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大直径回转支承的合理选型---《建筑机械》2017年第十一期

发布日期:2017-12-28 浏览次数:805

           回转支承作为重要的基础部件,在我国经过近四十年的发展得到了广泛的应用。但如何正确选择大直径回转支承的结构型式,保证使用可靠性及高的性价比,依然是主机行业普遍关注的问题。

文章《合理选用回转支承》(建筑机械,1996年第8期)认为“中小规格的回转支承应以单排球式为首选型式,大规格是三排柱式。”现在市场上应用的中小规格回转支承普遍为单排球式,大规格为三排柱式,验证了该观点。随着回转支承行业制造工艺的进步及基础理论研究的深入,我们发现大直径回转支承选择双排八点接触球式结构较三排柱式优势更为突出。下面以相同主参数的三排柱式及双排八点接触球式回转支承进行计算分析。

这里应用马鞍山统力回转支承有限公司与高校联合开发的国内首个回转支承智能分析软件进行分析计算。该软件可实现的主要功能包括:给定载荷(轴向力、倾翻力矩、径向力)、滚道间隙条件下,单排、双排球式及三排柱式回转支承的额定静容量计算,并绘制出给定主参数回转支承的承载曲线;单个滚动体的接触参数计算、显示接触形状;滚道内部的米塞斯应力及切应力分布规律,并可绘制应力变化曲线图。

 

1  双排八点接触球式较三排柱式承载能力高

滚道中心直径为Φ2000mm,滚动体直径为Φ32mm为例,假定轴向力2000kN、径向力500kN、倾翻力矩为6000kN.m。三排柱式及双排八点接触球式的承载能力分别见图1a)、b),图中两根曲线分别代表许用接触应力3850MPa及许用永久残留变形为滚动体直径万分之三时的静载曲线。         

 

                 a) 三排柱式                                     b)双排球式

 

   1 额定容量计算

 

由图1a)b)对比三排柱及双排八点接触球式的静容量看出,三排柱式静容量为16700kN, 双排八点接触球式的静容量为18786kN。这是由于

   1.1失效形式不同

回转支承滚道失效形式有两种:一是滚道表面接触应力超过材料许用接触应力;二是滚道永久残余变形超过滚动体直径的万分之三。

由图1a)可知,三排柱式应力线远高于变形线,因此它的失效形式是滚道的永久残余变形量超过滚动体的万分之三。当许用接触应力3850MPa时滚道的永久残余变形量达到滚动体的万分之十五。滚道的永久残余变形量为滚动体的万分之三时滚道的许用接触应力为2750MPa。

由图1b)可知,双排球式应力线远低于变形线,因此它的失效形式是滚道表面接触应力超过材料许用接触应力。许用接触应力3850MPa时滚道的永久残余变形量为滚动体的万分之二。

因此,三排柱式的表面许用接触应力不能达到双排球式的3850MPa。

 

   1.2受力特点不同

    三排柱式的三排滚动体独立承载。见图2.1,图中Fm为倾翻力矩产生的当量轴向力,Fa为轴向力,Fr为径向力。由图2.2a)可看出在承受倾翻力矩、径向力时三排柱最多一半滚柱承载。由图2.2b)可看出双排八点接触球式任何时候双排球均联合受载。

                                                          2.1  三排柱式回转支承受力示意图

 

     

         a) 三排柱式                               b) 双排球式

 

                      2.2零间隙滚动体负荷分布图

 1.3 接触区均为面接触

   三排柱式回转支承受力时滚动体与滚道的接触投影面为矩形面(3a),而双排八点接触球式的滚动体与滚道接触投影面为椭圆面(图3b),均是面接触,有别于传统的点、线接触之分。

   

          a) 三排柱式                                   b) 双排球式

                              

                   图3   零间隙时滚道接触形状及应力分布

 

   1.4滚道间隙对三排柱式的影响较双排球式更大

由图4与图2.2分别对比可知,在间隙作用下,三排柱式及双排球式受载的滚动体个数均减少。再对比图5与图3可知,三排柱式的滚道接触应力由2572MPa增至3055MPa,增幅为18.7%;双排球式的滚道接触应力由3478MPa增至3714MPa,增幅为6.7%。三排柱的受力特点决定了,一旦滚道磨损,间隙加大,会加速失效。而双排球式回转支承的承载能力与接触角的正弦值成正比,在有间隙时,其实际接触角由理论的45°变为50°~60°,抵消了部分因承载滚动体减少带来的承载能力损失。

   

        a)三排柱式                         b)双排球式

 

                 4   0.2mm间隙时滚动体负荷分布图

 

     

             a)三排柱式                      b)双排球式

           5     0.2mm间隙时滚道接触应力分布

 

 

2   双排球式结构更紧凑

 

     

             a) 2000.32型三排柱                     

   

            b) 2000.32型双排球式

                  图6  主参数2000.32回转支承的外形图

 

由图6可看出相同主参数的三排柱式结构不如双排八点接触球式紧凑。三排柱式为三圈式,毛坯边界重量2370kg;而双排球式为两圈式,毛坯边界重量1230kg,材料利用率高。且三圈式的加工成本高于两式。因此三排柱式的材料费、加工制造成本远高于双排球式。

双排球式双排滚动体受力的同步性是产品品质的核心,需严格保证内、外圈上下两排滚道的中心距的一致、单圈上下滚道径向尺寸的一致。这对加工机床的精度和滚道加工工艺提出了更高的要求。否则,双排球就变成了1.8排球、1.5排球……

 

3 市场应用

2011年以来徐工、抚挖、日立建机、杭州杭重等在保证外形及安装尺寸不变的情况下,用双排球替换原三排柱式回转支承,共计2000余台,无一客户投诉,成本节约30%以上。

 

4 结论

         综上所述,双排球式在承载、结构、成本三个方面均优于三排柱式回转支承。大直径回转支承选型应优先选用双排八点接触球式结构。

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