回转支承轴承滚道硬化层深度分析计算

张丽娜

（瓦房店轴承集团有限责任公司 工程中心, 辽宁 瓦房店116300）

回转支承轴承滚道硬化层深度分析计算

张丽娜

（瓦房店轴承集团有限责任公司 工程中心, 辽宁 瓦房店116300）

为了提高回转支承轴承的质量，保证轴承在一定载荷下不会出现心部破坏，延长轴承的使用寿命，轴承滚道表面必须进行硬化处理并确定一定的硬化层深度值。基于上述要求，建立了回转支承轴承滚道硬化层深度计算方法，为确保回转支承轴承的使用寿命提供了一定的参考。

回转支承轴承；滚道硬化层深度；心部破坏；使用寿命

1 前言

回转支承轴承是一种能够承受综合载荷的大型轴承。随着机械行业的迅速发展，回转支承轴承在风力发电、船舶设备、工程机械、医疗机械等行业得到了广泛的应用。回转支承轴承套圈一般采用整体调质处理，调质处理后套圈心部（一般以套圈有效截面的中心点为基准点，面积小于套圈有效截面面积1/9的区域）硬度值并不高，一般在250HB（25HRC）左右。由于回转支承轴承可以同时承受较大的轴向、径向负荷和倾覆力矩，轴承的滚动体与滚道表面之间会产生很高的接触应力，承受应力的有效区域会随着滚动表面下的深度而迅速增加，如滚道表面不进行处理，轴承套圈很容易产生心部破坏，因此，为了提高轴承的质量，延长轴承的使用寿命，轴承的滚道表面一般都进行硬化处理，从而提高滚道表面硬度（一般不低于55HRC），同时根据轴承具体的载荷数据，通过计算对滚道表面的硬化层深度值进行规定。

本方法首先根据轴承载荷数据确定轴承的当量载荷，其次计算出轴承滚动体与滚道之间的最大接触载荷，再次计算出轴承滚动体与滚道之间的最大接触应力及应力椭圆，最后得出轴承滚道硬化层深度的最小值。

2 轴承当量载荷的计算

回转支承轴承通常在变载或变速载荷谱条件下工作，载荷谱数据多而复杂，为了简化计算，首先需要对载荷进行当量处理。根据轴承当量载荷计算公式[1]分别计算出轴承的当量轴向力、当量径向力以及当量倾覆力矩。计算公式如下：

式中：

P——当量载荷；

Pi——第i种工况的载荷；

ε——常数，滚子轴承ε=10/3，球轴承ε=3；

ni——Pi对应的循环次数；

N——循环次数求和。

3 滚动体与滚道最大接触载荷的计算

滚动体受力计算是进行回转支承轴承滚道硬化层深度计算的基础，根据力学模型，计算出轴承滚动体与滚道最大接触载荷。由于回转支承轴承的类型不同，力学模型略有不同，以双列四点接触球式回转支承轴承为例，坐标系（图1）与计算公式如下。

图1 力学模型坐标系

式中:

ƒ1、ƒ2、ƒ3、ƒ4、ƒ5——5个平衡方程；

Fx、Fy、Fz—— x轴、y轴、z轴方向轴承承受的当量载荷；

如果反射光线OB与x轴的正半轴所成的角为β(0°≤β<360°),如何确定镜面与水平面所成的角呢?(图4)

Mx、My—— x轴、y轴方向轴承承受的当量倾覆力矩（当量载荷计算参照公式（1））；

φi——第i个滚动体的位置角；

αi——轴承实际接触角；

Q1i、Q2i——第一排滚动体在位置角φi处两个接触面法线方向的接触载荷；

Q3i、Q4i——第二排滚动体在位置角φi处两个接触面法线方向的接触载荷。

经过上述计算，可以得出滚动体与滚道接触载荷Q1i、Q2i、Q3i、Q4i，从中挑选出接触载荷的最大值Q进行滚动体与滚道最大接触应力及应力椭圆的计算。

4 滚动体与滚道最大接触应力及应力椭圆的计算

当两个曲面物体在载荷作用下互相压紧时，在接触处产生一定的接触面积，接触面的形状与接触处两物体的曲率有关，接触面的大小与载荷有关，轴承滚道与滚动体之间是曲面体接触，因此赫兹弹性接触理论可以被用来计算接触应力。

式中:

σmax——滚动体与滚道最大接触应力；

Q——滚动体与滚道的最大接触载荷；

a——滚动体与滚道接触应力椭圆长半轴；

b——滚动体与滚道接触应力椭圆短半轴；

Cσ——最大接触应力系数；

Ca——接触椭圆长半轴系数；

Cb——接触椭圆短半轴系数；

∑ρ ——接触点处两接触体的曲率总和。

5 轴承滚道硬化层深度最小值的确定

回转支承轴承根据材料及滚动体形式的不同，心部许用当量应力值σvperm也不同，轴承材料一般选择的是42CrMo,该材料的屈服强度为σ0.2=635MPa，心部许用当量应力与材料屈服强度存在以下关系：

式中:

k——常数，滚子轴承k=0.6，球轴承k=0.75。

根据图2、图3关系图[3]以及按照前面方法计算出的σmax、a或b，可以得出轴承的当量应力σv与滚道硬化层深度z的对应关系。以42CrMo材料为例，通常定义的硬化层为滚道表面开始到硬度大于52.5HRC区域， 52.5HRC硬度区域到心部硬度区域的过渡长度一般为硬化层深度的0.1倍，所以当σv的值与σvperm相等时所对应的深度值就是轴承滚道硬化层深度最小值的110%。

图2 线接触下的σv与z的关系图

图3 点接触下的σv与z的关系图

考虑到硬化层深度计算的普遍性，为节省计算时间，根据上述计算方法编写程序，对于不同类型的轴承，输入σvperm、σmax及a或b便可绘制出σv、σvperm、z的关系曲线，从而确定轴承滚道硬化层深度最小值zmin。

以某风电变桨轴承为例，该轴承结构为双列四点接触球式回转支承，套圈材料为42CrMo，套圈整体调质处理，心部最小硬度250HB，滚道表面硬化处理，硬度最小55HRC,根据客户提供的载荷计算出σvperm=476.25MPa,σmax=2 960MPa, a=11mm, 绘制关系曲线如图4所示。从图4中可以看出，心部许用当量应力线与当量应力线的交点P0的深度值zP=7.15mm ,所以滚道硬化层深度最小值zmin= zP/1.1=6.5mm。

图4 风电变桨轴承滚道硬化层深度确定曲线

6 结束语

针对回转支承轴承的受力特点，通过理论分析，确定了回转支承轴承滚道最小硬化层深度的计算方法，为回转支承轴承的设计提供了理论基础，并在生产中得到有效的应用。

[1] Germanischer Lloyd Industrial Services Gmbh, Guideline for the Certification of Wind Turbines, Edition 2010, Germany 2010[S].

[2] 刘泽九.滚动轴承应用手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] T.A.Harris,M.N.Kotzalas.滚动轴承分析[M].北京：机械工业出版社，2009.

（编辑：林小江）

Analysis and calculation of slewing bearing raceway hardened case depth

Zhang Lina
(Engineering Centre,Wafangdian Bearing Group Company Limited，Wafangdian 116300，China)

In order to improve the quality and prolong the service life of slewing bearing and avoid the bearing core crush under a certain load, the raceway surface must be hardened and a certain value of hardened case depth must be determined . Base on the above requirement, this paper found the calculation method of raceway hardened case depth of slewing bearing , which provide a certain reference for guaranteeing service life of the slewing bearing .

slewing bearing, raceway hardened case depth; core crush; service life

TH 133.33+1

A

1672-4852（2015）02-0007-03

2015-04-10.

张丽娜（1981-），女， 工程师.