回转支承承载性能分析与优化设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.回转支承定义：

回转支承又称回转支承、大轴承，也称旋转支承或回旋支承。是一种能够同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩等综合载荷，集支承、旋转、传动、固定等多种功能于一身的特殊结构的大型轴承。一般情况下，回转支承自身均带有安装孔、润滑油和密封装置，可以满足各种不同工况条件下工作的各类主机的不同需求；另一方面，回转支承本身具有结构紧凑、引导旋转方便、安装简便和维护容易等特点，广泛用于起重运输机械、采掘机、建筑工程机械、港口机械、风力发电、医疗设备、机器人以及旋转餐厅、雷达和导弹发射架等大型回转装置上。其工作方式有:（1）内圈起固定作用，外圈旋转；（2）外圈起固定作用，内圈旋转。回转支撑的基本结构有：1.外圈（有齿或无齿）2.密封带3.滚动体（滚球或滚柱）4.加油嘴5.堵塞6.堵塞销7.内圈（有齿或无齿）8.隔离块或保持架9.安装孔（丝孔或光孔）。回转支承一般有单排四点接触球式、双排四点接触球式、交叉滚子式、三排滚子式等形式，其中单排四点接触球式回转支承成本较低，且综合性能较高；双排球式回转支承使用寿命长，承载能力强回转阻力小，允许磨损量大，对安装基座要求不高，但其运动精度较低；交叉滚子式回转支承精度高，寿命长，动载荷容量较高，但对基座刚性和精度有较高要求，且滚子与滚道在接触时易发生边缘效应，导致边缘实际应力远大于设计应力；三排滚子式回转支承一般具有非常高的静承载能力。在一般的应用场合，通常认为中小规格的回转支承应以四点接触单排球式为主，大规格的回转支承应以三排滚子式为主。

2.回转支承发展概述：

80年代以前，我国在塔式起重机、汽车起重机、挖掘机等机械设备上，主要采用转柱式回转支承、定柱式回转支承、转盘式回转支承、钢丝滚道式回转支承。随着国外技术的引进和进口设备的大量涌入，滚动轴承式回转支承的先进性、科学性逐渐为大家所认识，如运转轻便灵活、回转阻力小；结构紧凑、外形尺寸小（主要是指高度）；维护方便、使用寿命长；由内、外套圈、滚动体、隔离块、密封条等组成，安装方便，又便于专业化集中生产。随着国民经济持续快速发展，基础建设规模不断扩大，工程机械和建筑机械热销，回转支承生产厂家少，由于存在巨大的市场缺口，存在丰厚的利润，许多单位投资，1994年以后的短短的几年，全国各地大大小小的回转支承生产厂如雨后春笋般地冒出来，结束了以徐州回转支承厂、马鞍山回转支承厂称雄市场，分割天下的局面，仅小小的胶东半岛就有三个专业生产厂，一个徐州回转支承厂的销售办事处，号称塔机之乡的胶东半岛的回转支承的商业竞争日趋白热化，生产厂家为了赢得更多的市场份额，竟相抛出促销手段，当然也包括许多种不合法的手段，严重影响了回转支承的正常经营环境和商业秩序。2000年后，市场上用量最大的是单排四点接触球式回转支承，由于加工难度小，市场广阔，设备造价低，所以大多数厂家只能生产这种单一的回转支承。单排交叉滚柱式回转支承和三排滚柱式回转支承科技含量高，加工难度大，设备规格大，投资大，市场需求面窄量小，虽然利润丰厚，但只有二、三个骨干大厂能够生产，基本上形成垄断。双排异径球式回转支承由于结构特点和适用场合的限制，很少有人选择，很少有厂家生产制造。

3.回转支撑的承载能力及其计算方法：

回转支撑的设计标准是保证其静载荷的承载承载能力，回转支撑不同于普通轴承，他同时承受径向力、轴向力和倾覆力矩的作用。

计算方法有以下两种：

（1）数值算法

基于有限元的数值算法，其主要的理论原理是将分析问题的方法转变为代数问题进行研究计算求解，将一个整体的求解域进行离散，运用有限单元所形成的集合进行求解，来实现求解域的求解。将复杂的求解过程进行分解，使求解过程变得简单。这种求解的计算方法，能够将求解过程复杂力学问题进行有效的计算和解决的一种方式。

赫兹接触理论基于一下假设：1）材料是均质的。2）接触区的尺寸远小于物体的尺寸。3）作用力与接触面垂直（即无摩擦）。4）变形发生在弹性极限内。

(1)

式中，b为接触面半宽；、为两接触体截面曲率半径；E1、E2为两接触体材料的弹性模量；、为两接触体材料的泊松比；P为总法向载荷；L为接触长度。

主平面内接触区压力服从椭圆分布。距离接触面中线为x的位置的分布压力p与最大接触压力p0有以下关系：

(2)

将压力P沿x方向积分

(3)

由式（1）-（3）得

(4)

赫兹并没有给出弹性趋近量的求解方法。

一般光滑弹性体接触理论中的法向接触变形公式如下：

(5)

其中，K为第一类全椭圆积分。由下式求解：

（6）

国内学者丁长安等根据（4）推导出有限长线接触的弹性变形如下：

（7）

与一般的轴承不同，三排滚子式回转支承安装有三排相互独立的滚子，其中径向一排，轴向两排。径向载荷由径向滚子承担，轴向载荷及倾覆弯矩则由轴向滚子承担。

在简化接触中的非线性因素且忽略套圈整体几何变形条件下，轴承内圈受载后各滚子变形量之间的关系如下：

（8）

式中，为轴承系统的径向间隙；为第i个滚子的位置角（以径向外在和作用线为基准）；分别为第i个滚子与内外套圈滚道间的弹性趋近量与倾角。

根据平衡条件可得：

（9）

在给定的外载条件下，可由式（8）、（9）求得各排滚子中受载最大的载荷P1、M1。

（2）有限元分析：

1）基本假设与模型简化

假设：轴承外圈外表面与内圈内表面皆为刚性，不发生变形；径向载荷和倾覆弯矩共面，倾覆弯矩相对于径向载荷较小；轴承外圈静止，内圈随载荷产生位移。忽略倒角角、边棱；忽略保持架的影响；忽略径向与轴向间隙的影响。

2）几何模型的建立（内外套圈内径外径尺寸及其他尺寸材料参数）

3）网络尺寸划分（采用三维六面体实体单元对几何模型进行有限元网格划分）

4）边界条件

4.承载能力分析应用软件及其简介

对回转支撑承载能力分析应用的比较广泛的有限元软件有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC。

本文研究回转支撑承载性能选用的分析计算软件是ABAQUS。

（1）ABAQUS简介：

ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件，其解决的范围从简单的线性分析到复杂的非线性模拟分析等。

ABAQUS被广泛的认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和物理场的分析，同时还可以做系统级的分析研究。ABAQUS的系统分析的特点相对与其他的分析软件来说是独一无二的。由于ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得ABAQUS被各国的工业领域和研究中广泛的采用。ABAQUS产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。

（2）ABAQUS功能应用：

1）将建模、分析、作业管理和结果评估无缝集成

2）为可用的ABAQUS求解器提供最完整的界面

3）可以为具体的应用行业和领域制定界面

4）对结果的可视化处理

5）静态应力/位移及动态分析

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

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