三排滾柱式回轉支承滾柱的工程設計

高 盟，邵 悅

（馬鞍山方圓精密機械有限公司，安徽馬鞍山 243100）

0 引言

回轉支承是一種近50年來發展出來的新型元件，主要被用在低速重載的工況條件下。內圈或外圈可帶有傳動齒，與驅動齒輪嚙合傳遞動力，是實現相對回轉運動的機械關鍵部件，目前主要應用在起重機、挖掘機、船用機械、風電、光伏和雷達等[1]。三排滾柱式回轉支承是回轉支承所有類型中綜合承載能力最大的一種，也是最典型的結構形式。當一個有限長度的滾柱與長度大一些的滾道接觸時，由于滾道在滾柱端部外側產生凹陷而使得材料處于拉伸狀態，滾柱端的壓力將高于接觸中心的壓力，從而形成邊緣受載的形態。

以131.45.2240 型三排滾柱式回轉支承為研究對象建立回轉受力分析模型，通過對不同組合載荷下的上下排滾柱的應力分析，得到可針對不同工況下的可用的滾柱結構設計參數。

1 回轉支承滾柱凸度設計

目前行業上通用的凸度曲線主要有3 種，分別是根據赫茲理論的全凸形，Lundberg 和Sjovall 提出的圓柱與凸度接合的局部凸形和Reusner 提出的對數凸形。與全凸形或局部凸形滾柱相比，對數凸形可以充分利用滾柱的長度，除了特別重載的情況之外，可以避免邊緣載荷的發生。而回轉支承主要承受重載，考慮使用對數凸形對滾柱進行設計。

在此基礎上，為了使得接觸壓力軸向分布均勻，并在兩端迅速減小，在端部減小為0，馬家駒等[2]將公式進行了優化，引入了與載荷相關的參數f，見式1。

式中 f——為綜合載荷系數，一般取值范圍為0.64～0.76

［Q］——滾柱額定載荷

［P］——額定接觸壓力

Dw——滾柱公稱直徑

Le——滾柱的有效長度

以上文獻中均未有偏載載荷情況下的參數修正，而回轉支承由于承受傾覆力矩均較大，故設計滾柱時需考慮偏載載荷的影響。

2 建立滾道與滾柱的接觸模型

圖1 為研究的131.40.1250 型三排滾柱式回轉支承的結構簡圖，結構參數見表1。

圖1 三排滾柱式回轉支承結構

3 接觸模型應力分析

此處以［P］=4000 MPa 來對進行計算。通過數值分析來試算得到偏載工況下f 的數值。由于傾覆力矩相當于偏心的軸向力，所以首先需要將其轉換為當量軸向載荷Pca。根據內部經驗公式，將當量軸向載荷可按下式進行換算。Pca=y×Fa+z×M/Dw×103，其中，y，z 可按照表2 進行取值。

通過整體模型計算得到下圖2 和圖3，最大應力在第一排滾柱上。從圖2 和圖3 中可以看出，通過對對數滾柱的設計和使用，普通滾柱偏載產生的邊緣應力得到了消除。普通滾柱偏載時無法很好的利用滾柱長度，而對數滾柱則在有效長度內均有應力分布。通過模型計算，當f取值為公式中值的2.5倍時計算得到的接觸應力值最小。從而得出當承受時較大的傾覆力矩時正常工況下計算得到的系數f 前應乘以相應的修正系數Δf，即對數曲線使用新的f＇（Δf×f）代替原f。表3 為通過后期驗算得到的Δf 建議取值，滾道節圓直徑在1200 以下時，可從區間內左側進行取值，節圓直徑在2500 以上時，可取區間內較大值。

表1 回轉支承結構參數

表2 y，z 系數取值

圖2 整體模型下應力圖

4 結束語

圖3 整體模型不同f 值下的最大接觸應力曲線

對三排滾柱式回轉支承進行了軸向載荷與傾覆力矩共同作用下的滾道接觸應力分析。通過建立整體分析模型，使用數值試算得到了可應用于三排柱實際加工的對數滾柱曲線公式綜合載荷系數的建議取值范圍。后期將對壽命等進行試驗研究，以使其更方便應用于生產中。

表3 Δf取值