發(fā)布日期:2022-03-15 瀏覽次數(shù):15
回轉(zhuǎn)支承作為建筑機(jī)械的重要基礎(chǔ)元件,近十年來,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)舞臺等??傊?,它是一切兩部分之間需作相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動,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。
我國回轉(zhuǎn)支承行業(yè)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(jī)需要的回轉(zhuǎn)支承的設(shè)計(jì)、制造、測試的綜合開發(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,成功地開發(fā)出具有80年代國際先進(jìn)水平的單排球式回轉(zhuǎn)支承后,打破了我國回轉(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,大縮小了與發(fā)達(dá)國家之間的差距,帶動了我國回轉(zhuǎn)支承行業(yè)的迅速發(fā)展。11年來馬鞍山回轉(zhuǎn)支承廠作為回轉(zhuǎn)支承專業(yè)廠,共為國內(nèi)外用戶提供四大類回轉(zhuǎn)支承2萬余套,產(chǎn)品覆蓋全國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,無論是自行開發(fā),還是引進(jìn)技術(shù)、合資、合作,對回轉(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)無旁貸的責(zé)任,也是市場競爭和自我發(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:單排球式、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(shù)據(jù)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(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(shù),55HRC時(shí)為38N/mm2
Z—— 滾動體個(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(jì)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(shù)相同的單排球式和交叉滾柱式對比計(jì)算,其結(jié)論是一致的。
需要說明的是,交叉滾柱的動、靜載能力實(shí)際上遠(yuǎn)達(dá)不到理論計(jì)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(nèi)、外套圈在工作時(shí)發(fā)生相對傾斜,兩者疊加,使內(nèi)、外套圈本應(yīng)平行的對應(yīng)滾道面,沿滾動體母線全長,最大可產(chǎn)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(yīng)和差最大,最大應(yīng)力高出平均應(yīng)力很多,甚至一倍以上或更多,再加上兩端的相對滑動,即使其負(fù)載尚未達(dá)到其額定載荷時(shí),其最大應(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)外套圈對應(yīng)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(yīng)將軸、徑向間隙控制在0.05mm以內(nèi)。顯然,目前無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、靜載能力也只是向理論動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(cuò)覺,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)也是最高的(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,來分析四種型式隨著D0的變化與r值變化的規(guī)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(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線最高。當(dāng)D0>1800時(shí),三排柱式的r線最高。也就是說在D0≤1800范圍內(nèi)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(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,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(滾動體組節(jié)圓直徑)D0和滾動體直徑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比來選擇D0—d0,但我國回轉(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?
筆者對四種結(jié)構(gòu)型式近千個(gè)品種的額定動、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、靜載能力匹配的條件計(jì)算得到的。計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)支承過早失效,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)。國內(nèi)去年就有過這種例子,雖然超載25%,靜容量試驗(yàn)沒有問題,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)通過考核。我們對JB2300—84的性能曲線圖中動、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)載最大的工況是挖掘過程中,而回轉(zhuǎn)過程中回轉(zhuǎn)支承的負(fù)載較挖掘過程中要小得多。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。
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