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影响回转支承承载能力的四个参数

发布时间:2014-8-14 8:43:44                  点击次数:2154 次

影响回转支承承载能力的四个参数
《建筑机械》2002年第一期

   回转支承的失效形式有两种,一是滚道损坏,二是断齿,而滚道损坏占的比例达98%以上,因此我们说,滚道质量是回转支承质量的核心问题,影响回转支承滚道质量的因素较多,其中滚道淬火硬度、淬硬层深度、滚道曲率半径和接触角无疑是最重要的四个影响因素,它们以不同的方式影响着滚道质量,并决定了回转支承的承载能力和使用寿命。

  • 滚道硬度

回转支承滚道淬火硬度对其额定静容量影响较大,如以HRC55时额定静容量为标准1,则滚道硬度与额定静容量有下列对应关系:

滚道硬度HRC

60

59

58

57

56

55

53

50

静容量对比系数

1.53

1.39

1.29

1.16

1.05

1

0.82

0.58

标准规定的最低硬度为HRC55,通常实际平均淬火硬度在HRC57左右,因此绝大多数回转支承实际承载能力均高于按HRC55计算的理论值。从上表也可看出当硬度低于HRC53时,即使留有1.2的安全系数,使用也不安全了,特别当硬度只有HRC50时,1.7倍的安全系数也形同虚设,非常危险。硬度不够极易造成回转支承失效,从滚道表面点蚀开始到坍塌结束。

  • 滚道淬硬层深度

滚道淬硬层深度目前尚无无损检测的方法,主要靠工艺和装备来保证,必要的淬硬层深度是回转支承滚道不产生剥落的保证。当回转支承受外负荷作用时,钢球与滚道的点接触就变成了面接触,是一个长半轴为a,短半轴为b的椭圆面,滚道除受压应力外,还受到剪切应力作用,最大剪切应力发生在表面下0.47a深处,因此滚道淬硬层深度须大于0.47a(一般取0.6a),这也是标准中根据钢球直径大小,而不是根据回转支承直径大小来规定淬硬层深度的原因,同时给出了具体最小保证值。深度不够又会对回转支承的承载能力产生什么样的影响呢?它定量化的描述是:额定静容量CO与淬硬层深度H0.908成正比,由此可计算出,将要求为4mm的淬硬层深度只淬到2.5mm,那么CO将由1降至0.65,由此而产生的回转支承失效形式为滚道剥落,即使采取焊补措施也无济于事。

  • 滚道曲率半径

这里的滚道曲率半径是指滚道在垂直剖面内的曲率半径,它与钢球半径的比值t(一般为1.04~1.08)的大小也显著影响着回转支承的额定静容量和动容量(寿命Lh),设t=1.04时为额定静容量和寿命均为1,则有下列对比关系:

曲率比t

1.04

1.06

1.08

1.10

CO

1

0.82

0.72

0.65

Lh

1

0.59

0.43

0.33

从表中可看出半径比越大额定静容量越低,使用寿命越短,即使滚道热处理硬度和淬硬层深度都符合标准要求,而不能有效控制该半径比,回转支承的承载能力和使用寿命仍达不到标准值,而这一点往往被忽视,但它却是影响回转支承性能的重要参数。

滚道曲面是通过成型砂轮磨削得到的,砂轮的修整精度直接复印到滚道上,砂轮修正时主要有三个误差源:半径对刀误差,上、下圆弧偏心距误差和修正笔回转误差,其中前二个误差的大小除与装备水平有关外,很大程度上取决于操作工的责任心和操作水平,因此有很大的不确定性,对刀误差影响着滚道半径,且它和偏心距误差共同影响着滚道接触角。

  • 滚道接触角α

  该接触角是指钢球在滚道上的接触点和钢球球心连线与回转支承径向剖面(水平面)之间的夹角。回转支承的额定静容量CO与sinα成线性正比,一般原始接触角α取45o,之所以称之谓原始接触角,是因它是滚道设计计算和测量的角度,在回转支承轴、径向间隙为0时,原始接触角和装配后的实际接触角一致,当回转支承有间隙时,实际接触角大于原始接触角,间隙越大,实际接触角越大,在标准规定的间隙范围内一般将增加2o~10o,即实际接触角将达到47o~55o,这是一个对承载能力有利的变化,如果原始接触角和间隙都较大,实际接触角超过60o,随着滚道的磨损间隙将进一步加大,实际接触角也将增大,也就是钢球的落点向滚道边缘靠近,这时将出现接触椭圆面超出滚道边缘,滚道实际受力将高于理论计算应力,而造成滚道边缘压溃,回转支承失效。因此控制好原始接触角和装配间隙已不是一个简单的精度问题,而是保证承载能力和使用寿命的大事。
   影响原始接触角的因素是滚道半径误差和上、下半弧偏心距的误差,而实际接触角以原始接触角为最小值,随着间隙的加大而加大,当钢球与滚道的曲率比不同时,同样的滚道半径和上、下弧偏心距误差对原始接触角误差大小的影响程度不同,见下表(一)、(二)。

表(一)

t=1.08

t=1.06

t=1.04

ΔE/d0 =+0.5‰

+1.02°

+1.37°

+2.06°

ΔE/d0 =-0.5‰

-1.01°

-1.34°

-1.99°

ΔE/d0 =+1‰

+2.06°

+2.77°

+4.21°

ΔE/d0 =-1‰

-2.00°

-2.64°

-3.92°

ΔE/d0 =+2‰

+4.21°

+5.69°

+8.81°

ΔE/d0 =-2‰

-3.92°

-5.17°

-7.62°

  注:ΔE/d0为偏心量误差与钢球直径比。

表(二)

t=1.08

t=1.06

t=1.04

ΔR/d0=+1‰

-1.38°

-1.82°

-2.67°

ΔR/d0=-1‰

+1.49°

+2.01

+3.1°

ΔR/d0=+2‰

-2.67°

-3.48°

-5°

ΔR/d0=-2‰

+3.1°

+4.25°

+6.78°

ΔR/d0=+3‰

-3.88°

-5.00°

-7.06°

ΔR/d0=-3‰

+4.86°

+6.78°

+11.29°

  注:ΔR/d0为滚道半径误差与钢球直径比。


   同样,装配间隙对实际接触角的影响也与曲率比有关,曲率比越小,实际接触角越大,换言之曲率比越小,原始接触角越难控制,间隙对实际接触角影响越大。轴向间隙对接触角的见表(三):
表(三)

A/d0

2‰

4‰

8‰

10‰

12‰

t=1.04

+2.06°

+4.21°

+8.81°

+11.316°

+13.99°

t=1.08

+1.02°

+2.06°

+4.21°

+5.32°

+6.45°

  注:A/d0 为轴向间隙与钢球直径比。

   从提高滚道的承载能力角度考虑,我们希望滚道与钢球的半径比越小越好,然从控制接触角角度考虑,又不希望太小。目前国内大多数回转支承厂普遍使用的砂轮修整方式都很难兼顾两者。顾此失彼,而这往往被一些制造厂有意无意地忽视了。不是接触角失控就是采用增大滚道半径牺牲滚道承载能力来控制接触角,不管哪种情况出现都是用户所不愿接受的。
   解决这一矛盾的有效办法是采用数控装置修整砂轮。数控三坐标联动自动修整,从原理上避免了半径对刀和偏心距调整而产生的误差,滚道半径和原始接触角得到有效保证。如果我们把滚道的淬火硬度和淬硬层深度称之谓滚道的“硬件”,那么滚道的半径和接触角就是滚道的“软件”,只“硬”不“软”事倍功半,只有“软、硬”兼备的滚道才是回转支承品质的保证。数控三坐标联动修整砂轮,有效地保证了滚道的“软件”水平,而滚道在热处理之前的数控车削,则为“硬件”提供了重要保证,这种保证体现在两个方面,其一:数控车削的滚道曲面、形状规则、表面粗糙度低、滚道边口圆弧倒角半径一致,且与滚道面平滑连接。规则的滚道曲面,使淬硬层深度均匀成为可能,平滑连接的倒角避免了淬火时的“尖角效应”,根除了滚道边口易淬裂的缺陷。一致的倒角半径解决了过大的倒角造成的滚道有效承载区域的缩小,使钢球在滚道上的接触面过早地到达边口,而影响使用寿命。其二:数控车削的滚道曲面,除表面粗糙度外,其余尺寸与磨削后的滚道曲面完全一致,因此滚道的磨削量很小(为普通方法加工的1/2~1/3),最大限度地保留了淬硬层深度和表面硬度,同时数控车削滚道使内、外圈的滚道中心直径的一致性得到了很好的保证,避免了因配磨而损失的淬硬层深度和表面硬度,进一步提高了回转支承的承载能力和使用寿命。
   综上所述,只有“软、硬”兼备的滚道,才是回转支承承载能力的有效保证,而数控化加工是目前最有效和最可靠的手段。
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