回转支承选型计算.docx

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回转支承选型计算

回转支承选型计算：

一、单排球式回转支承的选型计算

1、计算额定静容量

　C0=f·D·d

　式中：

Co——额定静容量，kN

　　　　f——静容量系数，0.108kN/mm2

　　　　D——滚道中心直径，mm

　　　　d——钢球公称直径，mm

2、根据组合后的外载荷，计算当量轴向载荷

　式中：

Cp——当量轴向载荷，kN

　　　　M——总倾覆力矩，kN·m

　　　　Fa——总轴向力，kN

　　　　Fr——总倾覆力矩作用平面的总径向力，kN

3、计算安全系数

　　　fs=Co/Cp

　　　fs值可按下表选取。

二、三排柱式回转支承的选型计算

1、计算额定静容量

　C0=f·D·d

　式中：

Co——额定静容量，kN

　　　　f——静容量系数，0.172kN/mm2

　　　　D——滚道中心直径，mm

　　　　d——上排滚柱直径，mm

2、根据组合后的外载荷，计算当量轴向载荷

式中：

Cp——当量轴向载荷，kN

　　　M——总倾覆力矩，kN·m

　　　Fa——总轴向力，kN

3、计算安全系数

　　　fs=Co/Cp

　　　fs值可按下表选取。

　　　回转支承安全系数fs

工作类型

工作特性

机械举例

fs

轻  型

不经常满负荷，回转平稳冲击小

堆取料机，汽车起重机，非港口用轮式起重机

1.00～1.15

中  型

不经常满负荷，回转较快，有冲击

塔式起重机，船用起重机，履带起重机

1.15～1.30

重  型

经常满负荷，回转快冲击大

抓斗起重机，港口起重机，单斗挖掘机，集装箱起重机

1.30～1.45

特重型

满负荷，冲击大或工作场所条件恶劣

斗轮式挖掘机，隧道掘进机，冶金起重机，海上作业平台起重机

1.45～1.70

回转支承产品标准对合理选型的影响

《建筑机械》2002年第三期

　　现行的单排球式回转支承有两个行业标准JJ36.1-91《建筑机械用回转支承》和JB/T2300-99《回转支承》，也就是在以前的建设部标准JJ36-86和机械部标准JB2300-84的基础上重新修订的。

在JJ36.1的基本参数系列表中列出了145种基本参数的145种型号单排球式回转支承，在JB/T2300中列出了120种基本参数的220种型号单排球式回转支承。

目前我国除引进主机外，绝大多数主机都是按现行的两个标准规定的参数选择回转支承型号。

由于JB2300-84较JJ36-86颁布实施得早，其覆盖面要略大于JJ36-86，两个标准都为回转支承标准化生产做出了贡献。

随着各主机待业和回转支承行业的飞速发展，国外机型的大量引进，标准中的问题也显现出来，甚至阻碍了各主机行业和回转支承行业的发展，应引起我们高度重视。

　　单排球式回转支承的滚道中心直径（D0）和钢球直径（d0）是它的两个主参数，它们不但决定了回转支承的承载能力和使用寿命，也是其它参数设计的依据，因此两者的匹配合理与否不仅是回转支承设计水平的反映，将直接影响主机选用的科学性、经济性和结构的合理性。

通常我们用D0/d0的比值来分析主参数匹配的合理性，在D0=500~2500范围内，JJ36.1中D0/d0=31.25~41.67；JB/T2300中，D0/d0=16.67~62.5。

德国ROTHEERDE公司标准系列单排球式回转支承D0/d0=30~56。

那么该比值在什么范围内科学合理呢？

通过计算和比较我们不难找到答案。

　　当回转支承的D0和d0值确定以后，它的额定静容量和额定动容量也随之可计算出来，并可作出其静载和动载曲线，显然当静载曲线和动载曲线靠得很近时，在满足静载荷要求的同时又满足了动载荷（即寿命）的要求。

如果两条承载能力曲线离得较远，只能按承载能力较低的一条曲线选用，势必造成另一种能力的浪费。

从JB/T2300附录B承载能力曲线中不难看出30·900、30·1000、30·1120、35·1250、35·1400、45·1400、45·1600、45·1800、60·2000、60·2240、60·2500的动、静载曲线靠得较近，主参数匹配合理，它们的比值为30~41.67。

同时也可看出，D0/d0比值过小，动载曲线远高于静载曲线（例30·500比值为16.67），比值过大动载曲线远低于静载曲线（例40·2500比值为62.5），在此附录中共有图B1~图B48共48幅曲线图覆盖220种型号，除上述11种主参数匹配代表的55种型号外，其余165种型号（占75%）的主参数匹配不合理。

通过以上分析得道的答案是：

D0/d0=30~40为比较合理的主参数匹配。

　　JB/T2300-99在修订中也意识到这一问题，将JB2300-84原有型号保留之外，每种规格又增加了直径小一档的钢球，共增加了20种匹配100种型号（例在40·900基础上增加一档30·900，两者除钢球直径不同外，其余参数完全一致），但令人遗憾的是在D0≥1600时，所增加10种匹配共50种规格却背离了合理匹配范围，新增的100种型号无论是匹配趋于合理还是背离合理都没多大使用价值，这是因为每一种规格都只是在原有规格的基础上将钢球减小一档，而外型尺寸等保持不变，除降低动、静能力外，生产成本降低甚少，两者的销售价格相差无几，用户又何苦接受这样的“新生事物”呢？

JB2300-84中D0≤1250的所有规格，D0/d0值都过小，换言之，钢球都太大了，套用轴承的概念，我们可以把它称之谓重型回转支承，而对一般的工程建筑机械是没必要的。

以20t级挖掘机为例，国产大多选用的回转支承为40·1120，钢球直径为40，而进口及国内合（独）资企业生产的20t级挖掘机配套的回转支承钢球直径都在Ф28.575以内，滚道中心直径在1073～1212范围内。

由此而产生的直接后果是钢球直径越大，回转支承轴向载面积越大，自重越重，生产成本越高，用户采购成本也越高，造成大量的资金和原材料浪费。

　　JB2300-99除了两大主参数匹配不合理外，钢球直径系列参数设计也存在不足。

它的滚道中心直径D0是按R20优先数字选取的（公比为1.12的等比数列），但钢球直径系列为：

20、25、30、35、40、45、50、60、75（JB230-84为d0=30、40、45、60、75）一个没有科学性的数列。

数字游戏在此当然没有实际意义，问题是回转支承的额定静容量与D0·d0成正比。

我们暂且抛开D0与d0匹配是否合理不谈，把JB2300-99中所有匹配的D0·d0的值计算后，排列起来，显然是一个杂乱无章的数列，也就是说各种匹配的额定静容量所组成的数列也是杂乱无章的数列，而不是等比数列，这时用户有什么影响呢？

塔吊的吨·米数，汽车吊的起重量，挖掘机的吨级数为什么采用选先数的等比数列呢，有级变速机床转速也是如此，借用机床转速设计时“速度损失”这一概念，额定静容量组成等比数列可使选用回转支承时，“承载能力损失”最小，例30·710的上一档为40·800两者CO相差50%，而40·800与上一档40·900两者CO只相差12.5%，当你初选30·710计算出安全系数尚差5%时，选40·800显然“承载能力损失”45%。

而初选40·800安全系数差5%改选40·900时“承载能力损失”仅为7.5%。

　　JJ36.1标准中，主参数匹配和基本参数设计都比较科学、合理，部分滚道中心直径的重叠设计（例1000·25和1000·32），使“承载能力损失”最小，并各具有单独的基本参数。

因此，我们建议并希望主机厂按JJ36.1-91标准选用单排球式回转支承，这会使采购成本下降10%~30%，综合经济效益和社会效益都十分显著。

我们作为回转支承专业制造厂提出这样的建议，完全是站在尊重科学的立场，因为这除了会使我们的销售收入减少外，而并没有其它任何好处。

合理选用回转支承

《建筑机械》1996年第八期

　　回转支承作为建筑机械的重要基础元件，近十年来，随着主机行业的迅速发展，得到了广泛的应用，除为挖掘机、塔吊、汽车吊及各类起重机配套外，还广泛应用于轻工机械、冶金机械、医疗机械、工业机器人、隧道掘进机、堆取料机、旋转舞台等。

总之，它是一切两部分之间需作相对回转运动，又需同时承受轴向力、径向力、倾覆力矩的机械所必需的重要传力元件。

　　我国回转支承行业从建立至今超过了近20年的历程，它从无到有，从小到大，逐步走向成熟。

目前已具备了满足各类主机需要的回转支承的设计、制造、测试的综合开发能力，为主机行业的发展做出了一定的贡献。

特别是马鞍山回转支承厂，自1984年与建设部北京建筑机械综合研究所合作，成功地开发出具有80年代国际先进水平的单排球式回转支承后，打破了我国回转支承行业以3片式交叉滚柱和双排球式为主的落后局面，大缩小了与发达国家之间的差距，带动了我国回转支承行业的迅速发展。

11年来马鞍山回转支承厂作为回转支承专业厂，共为国内外用户提供四大类回转支承2万余套，产品覆盖全国25个省、市、自治区，为十几个行业的200余种主机配套。

　　随着各主机行业的迅速发展,无论是自行开发，还是引进技术、合资、合作，对回转支承的要求都在日益提高，作为回转支承专业厂，加强新品开发，不断提高产品质量，满足主机发展需要，是我们责无旁贷的责任，也是市场竞争和自我发展的根本要求。

但主机如何正确选择回转支承的结构型式（单排球式、交叉滚柱式、双排球式、三排柱式等）和规格尺寸（滚道中心直径D0，滚动体直径d0），却由于外负荷是个复杂力系以及滚道承载能力的机理未被深刻理解，在选用中存在着一些不合理的状况，影响了主机行业的经济效益，甚至导致重大质量事故，从而引起主机行业和回转支承行业的共同重视。

本文就是以长期的回转支承设计生产和为主机选型服务的经验来探讨合理的选型，以克服使用的盲目性，保证主机使用的可靠性。

　　　▲　结构型式的选择

常用回转支承的结构型式有四种：

单排球式、交叉滚柱式、双排球式、三排柱式。

为使选型科学合理，先进行数据对比。

1.1单排球式和交叉滚柱式额定静容量、额定动容量对比

额定静容量C0和额定动容量Ca的大小决定了回转支承的承载能力和使用寿命，现以外型及安装尺寸完全相同的单排球式Q1600*50和交叉滚柱式J1600*36为例分析对比如下：

　　→　单排球式Q1600*50额定静、动容量（C01，Ca1）

　　　C01=f0·d02·Z·sinα

　　　　=38×502×89×sin50°=6476906（N）

　　　　式中f0——滚道硬度系数，55HRC时为38N/mm2

　　　　Z——滚动体个数

　　　　α——滚道接触角，一般机械取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）

　　　　式中各符号含义及子式从略。

　　→　交叉滚柱式J1600*36的额定静、动容量（C02，Ca2）

　　　C02=f0·d0·L0·（Z/2）·sinα

　　　　=76×36×0.8×36×（122/2）×sin45°

　　　　=3398783（N）

　　　　式中L0—滚动体有效接触长度

　　　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）

　　从上述计算，得到单排球的静载能力较交叉滚柱式高90%，但动载能力小25%，任选二种基本参数相同的单排球式和交叉滚柱式对比计算，其结论是一致的。

　　需要说明的是，交叉滚柱的动、静载能力实际上远达不到理论计算值。

原因有二：

第一，滚道角度误差，90°±3’；第二，轴径向间隙的存在，使内、外套圈在工作时发生相对倾斜，两者叠加，使内、外套圈本应平行的对应滚道面，沿滚动体母线全长，最大可产生0.1mm左右的倾斜，因此，滚柱受载沿长度方向是不均匀的，两端应和差最大，最大应力高出平均应力很多，甚至一倍以上或更多，再加上两端的相对滑动，即使其负载尚未达到其额定载荷时，其最大应力已超出许用应力，而使滚道破坏失效。

尽管腰鼓形滚子的使用使上述情况有所改善，但效果并不明显。

这是因为，滚柱两端的微量修缘，并不能补偿滚道角度误差及内外套圈对应面在工作过程的倾斜；而且，一种修缘尺寸，只适用于一定的D0、d0及轴径向间隙，要想取得较好的效果，除对滚道角度公差有较高要求外，还应将轴、径向间隙控制在0.05mm以内。

显然，目前无论是制造还是使用都难以达到（一般要求与回转支承连接的平台的平面度公差为回转支承轴、径向间隙的1/2）。

即使达到了，交叉滚柱的实际动、静载能力也只是向理论动静载能力靠近了一点，差距的存在是必然的。

1.2单排球式和双排球式对比

　　有一种错觉，认为双排球较单排球多一排球，因此承载能力较同一滚道中心直径的单排球式高。

我们一起来做一个改型设计，看看理论计算结果：

以JB2300—84中双排球021*30*1120为对象，先计算其额定静容量C03。

　　　C03=f0·d02·Z·sin90°

　　　　=38×302×103×1=3522600（N）

　　若保持其滚道中心直径、安装孔组节圆直径和孔径不变，将它改型设计为单排球，可安排d0=50~60的钢球。

若取d0=50，则单排球Q1120*50的额定静容量为：

　　　C04=f0·d02·Z·sin50°

　　　　=38×502×62·sin50°=4512002（N）

很明显C04>C03，大28%。

　　同理，其它规格的改型设计得到的结论与此是类似的。

不但如此，因双排球为三片式、双滚道，材料费用，加工制造，运输费用都较单排球高，一般同一D0的差价达60~100%，而且，滚道的形状精度和表面粗糙度因不易磨削而很差。

因此，是否可以说双排球式是一种质次、价高的落后结构呢？

1.3三排柱式是重载的首选型式

　　三排柱式较其它三种型式有着承载能力大的明显优点，但其造价也是最高的（同一D0）。

为什么它能成为重载机械的首选型式呢？

我们不妨在引进单位成本额定静容量r这一判断选用回转支承型式的经济技术指数后，来分析四种型式随着D0的变化与r值变化的规律，需说明的是，r值越大，单位成本的额定静容量越大。

　　笔者对JJ36-91和JB2300-84标准中所有型式各种规格的r值都进行了详细计算，并以D0为横坐标，r值为纵坐标，绘制了D0—r曲线图，从图中可明显看出：

①随着D0的增加，四种型式的r值都在增加；②在D0≤1800时，单排球式的r线最高。

当D0>1800时，三排柱式的r线最高。

也就是说在D0≤1800范围内承受同样的载荷，用单排球式造价最低；D0>1800时，承受同样的载荷，用三排柱式造价最低。

如果同意以上的分析和计算,那么结论是明显的:

中小规格的回转支承应以单排球式为首选型式,大规格是三排柱式。

近几年来，有些主机厂由于型式选择失当，已为此付出了沉重的代价，历史的经验值得注意。

　　　▲　规格尺寸的选择

　　回转支承的滚道中心直径（滚动体组节圆直径）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，当型式选定后，如何正确选择D0—d0呢？

　　可以将外负载折算成当量静容量，再乘以合理的安全系数后与回转支承的额定静容量对比来选择D0—d0，但我国回转支承待业既有现行的两个标准规定的数百个规格，又有自行设计或引进技术和进口主机所带来的规格，特别是单排球式规格相近的甚多，如何才能科学、合理地选择D0—d0呢？

　　笔者对四种结构型式近千个品种的额定动、静容量用计算机进行了详细计算，并结合主机待业对寿命试验的有关规定，得出如下结论：

任一型式的回转支承其D0/d0的比都有一个合理取值范围，该值的大小是根据额定动、静载能力匹配的条件计算得到的。

计算结果是：

单排球式D0/d0=30～35，交叉滚柱式D0/d0=50～60，双排球式D0/d0=35～40，三排柱式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。

例如将单排球式1400*32（D0/d0=43.75）用于25t汽车吊，虽然其额定静容量满足使用工况计算，使用寿命仅为4500次循环。

国内去年就有过这种例子，虽然超载25%，静容量试验没有问题，但当进行到5000余次循环时，滚道产生了剥落，后改用1400*40（D0/d0=35）通过考核。

我们对JB2300—84的性能曲线图中动、静载曲线进行了分析比较，也能得出类似的结论。

　　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。

例如挖掘机，回转支承负载最大的工况是挖掘过程中，而回转过程中回转支承的负载较挖掘过程中要小得多。

因此，只要根据静容量确定D0—d0就行了。

　　以上观点，供主机选择回转支承时参考。

影响回转支承承载能力的四个参数

《建筑机械》2002年第一期

1.结构型式的选择

       常用回转支承的结构型式有四种：

单排球式、交叉滚柱式、双排球式、三排柱式。

       根据我们的经验和计算,有以下结论：

　•    相同外形尺寸的回转支承,单排球式的承载能力高于交叉滚柱式和双排球式。

　•   在倾覆力矩160吨米载荷以下，选用单排球式回转支承其性价比高于三排柱式回转支承，为首选形式。

当倾覆力矩高于160吨米时应该优先考虑选用三排柱式回转支承。

2. 单排球式回转支承系列的选择

     在国内，目前单排球式回转支承有3个系列的尺寸规格：

HS系列，Q系列和01系列。

对于新用户一般不知如何选择那个系列，我们认为每种系列各有优点，分析如下：

3个系列的参数比较（以滚道中心直径1250外齿式为例）

公司主要回转支承产品的类型和规格

 回转支承类型

滚道中心最大直径 

滚动体量大直径 

齿轮最大模 

 单排球式

3550mm 

60mm

24mm

 单排交叉滚柱式

1700mm

45mm

16mm

 双排球式

2800mm 

50mm

24mm

 双列球式

3550mm

50mm

 24mm

 三排柱式

3550mm

50mm

 24mm

系列

重量

Kg

钢球直径mm

滚道中心直径mm

滚道静容量

N

安装螺栓孔

QW1250*40

388

40

1250

3696800

32-ø26

011*35*1250

420

35

1250

3291100

40-ø26

HSW1250*40

490

40

1250

3696800

36-ø22

a.HS系列单排球式回转支承是历史的延续。

在1984年以前，国内生产的回转支承的主要型式是交叉滚柱式，在1984年马鞍山回转支承厂开始生产单排球式回转支承以后，交叉滚柱式回转支承被取代，为了保持主机的安装尺寸不受影响，设计了外形及安装尺寸与原来交叉滚柱式回转支承完全相同但内部结构改为单排球式的HS系列单排球式回转支承。

其特点是外形尺寸大，例如：

HSN1250.40的重量是470Kg,而相同承载能力的QNA1250.40的重量是388Kg,所以HS系列回转支承占用较多的资源，制造成本比相同的承载能力的Q系列和01系列回转支承高10％以上，同国外相同承载能力的回转支承相比差得更远。

     因此，从节约成本和资源出发，HS系列应该尽可能不用。

考虑到改变回转支承后会改变主机的相关尺寸，因此这个过程会比较痛苦，但是新的设计不应该再选用HS系列。

b.01系列单排球式回转支承是1984年原机械部推出的以轴承编号为基准的回转支承系列。

其安装螺栓孔数量多，比较合理，但是滚道参数存在不合理匹配，例如011.45.1400与011.35.1400回转支承，其外形尺寸和安装尺寸完全相同，其制造成本基本相同，但是011.45.1400使用的是直径45mm钢球，而011.35.1400使用的是直径35mm钢球，后者的承载能力降低了22％。

所以在选用01系列单排球式回转支承应注意选择较大钢球的规格。

   c. Q系列单排球式回转支承是1986年建设部在参考了01系列回转支承的参数后，经过优化后设计的单排球式回转支承系列，相同承载能力的回转支承的截面尺寸更紧凑，重量更轻，具有更好的性价比。

《JG/T66-1999》标准回转支承编号方法

1.      无齿式单排式回转支承由相同滚道中心直径的外齿式内圈和内齿式外圈组成，其堵塞与油孔布置在外圈上。

2. 交叉滚柱式回转支承其滚道中心直径系列与单排球式回转支承滚道中心直径系列完全一致，但同一滚道中心直径的交叉滚柱回转支承和单排球式回转支承的滚动体直径不同，对应如下：

Q系列钢球直径

20

25

32

40

50

60

J系列圆柱滚子直径

14

18

22

28

36

45

《JB/T2300》标准回转支承编号方法

回转支承选型计算

单排球式回转支承

1、计算额定静容量

Co=f·D·d

 式中：

Co——额定静容量，N

      f——静容量系数，110N/mm2

      D——滚道中心直径，mm 

      d——钢球公称直径，mm

2、根据组合后的外载荷，计算当量轴向载荷     

Cp=P+4370M／D+3.44Fr

 式中：

Cp——当量轴向载荷，N

      M——总倾覆力矩，N·m

      P ——总轴向力，N

      Fr——总径向力，N 

3、计算安全系数

fs=Co/Cp

 式中：

fs值可按表1所示选取。

三排柱式回转支承

1、计算额定静容量

Co=f·D·d

 式中：

Co——额定静容量，N 

      f——静容量系数，147N/mm2

      D——滚道中心直径，mm 

       d——上排滚柱直径，mm

2、根据组合后的外载荷，计算当量轴向载荷     

Cp=P+4500M／D

 式中：

Cp——当量轴向载荷，N  

      M——总倾覆力矩，N·m

      P——总轴向力，N

3、计算安全系数

fs=Co/Cp

 式中：

fs值可按表1所示选取。

表1回转支承安全系数（fs）

工作类型

工 作 特 性

机    械     举   例

fs

轻 型

不经常满负荷，回转平稳冲击小

汽车起重机，堆取料机，非港口用轮式起重机

1.00~1.25

中 型

不经常满负荷，回转较快有冲击

塔式起重机，船用起重机，履带起重机 

1.20~1.35

重 型

经常满负荷，回转快冲击大

单斗挖掘机，抓斗起重机，港口起重机，集装箱起重机 

1.30~1.60

特重型

满负荷，冲击大或工作场所条件恶劣

斗轮式挖掘机，隧道掘进机，冶金起重机，海上作业平台起重机 

1.60~2.00

单排球式回转支承

    单排球式回转支承，采用国际先进的四点接触球式结构，为各