2017/3/21 港口起重机回转支承的失效分析与设计选型 武汉理工大学 胡吉全

内容简介 一 港口起重机回转机构概述 二 港口机械回转支承的失效分析 三 港口起重机回转支承设计选型 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.1 港口起重机回转机构的受力特征 2017/3/21 1.港口起重机回转机构概述 1.1 港口起重机回转机构的受力特征 回转机构是起重机中最重要的工作机构。港口起重机工作时回转机构载荷复杂，其主要特征如下： 　起、制动时的惯性载荷大 　起重机载荷力矩随工作幅度而变化 　回转部分的自重载荷大 由于以上载荷特征，使得回转机构成为起重机所有工作机构中最难把控的工作机构，同时也是故障和问题最多的工作机构。 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.2 回转机构的组成及回转支承的受力 1）港口起重机回转机构的组成 2017/3/21 港口起重机的回转机构主要由回转驱动装置和回转支承装置两大部分组成。 回转驱动装置是实现工作机构动力和运动传递的系统。 回转支承装置是承接和传递回转部分所有的载荷的装置。 回转支承装置有转柱式和转盘式。采用何种支承装置可以根据回转部分载荷的大小和港口起重机的构造要求合理选取。 现代港口起重机中，大量使用轴承式回转支承。结构紧凑，安装维护简单，密封及润滑条件良好，回转阻力小，工作平稳等为其主要优点。 2017/3/21

回转部分自重、起重载荷、风载荷、货物偏摆载荷等 风载荷、货物偏摆载荷、回转和变幅惯性载荷等 1.港口起重机回转机构概述 1.2 回转机构的组成及回转支承的受力 2）回转支承的受力 港口起重机工作时，尽管回转部分承受有各种复杂的载荷，但这些载荷传递到回转支承上时，都可以将其转换成四种类型载荷： 载荷类型 引起原因 载荷力矩 回转部分自重、起重载荷、风载荷、货物偏摆载荷等 垂直轴向力 回转部分自重、起重载荷、起升动载荷等 水平径向力 风载荷、货物偏摆载荷、回转和变幅惯性载荷等 回转扭矩 回转风载荷、回转摩擦阻力、坡道阻力等 以上四类载荷中，对回转支承影响最大的是载荷力矩和垂直轴向力，水平径向力和回转扭矩相对较小。 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.3 港口起重机回转支承的构造要求 1）回转支承的构造特点 目前用作回转支承的滚动轴承构造型式主要有四种： （1）单排四点接触球回转支承 构造特点：由内外两个滚圈和一排钢球组成，钢球与滚道四点接触，通过钢球与滚道的接触可传递轴向力，径向力和倾覆力矩。该类回转支承承载能力较小。 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.3 港口起重机回转支承的构造要求 （2）双排异径四点接触球回转支承 构造特点：由内外三个滚圈和两排钢球组成，上滚道的钢球直径较大，可承受较大的轴向力，由上下钢球组合承受径向力和倾覆力矩。该类回转支承承载能力较大。 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.3 港口起重机回转支承的构造要求 （3）单排交叉滚柱式回转支承 构造特点：由内外滚圈和交叉放置的滚柱组成，轴向力，径向力和倾覆力矩都是通过滚柱与滚圈之间的线接触传递的。该类回转支承承载能力较小。 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.3 港口起重机回转支承的构造要求 （4）三排滚柱式回转支承 构造特点：由内外三个滚圈和上，中，下三排滚柱组成，上，中，下三排滚柱根据受力大小做成不同的直径。可以独立或组合承受轴向力、径向力和倾覆力矩。该类回转支承承载能力大，抗冲击能力强。 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.3 港口起重机回转支承的构造要求 2）港口起重机对回转支承的要求 港口起重机是起重机械中工作速度高、承受载荷大和工作级别高的一类机型，因此对回转支承有特别的要求。 从以上回转支承的结构特点看，单点球和单排柱回转支承是完全通过单滚动体传递组合载荷，故承载能力较低。 双排异径球回转支承是通过双滚动体传递倾覆力矩，由于是点接触，故传递载荷也有限。 2017/3/21

1.港口起重机回转机构概述 1.3 港口起重机回转支承的构造要求 2）港口起重机对回转支承的要求 三排滚柱式回转支承是通过不同的滚动体分别传递不同载荷，且滚动体的外形尺寸、位置放置与传递载荷的大小、方向相一致。同时滚动体与滚圈又是通过线接触传力，故承载能力大，抗冲击和动载荷能力强。 根据港口起重机回转支承德 受力特点，该轴承的构造特别适 合港口起重机的使用要求。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.1回转支承的失效形式 回转支承失效有如下几种典型形式： 1）滚道圈和滚动体磨损 滚道圈与滚动体的磨损是回转支承中最突出的一种失效形式，主要表面出现滚道点蚀，表面金属剥落和整体磨损。当回转支承发生上述问题时，起重机在工作中将出现异响、滚动体卡阻和滚道圈之间过大间隙，造成振动和局部冲击等。随着状态的发展，回转阻力将不断增大直至最终丧失回转功能。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.1 回转支承的失效形式 2）保持架损坏失效 回转支承为了避免滚动体之间互相摩擦，通常在滚动体之间增加隔离体保持架。保持架的材料一般为铜、塑料、粉末冶金或软钢等。轴承在工作过程中保持架并不传递载荷，但其随滚动体一起运动。当保持架出现损坏、碎断后将出现尖锐刺耳的异响声，随着保持架的破碎体被回转滚动体推挤、碾压，将对滚道圈和滚动体造成严重损伤。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.1 回转支承的失效形式 3）回转支承轮齿损坏失效 回转支承的齿轮啮合方式有外齿啮合和内齿啮合两种，轮齿的失效形式主要为轮齿表面过度磨损和断齿等。回转支承轮齿的表面磨损在使用初表现非常突出，如果持续发展将会造成轮齿的齿侧间隙加大，出现回转冲击，削弱轮齿的强度等。回转支承轮齿断齿是一种更严重的失效事故，一旦出现，回转机构将立即丧失功能，且不可修复。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.1 回转支承的失效形式 4）联接螺栓的损坏失效 回转支承联接螺栓虽然不是轴承本体，但螺栓的失效也会导致回转支承不能工作。在港口起重机工作中联接螺栓的损坏也是常见的现象，主要失效形式为松动和断裂。当一颗螺栓发生松动或断裂未发现后，往往会带来连锁反应出现其它螺栓的松动和断裂。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.2 回转支承的失效原因 起重机回转支承的失效原因主要可归纳为以下几方面： 1）由于特殊工况引起的失效 2017/3/21 2.港口机械回转支承的失效分析 2.2 回转支承的失效原因 起重机回转支承的失效原因主要可归纳为以下几方面： 1）由于特殊工况引起的失效 港口起重机在工作过程中要适应各种复杂工况，有些特殊工况是造成回转支承损坏的重要因素。例如：港口门座起重机的回转工作范围就是造成回转支承滚道早期疲劳破坏的主要原因。 根据疲劳损伤的原理，回转支承在A点附近承受大载荷作用的次数最多，所以该区段必然是早期疲劳损伤的部位。 臂架回转角度及载荷循环分布规律图 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.2 回转支承的失效原因 2）由于冲击载荷引起的失效 港口起重机工作过程中经常产生过大的冲击载荷，如起升、变幅起、制动的冲击载荷将会引起垂直载荷和倾覆力矩的增加，该载荷直接作用在轴承体上可能造成支承系统瞬时过载，长期过载将会造成轴承滚动体或联接螺栓的失效。 回转机构的惯性冲击力带来的影响更大，它可能直接造成轮齿的折断或螺栓的失效。回转机构的制动惯性力有时难以计算和控制，当回转机构的制动时间趋近于零时，惯性载荷将趋近于无穷大，它可以造成任何构件的破坏。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.2 回转支承的失效原因 3）由于润滑条件恶化引起的失效 回转支承的润滑是保证其正常工作的重要条件，长期的润滑油缺失将会造成滚动体与滚道圈之间磨损加剧，间隙加大等问题，致使回转支承出现早期损坏。 4）由于热处理不满足要求引起的失效 回转支承的热处理是保证其正常使 用寿命的重要因素。由于热处理没有达 到应有的硬度要求，可能会造成轴承滚 道和轮齿的早期过度磨损而失效。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.2 回转支承的失效原因 5）由于支承法兰刚度不足引起的失效 回转支承的安装是通过螺栓使回转部分和固定部分的法兰与之相联，并与钢结构组合成一体，承受和传递起重机的工作载荷。 由于回转支承横向刚度很差，容易变形，因此只有当与之联接的法兰具有足够的刚度且共同形成一个整体时，才能保证回转支承正常工作。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.2 回转支承的失效原因 如果联接法兰的刚度不足或法兰表面加工不平，都会引起回转支承的变形，造成滚动体与滚道间隙的变化，使滚动体出现卡阻和滚道的早期过度磨损。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.3 回转支承典型失效案例原因分析 1）回转支承滚道早期磨损原因分析 港口起重机回转支承滚道磨损是回转支承最典型的失效形式，图中所示为起重机正常使用回转支承滚道早期过度磨损情况。 使用时间：三个月； 磨损现象：滚道油脂中有大量磨损金 属，经化验为本体材料； 损伤原因：滚道热处理硬度未达到要求。 2017/3/21

2.港口机械回转支承的失效分析 2.3 回转支承典型失效案例原因分析 2）回转支承齿轮断齿 回转支承断齿的原因有三种： 2017/3/21 （1）静强度断齿—与轮齿的强度（模数）和最大工作载荷有关； （2）疲劳强度齿裂—与齿轮加工和工作载荷有关； （3）冲击过载断齿—与回转起、制动工况和齿轮间隙有关。 使用时间：一年； 断齿现象：齿根断和 部分断； 损伤原因：冲击过载。 2017/3/21

3.港口起重机回转支承设计选型 3.1 回转支承形式及技术要求 1）轴承构造 港口起重机回转支承的结构形式应满足起重机工作时的载荷要求，根据上述回转支承的载荷分析，一般应选用三排圆柱滚子轴承。对于小型起重机，也可以采用双排异径球或交叉滚子轴承。 2）轴承材料 回转支承的材料通常有两种：50Mn和42CrMo,无特殊要求状态下厂家提供50Mn，从轴承强度等级上讲42CrMo材料更好。 2017/3/21

3.港口起重机回转支承设计选型 3.1 回转支承形式及技术要求 3）轴承热处理 热处理是轴承技术要求的重要内容，包括轴承整体热处理、滚道热处理、和齿面热处理。 整体热处理可以是正火和调质，应根据使用工况要求确定。滚道热处理为淬火，齿面热处理有正火（HB190-210）、调质（HB240-260）和淬火，一般应有调质要求。 2017/3/21

3.港口起重机回转支承设计选型 3.2 回转支承计算载荷 回转轴承设计选型是以最大静载和疲劳寿命两种载荷作为依据，并根据起重机的使用工况考虑相应的动载荷系数，抓斗起重机最大静载系数为1.45，寿命安全系数为1.7，全负荷寿命运转转数15万。 回转轴承寿命曲线是按轴承旋转360°为一圈，运行3万圈而作出的，与起重机实际旋转范围有明显的差异。 2017/3/21

3.港口起重机回转支承设计选型 3.3 回转支承承载能力曲线 回转支承承载能力曲线图是由轴承制造厂家提供的，设计时根据以上计算载荷对照相应的轴承曲线确定轴承型号。 承载能力曲线一般有两条，一条为极限静载曲线，一条为疲劳寿命曲线。极限静载曲线用于初步选型，疲劳寿命曲线用于校核。 2017/3/21

3.港口起重机回转支承设计选型 3.3 回转支承承载能力曲线 2017/3/21

3.港口起重机回转支承设计选型 3.3 回转支承承载能力曲线 2017/3/21

3.港口起重机回转支承设计选型 3.4 回转轴承的连接螺栓 回转支承连接螺栓在港口起重机工作中是易发生损坏的部件，因此螺栓的正确选用也至关重要。 以上承载曲线图中标识的8.8、10.9、12.9曲线即为轴承连接螺栓的强度控制曲线。当螺栓的计算载荷在控制线以下时，螺栓是安全的。螺栓的计算载荷即为轴承的最大静载荷，但不考虑载荷系数。 港口起重机回转支承联接螺栓一般取10.9级，过高强度等级的螺栓承受动载荷能力差，不宜采用。 2017/3/21

谢谢！ Thanks for your tips! The end! 2017/3/21