max cos2⋅⋅=（4-19）根据力的平衡条件┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ϕϕππdPZH HP⎰⋅⋅=25.2max cos222185.2maxHPZ⋅=（4-20）积分符号内的“2”表示单排球在2作用下有两条滚道（图4-12）。

图 4-12于是ZHP PH185.2max=引入接触角1m ax cos185.2α⋅=ZHP PH（4-21）令451==αα，在PG、M、PH共同作用下受载最大一颗滚动体对滚道的正压力为HmazMGPPPP++=maxmax)185.237.4(sin11PPHDMGZ++⋅=α（4-22）由于间隙的存在，使受载滚动体的数目减少，因此上式中的系数应酌情增加，即)5.25(sin1max PPHDMGZP++⋅=α（4-23）代入数据到式4-27可得受力最大的滚动体对滚道的正压力为：)70.299695.24.012.6318511460(45sin461max⨯+⨯+︒⨯=P)(58.5084N=4.5 滚动轴承式回转支承的校核4.5.1 当量轴向负荷PC的计算对交叉滚柱式：)(5.25.4kNHDMGCPPP++=（4-24）┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊对单排四点接触球式：)(5.25kNHDMGCPPP++=（4-25）式中D——滚道中心直径（m）；PG——作用在回转支承上的总轴向力（kN）；M——作用在回转支承上的总倾复力矩（mkN⋅）；PH——在力矩M作用平面内的总径向力（kN）。

本设计采用单排四点接触式回转支承，把数据代入4-25可得：PC9697.295.24.031812.6546.11⨯+⨯+=)(01.167kN=4.5.2 负荷能力C的计算回转支承的负荷能力一般用净容量和动容量表示。

净容量是指回转支承在静负荷作用下滚动体和滚道接触处的永久变形量之和达到滚动体直径万分之一而不影响回转支承正常运转的负荷能力。

动容量是指回转支承回转达到100万转后不出现疲劳裂纹的负荷能力，挖掘机回转支承的转速较低，一般进行静容量计算即可。

回转支承的静容量计算如下：对单排四点接触球式)(10/sin32kNZdfCα⋅⋅⋅=（4-26）对单排交叉滚柱式=C310/sin2α⋅⋅⋅⋅'Zldfx)(10/sin3kNZldfxα⋅⋅⋅⋅=（4-27）式中,ff'—分别为滚柱和滚球的静容量系数)/(2mmN，一般2ff='；d—滚动体直径)(mm；xl—滚柱有效长度，)(8.0mmdlx=；α—滚动体和滚道的接触角，在系列标准中取45=α；Z—滚动体总数，由上可知为46。

本设计采用单排四点接触式回转支承，把数据代入4-26可得：)(10/sin32kNZdfCα⋅⋅⋅=3210/45sin462536︒⨯⨯⨯=)(86.731kN=┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊系列标准中的额定静容量是按滚道表面硬度HRC55，并带隔离块时算出的，若情况改变，应重新按上式计算。

本设计的额定静容量是按滚道硬度HRC56，带隔离块来选取的，静容量系数按表4-6选用。

表4-6 回转支承静容量系数安全系数afPCC=（4-28）38.401.16786.731==45.1~3.1>从结果可知，所选回转支承完全能满足设计要求。

4.6 影响回转支承承载能力的因素回转支承的失效形式有两种，一是滚道损坏，二是断齿，而滚道损坏占的比例达98%以上，因此可以说，滚道质量是回转支承质量的核心问题，影响回转支承滚道质量的因素较多，其中滚道淬火硬度、淬硬层深度、滚道曲率半径和接触角无疑是最重要的四个影响因素，它们以不同的方式影响着滚道质量，并决定了回转支承的承载能力和使用寿命。

1、滚道硬度回转支承滚道淬火硬度对其额定静容量影响较大，如以HRC55时额定静容量为标准1，则滚道硬度与额定静容量有下列对应关系（表4-7）：表4-7滚道硬度与额定静容量的对应关系大多数回转支承实际承载能力均高于按HRC55计算的理论值。

从上表也可看出当硬度低于HRC53时，即使留有1.2的安全系数，使用也不安全了，特别当硬度只有HRC50时，1.7倍的安全系数也形同虚设，非常危险。

硬度不够极易造成回转支承失效，从滚道表面点蚀开始到坍塌结束。

2、滚道淬硬层深度滚道淬硬层深度目前尚无无损检测的方法，主要靠工艺和装备来保证，必要的淬硬层深度是回转支承滚道不产生剥落的保证。

当回转支承受外负荷作用时，钢球与滚道的点接触就变成了面接触，是一个长半轴为a，短半轴为b的椭圆面，滚道除受压┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊应力外，还受到剪切应力作用，最大剪切应力发生在表面下0.47a深处，因此滚道淬硬层深度须大于0.47a（一般取0.6a），这也是标准中根据钢球直径大小，而不是根据回转支承直径大小来规定淬硬层深度的原因，同时给出了具体最小保证值。