合理選用回轉支承

2012-06-04

作者：侯寧
（馬鞍山統力回轉支承有限公司董事長、總經理、高級工程師）

　　回轉支承作為建筑機械的重要基礎元件，近十年來，隨著主機行業的迅速發展，得到了廣泛的應用，除為挖掘機、塔吊、汽車吊及各類起重機配套外，還廣泛應用于輕工機械、冶金機械、醫療機械、工業機器人、隧道掘進機、堆取料機、旋轉舞臺等。總之，它是一切兩部分之間需作相對回轉運動，又需同時承受軸向力、徑向力、傾覆力矩的機械所必需的重要傳力元件。
　　我國回轉支承行業從建立至今超過了近20年的歷程，它從無到有，從小到大，逐步走向成熟。目前已具備了滿足各類主機需要的回轉支承的設計、制造、測試的綜合開發能力，為主機行業的發展做出了一定的貢獻。特別是馬鞍山回轉支承廠，自1984年與建設部北京建筑機械綜合研究所合作，成功地開發出具有80年代先進水平的單排球式回轉支承后，打破了我國回轉支承行業以3片式交叉滾柱和雙排球式為主的落后局面，大大縮小了與發達國家之間的差距，帶動了我國回轉支承行業的迅速發展。11年來馬鞍山回轉支承廠作為回轉支承專業廠，共為國內外用戶提供四大類回轉支承2萬余套，產品覆蓋全國25個省、市、自治區，為十幾個行業的200余種主機配套。
　　隨著各主機行業的迅速發展，無論是自行開發，還是引進技術、合資、合作，對回轉支承的要求都在日益提高，作為回轉支承專業廠，加強新品開發，不斷提高產品質量，滿足主機發展需要，是我們責無旁貸的責任，也是市場競爭和自我發展的根本要求。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，滾動體直徑d0），卻由于外負荷是個復雜力系以及滾道承載能力的機理未被深刻理解，在選用中存在著一些不合理的狀況，影響了主機行業的經濟效益，甚至導致重大質量事故，從而引起主機行業和回轉支承行業的共同重視。本文就是以長期的回轉支承設計生產和為主機選型服務的經驗來探討合理的選型，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：單排球式、交叉滾柱式、雙排球式、三排柱式。為使選型科學合理，先進行數據對比。
　　1.1 單排球式和交叉滾柱式額定靜容量、額定動容量對比
　　額定靜容量C0和額定動容量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時為38N/mm²　　Z—— 滾動體個數
　　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 —滾動體有效接觸長度
　　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。
　　需要說明的是，交叉滾柱的動、靜載能力實際上遠達不到理論計算值。原因有二：，滾道角度誤差，90°±3’；第二，軸徑向間隙的存在，使內、外套圈在工作時發生相對傾斜，兩者疊加，使內、外套圈本應平行的對應滾道面，沿滾動體母線全長，Z大可產生0.1mm左右的傾斜，因此，滾柱受載沿長度方向是不均勻的，兩端應和差Z大，Z大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，即使其負載尚未達到其額定載荷時，其Z大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以內。顯然，目前無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，交叉滾柱的實際動、靜載能力也只是向理論動靜載能力靠近了一點，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，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。我們一起來做一個改型設計，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，是否可以說雙排球式是一種質次、價高的落后結構呢？
　　1.3 三排柱式是重載的首選型式
　　三排柱式較其它三種型式有著承載能力大的明顯優點，但其造價也是Z高的（同一D0）。為什么它能成為重載機械的首選型式呢？我們不妨在引進單位成本額定靜容量r這一判斷選用回轉支承型式的經濟技術指數后，來分析四種型式隨著D0的變化與r值變化的規律，需說明的是，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曲線圖，從圖中可明顯看出：①隨著D0的增加，四種型式的r值都在增加；②在D0≤1800時，單排球式的r線Z高。當D0>1800時，三排柱式的r線Z高。也就是說在D0≤1800范圍內承受同樣的載荷，用單排球式造價Z低；D0>1800時，承受同樣的載荷，用三排柱式造價Z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首選型式，大規格是三排柱式。近幾年來，有些主機廠由于型式選擇失當，已為此付出了沉重的代價，歷史的經驗值得注意。
　　▲　規格尺寸的選擇
　　回轉支承的滾道中心直徑（滾動體組節圓直徑）D0和滾動體直徑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選擇D0—d0，但我國回轉支承待業既有現行的兩個標準規定的數百個規格，又有自行設計或引進技術和進口主機所帶來的規格，特別是單排球式規格相近的甚多，如何才能科學、合理地選擇D0—d0呢？
　　筆者對四種結構型式近千個品種的額定動、靜容量用計算機進行了詳細計算，并結合主機待業對壽命試驗的有關規定，得出如下結論：任一型式的回轉支承其D0/d0的比都有一個合理取值范圍，該值的大小是根據額定動、靜載能力匹配的條件計算得到的。計算結果是：單排球式D0/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，反之使用壽命過剩，前者造成回轉支承過早失效，后者造成浪費。例如將單排球式1400*32（D0/d0=43.75）用于25t汽車吊，雖然其額定靜容量滿足使用工況計算，使用壽命僅為4500次循環。國內去年就有過這種例子，雖然超載25%，靜容量試驗沒有問題，但當進行到5000余次循環時，滾道產生了剝落，后改用1400*40（D0/d0=35）通過考核。我們對JB2300—84的性能曲線圖中動、靜載曲線進行了分析比較，也能得出類似的結論。
　　當然，在一些因結構限制和一些特殊要求的使用場合，應根據具體情況確定D0—d0。例如挖掘機，回轉支承負載Z大的工況是挖掘過程中，而回轉過程中回轉支承的負載較挖掘過程中要小得多。因此，只要根據靜容量確定D0—d0就行了。
　　以上觀點，供主機選擇回轉支承時參考。

來源：《建筑機械》　1996年第八期