回转支承 ——节选自《液压挖掘机》4.1回转支承章节

《回  转  支  承》

——节选自《液压挖掘机》4.1回转支承章节

　　回转支承又称转盘轴承，是一切两部分之间需要相对回转又同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩的机械的传力基础元件。液压挖掘机通常为工作装置和底盘可相对回转的上下结构，其连接机构自然离不开回转支承。由于挖掘时工作载荷大且变化激烈，因此对回转支承有着较高的技术要求。本文主要介绍回转支承选型、安装注意事项及使用过程中常见问题分析三个方面。

　　一、回转支承选型

　　回转支承的选型主要包括：确定回转支承的型式和主参数，验证滚道的承载能力。

　　1、 回转支承型式、主参数的确定

　　中小规格的回转支承应以单排球式为优选型式，大规格是三排柱式较佳，建议65吨级以下的挖掘机选用单排球式回转支承，65吨级以上的挖掘机以三排柱式回转支承为主。

　　回转支承的滚道中心直径D0和滚动体直径d0是构成回转支承基本参数的核心主参数，一般来说，单排球式D0/d0=30～40，三排柱式D0/d0=80～100。大于上述值则在额定静容量下使用寿命不足，反之使用寿命过剩，前者造成回转支承过早失效，后者造成浪费。当然，在一些因结构限制和一些特殊要求的使用场合，应根据具体情况确定D0—d0。。

　　建议按下式初步确定挖掘机回转支承的主参数：

　　D02·d0 ≥2·T                                                    （4-1）

　　式中：Do－滚道中心直径，m；

　　d0－钢球直径，mm；

　　T－挖掘机吨位，t。

　　如选择钢球直径d0=Φ60，按上式计算出的滚道中心直径D0超出限制的结构尺寸，建议改选为三排柱式回转支承，并按上述原则确定主参数。

　　2、验证滚道的承载能力

　　验证滚道的承载能力按以下步骤进行：

　　（1）根据选定的回转支承主参数计算额定静容量Co 。

　　（2）根据回转支承外负荷计算当量轴向载荷Cp。

　　（3）计算安全系数fs验证滚道的承载能力。                          

　　（4）当径向力小于轴向力的10%时，也可以根据组合的外载荷Fa、M各乘以安全系数f0（f0值可按下表4.1-1选取）后直接在回转支承性能曲线图上比较安全性。

　　2.1 计算额定静容量Co

　　额定静容量是衡量回转支承静载能力的指标，除回转支承的原材料及其热处理状态对其影响外，加工制造过程中的滚道表面淬火硬度和淬硬层深度、球式滚道的接触角α、沟道半径与钢球半径之比t是影响回转支承承载能力的几个主参数。

　　下列回转支承的额定静容量计算公式在规定的条件下是安全可靠的。

　　1、单排球式回转支承的额定静容量：

　　CO = 0.6·DO·d0 0.5                                               （4-2）

　　式中：CO 一额定静容量,   kN          

　　DO 一 滚道中心直径（滚动体组节圆直径）,    mm      

　　d0 一 钢球公称直径,    mm  

　　本公式适用范围：

　　a. 沟道半径与钢球半径之比=1.04;

　　b. 滚道淬硬层深度为4mm

　　c. 滚道表面硬度≥55HRC

　　d. 滚道接触角α=45°。            

　　2、三排柱式回转支承的额定静容量                        

　　Co= 0.533·DO·d0 0.75                                               （4-3）

　　式中：CO一  额定静容量,    kN          

　　DO一 上排滚道中心直径,    mm      

　　d0 一上排滚柱直径,    mm      

　　本公式适用范围：滚道表面硬度≥55HRC ，滚道淬硬层深度符合标准要求；

　　2.2计算当量轴向载荷Cp

　　2.2.1计算单排球式回转支承的当量轴向载荷Cp

　　研究回转支承的受力状态在于求出滚动体所受的最大作用力，以便验算滚动体与滚道的接触强度。回转支承的座圈是一个以滚动体为支点的多支点弹性体，承受着轴向载荷Fa，倾覆力矩M，和径向载荷Fr。设内座圈与转台固定，外座圈与底架固定(这是为了看图和分析的直观、方便。但内齿式实际安装方向是内座圈在下与底架固定，外座圈在上与平台固定)，力的传递路线是转台经内座圈，滚动体，外座圈到底架如图4.1-3a、b所示。内力分布与内外座圈的刚度，滚动体和滚道加工精度有关，为简化计算，假定：

　　a.内外圈为绝对刚体，受力后变形只发生在滚动体与滚道接触处；

　　b.滚动体与滚道接触良好，无加工误差，无轴向间隙和径向间隙。

　　内力计算有变形叠加法和载荷叠加法，后者仅适用于作用力和变形是线性关系的情况。考虑到载荷叠加法比较简单，计算结果能满足要求，因此仍采用载荷叠加法计算内力，即上述三种载荷在滚动体上引起的正压力分别计算后再叠加。（具体过程略）

图4.1-3 单排球式回转支承受力图

令α=45°，回转支承在Fa，M和F_r共同作用下，受力最大的滚动体对滚道的正压力可近似表达为：

                     （4-6）

　　当轴向载荷Fa，倾覆力矩M起主导作用时，组合后外载荷的当量轴向载荷可表达为:

                       （4-7）

　　当F_r起主导作用时，单个座圈上有两条滚道受力，此时组合后外载荷的当量轴向载荷可表达为：

                            （4-8）

　　式中： 一 当量轴向载荷，  kN       

M 一  倾覆力矩，      kN·m    

Fa 一 轴向力，         kN      

Fr 一 径向力，         kN      

D_O 一 滚道中心直径,    m

    Z 一 滚动体个数

　　2.2.2 计算三排柱式回转支承的当量轴向载荷Cp

三排柱式回转支承有一排径向柱子专门承受径向力，因此，这里不讨论径向力Fr对三排柱式回转支承的影响。

假定：三排柱式回转支承内外圈为绝对刚体，受力后变形只发生在滚动体与滚道接触处；滚动体与滚道接触良好，无加工误差，无轴向间隙和径向间隙。对三排柱式回转支承承受轴向载荷Fa，倾覆力矩M进行受力分析，则受力最大的滚动体对滚道的正压力可近似表达为：

                              （4-9）

单排球式回转支承存在间隙时，实际接触角有增大的趋势，这对单排球式回转支承的受力总体说是有利的，因此当量轴向载荷Cp按式（4-7）、（4-8）计算是安全的。但对三排柱式来说，有间隙存在，在倾覆力矩的作用下，内、外套圈将发生相对倾斜，内、外套圈本应平行的滚道面也相对倾斜，受载不均匀，应力有集中的趋势。因此三排柱式的当量轴向载荷按下式计算是比较安全的：

                                       （4-10）

　　式中：C p一 当量轴向载荷，  kN

M 一 倾覆力矩，      kN·m

Fa一 轴向力，        kN

D_O 一 上排滚道中心直径,    m

Z  一 滚动体个数

　　2.3计算安全系数fs验证滚道的承载能力                          

fs = Co / Cp≥f₀     f₀值可按下表4.1-1选取                      （4-33）

表4.1-1  回转支承安全系数f₀

　　3、中小级别挖掘机常用回转支承见表4.1-2   

表4.1-2  中小级别挖掘机常用单排球式回转支承一览表

             表4.1-4  包含角偏差在内的平面度许可值

　　注：表4.1-4中的数值为最大值，在180°的扇形区内只允许有一处波峰达到该值，并在0°~90°~180°区域内平稳上升或下降。不允许忽升忽降，以避免峰值负荷。

3.安装支架需要有足够的刚度，以防止回转支承安装因支架刚度不够产生变形导致回转支承不能正常工作。在额定负荷作用下，其支架平面最大挠度应符合表4.1-5的规定。

表4.1-5   最大允许负荷下的挠度

4.齿轮安装注意事项：

挖掘机回转驱动装置中大小齿轮的安装非常重要，好的装配质量可避免回转支承齿轮的早期断齿。

（1）保证大小齿轮中心轴线的平行；

（2）装配小齿轮从回转支承大齿轮的齿跳最高点标记处开始装配，并且在该处齿轮与小齿轮间的齿侧间隙Sh应符合表4.1-6的规定。

表4.1-6

　　5．回转支承用螺栓的选择与安装注意事项

　　5.1、 螺栓按 GB 3098.1和 GB 5782 选用，亦可自行设计大六角头螺栓。性能等级为8.8级、10.9级和12.9级。对于普通挖掘机，建议采用10.9级螺栓。对于额定载荷下螺栓静强度要求和最大载荷下螺栓屈服强度要求很高，而对于疲劳强度要求不严格时，可选用12.9级螺栓。对于载荷频繁多变，螺栓疲劳强度要求极为严格的场合，可选用8.8级螺栓。

　　5.2、紧固螺母按 GB 3098.2 和 GB 6175 选用或自行设计大六角头螺母。其性能等级应与螺栓相配。

　　5.3、不应采用弹簧垫圈防松。建议采用其他可靠地防松措施。

　　5.4、拧紧螺栓时，应在螺栓的螺纹及螺母端面涂润滑油，并用扭矩扳手在180°方向对称均匀多次拧紧。如图4.1-9所示：

图4.1-9

　　5.5、螺栓需要有足够的预紧力，其预紧力在螺栓上产生的预紧应力应符合表4.1-7的规定。

　　5.6、螺栓夹紧长度L≥5∙d  (d--螺栓直径)。

表4.1-7  螺栓的预紧扭矩或预紧力 

　　5.7、当采用螺孔安装联接方式时，螺栓在回转支承中的最小拧入长度应符合表4.1-8的规定。