滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承裝置摩擦阻力矩計算的探討

任宇剛

(中船第九設(shè)計院工程有限公司設(shè)備所，上海 200063)

近年來，滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承由于其安裝方便，使用維護(hù)簡單，在小型安裝用門座式起重機上應(yīng)用較多。本文依據(jù)《起重機設(shè)計手冊》給出的計算公式，就滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承裝置摩擦阻力矩的計算進(jìn)行簡單分析，并提出了《起重機設(shè)計手冊》所給出的摩擦阻力矩計算公式在三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承上的應(yīng)用方法。

1 滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承分類

目前，常用的滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承按其結(jié)構(gòu)主要分為單排四點接觸球式、單排交叉滾柱式、雙排異徑球式和三排滾柱式，其結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

其中，單排四點接觸球式、單排交叉滾柱式和雙排異徑球式回轉(zhuǎn)支承的單個滾子可以同時承受垂直力和水平力，而三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承則由其中兩排水平排列的滾柱承受垂直力，一排垂直排列的滾柱承受水平力。

2 摩擦阻力矩分析及計算

2.1 摩擦阻力矩與載荷的關(guān)系

根據(jù)力學(xué)公式，回轉(zhuǎn)支承摩擦阻力矩Tm=式中，ω 為回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，由回轉(zhuǎn)支承滾子形式確定;D 為回轉(zhuǎn)支承的滾道平均直徑，由回轉(zhuǎn)支承外形尺寸確定;∑N 為回轉(zhuǎn)支承全部滾子承受的總壓力。因此只要計算出全部滾子承受的總壓力∑N 即可得出該回轉(zhuǎn)支承的摩擦阻力矩。

由于回轉(zhuǎn)支承同時承受垂直力Fa、傾覆力矩T 以及水平力Fr。因此單個滾子承受的載荷也相應(yīng)分為垂直力Fa造成的載荷Pa;傾覆力矩T 造成的載荷Pm以及水平力Fr造成的載荷Pr。載荷Pa、Pm、Pr的分布如圖2 所示。

圖1 滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)形式Figure 1 Structural forms of rolling bearing type slewing bearings

圖2 滾子載荷分布示意圖Figure 2 Profile of roller loading

其中，回轉(zhuǎn)支承承受的垂直力Fa對滾子造成的垂直載荷Pa總是沿一個方向平均分布;而回轉(zhuǎn)支承承受的傾覆力矩T 對滾子造成的垂直載荷Pm前后對稱，即大小相等，方向相反;回轉(zhuǎn)支承承受的水平力Fr對滾子造成的水平載荷Pr則僅分布在回轉(zhuǎn)支承的一側(cè)。每列滾子同時受到Pa、Pm和Pr的作用，分別產(chǎn)生滾子與滾道間與之相對應(yīng)的壓力Na、Nm和Nr，所以壓力Na、Nm和Nr分別是載荷Pa、Pm和Pr的函數(shù)，即Na=f(Pa)，Nm=f(Pm)，Nr=f(Pr)。又由于Pr的實際作用方向是隨著吊重的擺動以及風(fēng)向的變化而變化，且只由一側(cè)的滾子承受其造成的載荷，所以應(yīng)單獨計算。因此，回轉(zhuǎn)支承全部滾子承受的總摩擦阻力為:

2.2 存在接觸角的回轉(zhuǎn)支承摩擦阻力矩計算

由于回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)不同，其滾子承受的力也不同。其中單排四點接觸球式、單排交叉滾柱式和雙排異徑球式回轉(zhuǎn)支承每列上的單個滾子同時承受垂直力和水平力，即同時承受垂直力Fa，傾覆力矩T 和水平力Fr造成的壓力Na、Nm和Nr。以單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承為例，由不同載荷造成的滾子受力如圖3 所示。

此時，由于滾子與滾道的實際接觸點法線與水平線間存在一個接觸角γ，回轉(zhuǎn)支承每個滾子承受的壓力

圖3 單排四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承滾子受力示意圖Figure 3 Stress diagram of slewing bearing roller of single row four point contact ball

因此，根據(jù)《起重機設(shè)計手冊》，當(dāng)整個回轉(zhuǎn)支承中所有滾子承壓方向一致時，

當(dāng)整個回轉(zhuǎn)支承中所有滾子承壓方向不一致時

2.3 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承摩擦阻力矩計算

對于三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承，忽略水平滾子沿半徑方向的摩擦力，垂直滾子沿垂直方向的摩擦力，則其垂直力由水平滾子承受，水平力由垂直滾子承受。即水平滾子同時承受垂直力Fa，傾覆力矩T 造成的壓力Na、Nm，垂直滾子單獨承受Fr造成的壓力Nr。因此，由不同載荷造成的滾子受力見圖4。

圖4 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承滾子受力示意圖Figure 4 Stress diagram of slewing bearing roller of three-row cylindrical roller

此時，對于垂直力，壓力角γ=90°;對于水平力，壓力角γ=0°。不同的力所對應(yīng)壓力角值不同，不能以一個壓力角值簡單代入公式進(jìn)行計算。因此，且水平滾子與垂直滾子的摩擦面直徑不同。因此，筆者認(rèn)為對于三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承，應(yīng)將垂直力和水平力造成的摩擦阻力矩分項計算。即當(dāng)整個回轉(zhuǎn)支承中所有水平滾子承壓方向一致時:

垂直力總壓力∑N1=Fa，水平力總壓力∑N2

當(dāng)整個回轉(zhuǎn)支承中所有滾子承壓方向不一致時:

D1為回轉(zhuǎn)支承的水平滾子滾道平均直徑，D2為回轉(zhuǎn)支承的水平滾子滾道平均直徑。

3 總結(jié)

綜上所述，在計算滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承摩擦阻力矩時，除根據(jù)其所有滾子受力的方向性是否一致來采用不同的計算公式外，對于不同結(jié)構(gòu)形式的回轉(zhuǎn)支承，也應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，靈活運用《起重機設(shè)計手冊》提供的計算公式進(jìn)行計算。

［1］張質(zhì)文，等主編.起重機設(shè)計手冊.北京:中國鐵道出版社，2001.

［2］胡宗武，等編著.起重機設(shè)計與實例.北京:機械工業(yè)出版社，2009.