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合理選用回轉支承 《建筑機械》1996年第八期

發(fā)布時(shí)間:2021-4-9 9:25:18 閱讀:

  回轉支承作為建筑機械的重要基礎元件,近十年來(lái),隨著(zhù)主機行業(yè)的迅速發(fā)展,得到了廣泛的應用,除為挖掘機、塔吊、汽車(chē)吊及各類(lèi)起重機配套外,還廣泛應用于輕工機械、冶金機械、醫療機械、工業(yè)機器人、隧道掘進(jìn)機、堆取料機、旋轉舞臺等?傊,它是一切兩部分之間需作相對回轉運動(dòng),又需同時(shí)承受軸向力、徑向力、傾覆力矩的機械所必需的重要傳力元件。

    我國回轉支承行業(yè)從建立至今超過(guò)了近20年的歷程,它從無(wú)到有,從小到大,逐步走向成熟。目前已具備了滿(mǎn)足各類(lèi)主機需要的回轉支承的設計、制造、測試的綜合開(kāi)發(fā)能力,為主機行業(yè)的發(fā)展做出了一定的貢獻。特別是馬鞍山回轉支承廠(chǎng),自1984年與建設部北京建筑機械綜合研究所合作,成功地開(kāi)發(fā)出具有80年代國際先進(jìn)水平的單排球式回轉支承后,打破了我國回轉支承行業(yè)以3片式交叉滾柱和雙排球式為主的落后局面,大縮小了與發(fā)達國家之間的差距,帶動(dòng)了我國回轉支承行業(yè)的迅速發(fā)展。11年來(lái)馬鞍山回轉支承廠(chǎng)作為回轉支承專(zhuān)業(yè)廠(chǎng),共為國內外用戶(hù)提供四大類(lèi)回轉支承2萬(wàn)余套,產(chǎn)品覆蓋全國25個(gè)省、市、自治區,為十幾個(gè)行業(yè)的200余種主機配套。

   隨著(zhù)各主機行業(yè)的迅速發(fā)展,無(wú)論是自行開(kāi)發(fā),還是引進(jìn)技術(shù)、合資、合作,對回轉支承的要求都在日益提高,作為回轉支承專(zhuān)業(yè)廠(chǎng),加強新品開(kāi)發(fā),不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量,滿(mǎn)足主機發(fā)展需要,是我們責無(wú)旁貸的責任,也是市場(chǎng)競爭和自我發(fā)展的根本要求。但主機如何正確選擇回轉支承的結構型式(單排球式、交叉滾柱式、雙排球式、三排柱式等)和規格尺寸(滾道中心直徑D0,滾動(dòng)體直徑d0),卻由于外負荷是個(gè)復雜力系以及滾道承載能力的機理未被深刻理解,在選用中存在著(zhù)一些不合理的狀況,影響了主機行業(yè)的經(jīng)濟效益,甚至導致重大質(zhì)量事故,從而引起主機行業(yè)和回轉支承行業(yè)的共同重視。本文就是以長(cháng)期的回轉支承設計生產(chǎn)和為主機選型服務(wù)的經(jīng)驗來(lái)探討合理的選型,以克服使用的盲目性,保證主機使用的可靠性。

    ▲ 結構型式的選擇
常用回轉支承的結構型式有四種:?jiǎn)闻徘蚴、交叉滾柱式、雙排球式、三排柱式。為使選型科學(xué)合理,先進(jìn)行數據對比。
1.1 單排球式和交叉滾柱式額定靜容量、額定動(dòng)容量對比
額定靜容量C0和額定動(dòng)容量Ca的大小決定了回轉支承的承載能力和使用壽命,現以外型及安裝尺寸完全相同的單排球式Q1600*50和交叉滾柱式J1600*36為例分析對比如下:

   → 單排球式Q1600*50額定靜、動(dòng)容量(C01,Ca1)

    C01=f0·d02·Z·sinα
     =38×502×89×sin50°=6476906(N)
     式中 f0——滾道硬度系數,55HRC時(shí)為38N/mm2
      Z—— 滾動(dòng)體個(gè)數
      α——滾道接觸角,一般機械取α=50°
    Ca1= 95·f1·fs·fc·fα·fd·Z2/3·fH
      =95×0.299052×3.74244×0.837510×0.651309×872.672×19.9339×0.732247
      = 738760(N)
      式中各符號含義及子式從略。

   → 交叉滾柱式J1600*36的額定靜、動(dòng)容量(C02,Ca2)

    C02= f0·d0·L0·(Z/2) ·sinα

      =76×36×0.8×36×(122/2)×sin45°
      =3398783(N)
      式中L0 —滾動(dòng)體有效接觸長(cháng)度
    Ca2= 410·f1·fc·fα·f07/9·d020/27·(Z/2)3/4 ×fH
      =410×0.390100×0.874740×0.682713×13.6484×46.9444×21.8272×0.732247
      = 978133(N)

   從上述計算,得到單排球的靜載能力較交叉滾柱式高90%,但動(dòng)載能力小25%,任選二種基本參數相同的單排球式和交叉滾柱式對比計算,其結論是一致的。

   需要說(shuō)明的是,交叉滾柱的動(dòng)、靜載能力實(shí)際上遠達不到理論計算值。原因有二:第一,滾道角度誤差,90°±3’;第二,軸徑向間隙的存在,使內、外套圈在工作時(shí)發(fā)生相對傾斜,兩者疊加,使內、外套圈本應平行的對應滾道面,沿滾動(dòng)體母線(xiàn)全長(cháng),******可產(chǎn)生0.1mm左右的傾斜,因此,滾柱受載沿長(cháng)度方向是不均勻的,兩端應和差******,******應力高出平均應力很多,甚至一倍以上或更多,再加上兩端的相對滑動(dòng),即使其負載尚未達到其額定載荷時(shí),其******應力已超出許用應力,而使滾道破壞失效。盡管腰鼓形滾子的使用使上述情況有所改善,但效果并不明顯。這是因為,滾柱兩端的微量修緣,并不能補償滾道角度誤差及內外套圈對應面在工作過(guò)程的傾斜;而且,一種修緣尺寸,只適用于一定的D0、d0及軸徑向間隙,要想取得較好的效果,除對滾道角度公差有較高要求外,還應將軸、徑向間隙控制在0.05mm以?xún)。顯然,目前無(wú)論是制造還是使用都難以達到(一般要求與回轉支承連接的平臺的平面度公差為回轉支承軸、徑向間隙的1/2)。即使達到了,交叉滾柱的實(shí)際動(dòng)、靜載能力也只是向理論動(dòng)靜載能力靠近了一點(diǎn),差距的存在是必然的。

1.2 單排球式和雙排球式對比

   有一種錯覺(jué),認為雙排球較單排球多一排球,因此承載能力較同一滾道中心直徑的單排球式高。我們一起來(lái)做一個(gè)改型設計,看看理論計算結果:
以JB2300—84中雙排球021*30*1120為對象,先計算其額定靜容量C03 。

    C03= f0·d02·Z ·sin90°
      =38×302×103×1=3522600(N)

   若保持其滾道中心直徑、安裝孔組節圓直徑和孔徑不變,將它改型設計為單排球,可安排d0=50~60的鋼球。若取d0=50,則單排球Q1120*50的額定靜容量為:
    C04= f0·d02·Z ·sin50°
      =38×502×62·sin50°=4512002(N)
很明顯C04 >C03,大28%。

   同理,其它規格的改型設計得到的結論與此是類(lèi)似的。不但如此,因雙排球為三片式、雙滾道,材料費用,加工制造,運輸費用都較單排球高,一般同一D0的差價(jià)達60~100%,而且,滾道的形狀精度和表面粗糙度因不易磨削而很差。因此,是否可以說(shuō)雙排球式是一種質(zhì)次、價(jià)高的落后結構呢?

1.3 三排柱式是重載的******型式

   三排柱式較其它三種型式有著(zhù)承載能力大的明顯優(yōu)點(diǎn),但其造價(jià)也是最高的(同一D0)。為什么它能成為重載機械的******型式呢?我們不妨在引進(jìn)單位成本額定靜容量r這一判斷選用回轉支承型式的經(jīng)濟技術(shù)指數后,來(lái)分析四種型式隨著(zhù)D0的變化與r值變化的規律,需說(shuō)明的是,r值越大,單位成本的額定靜容量越大。

   筆者對JJ36-91和JB2300-84標準中所有型式各種規格的r值都進(jìn)行了詳細計算,并以D0為橫坐標,r值為縱坐標,繪制了D0—r曲線(xiàn)圖,從圖中可明顯看出:①隨著(zhù)D0的增加,四種型式的r值都在增加;②在D0≤1800時(shí),單排球式的r線(xiàn)最高。當D0>1800時(shí),三排柱式的r線(xiàn)最高。也就是說(shuō)在D0≤1800范圍內承受同樣的載荷,用單排球式造價(jià)最低;D0>1800時(shí),承受同樣的載荷,用三排柱式造價(jià)最低。

如果同意以上的分析和計算,那么結論是明顯的:中小規格的回轉支承應以單排球式為******型式,大規格是三排柱式。近幾年來(lái),有些主機廠(chǎng)由于型式選擇失當,已為此付出了沉重的代價(jià),歷史的經(jīng)驗值得注意。

    ▲ 規格尺寸的選擇

   回轉支承的滾道中心直徑(滾動(dòng)體組節圓直徑)D0和滾動(dòng)體直徑d0是構成回轉支承基本參數的核心主參數,當型式選定后,如何正確選擇D0—d0呢?

   可以將外負載折算成當量靜容量,再乘以合理的安全系數后與回轉支承的額定靜容量對比來(lái)選擇D0—d0,但我國回轉支承待業(yè)既有現行的兩個(gè)標準規定的數百個(gè)規格,又有自行設計或引進(jìn)技術(shù)和進(jìn)口主機所帶來(lái)的規格,特別是單排球式規格相近的甚多,如何才能科學(xué)、合理地選擇D0—d0呢?

   筆者對四種結構型式近千個(gè)品種的額定動(dòng)、靜容量用計算機進(jìn)行了詳細計算,并結合主機待業(yè)對壽命試驗的有關(guān)規定,得出如下結論:任一型式的回轉支承其D0/d0的比都有一個(gè)合理取值范圍,該值的大小是根據額定動(dòng)、靜載能力匹配的條件計算得到的。計算結果是:?jiǎn)闻徘蚴紻0/d0=30~35,交叉滾柱式D0/d0=50~60,雙排球式D0/d0=35~40,三排柱式D0/d0=80~100。大于上述值則在額定靜容量下使用壽命不足,反之使用壽命過(guò)剩,前者造成回轉支承過(guò)早失效,后者造成浪費。例如將單排球式1400*32(D0/d0=43.75)用于25t汽車(chē)吊,雖然其額定靜容量滿(mǎn)足使用工況計算,使用壽命僅為4500次循環(huán)。國內去年就有過(guò)這種例子,雖然超載25%,靜容量試驗沒(méi)有問(wèn)題,但當進(jìn)行到5000余次循環(huán)時(shí),滾道產(chǎn)生了剝落,后改用1400*40(D0/d0=35)通過(guò)考核。我們對JB2300—84的性能曲線(xiàn)圖中動(dòng)、靜載曲線(xiàn)進(jìn)行了分析比較,也能得出類(lèi)似的結論。

   當然,在一些因結構限制和一些特殊要求的使用場(chǎng)合,應根據具體情況確定D0—d0。例如挖掘機,回轉支承負載******的工況是挖掘過(guò)程中,而回轉過(guò)程中回轉支承的負載較挖掘過(guò)程中要小得多。因此,只要根據靜容量確定D0—d0就行了。
   以上觀(guān)點(diǎn),供主機選擇回轉支承時(shí)參考。





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