滚动轴承式回转支承装置摩擦阻力矩计算的探讨

2013-11-18任宇刚

中国重型装备 2013年2期

任宇刚

(中船第九设计院工程有限公司设备所，上海 200063)

近年来，滚动轴承式回转支承由于其安装方便，使用维护简单，在小型安装用门座式起重机上应用较多。本文依据《起重机设计手册》给出的计算公式，就滚动轴承式回转支承装置摩擦阻力矩的计算进行简单分析，并提出了《起重机设计手册》所给出的摩擦阻力矩计算公式在三排滚柱式回转支承上的应用方法。

1 滚动轴承式回转支承分类

目前，常用的滚动轴承式回转支承按其结构主要分为单排四点接触球式、单排交叉滚柱式、双排异径球式和三排滚柱式，其结构形式如图1 所示。

其中，单排四点接触球式、单排交叉滚柱式和双排异径球式回转支承的单个滚子可以同时承受垂直力和水平力，而三排滚柱式回转支承则由其中两排水平排列的滚柱承受垂直力，一排垂直排列的滚柱承受水平力。

2 摩擦阻力矩分析及计算

2.1 摩擦阻力矩与载荷的关系

根据力学公式，回转支承摩擦阻力矩Tm=式中，ω 为回转阻力系数，由回转支承滚子形式确定;D 为回转支承的滚道平均直径，由回转支承外形尺寸确定;∑N 为回转支承全部滚子承受的总压力。因此只要计算出全部滚子承受的总压力∑N 即可得出该回转支承的摩擦阻力矩。

由于回转支承同时承受垂直力Fa、倾覆力矩T 以及水平力Fr。因此单个滚子承受的载荷也相应分为垂直力Fa造成的载荷Pa;倾覆力矩T 造成的载荷Pm以及水平力Fr造成的载荷Pr。载荷Pa、Pm、Pr的分布如图2 所示。

图1 滚动轴承式回转支承结构形式Figure 1 Structural forms of rolling bearing type slewing bearings

图2 滚子载荷分布示意图Figure 2 Profile of roller loading

其中，回转支承承受的垂直力Fa对滚子造成的垂直载荷Pa总是沿一个方向平均分布;而回转支承承受的倾覆力矩T 对滚子造成的垂直载荷Pm前后对称，即大小相等，方向相反;回转支承承受的水平力Fr对滚子造成的水平载荷Pr则仅分布在回转支承的一侧。每列滚子同时受到Pa、Pm和Pr的作用，分别产生滚子与滚道间与之相对应的压力Na、Nm和Nr，所以压力Na、Nm和Nr分别是载荷Pa、Pm和Pr的函数，即Na=f(Pa)，Nm=f(Pm)，Nr=f(Pr)。又由于Pr的实际作用方向是随着吊重的摆动以及风向的变化而变化，且只由一侧的滚子承受其造成的载荷，所以应单独计算。因此，回转支承全部滚子承受的总摩擦阻力为:

2.2 存在接触角的回转支承摩擦阻力矩计算

由于回转支承的结构不同，其滚子承受的力也不同。其中单排四点接触球式、单排交叉滚柱式和双排异径球式回转支承每列上的单个滚子同时承受垂直力和水平力，即同时承受垂直力Fa，倾覆力矩T 和水平力Fr造成的压力Na、Nm和Nr。以单排四点接触球式回转支承为例，由不同载荷造成的滚子受力如图3 所示。

此时，由于滚子与滚道的实际接触点法线与水平线间存在一个接触角γ，回转支承每个滚子承受的压力

图3 单排四点接触球式回转支承滚子受力示意图Figure 3 Stress diagram of slewing bearing roller of single row four point contact ball

因此，根据《起重机设计手册》，当整个回转支承中所有滚子承压方向一致时，

当整个回转支承中所有滚子承压方向不一致时

2.3 三排滚柱式回转支承摩擦阻力矩计算

对于三排滚柱式回转支承，忽略水平滚子沿半径方向的摩擦力，垂直滚子沿垂直方向的摩擦力，则其垂直力由水平滚子承受，水平力由垂直滚子承受。即水平滚子同时承受垂直力Fa，倾覆力矩T 造成的压力Na、Nm，垂直滚子单独承受Fr造成的压力Nr。因此，由不同载荷造成的滚子受力见图4。

图4 三排滚柱式回转支承滚子受力示意图Figure 4 Stress diagram of slewing bearing roller of three-row cylindrical roller

此时，对于垂直力，压力角γ=90°;对于水平力，压力角γ=0°。不同的力所对应压力角值不同，不能以一个压力角值简单代入公式进行计算。因此，且水平滚子与垂直滚子的摩擦面直径不同。因此，笔者认为对于三排滚柱式回转支承，应将垂直力和水平力造成的摩擦阻力矩分项计算。即当整个回转支承中所有水平滚子承压方向一致时:

垂直力总压力∑N1=Fa，水平力总压力∑N2