港口起重機回轉支承的失效分析與設計選型武漢理工大學胡吉全

12023/1/12一二三港口起重機回轉機構概述

港口機械回轉支承的失效分析港口起重機回轉支承設計選型內容簡介2023/1/121.港口起重機回轉機構概述回轉機構是起重機中最重要的工作機構。港口起重機工作時回轉機構載荷復雜，其主要特征如下：起、制動時的慣性載荷大起重機載荷力矩隨工作幅度而變化回轉部分的自重載荷大1.1港口起重機回轉機構的受力特征

由于以上載荷特征，使得回轉機構成為起重機所有工作機構中最難把控的工作機構，同時也是故障和問題最多的工作機構。2023/1/121.港口起重機回轉機構概述1）港口起重機回轉機構的組成港口起重機的回轉機構主要由回轉驅動裝置和回轉支承裝置兩大部分組成。回轉驅動裝置是實現工作機構動力和運動傳遞的系統(tǒng)?；剞D支承裝置是承接和傳遞回轉部分所有的載荷的裝置。回轉支承裝置有轉柱式和轉盤式。采用何種支承裝置可以根據回轉部分載荷的大小和港口起重機的構造要求合理選取。現代港口起重機中，大量使用軸承式回轉支承。結構緊湊，安裝維護簡單，密封及潤滑條件良好，回轉阻力小，工作平穩(wěn)等為其主要優(yōu)點。1.2回轉機構的組成及回轉支承的受力2023/1/121.港口起重機回轉機構概述2）回轉支承的受力

港口起重機工作時，盡管回轉部分承受有各種復雜的載荷，但這些載荷傳遞到回轉支承上時，都可以將其轉換成四種類型載荷：1.2回轉機構的組成及回轉支承的受力載荷類型引起原因載荷力矩回轉部分自重、起重載荷、風載荷、貨物偏擺載荷等垂直軸向力回轉部分自重、起重載荷、起升動載荷等水平徑向力風載荷、貨物偏擺載荷、回轉和變幅慣性載荷等回轉扭矩回轉風載荷、回轉摩擦阻力、坡道阻力等

以上四類載荷中，對回轉支承影響最大的是載荷力矩和垂直軸向力，水平徑向力和回轉扭矩相對較小。2023/1/121.港口起重機回轉機構概述1）回轉支承的構造特點目前用作回轉支承的滾動軸承構造型式主要有四種：（1）單排四點接觸球回轉支承1.3港口起重機回轉支承的構造要求構造特點：由內外兩個滾圈和一排鋼球組成，鋼球與滾道四點接觸，通過鋼球與滾道的接觸可傳遞軸向力，徑向力和傾覆力矩。該類回轉支承承載能力較小。2023/1/121.港口起重機回轉機構概述（2）雙排異徑四點接觸球回轉支承1.3港口起重機回轉支承的構造要求構造特點：由內外三個滾圈和兩排鋼球組成，上滾道的鋼球直徑較大，可承受較大的軸向力，由上下鋼球組合承受徑向力和傾覆力矩。該類回轉支承承載能力較大。2023/1/121.港口起重機回轉機構概述（3）單排交叉滾柱式回轉支承1.3港口起重機回轉支承的構造要求構造特點：由內外滾圈和交叉放置的滾柱組成，軸向力，徑向力和傾覆力矩都是通過滾柱與滾圈之間的線接觸傳遞的。該類回轉支承承載能力較小。2023/1/121.港口起重機回轉機構概述（4）三排滾柱式回轉支承1.3港口起重機回轉支承的構造要求構造特點：由內外三個滾圈和上，中，下三排滾柱組成，上，中，下三排滾柱根據受力大小做成不同的直徑?？梢元毩⒒蚪M合承受軸向力、徑向力和傾覆力矩。該類回轉支承承載能力大，抗沖擊能力強。2023/1/121.港口起重機回轉機構概述2）港口起重機對回轉支承的要求港口起重機是起重機械中工作速度高、承受載荷大和工作級別高的一類機型，因此對回轉支承有特別的要求。從以上回轉支承的結構特點看，單點球和單排柱回轉支承是完全通過單滾動體傳遞組合載荷，故承載能力較低。雙排異徑球回轉支承是通過雙滾動體傳遞傾覆力矩，由于是點接觸，故傳遞載荷也有限。1.3港口起重機回轉支承的構造要求2023/1/121.港口起重機回轉機構概述2）港口起重機對回轉支承的要求三排滾柱式回轉支承是通過不同的滾動體分別傳遞不同載荷，且滾動體的外形尺寸、位置放置與傳遞載荷的大小、方向相一致。同時滾動體與滾圈又是通過線接觸傳力，故承載能力大，抗沖擊和動載荷能力強。根據港口起重機回轉支承德受力特點，該軸承的構造特別適合港口起重機的使用要求。1.3港口起重機回轉支承的構造要求2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析回轉支承失效有如下幾種典型形式：1）滾道圈和滾動體磨損滾道圈與滾動體的磨損是回轉支承中最突出的一種失效形式，主要表面出現滾道點蝕，表面金屬剝落和整體磨損。當回轉支承發(fā)生上述問題時，起重機在工作中將出現異響、滾動體卡阻和滾道圈之間過大間隙，造成振動和局部沖擊等。隨著狀態(tài)的發(fā)展，回轉阻力將不斷增大直至最終喪失回轉功能?；剞D支承的失效形式2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析2）保持架損壞失效回轉支承為了避免滾動體之間互相摩擦，通常在滾動體之間增加隔離體保持架。保持架的材料一般為銅、塑料、粉末冶金或軟鋼等。軸承在工作過程中保持架并不傳遞載荷，但其隨滾動體一起運動。當保持架出現損壞、碎斷后將出現尖銳刺耳的異響聲，隨著保持架的破碎體被回轉滾動體推擠、碾壓，將對滾道圈和滾動體造成嚴重損傷。2.1回轉支承的失效形式2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析3）回轉支承輪齒損壞失效回轉支承的齒輪嚙合方式有外齒嚙合和內齒嚙合兩種，輪齒的失效形式主要為輪齒表面過度磨損和斷齒等?；剞D支承輪齒的表面磨損在使用初表現非常突出，如果持續(xù)發(fā)展將會造成輪齒的齒側間隙加大，出現回轉沖擊，削弱輪齒的強度等?；剞D支承輪齒斷齒是一種更嚴重的失效事故，一旦出現，回轉機構將立即喪失功能，且不可修復。2.1回轉支承的失效形式2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析4）聯(lián)接螺栓的損壞失效回轉支承聯(lián)接螺栓雖然不是軸承本體，但螺栓的失效也會導致回轉支承不能工作。在港口起重機工作中聯(lián)接螺栓的損壞也是常見的現象，主要失效形式為松動和斷裂。當一顆螺栓發(fā)生松動或斷裂未發(fā)現后，往往會帶來連鎖反應出現其它螺栓的松動和斷裂。2.1回轉支承的失效形式2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析起重機回轉支承的失效原因主要可歸納為以下幾方面：1）由于特殊工況引起的失效港口起重機在工作過程中要適應各種復雜工況，有些特殊工況是造成回轉支承損壞的重要因素。例如：港口門座起重機的回轉工作范圍就是造成回轉支承滾道早期疲勞破壞的主要原因。2.2回轉支承的失效原因臂架回轉角度及載荷循環(huán)分布規(guī)律圖

根據疲勞損傷的原理，回轉支承在A點附近承受大載荷作用的次數最多，所以該區(qū)段必然是早期疲勞損傷的部位。2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析2）由于沖擊載荷引起的失效港口起重機工作過程中經常產生過大的沖擊載荷，如起升、變幅起、制動的沖擊載荷將會引起垂直載荷和傾覆力矩的增加，該載荷直接作用在軸承體上可能造成支承系統(tǒng)瞬時過載，長期過載將會造成軸承滾動體或聯(lián)接螺栓的失效?；剞D機構的慣性沖擊力帶來的影響更大，它可能直接造成輪齒的折斷或螺栓的失效?；剞D機構的制動慣性力有時難以計算和控制，當回轉機構的制動時間趨近于零時，慣性載荷將趨近于無窮大，它可以造成任何構件的破壞。2.2回轉支承的失效原因2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析3）由于潤滑條件惡化引起的失效回轉支承的潤滑是保證其正常工作的重要條件，長期的潤滑油缺失將會造成滾動體與滾道圈之間磨損加劇，間隙加大等問題，致使回轉支承出現早期損壞。4）由于熱處理不滿足要求引起的失效回轉支承的熱處理是保證其正常使用壽命的重要因素。由于熱處理沒有達到應有的硬度要求，可能會造成軸承滾道和輪齒的早期過度磨損而失效。2.2回轉支承的失效原因2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析5）由于支承法蘭剛度不足引起的失效回轉支承的安裝是通過螺栓使回轉部分和固定部分的法蘭與之相聯(lián)，并與鋼結構組合成一體，承受和傳遞起重機的工作載荷。由于回轉支承橫向剛度很差，容易變形，因此只有當與之聯(lián)接的法蘭具有足夠的剛度且共同形成一個整體時，才能保證回轉支承正常工作。2.2回轉支承的失效原因2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析如果聯(lián)接法蘭的剛度不足或法蘭表面加工不平，都會引起回轉支承的變形，造成滾動體與滾道間隙的變化，使?jié)L動體出現卡阻和滾道的早期過度磨損。2.2回轉支承的失效原因2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析1）回轉支承滾道早期磨損原因分析港口起重機回轉支承滾道磨損是回轉支承最典型的失效形式，圖中所示為起重機正常使用回轉支承滾道早期過度磨損情況。2.3回轉支承典型失效案例原因分析使用時間：三個月；磨損現象：滾道油脂中有大量磨損金屬，經化驗為本體材料；損傷原因：滾道熱處理硬度未達到要求。2023/1/122.港口機械回轉支承的失效分析2）回轉支承齒輪斷齒回轉支承斷齒的原因有三種：（1）靜強度斷齒—與輪齒的強度（模數）和最大工作載荷有關；（2）疲勞強度齒裂—與齒輪加工和工作載荷有關；（3）沖擊過載斷齒—與回轉起、制動工況和齒輪間隙有關。2.3回轉支承典型失效案例原因分析使用時間：一年；斷齒現象：齒根斷和

部分斷；損傷原因：沖擊過載。2023/1/123.港口起重機回轉支承設計選型1）軸承構造港口起重機回轉支承的結構形式應滿足起重機工作時的載荷要求，根據上述回轉支承的載荷分析，一般應選用三排圓柱滾子軸承。對于小型起重機，也可以采用雙排異徑球或交叉滾子軸承。2）軸承材料回轉支承的材料通常有兩種：50Mn和42CrMo,無特殊要求狀態(tài)下廠家提供50Mn，從軸承強度等級上講42CrMo材料更好。3.1回轉支承形式及技術要求2023/1/123.港口起重機回轉支承設計選型3）軸承熱處理熱處理是軸承技術要求的重要內容，包括軸承整體熱處理、滾道熱處理、和齒面熱處理。整體熱處理可以是正火和調質，應根據使用工況要求確定。滾道熱處理為淬火，齒面熱處理有正火（HB190-210）、調質（HB240-260）和淬火，一般應有調質要求。3.1回轉支承形式及技術要求2023/1/123.港口起重機回轉支承設計選型回轉軸承設計選型是以最大靜載和疲勞壽命兩種載荷作為依據，并根據起重機的使用工況考慮相應的動載荷系數，抓斗起重機最大靜載系數為，壽命安全系數為，全負荷壽命運轉轉數15萬。

回轉軸承壽命曲線是按軸承旋轉360°為一圈，運行3萬圈而作出的，與起重機實際旋轉范圍有明顯的差異。3.2回轉支承計算載荷2023/1/123.港口起重機回轉支承設計選型

回轉支承承載能力曲線圖是由軸承制造廠家提供的，設計時根據以上計算載荷對照相應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。3.3回轉支承承載能力曲線2023/1/123.港口起重機回轉支承設計選型3.3回轉支承承載能力曲線2023/1/123.港口起重機回轉支承設計選型3.