三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承滾柱的工程設(shè)計(jì)

高 盟，邵 悅

（馬鞍山方圓精密機(jī)械有限公司，安徽馬鞍山 243100）

0 引言

回轉(zhuǎn)支承是一種近50年來發(fā)展出來的新型元件，主要被用在低速重載的工況條件下。內(nèi)圈或外圈可帶有傳動(dòng)齒，與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合傳遞動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械關(guān)鍵部件，目前主要應(yīng)用在起重機(jī)、挖掘機(jī)、船用機(jī)械、風(fēng)電、光伏和雷達(dá)等[1]。三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承是回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式。當(dāng)一個(gè)有限長度的滾柱與長度大一些的滾道接觸時(shí)，由于滾道在滾柱端部外側(cè)產(chǎn)生凹陷而使得材料處于拉伸狀態(tài)，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(tài)。

以131.45.2240 型三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承為研究對象建立回轉(zhuǎn)受力分析模型，通過對不同組合載荷下的上下排滾柱的應(yīng)力分析，得到可針對不同工況下的可用的滾柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 回轉(zhuǎn)支承滾柱凸度設(shè)計(jì)

目前行業(yè)上通用的凸度曲線主要有3 種，分別是根據(jù)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(shù)凸形。與全凸形或局部凸形滾柱相比，對數(shù)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(fā)生。而回轉(zhuǎn)支承主要承受重載，考慮使用對數(shù)凸形對滾柱進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在此基礎(chǔ)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(jìn)行了優(yōu)化，引入了與載荷相關(guān)的參數(shù)f，見式1。

式中 f——為綜合載荷系數(shù)，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(xiàn)中均未有偏載載荷情況下的參數(shù)修正，而回轉(zhuǎn)支承由于承受傾覆力矩均較大，故設(shè)計(jì)滾柱時(shí)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(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)簡圖，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)

3 接觸模型應(yīng)力分析

此處以［P］=4000 MPa 來對進(jìn)行計(jì)算。通過數(shù)值分析來試算得到偏載工況下f 的數(shù)值。由于傾覆力矩相當(dāng)于偏心的軸向力，所以首先需要將其轉(zhuǎn)換為當(dāng)量軸向載荷Pca。根據(jù)內(nèi)部經(jīng)驗(yàn)公式，將當(dāng)量軸向載荷可按下式進(jìn)行換算。Pca=y×Fa+z×M/Dw×103，其中，y，z 可按照表2 進(jìn)行取值。

通過整體模型計(jì)算得到下圖2 和圖3，最大應(yīng)力在第一排滾柱上。從圖2 和圖3 中可以看出，通過對對數(shù)滾柱的設(shè)計(jì)和使用，普通滾柱偏載產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力得到了消除。普通滾柱偏載時(shí)無法很好的利用滾柱長度，而對數(shù)滾柱則在有效長度內(nèi)均有應(yīng)力分布。通過模型計(jì)算，當(dāng)f取值為公式中值的2.5倍時(shí)計(jì)算得到的接觸應(yīng)力值最小。從而得出當(dāng)承受時(shí)較大的傾覆力矩時(shí)正常工況下計(jì)算得到的系數(shù)f 前應(yīng)乘以相應(yīng)的修正系數(shù)Δf，即對數(shù)曲線使用新的f＇（Δf×f）代替原f。表3 為通過后期驗(yàn)算得到的Δf 建議取值，滾道節(jié)圓直徑在1200 以下時(shí)，可從區(qū)間內(nèi)左側(cè)進(jìn)行取值，節(jié)圓直徑在2500 以上時(shí)，可取區(qū)間內(nèi)較大值。

表1 回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 y，z 系數(shù)取值

圖2 整體模型下應(yīng)力圖

4 結(jié)束語

圖3 整體模型不同f 值下的最大接觸應(yīng)力曲線

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

表3 Δf取值