基于柔性支撑的转盘轴承性能及结构参数研究

练松伟 盛一鸣 刘文胜

摘要：大型转盘和普通标准两种轴承都有着转速低和支撑刚度低的特点，并且轴承变形的支撑结构会对其接触载荷造成负作用，最终影响轴承的性能。对此，则需要围绕其相关参数作更深层的探究分析。本文结合轴承所需的柔性支撑条件，对转盘轴承的承载力、疲劳寿命等性能参数作研究。其中，还结合轴承性能相关参数和标准，提出了相关的分析模型，这不仅为设计转盘轴承提供了参考思路，也能提高轴承的性能表现和节约成本。

关键词：转盘轴承;模型;优化设计;参数研究

中图分类号：TH133.3                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）08-0067-02

1  转盘轴承概述

1.1 转盘轴承现状  大型转盘轴承作为机械传动中重要构件，广泛作用于各种机械领域，比如工程机械、材料加工机械以及医疗机械等机械设备。国外对于转盘轴承的生产及研发起步较早，多数产品由轴承公司进行专业化生产。目前而言，我国主要生产轴承的类型主要是单排四点类型，由于此类轴承的技术含量低，大部分厂家都能自主完成此类轴承的生产。但涉及到双排、滚子式以及其他特殊用途的先进轴承等研究则很少。因此，风电设备中的变桨轴承等高端转盘轴承仍然需要进口才能满足我国的生产需求，并且在当下轴承也有场景和需求愈发严苛的情况下，我国高端轴承的需求规模会越来越大。

1.2 转盘轴承特点  转盘轴承与普通轴承基本组成相同，主要构件都是有滚道的滚圈和滚动体。但是，与普通类型不同的是，转盘轴承的设计选型与普通类型差异巨大，主要表现为以下几点不同：①尺寸大小不同，转盘轴承的尺寸直径一般为0.3-15m，最大直径可达60m;②承载力不同，转盘轴承在应用场景中主要需要面对多种力的作用力，其中包括径向力、轴向力等;③转速低，转盘轴承在实际作业时的一般转速较低;④固定方法不同，普通类型的轴承一般通过嵌套与心轴进行连接和固定，而转盘轴承一般通过螺栓和螺钉等与其支撑结构作固定连接; ⑤主机驱动方式不同，大多转盘轴承主要通过设置齿圈为来使主机旋转。

1.3 结构类型  由于转盘轴承的作用领域多种多样，因此此类轴承的结构类型也十分繁多，根据滚动体的不同，可主要划分为线接触和点接触两大种。其中，点接触类型有接触应力大于线接触类型、摩擦力矩也较小以及加工工艺较复杂等特点。而线接触类型与点接触的特点相反，不仅对安装精度要求高，并且容易因为支撑结构的刚性和抗弯等特点导致边缘接触。因此，点接触类型的轴承主要针对的是支撑结构的刚性参数难以面对应用需求的情况，而线接触类型的轴承则是本身的刚度就比较大。本文将采用点接触类型的轴承作为分析对象。

1.4 材料和制造工艺  转盘轴承所出的实际作业环境一般而言都较为恶劣，这便对制造材料的抗拉、抗剪抗压和韧性等性能指标有较高要求。倘若转盘轴承会长时间工作在腐蚀性的环境中，制造材料则需要具备抗腐蚀的性能。为了保证齿部和滚道的韧性，一般会对其作淬火处理，因此应选择含碳量低于0.6%的材料。目前用于制造轴承的钢材主要有42CrMo和GCrl5，此外还会利用Mn、Si等混入材料以达到优化其韧性和耐磨性的目的。

在制造工艺方面，主要是锻造、铸造和轧制三大方法来对套圈和齿圈等构件毛坯进行加工。当遇见制造大型的构件毛坯时，则需要通过分段式的焊接来完成。

2  柔性支撑转盘轴承模型

将转盘轴承内套圈和外套圈划分为多段，并且利用小段的套圈来连接相邻两段，则可得到简化的柔性支撑转盘轴承模型，并作假设如下：①假设滚道与滚球两者间的接触情况符合应用赫兹接触理论的基本条件;②假设所划分套圈的所有小段都是完全刚性，并且只有这些刚性段与滚球和滚道之间存在接触面是才会发生弹性形变。此外，由于轴承套圈转角为零，所以每一个刚性段只拥有两个转动和三个平动共五个自由度;③用螺栓将转盘轴承的套圈和套圈的支撑结构进行连接，再加上足够大的预紧力，所以可做出轴承的套圈和套圈的支撑结构在接触结合面处完全粘合的假设;④而非接触的轴承套圈的变形则集中于套圈间的连接段，即可將套圈的连接段视为弹簧，此弹簧在刚度方面恰好包括弹簧所处位置的原套圈以及其支撑结构两者的刚度。

3  转盘轴承结构参数

3.1 承载能力  一般来说，主要有两种类型的方法可以计算出转盘轴承所能承受的最大载荷的方法，分别在刚性套圈和柔性套圈的基础上完成计算分析的，其中，柔性套圈类方法中的有限元方法具有现成公式可用，不仅易于计算，也方便普及。但是，这种方法在计算过程中未考虑轴承的游隙等因素，因此主要用于估算转盘轴承的相关参数，至于校核转盘轴承的强度时则不建议使用。

3.2 设计参数参考因素  在进行转盘轴承的设计工作时，通常是需要事先指定相关的尺寸、轴承作业场景所面对的载荷以及作业环境等。此外，在设计变桨轴承等具有专门用途的特殊转盘轴承时，在尺寸等方面需要参考行业先进的标准。因此，本文最主要考虑的是轴承的初始接触角、游隙、滚球尺寸和数量等参数对轴承载荷能力的影响程度。

4  转盘轴承性能分析

4.1 疲劳寿命与结构参数  Lundberg-Palgrcn是当前使用最为普遍的一种与轴承疲劳计算相关的理论，但其理论核心所关注的是当时的轴承技术，因此也难以适应现如今大为精益的轴承生产技术的疲劳寿命计算需求，因此标准额定载荷需要引入相关系数来评定轴承的疲劳寿命等相关性能。此外，轴承自身材料的物理性能和轴承的作业环境等都会对其疲劳寿命有着较大影响，故而在先进行业标准中一般会有许多的修正系数来对疲劳寿命的评估结果进行修正。

在同等的作业环境中，轴承的制造、材质以及结构参数都对其寿命有所影响。因此，在控制变量的思路下，保持疲劳作业的程度相同，以计算轴承在不同的结构参数下的疲劳寿命时间，最后从中分析出初始接触角等结构参数对轴承疲劳寿命的影响程度。具体表现为：①初始接触角，当初始接触角和轴向力不断增大，轴承所具备的承载力也在增大，并且增幅也在不断扩大，轴承的额定寿命也会越长;②游隙，当正游隙的值比较大时所出现的冲击载荷很大，会对轴承的寿命造成负面影响，因此需要选择额定寿命大的负游隙和小正游隙;③滚球，滚球的个数和直径也是轴承疲劳寿命的重要影响因素，滚球直径越大能显著提高轴承的疲劳寿命。综上，为了提高轴承的疲劳寿命，应当选取大初始接触角、小绝对值游隙和大直径滚球来制造轴承。

4.2 螺栓连接和载荷分析  螺栓作为转盘轴承中起到连接和载荷作用的重要构件，带有转盘轴承的工作装置所面临的载荷和重量都是通过螺栓将力过渡到装置底部，倘若螺栓有所损坏，必定会对整个工作装置和机械系统造成破坏。因此，轴承在设计制造之前需要对螺栓作可靠的分析与设计。本文在此将通过分析和计算来对整个转盘轴承的单个螺栓所承受的力作用，再结合设备中需要承载力最大的螺栓作计算和分析。

通常来说，对轴承中的螺栓进行接触分析时，普通的有限元方法依赖于接触对的数量，这种分析和计算方法不论对计算机的硬件配置要求高，也十分耗时。因此，可通过等效螺栓的方式来分析单个螺栓的载荷。通过分析，可知轴承在应力作用下外圈变形不均匀，这意味着外圈的支撑结构在刚度上也分布不均，而内圈变形均匀则代表内圈刚度在圆周方向上均匀分布。

通过简化和等效替代的方法，利用梁单元代替螺栓完成接触作用，而滚道和滚球之间则改用弹簧单元接触，从而完成分析螺栓所承受的内外作用力的方向，以及应力所作用的位置对轴承在轴向分析所能承受载荷的影响。使用该简化和等效方法分析了转盘轴承所有的单个螺栓所承受的总载荷，再重点关注螺栓组中受载力最大的单个螺栓做了校核，以增强其强度。

4.3 轴承结构的参数优化  针对轴向游隙、初始接触角、滚球直径和数量来对转盘轴承进行参数优化改造。

为了符合实际的应用场景和提高优化的效果，在设计约束条件时应当考虑不同的作业环境下，所设计的约束条件也应该有所不同，以此避免计算出与实际场景不符的结果，进一步提升优化效果。①游隙，从前文叙述可知，为优化转盘轴承的性能，一般采取绝对值小的游隙，可采用绝对值小于0.05mm的游隙;②初始接触角，从经验和轴承的稳定度进行考虑，可将初始接触角的范围设置在35°到60°之间;③滚球尺寸和数量，由前文可知滚球的直径越大越能大幅增加轴承的寿命，因此在综合权衡滚球的直径和数量的情况下，滚球直径的范围在60mm到77mm之间，数量则应当在满足直径约束的情况下尽可能取最大值;④边缘受载，在倾覆力矩或者是轴向力的作用下，倘若接触角和接触力过大则会导致接触区域发生边缘受载，有可能会导致接触椭圆逐渐偏离甚至是脱离出滚道区，最终造成轴承因应力过于集中而被破坏。此时，倘若轴承支架的刚度较低的话，则会出现更为严重的边缘受载问题。

在标准载荷、作业场景和安装尺寸下，将最大接触应力作为求解目标，则可得到在约束条件下的映射函数，以此作为优化模型。之后，再使用matlab所具备的算法优化功能对模型进行优化求解。最后，得到满足模型的最优数据组，则代表在游隙为0.026mm、初始接触角为60°以及滚球直径为77mm的情况下，能够较大程度的提高轴承的力学性能表现。

5  结论

转盘轴承拥有低转速、支撑刚度分布不均和支撑刚性差等特点，这些特点恰恰与普通类型的滚动轴承有所不同。本文提出了符合转盘轴承力学特点的优化模型，并且通过matlab完成了求解。具体而言：①本文所提出的优化模型确实能够改善轉盘轴承的载荷性能;②倘若轴承的支撑结构有所形变则容易致使其接触载荷明显改变，进而会对转盘轴承的相关使用性能表现造成负作用。此外，支撑结构本身的刚性强弱以及刚度的分布是否均匀都会影响到支撑结构的形变状况，这也是造成轴承的接触角和接触力增大的重要原因。故而，一旦转盘轴承在轴向和沿弯矩方向上载荷过大，再加上轴承自身的支撑结构的刚度在沿圆周方向上分布不均，此时转盘轴承所具备的载荷能力就会降低;③在设计优化模型时，首先分析了转盘轴承的主要性能，包括转盘轴承的疲劳寿命的分析计算，以及轴承连接螺栓对轴承载荷的影响。最主要考虑的就是转盘轴承的初始接触角、轴向游隙、滚球尺寸及滚球数量等主要因素对转盘轴承的载荷能力的影响。

参考文献：

[1]徐立民，陈卓.回转支承[M].安徽科学技术出版社，1988.

[2]史朋飞.薄壁四点接触球转盘轴承的性能分析[D].河南科技大学，2013.

[3]黄浩然.风电变桨轴承柔性支承研究与设计参数分析[D].华北电力大学，2012.

[4]李超.转盘轴承力学性能分析及其结构优化设计[D].昆明理工大学，2018.

[5]张建.基于柔性支撑的转盘轴承性能及结构参数研究[D].大连理工大学，2015.