CN104732020A - 千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法，本发明首先建立根据六排滚子转盘轴承的参数建立极坐标系，并利用公式依次计算在极角处的六排圆柱滚子转盘轴承的中圈的轴向位移和倾角位移，并利用轴向位移和倾角位移，计算上排内环滚子所承受的载荷、上排外环滚子所承受的载荷、下排内环滚子所承受的载荷以及下排外环滚子所承受的载荷，最后利用公式计算滚子与每排滚道之间的最大接触应力，并根据最大接触应力用公式计算六排滚子转盘轴承中每一排滚道的承载能力安全系数，以确定六排滚子转盘轴承是否满足使用要求，完成校核过程；本发明有效解决该类转盘轴承的合理参数设计和正确选型应用问题。
Description
技术领域
本发明涉及起重机转盘轴承涉及分析领域，尤其涉及到一种千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法。
背景技术
随着风力发电、石油化工、核电工程、船舶制造、矿业冶金以及交通设施等建设步伐的加快，国内对千吨级起重机的需求表现得越来越迫切。近几年，国内相关企业开始开展千吨位级全地面起重机的国产化研制工作。转盘轴承是全地面起重机回转机构的关键部件，其结构形式较为特殊，受力情况十分复杂。由于受到径向空间的限制，该转盘轴承采用六排圆柱滚子的结构形式，以期在有限的径向尺寸范围内通过增加滚子的排数来保证所需的承载能力。在起重机工作时，转盘轴承主要承受轴向载荷和倾覆力矩的作用。千吨级全地面起重机作为一种高端装备对转盘轴承的可靠性要求极高。为能够进行全地面起重机用转盘轴承的合理参数设计和正确选型应用，十分需要一种应用该类转盘轴承的力学建模与校核方法。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法，以解决该类转盘轴承的合理参数设计和正确选型应用问题。
本发明所采用的技术方案是：千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法，包括以下步骤：
步骤一、将六排滚子转盘轴承的各个参数输入计算机，并以转盘轴承的中心为坐标系圆点，在转盘轴承的径向平面内建立极坐标系，其中，该坐标系的极轴通过受载最大的滚子的轴线，极角用 表示，为转盘轴承的轴向游隙，为上排内环滚子的节圆直径，为上排外环滚子的节圆直径，为下排内环滚子的节圆直径，为下排外环滚子的节圆直径；
步骤二、分别用公式（1）、（2）、（3）和（4）计算在极角处上排内环滚子所承受的载荷、上排外环滚子所承受的载荷、下排内环滚子所承受的载荷以及下排外环滚子所承受的载荷
（1）
（2）
（3）
（4）,其中，为上排内环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为上排外环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为下排内环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为下排外环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数；
步骤三、根据六排圆柱滚子转盘轴承的中圈承受的外部轴向载荷为以及承受的倾覆力矩载荷为，利用公式（5）和（6）计算中圈的轴向位移和倾角位移，
（5）
（6）；
步骤四、将步骤四中得到的和的值代入步骤b中的公式（1）、（2）、（3）和（4），计算载荷 、、和的值；
步骤五、利用公式计算滚子与每排滚道之间的最大接触应力，其中，为每排滚子中承受最大载荷的滚子所承受的载荷，为滚子与滚道接触线的主曲率和函数，为滚子的长度；
步骤六、利用公式计算六排滚子转盘轴承中每一排滚道的承载能力安全系数，其中，为许用接触应力，计算其中最小的安全系数作为转盘轴承的安全系数，并与六排滚子转盘轴承所要求的安全系数进行比较，以确定六排滚子转盘轴承是否满足使用要求，完成校核过程。
本发明的有益效果：本发明的力学模型是针对轴向载荷和倾覆力矩载荷同时作用的工况，考虑了滚子与滚道之间接触的非线性，相对于传统的叠加法更为精确且符合实际；本发明中力学模型中包含了六排滚子转盘轴承的主要设计参数，利用该模型的计算结果可以为设计参数的合理选取提供依据，并进一步对设计参数进行优化；本发明利用力学模型可以计算出六排滚子转盘轴承内部所有的滚子载荷以及滚子与滚道面之间接触应力分布，这些结果能够全面反映六排滚子转盘轴承内部的受力情况；本发明中力学模型所计算出的安全系数不仅可以用来判定六排滚子转盘轴承的选型是否正确，还能反映出六排滚子转盘轴承的安全裕度。
附图说明
图1为实施例1中全地面起重机用六排滚子转盘轴承的结构示意图；
图2~5滚子载荷结构示意图；
图中标记：1、内圈，2、上排内环滚子，3、径向内环滚子，4、径向外环滚子，5、上排外环滚子，6、外圈，7、下排外环滚子，8、中圈，9、下排内环滚子。
具体实施方式
以下结合具体实施方式阐述本发明。
一种千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法，包括以下步骤：
步骤一、将六排滚子转盘轴承的各个参数输入计算机，并以转盘轴承的中心为坐标系圆点，在转盘轴承的径向平面内建立极坐标系，其中，该坐标系的极轴通过受载最大的滚子的轴线，极角用表示，为转盘轴承的轴向游隙，为上排内环滚子的节圆直径，为上排外环滚子的节圆直径，为下排内环滚子的节圆直径，为下排外环滚子的节圆直径；
步骤二、分别用公式（1）、（2）、（3）和（4）计算在极角处上排内环滚子所承受的载荷、上排外环滚子所承受的载荷、下排内环滚子所承受的载荷以及下排外环滚子所承受的载荷
（1）
（2）
（3）
（4）,其中，为上排内环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为上排外环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为下排内环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为下排外环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数；
步骤三、根据六排圆柱滚子转盘轴承的中圈承受的外部轴向载荷为以及承受的倾覆力矩载荷为，利用公式（5）和（6）计算中圈的轴向位移和倾角位移，
（5）
（6）；
步骤四、将步骤四中得到的和的值代入步骤二中的公式（1）、（2）、（3）和（4），计算载荷 、、和的值；
步骤五、利用公式计算滚子与每排滚道之间的最大接触应力，其中，为每排滚子中承受最大载荷的滚子所承受的载荷，为滚子与滚道接触线的主曲率和函数，为滚子的长度；
步骤六、利用公式计算六排滚子转盘轴承中每一排滚道的承载能力安全系数，其中，为许用接触应力，取值为2700MPa，计算其中最小的安全系数作为转盘轴承的安全系数，并与六排滚子转盘轴承所要求的安全系数进行比较，以确定六排滚子转盘轴承是否满足使用要求，完成校核过程。
实施例1
某1200吨全地面起重机用六排滚子转盘轴承，如图1所示，主要由内圈1、上排内环滚子2、径向内环滚子3、径向外环滚子4、上排外环滚子5、外圈6、下排外环滚子7、中圈8、下排内环滚子9构成。
转盘轴承的主要结构参数如下：
① 上排内环滚子
节圆直径（mm），滚子直径（mm），滚子长度（mm）， 滚子数量 （个）
② 上排外环滚子
节圆直径（mm），滚子直径 （mm），滚子长度（mm），滚子数量 （个）
③ 下排内环滚子
节圆直径（mm），滚子直径（mm），滚子长度（mm）， 滚子数量（个）
④ 下排外环滚子
节圆直径（mm），滚子直径 （mm），滚子长度（mm），滚子数量 （个）
转盘轴承在工作时承受载荷如下：轴向载荷，倾覆力矩载荷。主机要求转盘轴承的安全系数为2.0，要求计算该转盘轴承的安全系数能否满足要求。
千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法，包括以下步骤：
步骤一：列出各个滚子载荷的数学表达式。
为便于定义每一个滚子在转盘轴承圆周上的位置，以六排滚子转盘轴承的中心为坐标原点，在六排滚子转盘轴承的径向平面内建立一个极坐标系，坐标系的极轴通过受载最大的滚子的轴线，极角用表示。
在任意位置角处上排内环滚子所承受的载荷为：
（1）
在任意位置角处上排外环滚子所承受的载荷为：
（2）
在任意位置角处下排内环滚子所承受的载荷为
（3）
在任意位置角处下排外环滚子所承受的载荷为：
（4）
步骤二：列出六排滚子转盘轴承的平衡方程组。
转盘轴承的中圈在外部轴向载荷、倾覆力矩载荷以及上、下排所有的滚子的共同作用下处于平衡状态。据此，可以得到如下两个平衡方程：
将式各个滚子载荷的数学表达式代入到以上两个平衡方程中，可以得到一个非线性平衡方程组。方程组的已知量为转盘轴承的设计参数、材料常数和外部载荷，未知量为中圈的轴向位移和倾角位移。
步骤三：将转盘轴承的已知参数带入到平衡方程组进行求解。
将转盘轴承的已知参数（设计参数、材料常数和外部载荷）带入到平衡方程组，运用Newton-Raphson方法求解得到未知变量和的值分别为：0.01969 (mm)和0.00211 (°)。
步骤四：计算所有滚子的载荷。
将求解得到和的值代入到式（1）～（4），进一步计算得到所有滚子载荷 、、和的值，如图2～5所示。
步骤五：计算转盘轴承的安全系数。
得到每一排滚子的最大载荷为： 、、和，根据下式计算滚子与滚道之间的最大接触应力。
由最大载荷计算出该滚子与滚道之间接触应力。
再由计算转盘轴承的承载能力安全系数：
通过上述计算可以得到每一排滚道的安全系数：上排内环滚道、上排外环滚道、下排内环滚道、下排外环滚道，取其中最小的安全系数作为转盘轴承的安全系数，可以看出：该安全系数大于主机要求的2.0的安全系数，可以确定该转盘轴承能够满足主机的使用要求。
Claims (1)
1.千吨级全地面起重机用六排滚子转盘轴承的校核方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将六排滚子转盘轴承的各个参数输入计算机，并以转盘轴承的中心为坐标系圆点，在转盘轴承的径向平面内建立极坐标系，其中，该坐标系的极轴通过受载最大的滚子的轴线，极角用 表示，为转盘轴承的轴向游隙，为上排内环滚子的节圆直径，为上排外环滚子的节圆直径，为下排内环滚子的节圆直径，为下排外环滚子的节圆直径；
步骤二、分别用公式（1）、（2）、（3）和（4）计算在极角处上排内环滚子所承受的载荷、上排外环滚子所承受的载荷、下排内环滚子所承受的载荷以及下排外环滚子所承受的载荷
（1）
（2）
（3）
（4）,其中，为上排内环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为上排外环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为下排内环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数，为下排外环滚子与滚道之间总的“负荷—变形”常数；
步骤三、根据六排圆柱滚子转盘轴承的中圈承受的外部轴向载荷为以及承受的倾覆力矩载荷为，利用公式（5）和（6）计算中圈的轴向位移和倾角位移，
（5）
（6）；
步骤四、将步骤四中得到的和的值代入步骤b中的公式（1）、（2）、（3）和（4），计算载荷 、、和的值；
步骤五、利用公式计算滚子与每排滚道之间的最大接触应力，其中，为每排滚子中承受最大载荷的滚子所承受的载荷，为滚子与滚道接触线的主曲率和函数，为滚子的长度；
步骤六、利用公式计算六排滚子转盘轴承中每一排滚道的承载能力安全系数，其中，为许用接触应力，计算其中最小的安全系数作为转盘轴承的安全系数，并与六排滚子转盘轴承所要求的安全系数进行比较，以确定六排滚子转盘轴承是否满足使用要求，完成校核过程。
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