回轉(zhuǎn)支承壽命載荷系數(shù)課件

2023/10/41港口起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承輪齒與法蘭分析武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院港口物流技術(shù)與裝備教育部工程研究中心胡吉全2023/7/271港口起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承輪齒與法蘭分析武漢理工2023/10/4一三回轉(zhuǎn)支承疲勞強(qiáng)度計(jì)算 回轉(zhuǎn)支承法蘭變形分析內(nèi)容簡介回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析 二2023/7/27一三回轉(zhuǎn)支承疲勞強(qiáng)度計(jì)算 回轉(zhuǎn)支承法蘭變形2023/10/41.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算

回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線圖是由軸承制造廠家提供的，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)以上計(jì)算載荷對照相應(yīng)的軸承曲線確定軸承型號。

承載能力曲線一般有兩條，一條為極限靜載曲線，一條為疲勞壽命曲線。極限靜載曲線用于初步選型，疲勞壽命曲線用于校核。1.1回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線2023/7/271.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算回2023/10/41.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.1回轉(zhuǎn)支承承載能力曲線2023/7/271.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.1回轉(zhuǎn)支承承2023/10/41.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.2回轉(zhuǎn)支承壽命計(jì)算

式中：Lf—回轉(zhuǎn)支承360°回轉(zhuǎn)時(shí)的使用壽命；fe—回轉(zhuǎn)支承壽命載荷系數(shù)：

ε—壽命指數(shù)，球軸承取ε=3，滾動(dòng)軸承ε=10/3。

計(jì)算公式：

回轉(zhuǎn)支承的選型壽命計(jì)算是依據(jù)回轉(zhuǎn)支承在帶載回轉(zhuǎn)運(yùn)行360°為整圈作為循環(huán)的基本單位，連續(xù)運(yùn)行30000個(gè)工作循環(huán)的試驗(yàn)工況下，統(tǒng)計(jì)樣品所能承受的最大負(fù)載而作出的。2023/7/271.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.2回轉(zhuǎn)支承壽2023/10/41.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.2回轉(zhuǎn)支承壽命計(jì)算

港口起重機(jī)在實(shí)際回轉(zhuǎn)工作循環(huán)中，回轉(zhuǎn)支承并沒有作全回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大多數(shù)情況下與上部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)固定連接的運(yùn)行滾道僅會隨回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在回轉(zhuǎn)圓周的部分區(qū)域中運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，港口起重機(jī)的回轉(zhuǎn)支承在工作循環(huán)中，所受的載荷也比較復(fù)雜，并非曲線試驗(yàn)中固定的載荷工況所能模擬的。常規(guī)壽命校核計(jì)算中將動(dòng)態(tài)承載曲線用于將應(yīng)對復(fù)雜工況的港口起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承的壽命校核，并沒有對港口起重機(jī)中回轉(zhuǎn)支承使用情況的特殊性加以考慮，所以計(jì)算結(jié)果也缺乏實(shí)用性，使得壽命校核并沒有起到實(shí)質(zhì)性的作用。2023/7/271.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.2回轉(zhuǎn)支承壽2023/10/41.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.3回轉(zhuǎn)支承壽命計(jì)算載荷譜

門機(jī)的回轉(zhuǎn)工作范圍荷載作用頻數(shù)的設(shè)定:2023/7/271.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.3回轉(zhuǎn)支承壽2023/10/41.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.3回轉(zhuǎn)支承壽命計(jì)算載荷譜按工作級別A8，設(shè)定可能出現(xiàn)的各循環(huán)事件及各自的設(shè)計(jì)循環(huán)次數(shù)2023/7/271.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.3回轉(zhuǎn)支承壽2023/10/41.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算1.4回轉(zhuǎn)支承有限元疲勞分析

根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)疲勞分析理論與分析計(jì)算過程，利用有限元軟件中的疲勞分析功能對外滾座結(jié)構(gòu)中疲勞危險(xiǎn)位置點(diǎn)的疲勞分析，得到了回轉(zhuǎn)支承在起重機(jī)設(shè)定工作載荷譜作用下滾座結(jié)構(gòu)中疲勞分析點(diǎn)的累積損傷率(即耗損系數(shù))及既定載荷譜下回轉(zhuǎn)支承允許經(jīng)歷的最大循環(huán)次數(shù)，為回轉(zhuǎn)支承選型計(jì)算中針對回轉(zhuǎn)支承的壽命校核提供了更加準(zhǔn)確的依據(jù)和指導(dǎo)作用。2023/7/271.回轉(zhuǎn)支承的疲勞計(jì)算根據(jù)金屬2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析2.1齒輪斷齒形式輪齒受力后，在齒根部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力很大，且在齒根過渡圓角處有應(yīng)力集中，由于輪齒的交變應(yīng)力超過了材料的疲勞極限，在齒根圓角處將產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，造成彎曲疲勞折斷。過載折斷通常是由于受到短時(shí)過載或沖擊載荷或輪齒磨薄，是輪齒應(yīng)力超過其極限應(yīng)力所造成的。2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析2.1齒輪斷齒形2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析2.2靜強(qiáng)度齒根彎曲應(yīng)力（1）靜強(qiáng)度最大齒根彎曲應(yīng)力

（1-1）2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析2.2靜強(qiáng)度齒根2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析2.2靜強(qiáng)度齒根彎曲應(yīng)力（2）靜強(qiáng)度許用齒根彎曲應(yīng)力

（1-2）2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析2.2靜強(qiáng)度齒根2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析

在solidworks軟件中建立回轉(zhuǎn)支承輪齒的三維模型，將其導(dǎo)入ANSYS軟件中，輪齒三維模型如圖1-1所示。有限元分析時(shí)，選擇三齒模型。輪齒單元選取SOLID95單元，模型單位為m，劃分網(wǎng)格的三齒有限元模型如圖1-2。2.3輪齒有限元分析圖1-1輪齒三維模型圖1-2三齒有限元模型2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析在so2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析考慮單齒嚙合，不考慮摩擦力的影響，齒根應(yīng)力計(jì)算簡圖如圖1-3所示。2.3輪齒有限元分析圖1-3齒根應(yīng)力計(jì)算圖法向載荷（1-3）載荷作用角（1-4）2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析考慮單齒嚙合，不考2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析有限元計(jì)算結(jié)果如圖1-4所示，齒根最大彎曲應(yīng)力最大2.3輪齒有限元分析圖1-4齒根彎曲應(yīng)力云圖2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析有限元計(jì)算結(jié)果如圖2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析在齒根應(yīng)力較大的區(qū)域沿著齒寬方向選擇一條線作為路徑，提取線上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布如圖1-5所示。2.3輪齒有限元分析圖1-5齒根節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布沿著齒寬方向，應(yīng)力基本是對稱分布，靠近兩端的彎曲應(yīng)力較大，中心處彎曲應(yīng)力較小。2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析在齒2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析實(shí)際中由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝誤差或者轉(zhuǎn)臺變形，導(dǎo)致輪齒受到偏載荷的作用，在以上基礎(chǔ)上施加偏載荷均布作用于齒寬的三分之一，有限元分析結(jié)果如圖1-6所示，齒根最大彎曲應(yīng)力。2.3輪齒有限元分析圖1-6齒根彎曲應(yīng)力云圖2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析實(shí)2023/10/42.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析在齒根應(yīng)力較大的區(qū)域沿著齒寬方向選擇一條線作為路徑，提取線上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布如圖1-7所示。2.3輪齒有限元分析圖1-7齒根節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布施加偏載荷后，一端的齒根應(yīng)力明顯增大很多，當(dāng)外界的偏載荷使齒根應(yīng)力超過許用值時(shí)，輪齒齒根會出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而加速輪齒斷裂。2023/7/272.回轉(zhuǎn)支承輪齒斷齒分析在齒2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析回轉(zhuǎn)支承本身的剛度較小，特別是橫向剛度很差，主要依賴與其連接的法蘭剛度，保證法蘭有足夠的剛度至關(guān)重要。法蘭結(jié)構(gòu)形式一直在不斷改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)形式主要有支座式、平法蘭板式、圓筒插入式、加厚法蘭板及圓筒插人式、增加過渡圓筒的加厚法蘭板形式。3.1法蘭結(jié)構(gòu)形式2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析回轉(zhuǎn)支承本身的2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析本文分析的MQ4040門座起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承與圓筒門架連接的法蘭內(nèi)圈直徑3454mm，外圈直徑3834mm，法蘭板上開72個(gè)螺栓孔，孔徑45mm，螺栓孔中心線直徑3742mm?；剞D(zhuǎn)支承與轉(zhuǎn)臺連接的法蘭內(nèi)圈直徑3268mm，外圈直徑3640mm，法蘭板上開72個(gè)螺栓孔，孔徑45mm，螺栓孔中心線直徑3358mm。法蘭板厚為120mm，與法蘭連接的過渡圓筒厚度為30mm。3.1法蘭結(jié)構(gòu)形式2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析本文分析的MQ2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析

圓筒門架采用SHELL93殼單元，回轉(zhuǎn)支承主體和法蘭結(jié)構(gòu)采用SOLID95實(shí)體單元，螺栓采用LINK8桿單元。將滾動(dòng)體與滾道看成一個(gè)整體，桿單元的位置在螺栓孔中心，桿單元與法蘭板連接的節(jié)點(diǎn)耦合，添加初始應(yīng)變模擬高強(qiáng)度螺栓預(yù)緊力，忽略角鋼和筋板。法蘭與回轉(zhuǎn)支承的接觸采用面—面接觸，目標(biāo)單元為Targe170，接觸單元為Conta174，摩擦系數(shù)取0.3。3.2法蘭有限元模型建立2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析圓筒門架2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析法蘭板厚為120mm，過渡圓筒厚度為30mm的有限元模型和回轉(zhuǎn)支承部分模型如圖2-1、圖2-2所示。3.2法蘭有限元模型建立圖2-1整體有限元模型圖2-21/4回轉(zhuǎn)支承有限元模型2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析法蘭板厚為120mm，2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析計(jì)算載荷工況數(shù)據(jù)如下表。3.3法蘭有限元計(jì)算結(jié)果名稱載荷工況ABCD垂直力V（N）5.27×1065.27×1064.18×1064.68×106水平力H（N）1.96×1052.27×1057.5×1050傾覆力矩M（N.m）2.42×1073.33×1067.29×1061.54×107表2-1回轉(zhuǎn)支承計(jì)算載荷2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析計(jì)算載荷工況數(shù)據(jù)如下表2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析在上部圓筒端面建立一個(gè)剛性平面，將水平力、垂直力和傾覆力矩施加到剛性平面的中心節(jié)點(diǎn)，圓筒門架底部施加全約束。法蘭板厚為120mm，過渡圓筒厚度為30mm，不同載荷工況下計(jì)算的回轉(zhuǎn)支承上、下法蘭板的位移云圖如下。3.3法蘭有限元計(jì)算結(jié)果圖2-3上部法蘭變形圖(工況A)圖2-4上部法蘭變形圖(工況B)2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析在上部2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析過渡圓筒厚度為30mm，不同厚度的法蘭板在不同載荷工況作用下計(jì)算得出的變形角度見下表。3.3法蘭有限元計(jì)算結(jié)果法蘭板厚(mm)載荷工況ABCD上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭800.32190.28500.06080.058130.15910.15070.18850.1687900.31080.27900.05950.057360.15520.14950.18200.16511000.29460.27600.05900.057020.15410.14870.17440.16371100.31700.28330.06020.058110.15720.15150.18520.16751200.31620.28310.06010.058140.15720.15140.18480.16741300.31480.28240.05990.058020.15660.15130.18390.16691400.32250.28520.06170.058960.16100.15270.18810.1682表2-2法蘭板平面變形角度（°）2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析過渡圓2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析法蘭板變形角度曲線圖如下。3.3法蘭有限元計(jì)算結(jié)果圖2-11載荷工況A圖2-12載荷工況B2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析法蘭板變形角度曲線圖如2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析3.3法蘭有限元計(jì)算結(jié)果圖2-13載荷工況C圖2-14載荷工況D從上表和圖中可以看出，板厚為100mm的上、下法蘭板變形角度是最小的。隨著法蘭厚度增加，變形角度不是線性減少。2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析3.3法蘭有限元計(jì)算2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析接下來在同一種法蘭厚度情況下，改變過渡圓筒的厚度，其他條件不變，選取載荷工況A，經(jīng)過有限元分析得出法蘭板平面變形角度見下表。3.3法蘭有限元計(jì)算結(jié)果圓筒厚度(mm)法蘭板厚(mm)8090100110上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭240.32480.28760.31380.28160.29750.27870.32000.2860260.32370.28660.31260.28060.29640.27770.31890.2849280.32270.28570.31160.27970.29540.27680.31790.2841300.32190.28500.31080.27900.29460.27600.31700.2833320.32350.29060.31000.27830.29390.27530.31620.2826340.32300.29010.30930.27780.29320.27480.31550.2821360.32250.28960.30870.27720.29260.27420.31490.2815380.32200.28920.30810.27680.29210.27380.31430.2810400.32160.28890.30760.27630.29160.27330.31380.2806表2-3法蘭板平面變形角度（°）2023/7/273.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析接下來2023/10/43.回轉(zhuǎn)支承法蘭分析續(xù)接上表3.3法蘭有限元計(jì)算結(jié)果圓筒厚度(mm)法蘭板厚(mm)120130140上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭上法蘭下法蘭240.31930.28580.31780.28500.32550.2879260.31810.28480.31670.28400.32430.2869280.31710.28390.31570.28320.32330.2860300.31620.2