合理選用回轉(zhuǎn)支承
2012-06-04作者：侯寧
（馬鞍山統(tǒng)力回轉(zhuǎn)支承有限公司董事長(zhǎng)、總經(jīng)理、高級(jí)工程師）
回轉(zhuǎn)支承作為建筑機(jī)械的重要基礎(chǔ)元件，近十年來(lái)，隨著主機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，得到了廣泛的應(yīng)用，除為挖掘機(jī)、塔吊、汽車吊及各類起重機(jī)配套外，還廣泛應(yīng)用于輕工機(jī)械、冶金機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人、隧道掘進(jìn)機(jī)、堆取料機(jī)、旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)等。總之，它是一切兩部分之間需作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又需同時(shí)承受軸向力、徑向力、傾覆力矩的機(jī)械所必需的重要傳力元件。 （馬鞍山統(tǒng)力回轉(zhuǎn)支承有限公司董事長(zhǎng)、總經(jīng)理、高級(jí)工程師）
我國(guó)回轉(zhuǎn)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。目前已具備了滿足各類主機(jī)需要的回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試的綜合開(kāi)發(fā)能力，為主機(jī)行業(yè)的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。特別是馬鞍山回轉(zhuǎn)支承廠，自1984年與建設(shè)部北京建筑機(jī)械綜合研究所合作，成功地開(kāi)發(fā)出具有80年代先進(jìn)水平的單排球式回轉(zhuǎn)支承后，打破了我國(guó)回轉(zhuǎn)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，大大縮小了與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，帶動(dòng)了我國(guó)回轉(zhuǎn)支承行業(yè)的迅速發(fā)展。11年來(lái)馬鞍山回轉(zhuǎn)支承廠作為回轉(zhuǎn)支承專業(yè)廠，共為國(guó)內(nèi)外用戶提供四大類回轉(zhuǎn)支承2萬(wàn)余套，產(chǎn)品覆蓋全國(guó)25個(gè)省、市、自治區(qū)，為十幾個(gè)行業(yè)的200余種主機(jī)配套。
隨著各主機(jī)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(duì)回轉(zhuǎn)支承的要求都在日益提高，作為回轉(zhuǎn)支承專業(yè)廠，加強(qiáng)新品開(kāi)發(fā)，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足主機(jī)發(fā)展需要，是我們責(zé)無(wú)旁貸的責(zé)任，也是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和自我發(fā)展的根本要求。但主機(jī)如何正確選擇回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)型式（單排球式、交叉滾柱式、雙排球式、三排柱式等）和規(guī)格尺寸（滾道中心直徑D0，滾動(dòng)體直徑d0），卻由于外負(fù)荷是個(gè)復(fù)雜力系以及滾道承載能力的機(jī)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(jī)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，甚至導(dǎo)致重大質(zhì)量事故，從而引起主機(jī)行業(yè)和回轉(zhuǎn)支承行業(yè)的共同重視。本文就是以長(zhǎng)期的回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)生產(chǎn)和為主機(jī)選型服務(wù)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)探討合理的選型，以克服使用的盲目性，保證主機(jī)使用的可靠性。
▲ 結(jié)構(gòu)型式的選擇
常用回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)型式有四種：?jiǎn)闻徘蚴健⒔徊鏉L柱式、雙排球式、三排柱式。為使選型科學(xué)合理，先進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)比
額定靜容量C0和額定動(dòng)容量Ca的大小決定了回轉(zhuǎn)支承的承載能力和使用壽命，現(xiàn)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(duì)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(shù)，55HRC時(shí)為38N/mm2
Z—— 滾動(dòng)體個(gè)數(shù)
α——滾道接觸角，一般機(jī)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(hào)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(zhǎng)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(jì)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(shù)相同的單排球式和交叉滾柱式對(duì)比計(jì)算，其結(jié)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(yuǎn)達(dá)不到理論計(jì)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(nèi)、外套圈在工作時(shí)發(fā)生相對(duì)傾斜，兩者疊加，使內(nèi)、外套圈本應(yīng)平行的對(duì)應(yīng)滾道面，沿滾動(dòng)體母線全長(zhǎng)，Z大可產(chǎn)生0.1mm左右的傾斜，因此，滾柱受載沿長(zhǎng)度方向是不均勻的，兩端應(yīng)和差Z大，Z大應(yīng)力高出平均應(yīng)力很多，甚至一倍以上或更多，再加上兩端的相對(duì)滑動(dòng)，即使其負(fù)載尚未達(dá)到其額定載荷時(shí)，其Z大應(yīng)力已超出許用應(yīng)力，而使?jié)L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?yàn)椋瑵L柱兩端的微量修緣，并不能補(bǔ)償滾道角度誤差及內(nèi)外套圈對(duì)應(yīng)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(duì)滾道角度公差有較高要求外，還應(yīng)將軸、徑向間隙控制在0.05mm以內(nèi)。顯然，目前無(wú)論是制造還是使用都難以達(dá)到（一般要求與回轉(zhuǎn)支承連接的平臺(tái)的平面度公差為回轉(zhuǎn)支承軸、徑向間隙的1/2）。即使達(dá)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(duì)比
有一種錯(cuò)覺(jué)，認(rèn)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(shè)計(jì)，看看理論計(jì)算結(jié)果：
以JB2300—84中雙排球021*30*1120為對(duì)象，先計(jì)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(jié)圓直徑和孔徑不變，將它改型設(shè)計(jì)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(guī)格的改型設(shè)計(jì)得到的結(jié)論與此是類似的。不但如此，因雙排球?yàn)槿健㈦p滾道，材料費(fèi)用，加工制造，運(yùn)輸費(fèi)用都較單排球高，一般同一D0的差價(jià)達(dá)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(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)，但其造價(jià)也是Z高的（同一D0）。為什么它能成為重載機(jī)械的首選型式呢？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(zhuǎn)支承型式的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指數(shù)后，來(lái)分析四種型式隨著D0的變化與r值變化的規(guī)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(duì)JJ36-91和JB2300-84標(biāo)準(zhǔn)中所有型式各種規(guī)格的r值都進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并以D0為橫坐標(biāo)，r值為縱坐標(biāo)，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(shí)，單排球式的r線Z高。當(dāng)D0>1800時(shí)，三排柱式的r線Z高。也就是說(shuō)在D0≤1800范圍內(nèi)承受同樣的載荷，用單排球式造價(jià)Z低；D0>1800時(shí)，承受同樣的載荷，用三排柱式造價(jià)Z低。
如果同意以上的分析和計(jì)算，那么結(jié)論是明顯的：中小規(guī)格的回轉(zhuǎn)支承應(yīng)以單排球式為首選型式，大規(guī)格是三排柱式。近幾年來(lái)，有些主機(jī)廠由于型式選擇失當(dāng)，已為此付出了沉重的代價(jià)，歷史的經(jīng)驗(yàn)值得注意。
▲ 規(guī)格尺寸的選擇
回轉(zhuǎn)支承的滾道中心直徑（滾動(dòng)體組節(jié)圓直徑）D0和滾動(dòng)體直徑d0是構(gòu)成回轉(zhuǎn)支承基本參數(shù)的核心主參數(shù)，當(dāng)型式選定后，如何正確選擇D0—d0呢？
可以將外負(fù)載折算成當(dāng)量靜容量，再乘以合理的安全系數(shù)后與回轉(zhuǎn)支承的額定靜容量對(duì)比來(lái)選擇D0—d0，但我國(guó)回轉(zhuǎn)支承待業(yè)既有現(xiàn)行的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)百個(gè)規(guī)格，又有自行設(shè)計(jì)或引進(jìn)技術(shù)和進(jìn)口主機(jī)所帶來(lái)的規(guī)格，特別是單排球式規(guī)格相近的甚多，如何才能科學(xué)、合理地選擇D0—d0呢？
筆者對(duì)四種結(jié)構(gòu)型式近千個(gè)品種的額定動(dòng)、靜容量用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并結(jié)合主機(jī)待業(yè)對(duì)壽命試驗(yàn)的有關(guān)規(guī)定，得出如下結(jié)論：任一型式的回轉(zhuǎn)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(jù)額定動(dòng)、靜載能力匹配的條件計(jì)算得到的。計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)支承過(guò)早失效，后者造成浪費(fèi)。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(jì)算，使用壽命僅為4500次循環(huán)。國(guó)內(nèi)去年就有過(guò)這種例子，雖然超載25%，靜容量試驗(yàn)沒(méi)有問(wèn)題，但當(dāng)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(duì)JB2300—84的性能曲線圖中動(dòng)、靜載曲線進(jìn)行了分析比較，也能得出類似的結(jié)論。
當(dāng)然，在一些因結(jié)構(gòu)限制和一些特殊要求的使用場(chǎng)合，應(yīng)根據(jù)具體情況確定D0—d0。例如挖掘機(jī)，回轉(zhuǎn)支承負(fù)載Z大的工況是挖掘過(guò)程中，而回轉(zhuǎn)過(guò)程中回轉(zhuǎn)支承的負(fù)載較挖掘過(guò)程中要小得多。因此，只要根據(jù)靜容量確定D0—d0就行了。
以上觀點(diǎn)，供主機(jī)選擇回轉(zhuǎn)支承時(shí)參考。
來(lái)源：《建筑機(jī)械》 1996年第八期