三排滚柱式回转支承滚柱的工程设计

高 盟，邵 悦

（马鞍山方圆精密机械有限公司，安徽马鞍山 243100）

0 引言

回转支承是一种近50年来发展出来的新型元件，主要被用在低速重载的工况条件下。内圈或外圈可带有传动齿，与驱动齿轮啮合传递动力，是实现相对回转运动的机械关键部件，目前主要应用在起重机、挖掘机、船用机械、风电、光伏和雷达等[1]。三排滚柱式回转支承是回转支承所有类型中综合承载能力最大的一种，也是最典型的结构形式。当一个有限长度的滚柱与长度大一些的滚道接触时，由于滚道在滚柱端部外侧产生凹陷而使得材料处于拉伸状态，滚柱端的压力将高于接触中心的压力，从而形成边缘受载的形态。

以131.45.2240 型三排滚柱式回转支承为研究对象建立回转受力分析模型，通过对不同组合载荷下的上下排滚柱的应力分析，得到可针对不同工况下的可用的滚柱结构设计参数。

1 回转支承滚柱凸度设计

目前行业上通用的凸度曲线主要有3 种，分别是根据赫兹理论的全凸形，Lundberg 和Sjovall 提出的圆柱与凸度接合的局部凸形和Reusner 提出的对数凸形。与全凸形或局部凸形滚柱相比，对数凸形可以充分利用滚柱的长度，除了特别重载的情况之外，可以避免边缘载荷的发生。而回转支承主要承受重载，考虑使用对数凸形对滚柱进行设计。

在此基础上，为了使得接触压力轴向分布均匀，并在两端迅速减小，在端部减小为0，马家驹等[2]将公式进行了优化，引入了与载荷相关的参数f，见式1。

式中 f——为综合载荷系数，一般取值范围为0.64～0.76

［Q］——滚柱额定载荷

［P］——额定接触压力

Dw——滚柱公称直径

Le——滚柱的有效长度

以上文献中均未有偏载载荷情况下的参数修正，而回转支承由于承受倾覆力矩均较大，故设计滚柱时需考虑偏载载荷的影响。

2 建立滚道与滚柱的接触模型

图1 为研究的131.40.1250 型三排滚柱式回转支承的结构简图，结构参数见表1。

图1 三排滚柱式回转支承结构

3 接触模型应力分析

此处以［P］=4000 MPa 来对进行计算。通过数值分析来试算得到偏载工况下f 的数值。由于倾覆力矩相当于偏心的轴向力，所以首先需要将其转换为当量轴向载荷Pca。根据内部经验公式，将当量轴向载荷可按下式进行换算。Pca=y×Fa+z×M/Dw×103，其中，y，z 可按照表2 进行取值。

通过整体模型计算得到下图2 和图3，最大应力在第一排滚柱上。从图2 和图3 中可以看出，通过对对数滚柱的设计和使用，普通滚柱偏载产生的边缘应力得到了消除。普通滚柱偏载时无法很好的利用滚柱长度，而对数滚柱则在有效长度内均有应力分布。通过模型计算，当f取值为公式中值的2.5倍时计算得到的接触应力值最小。从而得出当承受时较大的倾覆力矩时正常工况下计算得到的系数f 前应乘以相应的修正系数Δf，即对数曲线使用新的f＇（Δf×f）代替原f。表3 为通过后期验算得到的Δf 建议取值，滚道节圆直径在1200 以下时，可从区间内左侧进行取值，节圆直径在2500 以上时，可取区间内较大值。

表1 回转支承结构参数

表2 y，z 系数取值

图2 整体模型下应力图

4 结束语

图3 整体模型不同f 值下的最大接触应力曲线

对三排滚柱式回转支承进行了轴向载荷与倾覆力矩共同作用下的滚道接触应力分析。通过建立整体分析模型，使用数值试算得到了可应用于三排柱实际加工的对数滚柱曲线公式综合载荷系数的建议取值范围。后期将对寿命等进行试验研究，以使其更方便应用于生产中。

表3 Δf取值