钢包回转台回转轴承三维机械应力和变形分析

戴 冕

（马钢集团设计研究院有限责任公司，安徽 马鞍山 243000）

回转支承是钢包回转台传递轴向载荷、径向载荷和倾翻力矩的重要部件，回转支承内圈连接下筒体上法兰，外圈连接上上筒体下法兰，回转台上下两半部分能够回转运动，以完成接受钢水包回转浇注的作业要求，三排滚柱式回转支承是起重机的重要承载部件，承受了轴向载荷、径向载荷和冲击载荷等，且负荷大，转向频繁，应力和变形情况分布十分复杂。

1 应力分析

根据二维图纸进行三维建模后，对模型进行离散，选用8 节点实体单元进行精细的手动网格划分，轴承内外接触面则选用8 点接触单元，应用拉格朗日算法计算接触。由于在实际生产中钢包回转台工况较多，受力情况复杂，文章选取钢包回转台最危险工况，即一边重包一边空载，进行加载计算。

图1 为回转轴承mises 应力场云图，由计算结果可知，mises 应力成片状分布，内外圈外部应力水平较低，内外圈接触处mises 应力达到最大值191MPa。图5 为回转轴承铅垂方向应力场云图，有计算结果可知，内外圈外部应力水平基本相同，内外圈接触处达到最大应力值192 MPa。图2 为回转轴承合成位移场云图。由结果可知各位移场大体上呈对称分布。

图1 mises 应力场云图

为了描述关键部位应力的变化，选取回转轴承外圈外沿上周，接触处外沿上周和内沿上周，回转轴承内圈接触处外沿下周，内沿上周和下周进行取值6 点进行描绘应力曲线。

图2 合成位移场云图

图3 为1 点周向应力曲线，取回转轴承俯视图y 轴方向最大值处为零点，方向为顺时针方向。1 点轴向应力曲线的有两个高应力峰值区和两个低应力低谷区，且在该计算工况下，外圈外沿上周的应力分布基本上是沿回转轴承俯视图y 轴对称的。图4、图5 为回转轴承外圈接触处外沿上周和内沿上周周向应力曲线，取回转轴承俯视图y 轴方向最大值处为零点，方向为顺时针方向。由这两处周向应力的曲线可知，左右半圈应力分布趋势相同，呈正旋曲线分布，但右半圈应力峰值明显高区左半圈应力峰值。图6 为回转轴承内圈接触处外沿下周周向应力曲线，取回转轴承俯视图y 轴方向最大值处为零点，方向为顺时针方向。有轴向应力曲线可以看出，最大应力发生在左半圈中间处，左半圈应力水平较低。图7 为回转轴承内圈内沿上周周向应力曲线，取回转轴承俯视图y 轴方向最大值处为零点，方向为顺时针方向。5 点轴向应力曲线的三个峰值对应于外圈外沿上周的三个个高应力区，其中两个位于右半圈，一个位于左半圈，左半圈应力曲线成正弦曲线分布。图8 为回转轴承内圈内沿下周周向应力曲线，取回转轴承俯视图y 轴方向最大值处为零点，方向为顺时针方向。应力震荡明显，说明应力变化复杂，应力曲线出现两个低应力区两个高应力区，且高应力区发生在零点及其对称点位置附近，低应力区发生在左右半圈的中间位置。

图3

图4

图5

图6

图7

图8

2 结 语

从150 吨钢包回转台回转轴承的有限元计算结果可以看出，传统的公式计算是很难以精确的反应出钢包回转台回转轴承的应力应变分布情况的，采用三维真实建模，采用几何非线性和接触的ANSYS 有限元软件计算可以得到可靠的结果。从应力应变云图可以看出轴向载荷对钢包回转台回转支承的影响较大，径向载荷引起的应变较小。