專業論文
影響回轉支承承載能力的四個參數——《建筑機械》2002年第一期
影響回轉支承承載能力的四個參數《建筑機械》2002年第一期
回轉支承的失效形式有兩種，一是滾道損壞，二是斷齒，而滾道損壞占的比例達98%以上，因此我們說，滾道質量是回轉支承質量的核心問題，影響回轉支承滾道質量的因素較多，其中滾道淬火硬度、淬硬層深度、滾道曲率半徑和接觸角無疑是最重要的四個影響因素，它們以不同的方式影響著滾道質量，并決定了回轉支承的承載能力和使用壽命。
• 滾道硬度
回轉支承滾道淬火硬度對其額定靜容量影響較大，如以HRC55時額定靜容量為標準1，則滾道硬度與額定靜容量有下列對應關系：
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滾道硬度HRC |
60 |
59 |
58 |
57 |
56 |
55 |
53 |
50 |
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靜容量對比系數 |
1.53 |
1.39 |
1.29 |
1.16 |
1.05 |
1 |
0.82 |
0.58 |
標準規定的最低硬度為HRC55，通常實際平均淬火硬度在HRC57左右，因此絕大多數回轉支承實際承載能力均高于按HRC55計算的理論值。從上表也可看出當硬度低于HRC53時，即使留有1.2的安全系數，使用也不安全了，特別當硬度只有HRC50時，1.7倍的安全系數也形同虛設，非常危險。硬度不夠極易造成回轉支承失效，從滾道表面點蝕開始到坍塌結束。
• 滾道淬硬層深度
滾道淬硬層深度目前尚無無損檢測的方法，主要靠工藝和裝備來保證，必要的淬硬層深度是回轉支承滾道不產生剝落的保證。當回轉支承受外負荷作用時，鋼球與滾道的點接觸就變成了面接觸，是一個長半軸為a，短半軸為b的橢圓面，滾道除受壓應力外，還受到剪切應力作用，最大剪切應力發生在表面下0.47a深處，因此滾道淬硬層深度須大于0.47a（一般取0.6a），這也是標準中根據鋼球直徑大小，而不是根據回轉支承直徑大小來規定淬硬層深度的原因，同時給出了具體最小保證值。深度不夠又會對回轉支承的承載能力產生什么樣的影響呢？它定量化的描述是：額定靜容量CO與淬硬層深度H0.908成正比，由此可計算出，將要求為4mm的淬硬層深度只淬到2.5mm，那么CO將由1降至0.65，由此而產生的回轉支承失效形式為滾道剝落，即使采取焊補措施也無濟于事。
• 滾道曲率半徑
這里的滾道曲率半徑是指滾道在垂直剖面內的曲率半徑，它與鋼球半徑的比值t（一般為1.04~1.08）的大小也顯著影響著回轉支承的額定靜容量和動容量（壽命Lh），設t=1.04時為額定靜容量和壽命均為1，則有下列對比關系：
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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 |
從表中可看出半徑比越大額定靜容量越低，使用壽命越短，即使滾道熱處理硬度和淬硬層深度都符合標準要求，而不能有效控制該半徑比，回轉支承的承載能力和使用壽命仍達不到標準值，而這一點往往被忽視，但它卻是影響回轉支承性能的重要參數。
滾道曲面是通過成型砂輪磨削得到的，砂輪的修整精度直接復印到滾道上，砂輪修正時主要有三個誤差源：半徑對刀誤差，上、下圓弧偏心距誤差和修正筆回轉誤差，其中前二個誤差的大小除與裝備水平有關外，很大程度上取決于操作工的責任心和操作水平，因此有很大的不確定性，對刀誤差影響著滾道半徑，且它和偏心距誤差共同影響著滾道接觸角。
• 滾道接觸角α
該接觸角是指鋼球在滾道上的接觸點和鋼球球心連線與回轉支承徑向剖面（水平面）之間的夾角?；剞D支承的額定靜容量CO與sinα成線性正比，一般原始接觸角α取45o，之所以稱之謂原始接觸角，是因它是滾道設計計算和測量的角度，在回轉支承軸、徑向間隙為0時，原始接觸角和裝配后的實際接觸角一致，當回轉支承有間隙時，實際接觸角大于原始接觸角，間隙越大，實際接觸角越大，在標準規定的間隙范圍內一般將增加2o~10o,即實際接觸角將達到47o~55o,這是一個對承載能力有利的變化，如果原始接觸角和間隙都較大，實際接觸角超過60o,隨著滾道的磨損間隙將進一步加大，實際接觸角也將增大，也就是鋼球的落點向滾道邊緣靠近，這時將出現接觸橢圓面超出滾道邊緣，滾道實際受力將高于理論計算應力，而造成滾道邊緣壓潰，回轉支承失效。因此控制好原始接觸角和裝配間隙已不是一個簡單的精度問題，而是保證承載能力和使用壽命的大事。
影響原始接觸角的因素是滾道半徑誤差和上、下半弧偏心距的誤差，而實際接觸角以原始接觸角為最小值，隨著間隙的加大而加大，當鋼球與滾道的曲率比不同時，同樣的滾道半徑和上、下弧偏心距誤差對原始接觸角誤差大小的影響程度不同，見下表（一）、（二）。
表（一）
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t=1.08 |
t=1.06 |
t=1.04 |
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ΔE/d0 =+0.5‰ |
+1.02° |
+1.37° |
+2.06° |
|
ΔE/d0 =-0.5‰ |
-1.01° |
-1.34° |
-1.99° |
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ΔE/d0 =+1‰ |
+2.06° |
+2.77° |
+4.21° |
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ΔE/d0 =-1‰ |
-2.00° |
-2.64° |
-3.92° |
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ΔE/d0 =+2‰ |
+4.21° |
+5.69° |
+8.81° |
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ΔE/d0 =-2‰ |
-3.92° |
-5.17° |
-7.62° |
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注：ΔR/d0為滾道半徑誤差與鋼球直徑比 |
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表（二）
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t=1.08 |
t=1.06 |
t=1.04 |
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ΔR/d0=+1‰ |
-1.38° |
-1.82° |
-2.67° |
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ΔR/d0=-1‰ |
+1.49° |
+2.01 |
+3.1° |
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ΔR/d0=+2‰ |
-2.67° |
-3.48° |
-5° |
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ΔR/d0=-2‰ |
+3.1° |
+4.25° |
+6.78° |
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ΔR/d0=+3‰ |
-3.88° |
-5.00° |
-7.06° |
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ΔR/d0=-3‰ |
+4.86° |
+6.78° |
+11.29° |
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注：ΔR/d0為滾道半徑誤差與鋼球直徑比。 |
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A/d0 |
2‰ |
4‰ |
8‰ |
10‰ |
12‰ |
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t=1.04 |
+2.06° |
+4.21° |
+8.81° |
+11.316° |
+13.99° |
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t=1.08 |
+1.02° |
+2.06° |
+4.21° |
+5.32° |
+6.45° |
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注：A/d0 為軸向間隙與鋼球直徑比。 |
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解決這一矛盾的有效辦法是采用數控裝置修整砂輪。數控三坐標聯動自動修整，從原理上避免了半徑對刀和偏心距調整而產生的誤差，滾道半徑和原始接觸角得到有效保證。如果我們把滾道的淬火硬度和淬硬層深度稱之謂滾道的“硬件”，那么滾道的半徑和接觸角就是滾道的“軟件”，只“硬”不“軟”事倍功半，只有“軟、硬”兼備的滾道才是回轉支承品質的保證。數控三坐標聯動修整砂輪，有效地保證了滾道的“軟件”水平，而滾道在熱處理之前的數控車削，則為“硬件”提供了重要保證，這種保證體現在兩個方面，其一：數控車削的滾道曲面、形狀規則、表面粗糙度低、滾道邊口圓弧倒角半徑一致，且與滾道面平滑連接。規則的滾道曲面，使淬硬層深度均勻成為可能，平滑連接的倒角避免了淬火時的“尖角效應”，根除了滾道邊口易淬裂的缺陷。一致的倒角半徑解決了過大的倒角造成的滾道有效承載區域的縮小，使鋼球在滾道上的接觸面過早地到達邊口，而影響使用壽命。其二：數控車削的滾道曲面，除表面粗糙度外，其余尺寸與磨削后的滾道曲面完全一致，因此滾道的磨削量很?。槠胀ǚ椒庸さ?/2~1/3），最大限度地保留了淬硬層深度和表面硬度，同時數控車削滾道使內、外圈的滾道中心直徑的一致性得到了很好的保證，避免了因配磨而損失的淬硬層深度和表面硬度，進一步提高了回轉支承的承載能力和使用壽命。
綜上所述，只有“軟、硬”兼備的滾道，才是回轉支承承載能力的有效保證，而數控化加工是目前最有效和最可靠的手段。
作者：馬鞍山統力回轉支承有限公司侯寧（董事長、總經理、高級工程師）
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