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塔式起重机用转盘轴承采用单排四点接触球转盘轴承,用来连接塔身和回转机构,其性能直接影响到整个塔式起重机系统的工作性能和安全性。本文就转盘轴承的承载能力进行分析,对影响其承载能力的结构参数、螺栓、硬化层进行分析,并结合摩擦力矩的要求进行设计参数优化。 首先,就转盘轴承的静承载能力进行分析,以赫兹接触理论为基础,采用几何法研究了塔式起重机用单排四点接触球轴承滚道的接触,详细推导了计算步骤,并建立轴承在外载荷轴向力、径向力和倾覆力矩作用下的非线性方程组。准确地计算轴承所承受的接触负荷及接触应力值,计算转盘轴承的承载能力。 分析游隙、接触角、沟曲率系数对滚动体静承载能力的影响,为参数优化设计及有限元分析提供理论依据。分析结果:随着游隙减小,参与接触的滚动体数目增加,轴承承载能力增强;随着轴承接触角的增大,钢球载荷逐渐减小,轴向承载能力增强;沟曲率系数在大于0.5范围内,系数越小对承载能力越有利。 其次,建立转盘轴承的有限元模型,模拟实际工况下的受力,假设转盘轴承的支撑结构是刚性,而且整个端面支撑,与理论计算的边界条件一致,钢球和滚道的接触采用弹簧模拟,采用理论计算结果验证有限元模型的合理性。在以上经过验证的有限元模型基础上,通过改变支撑面情况模拟实际工况的四点局部支撑,分析应力变化。结果表明,在外部载荷及轴承参数完全相同的情形下,局部支撑所产生的最大接触负荷要明显大于完全支撑工况,在支撑位置处的接触负荷明显高于其周围。 采用局部模型细化网格,得出更精确的计算结果。采用分层的方法模拟淬硬层,分析对承载能力的影响。结果表明,滚道淬火后,滚道的接触应力有所增加,是由于材料硬度的增加使接触区域的刚度变大,变形量减小。 再次,根据于转盘轴承的外部载荷计算最大受载螺栓所受的轴向力,结合VDI2230对转盘轴承用螺栓进行屈服强度校核和疲劳强度校核,并通过有限元方法分析螺栓预紧力对轴承内部载荷分布的影响。结果表明,随着预紧力的增大,滚道最大接触负荷在下降,转盘轴承的承载能力增加。 最后,就影响承载能力的各参数进行优化设计,在考虑摩擦力矩对参数的约束下,最终得出优化后的参数,并通过试验验证。