1、河南科技大学毕业设计（论文）I三排滚子转盘轴承承载能力分析和寿命计算摘 要多排滚柱式回转支撑，能够承受较大的倾覆力矩，是回转支承中承载能力最大的一种。多排滚柱式回转支承特别适用于承受大载荷、大冲击工况条件下运行的重型机械，而三排滚柱式回转支承是其中最具典型的结构形式，因此对三排滚子转盘轴承的研究具有一定的现实意义和社会效益。以 Hertz 接触理论为基础，结合三排滚子转盘轴承的特殊结构，推导出计算三排滚子转盘轴承接触强度校核的有关理论公式，并绘制了静、动承载能力曲线。然后，用 Lundberg-Palmgren 寿命理论，推导计算三排滚子转盘轴承的疲劳寿命。通过以上的分析计算可为轴承的选型和设
2、计提供理论基础。通过以上分析推导的公式，建立数值求解模型，用 Matlab 编程语言进行计算求解，解出三排滚子转盘轴承的最大承受载荷和寿命，进而绘制承载能力曲线。之后，再用 ANSYS 有限元，建立简单的模型进行形变和应力的分析。关 键 词：三排滚子转盘轴承，承载能力，疲劳寿命，经典数值分析， ANSYS有限元分析河南科技大学毕业设计（论文）IICARRYING CAPACITY ANALYSIS AND LIFETIME CALCULATIONS OF THREE-ROW ROLLER SLEWING BEARINGSABSTRACTIn slewing bearings, the mult
3、i-row roller slewing bearings has the most load carrying capacity, which can withstand large overturning moment. The multi-row roller slewing bearings is especially suitable for heavy machinery which withstand large loads or impact of working conditions under running. However, three-row roller slewi
4、ng bearings is one of the most typical form in the structure of multi-row roller slewing bearings. So, it has a certain practical significance and social benefits for studing three-row roller slewing bearings.It can deduce to the theoretical formula that used to calculating contact strength check of
5、 the three-row roller slewing bearings and can draw static and dynamic carrying capacity curves, based on the Hertz contact theory and combined with the special structure of the three-row roller slewing bearings. Then, using the lifetime expectancy theory of Lundberg-Palmgren to derived and calculat
6、e the fatigue lifetime of the three-row roller slewing bearings. It can provide a theoretical basis for bearing type selection and design by the above analysis and calculations.Through the formula which analysis and derive above, we can build the numerical solution model. Computing for Matlab progra
7、mming language, solve three-row roller slewing bearings maximum load carrying and lifetime, and then draw the carrying capacity curve.After then, build a simple model by the ANSYS finite element to deformation and stress analysis.KEY WORDS：three-row roller slewing bearings, carrying capacity, fatigu
8、e lifetime, Classical numerical analysis, ANSYS finite element analysis目 录河南科技大学毕业设计（论文）III前 言 .1第 1 章 绪论 .21.1 研究对象 .21.1.1 研究对象及特点 .21.1.2 国内外对比 .31.2 研究的意义 .3第 2 章 静承载能力的分析和计算 .42.1 静承载能力的理论推导 .42.1.1 负荷与弹性变形 .42.1.2 赫兹弹性理论的基本假设 .42.1.3 计算公式 .52.2 平衡方程 .62.2.1 静态平衡方程的建立 .62.2.2 力平衡方程 .62.2.3 力矩平衡
9、方程 .82.3 静承载能力计算分析 .82.3.1 计算分析过程 .82.3.2 静承载曲线的绘制 .11第 3 章 额定寿命和动态承载能力的计算 .143.1 理论公式的推导 .143.1.1 额定滚动体负荷计算 .143.1.2 当量滚动体负荷计算 .143.1.3 单个套圈额定寿命计算 .143.2 多排滚子的合成寿命计算 .163.3 动承载能力曲线的绘制 .163.4 动静承载能力合成曲线 .18第 4 章 承载能力的有限元分析 .194.1 有限元模型的确定 .194.2 承载能力的有限元求解 .194.2.1 求解步骤 .19河南科技大学毕业设计（论文）IV4.2.2 网格划分
10、过程 .204.2.3 求解和分析 .214.3 求解之后的结论 .22结 论 .23参考文献 .24致 谢 .26附 录 .27河南科技大学毕业设计（论文）1前 言由于现在对转盘轴承的研究只限制在四点接触转盘轴承上，对三排滚子转盘轴承的研究很少，多排滚柱式回转支承与球式回转支承相比特别适用于承受大载荷、大冲击工况条件下运行的重型机械，而三排滚柱式回转支承是其中最具典型的结构形式，因此对三排滚子转盘轴承的研究具有一定的现实意义和社会效益。本文主要对三排滚子转盘轴承的承载能力和寿命进行了简单的分析和计算，通过推导承载能力的理论公式，带入参数用编程的方式求解出所需结果，并绘制承载能力曲线。对轴承的
11、寿命进行分析计算，最后再用 ANSYS 仿真软件对以上参数进行分析。总之，通过这次研究可以为多排滚子转盘轴承的选型计算和设计提供理论基础。河南科技大学毕业设计（论文）2第 1 章 绪论1.1 研究对象1.1.1 研究对象及特点三排滚柱式回转支承又称为组台式回转支承，它是一种高承载能力的新型支承，主要应用于负荷较大、承载较复杂且要求用于承受较大的倾覆力矩的场合，其结构如图 1-1 所示，图中 1 为主推力滚子，2 为外圈，3 为径向滚子，4 为辅推力滚子，5 为内圈。主推力滚道主要承受轴向力和倾覆力矩，辅推力滚道承受倾覆力矩，径向滚道承受径向力 1。图 1-1 三排滚子转盘轴承结构简图其主要特点
12、有：(1) 与交叉滚柱式支承相比，在同样的支承直径下，滚动体(接触点)的数量增加了，因而减少了每个滚动体上的负荷；与双排球式支承相比，由点接触改为线接触后，可降低接触应力，提高承载能力；(2) 在承受同样负荷的情况下。比其他类型支承的外形尺寸小断面小，重量轻，可以节约材料，降低材料费用。(3) 滚圈的滚道为平面及圆柱面，加工较方便。(4) 竖装滚柱除承受径向力外，还具有承受倾覆力矩的导向作用 2。河南科技大学毕业设计（论文）31.1.2 国内外对比我国从六十年代初期，就开始在挖掘机和起重机上应用转盘轴承。洛轴作为我国重型轴承生产基地，70 年代即开始为各大钢厂、各大港口及港机厂生产转盘轴承，2
13、008 年为国内某港机厂生产的转盘轴承，外径达 6.07m，保持最大的行业记录。随着装备领域对大型回转支承的需求，我国转盘轴承的发展也如雨后春笋般迅猛，各种不同的大中型轴承厂层出不穷，为市场提供不同种类的转盘轴承，满足了市场的不同需求。LYC 公司生产的目前国内最大的转盘轴承6250mm。国外，转盘轴承大多有轴承公司进行专业化生产，各公司都用自己的型式，尺寸系列。主要生产公司有：德国的 Schaeffler 公司，法国的 RKS 公司，日本的NSK 以及美国、俄罗斯的一些公司和工厂。德国的 Schaeffler 公司是其中最著名的公司，它生产的转盘轴承品种多、规格全。SKF 公司是欧洲较大的工
14、业集团，也是世界上最早成立的技术最先进的轴承制造公司。这些公司可生产 0.35m40m 的回转支承，满足不同工况下对轴承的需求。1.2 研究的意义通过对三排滚子转盘轴承承载能力分析和寿命计算，不但能够使我们了解三排滚子转盘轴承使用过程中的各种不利因素，而且还能充分利用所学的知识克服不利因素，提高三排滚子转盘轴承的承载能力和使用寿命，从而使我们更好的利用三排滚子转盘轴承打下基础，为工程领域充分发挥三排滚子转盘轴承的使用效率起到了不可替代的作用。河南科技大学毕业设计（论文）4第 2 章 静承载能力的分析和计算2.1 静承载能力的理论推导2.1.1 负荷与弹性变形在分析中近似地认为，轴承套圈为刚体，
15、滚子大小一致，滚道无高低水平差，滚道面之间互相平行，轴承受力后仅在滚子与滚道接触处产生变形 3。根据赫兹接触理论，接触负荷与接触弹性变形之间有如下关系：（2-1）10/9qnqQK式中：Q接触负荷，q第 q 个滚动体，Kn弹性变形系数，其中（2-2）109910nieK对于线接触的 Ki=Ke=Kj由此可得：（2-3）10/92jnK轴承钢制造的轴承， （2-4）48/97.6jlL滚子有效长度弹性形变量。2.1.2 赫兹弹性理论的基本假设赫兹求解互相挤压的两弹性固体的接触面形状大小、表面压力分布和两物体弹性趋近量时，采用了下列假设：(1) 接触物体只产生弹性变形，并服从胡克定律。河南科技大学
16、毕业设计（论文）5(2) 光滑表面，只有法相作用力，不存在切向摩擦力。(3) 接触面的尺寸与接触物体表面的曲率半径相比是很小的。2.1.3 计算公式按照赫兹接触理论，两个相当长的且等长度的平行圆柱体接触时表面压力呈半椭圆柱分布，如图 2-1 所示图 2-1 理想接触线表面压力分布接触半宽度：（2-5）1/24Qbl式中：接触点的主曲率和函数，两物体综合弹性常数，（2-6）221E其中：E 1，E 2， 两材料的弹性模量和泊松比，12,接触宽度中心最大压应力：（2-7）1/20QPl河南科技大学毕业设计（论文）6接触面上任意一点压应力： （2-8）20,1yPxyb在赫兹之后，Palmgren
17、给出了线接触趋近量计算公式为：（2-9 ）0.9.81.36Ql对于轴承钢制造的滚动轴承，将材料常数代入公式简化为：（2-10）1/23.40bl（2-11）1/2019.6QPl（2-12）0.9583.l进行计算时可以直接使用。2.2 平衡方程2.2.1 静态平衡方程的建立设轴向力 Fa 作用下，内圈的轴向变形量为 ，倾覆力矩 M 作用下内圈相对a固定圈的角位移为 。在径向力作用下，径向滚子沿径向的变形量为 。当 很 r小时，以及滚子素线为对数曲线时，可以认为其接触应力为均匀分布，以下分析过程是在此基础上进行的。2.2.2 力平衡方程径向滚子第 q 个滚动体的变形量为：（2-13）cosqrq那么第 q 个滚动体所受载荷由（2-1）可得：（2-14）10/9qnQK又（2-15）10/9maxnr由式（2-14 ）与（2-15 ）可得：
