千吨级起重机用多排滚子组合转盘轴承快拆装结构的承载能力分析.pdf

2023/09 总第571期 CONSTRUCTION MACHINERY25近年来，随着国内风力发电、石油化工、核电装备的安装需求不断增多，对千吨级履带起重机的需求也越来越旺盛。由于千吨级履带起重机体积大、重量重，整机转场运输困难。相对于传统转盘轴承通过螺栓与起重机进行连接固定的方式，将多排圆柱滚子转盘轴承设计为快拆装结构，实现大型起重机拆解后分体转场运输，已变成一种新的技术方向。然而，在千吨级履带起重机工作时，转盘轴承滚道及快拆装结构承受较大的轴向力和倾覆力矩。目前国内对转盘轴承滚道的校核计算方法已比较成熟，但尚无直接适用于快拆装结构的校核计算方法。为能够进行多排圆柱滚子转盘轴承快拆装结构的合理结构设计和参数选择，十分需要1种应用于该类转盘轴承快拆千吨级起重机用多排滚子组合转盘轴承快拆装结构的承载能力分析毛斐然，王高峰，李培培，漫恒源，曹 镇（1 洛阳轴研科技有限公司，河南 洛阳 471039；2 洛阳广通汽车有限公司，河南 洛阳 471000）摘要针对千吨级起重机所用快拆装多排圆柱滚子轴承的快拆装结构设计以及销轴选型，无法校核计算保证快拆装结构的安全使用，防止销轴损坏造成千吨级起重机在吊装作业时出现事故。本文主要介绍多排圆柱滚子轴承的快拆装结构的校核计算方法，利用所建立的校核方法计算得出了销轴、底座以及支撑圈的结构强度安全系数，为判定多排圆柱滚子轴承的快拆装结构满足给定应用工况要求的程度提供了依据，以供生产制造厂家参考。关键词多排滚子组合转盘轴承；快拆装结构；校核计算；结构强度安全系数中图分类号TH213文献标识码B文章编号1001-554X（2023）09-0025-03DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.031收稿日期 2023-02-14基金项目 国家重点研发计划：2020YFB2006802-02；大型掘进机主驱动轴承批量精密制造技术通讯地址 毛斐然，河南省洛阳市吉林路1号装结构的力学模型与校核计算方法及承载能力分析。1 轴承快拆装结构力学系统建模千吨级起重机用多排滚子组合转盘轴承结构如图1所示，主要由外齿圈、中圈、座圈、第一内圈、第二内圈、销轴、支撑圈以及多排滚子构成1。转盘轴承的中圈和支撑圈安装在主机机身的安装平台上固定不动，外齿圈和第一内圈、第二内圈与起重机的吊臂支座相连接2。起重机起吊建筑机械26交流园地EXCHANGE FORUM作业时，多排滚子组合转盘轴承承受被起吊重物所造成的轴向载荷和倾覆力矩的联合作用，转盘轴承的外齿圈和第一内圈、第二内圈相对于固定的中圈和座圈产生相对位移3。起重机起吊重物时，销轴7在外部轴向载荷Fz和倾覆力矩Mz共同作用下如图2所示，由n个销轴共同承载，保证每个销轴满足载荷要求。故用合力校核单个销轴7所承受的最大剪切应力max、最大弯曲应力max是否小于对应的许用应力，同时校核该单个销轴7处座圈2承受的最大压应力r、支撑圈14所承受的最大压应力f 是否小于对应的许用应力。2 快拆装结构校核方法千吨级起重机在起吊重物时会产生轴向载荷Fz和倾覆力矩Mz，在外部倾覆力矩Mz作用下4引起的单个销轴7的最大受力F1，以该受力最大的销轴7作为校核对象，计算由外部轴向载荷Fz作用下引起的该销轴7的受力F2。其中F1和F2方向相同，则该销轴7承受的合力为Fmax=F1+F2。F1=4MzDgn（1）式中 D表示座圈内径。F2=Fzn（2）式中 n表示销轴7的数量。千吨级起重机用多排滚子组合转盘轴承的所述座圈2以及所述支撑圈14均包括两个连接环，支撑圈14的两个连接环插入座圈2两个连接环之间，各连接环中均设有销轴穿孔，销轴穿孔供所述销轴7适配穿入。其中销轴7承受的弯矩为M，座圈2承受的压应力为r，支撑圈14承受的压应力为f。计算销轴所受的最大剪切应力 max=Fmax2A（3）式中 A表示销轴截面面积。计算销轴所受的最大弯曲应力 max=（4）式中 表示销轴承受的弯矩。=g Tr+Tfmax11233（5）计算截面抗弯模量 =gd32（6）式中 d表示销轴7的有效面积。计算座圈2所受的压应力 r=Fmax2dgTr（7）式中 Tr 表示支撑圈厚度。计算支撑圈14所受的压应力 f =Fmax2dgTf（8）式中 Tf 表示座圈厚度。根据计算所得剪切应力max、弯曲应力max、座圈2的压应力r、支撑圈14的压应力f，计算结构强度安全系数。1 中圈 2 座圈 3 主推力滚子 4 外齿圈 5 第一内圈 6 第二内圈 7 销轴 8 螺栓 9 副推力滚子 10 副推力滚子保持架 11 径向滚子 12 隔离块 13 主推力滚子保持架 14 支撑圈MzFz1112147213341010995618图1 千吨级起重机用多排滚子组合转盘轴承图2 快拆装结构局部放大示意图TfTfTrTrDd2023/09 总第571期 CONSTRUCTION MACHINERY27表1 多排圆柱滚子组合转盘轴承的结构参数滚子节圆直径/mm滚子直径/mm滚子长度/mm滚子数量主推力滚子第一组31456060122第二组30006060116第三组28556060110第四组27106060105副推力滚子第一组31595050152第二组27095050130径向滚子25963030209销轴7抗剪切安全系数 f1=max（9）销轴7抗剪切安全系数 f2=max（10）座圈2抗压溃安全系数 f3=rr（11）支撑圈14抗压溃安全系数 f4=ff （12）式中 表示销轴材料及许用剪切应力；表示销轴需要弯曲应力；f 表示支撑圈材料及许用应力；r 表示座圈材料及许用应力。将计算结构强度安全系数与设计所需安全系数进行对比判断，即可得到最终校核结果。本文的力学模型是根据快拆装多排圆柱滚子轴承实际工况建立的，模型中包含了快拆装结构的主要设计参数，利用该模型的计算结果可以为销轴、支撑圈、座圈的结构参数设计提供理论依据，并可进一步对设计参数进行优化；可以计算出销轴承受的最大剪切应力、最大弯曲应力以及座圈和支撑圈所受的压应力；力学模型所计算出的结构强度安全系数不仅可以用来判断快拆装结构设计是否正确合理，还能反映出快拆装结构的安全裕度5。3 校核计算本文拟校核某2000t大型履带起重机用快拆装多排圆柱滚子组合转盘轴承的结构，参数见表1。轴承在工作时承受的轴向载荷Fz=30000kN，倾覆力矩Mz=50000kNm，销轴数量n=30，销轴有效直径d=110mm，座圈内径D=2600mm，座圈厚度Tf=50mm，支撑圈厚度Tr=50mm，销轴材料42CrMo及许用剪切应力450MPa，销轴许用弯曲应力500MPa，支撑圈材料42CrMo及许用应力f650MPa，座圈材料42CrMo及许用应力r650MPa。要求多排圆柱滚子组合转盘轴承快拆装结构的结构强度安全系数不小于1.0。由式（1）（12）计算由倾覆力矩Mz引起的单个销轴7受力F1=2564kN；由轴向力Fz引起的单个销轴7受力F2=1000kN；单个销轴7最大受力Fmax=3564kN；销轴7所受的最大剪切应力max=187.5MPa；销轴7所受的最大弯曲应力max=452MPa；底座2所受的压应力r=295MPa；支撑圈14所受的压应力f =295MPa；销轴7抗剪切安全系数f1=2.4；销轴7抗剪切安全系数f2=1.1；底座2抗压溃安全系数f3=2.2；支撑圈14抗压溃安全系数f4=2.2。通过以上计算可知，销轴7、底座2以及支撑圈14的结构强度安全系数均大于1.0，则快拆卸结构参数满足设计要求。4 结束语快拆装多排圆柱滚子轴承的快拆装结构的校核计算方法已经在我公司生产的产品上应用多年，能够较为准确的计算出销轴7、底座2以及支撑圈14的结构强度安全系数，从而保证快拆装多排圆柱滚子轴承产品满足设计使用要求。参考文献1 徐力民,陈卓.回转支承M.合肥:安徽科学技术出版社,1988.2 赵雁,李云峰,毛斐然,等.高精度雷达方位轴承设计与研 制J.轴承,2015(03):15-19.3 邓四二,贾群义.滚动轴承设计原理M.北京:中国标准 出版社,2008.4 李云峰,姜迪,千吨级全地面起重机用转盘轴承的承载能 力分析J.机械工程学报,2016,52(01):109-115.5 李云峰,张澎悦.三排滚子转盘轴承的校核计算方法J.中 国机械工程,2018,29(03):267-272.