重型机械中的回转支承
什么是回转支承
回转支承是一种旋转滚动轴承，通常具有大直径，专门设计用于支撑重载荷，同时促进绕单轴旋转。与主要单独处理径向或轴向载荷的标准轴承不同，回转支承经过独特设计，可以处理这些载荷的复杂组合以及显着的倾斜力矩。它们由内圈和外圈组成，其中一个通常包含齿轮齿（内部或外部），滚动体（滚珠或圆柱滚子）和分离保持架布置在环之间的一个或两个滚道上。整体安装孔允许直接用螺栓固定到支撑结构上。这种坚固的设计使其成为在具有挑战性的条件下需要高负载能力和受控旋转运动的机械的基本部件。
精密回转支承游隙选择及实际应用
游隙或内部径向间隙是回转支承的关键设计参数，显着影响性能、使用寿命和应用适用性。间隙的精确管理对于最佳功能至关重要。
了解游隙：内部游隙是指当轴承拆卸且空载时，套圈之间在径向方向上可能移动的总量。它在制造过程中由滚道的几何形状和滚动体的尺寸决定。间隙可分为以下几类：
正常间隙 （C0）：适用于许多一般应用的标准间隙。
减少间隙（C1、C2）：内部间隙比正常间隙小。
零间隙（具有特定公差的 C0）：旨在实现几乎没有内部间隙。
预紧力（负游隙）：滚动体和滚道之间故意过盈配合，产生内部张力。
选择标准：选择正确的间隙不是任意的;它需要仔细考虑：
负载类型和大小：重载荷、冲击载荷或振动载荷通常需要减小间隙或预紧力，以最大限度地减少环变形和元件打滑。主要是轴向载荷可能允许标准游隙。
所需的刚性和精度：需要高位置精度和最小负载偏转的应用（例如机械臂、精密转盘、雷达基座）可以从预紧力或零间隙中受益匪浅。这提高了系统刚度和旋转精度。
转速：更高的转速会产生更多的离心力和热量。减少间隙或预紧力有助于保持元件控制并防止打滑，但过大的预紧力会增加摩擦和在非常高的速度下过热。标准间隙通常足以满足低速应用。
安装条件和结构刚度：如果支撑结构刚性较低或容易偏转，则减少游隙/预紧力有助于补偿和保持轴承性能。高刚性安装座为标准游隙轴承提供了更好的支撑。
工作温度：环和滚动体的热膨胀影响游隙。在室温下选择的预紧力可能会在工作温度下显着增加，从而有损坏的风险。相反，如果工作温度远低于环境装配温度，则标准间隙可能会变得过大。热计算至关重要。
润滑：对于游隙或预紧力减小的轴承来说，充分的润滑更为重要，因为摩擦和热量产生可能会更高。
实际应用影响：
间隙过大：导致内部运动增加，导致振动、噪音、位置精度降低、磨损加速以及冲击载荷下的潜在冲击损坏。齿轮啮合（如果存在）也会受到负面影响。
游隙不足/预紧力过大：由于高内应力，导致摩擦显着增加、工作温度升高、润滑剂降解加速、扭矩要求增加以及轴承疲劳寿命急剧缩短。它可能导致过早剥落或滚道损坏。
优化游隙：确保平稳旋转，最大限度地减少振动和噪音，最大限度地提高滚动体之间的载荷分布，增强系统刚度和精度，优化齿轮啮合（如果适用），并延长轴承使用寿命。医学成像设备、望远镜支架或高端加工中心等精密应用依赖于精心控制的间隙或预紧力。
回转支承的选择需要综合考虑哪些因素
选择正确的回转支承是一项复杂的工程决策，需要对众多相互关联的因素进行全面分析。过度简化或忽视关键参数可能会导致过早故障、作问题或代价高昂的过度设计。基本因素包括：
负载分析：这是最重要的。精确确定以下的幅度和方向：
轴向载荷 （Fa）：平行于旋转轴（推力）作用的力。
径向载荷 （Fr）：垂直于旋转轴作用的力。
倾斜力矩（M）：围绕垂直于旋转轴的轴产生倾斜效果的力。这通常是回转应用中最关键的负载组件。
载荷组合：定义轴承将同时经历的最坏情况的 Fa、Fr 和 M 组合。考虑静态和动态（作）负载。
负载动力学：考虑冲击载荷、振动、启动/停止期间的惯性以及负载波动。动态荷载系数通常应用于计算的静态荷载。
轴承尺寸和几何形状：
节距直径：基本尺寸参数，由所需的负载能力和可用空间限制决定。
横截面高度：影响轴承的抗倾斜力矩和整体刚度。
滚道数量：单排（4 点接触球），用于中等载荷/力矩;双排（滚珠或滚轮）用于更高的负载/力矩;用于最极端负载的三排滚轮。交叉滚子设计在紧凑的高度内提供非常高的刚性和精度。
滚动体类型：滚珠能很好地处理组合载荷并提供较低的摩擦;滚子（圆柱形或锥形）提供更高的径向和力矩能力，但可能具有更高的摩擦力。
齿轮要求：指定齿轮类型（外齿轮、内齿轮）、模块/节距、齿数、质量等级和齿形。考虑齿轮负载和润滑通道。
性能要求：
转速：影响润滑要求、保持架设计以及减少间隙/预紧力的潜在需求。
精度和刚度：所需的旋转精度、跳动公差和负载下的抗挠度决定了游隙/预紧力的选择和制造公差。
平滑度和噪音水平：对于医疗设备或豪华起重机等应用至关重要。受间隙、制造质量和润滑的影响。
使用寿命 （L10）：在指定作条件下所需的设计寿命，以小时或转为单位。推动轴承尺寸、材料和热处理的选择。
环境条件：
温度范围：影响材料选择、内部游隙选择（由于热膨胀）、润滑剂选择和密封材料。
污染暴露：灰尘、污垢、水、化学品。规定所需的密封解决方案（多唇密封、迷宫式密封、V 形环密封）和防护等级（IP 等级）。
腐蚀性环境：需要特定的材料选择（不锈钢环、特殊涂层）和兼容的密封件/润滑脂。
湿度和天气：影响密封和腐蚀保护需求。
安装和集成：
安装表面要求：支撑结构的平整度、平行度和表面光洁度公差对于适当的载荷分布和轴承寿命至关重要。
螺栓图案和尺寸：必须与轴承的安装孔相匹配并提供足够的夹紧力。考虑螺栓等级和拧紧程序。
润滑通道：必须指定位置和类型（油嘴、中央润滑口）以进行维护。
密封集成：确保密封件与相邻结构正确连接。
连接：需要集成传感器（温度、振动）或液压旋转接头
材料和热处理：
环形材料：通常使用高碳铬钢（例如，42CrMo4、50Mn）用于标准应用，或不锈钢（例如，X30Cr13、X17CrNi16-2）用于耐腐蚀性。材料等级影响芯材强度和淬透性。
热处理：滚道始终硬化（通常是感应或表面硬化）至高表面硬度 （55-62 HRC） 以实现耐磨性，同时铁芯保持韧性。热处理深度至关重要。回火可以缓解压力。材料和热处理的选择直接影响负载能力和疲劳寿命。
润滑：根据速度、温度、负载和环境指定初始润滑脂类型（基础油粘度、增稠剂、添加剂）。定义补充润滑间隔和方法。
监管和认证要求：行业特定标准（ISO、DIN、AGMA、API）、材料认证（例如 3.1/3.2）或特定测试要求 （NDT）。
回转支承的特点
回转轴承具有独特的特性，使其有别于标准轴承，使其成为重型旋转不可或缺的一部分：
组合负载能力：它们的基本设计优势在于能够同时支撑巨大的轴向力、径向力和倾斜力矩，通常作为主要荷载工况。
大直径、紧凑高度：设计直径范围从 100 毫米以下到 10 米以上，但保持与负载能力成正比的相对较低的横截面高度。
集成安装：内圈和外圈上都有许多精密加工的安装孔（螺纹孔或通孔），可直接、安全地用螺栓固定在机器结构上，在大多数情况下无需单独的轴承座。
集成齿轮：通常将直接加工到其中一个环上的高精度齿轮齿（外齿轮或内齿轮齿）相结合，提供用于旋转的直接驱动接口。
坚固的结构：由具有硬化滚道的高强度合金钢制成，利用大直径滚动体（滚珠或滚子）有效分配巨大的载荷。
定制：在尺寸、齿轮规格（模块、齿数、轮廓）、密封解决方案（多种类型和材料）、润滑规定、螺栓模式、材料等级（包括不锈钢）和特殊功能（传感器、孔、涂层）方面高度可定制。
密封系统：即使在恶劣的环境中，采用复杂的多屏障密封系统（通常是弹性唇形密封，有时与迷宫特征或 V 形环结合使用）来保护关键滚道免受污染物影响并保留润滑剂。
高刚性（尤其是预紧/交叉滚子）：当设计为减小游隙、预紧力或采用交叉滚子配置时，回转轴承可提供卓越的扭转刚度和轴向刚度，最大限度地减少负载下的挠度，从而实现精确定位。
回转支承应用
回转支承的独特功能使其在众多行业和机械中至关重要：
工程机械：挖掘机、履带式起重机、移动式起重机、塔式起重机、混凝土泵车、打桩机、钻机、压实机。
物料搬运：港口起重机（船岸、龙门、RTG）、堆取料机、叉车（尤其是重型）、自动导引车 （AGV）、转盘、升降平台。
风能：风力涡轮机上的变桨轴承（调整叶片角度）和偏航轴承（使机舱面向风）。
太阳能：太阳能跟踪器（单轴和双轴），可精确地将光伏电池板定向到太阳。
工业自动化：机械臂（尤其是重负载）、焊接定位器、分度台、码垛机、装配线转盘、大型雷达天线基座。
医疗设备：CT 扫描仪、MRI 机器、放射治疗龙门架、手术机器人——需要极高的精度和平滑度。
国防和航空航天：坦克炮塔、导弹发射器、雷达系统、卫星通信天线、飞行模拟器。
采矿和矿物加工：斗轮挖掘机、堆垛机、取料机、隧道掘进机、选矿设备。
农业：联合收割机、大型喷雾机、灌溉系统。
船舶和近海：甲板起重机、海上起重机、绞车、吊艇架、推进方位推进器、直升机甲板转盘。
回收和废物处理：物料搬运机（抓斗）、撕碎机、滚筒筛、分拣设备。
影响回转支承价格的因素
回转支承的成本因众多技术和商业因素而有很大差异：
尺寸和复杂性：较大的节径和横截面本质上需要更多的材料和加工时间。具有多排滚动体、复杂几何形状或非常大直径的轴承价格更高。
材料成本：标准高碳铬钢是基准。使用不锈钢等耐腐蚀材料（AISI 4140/42CrMo4 与 X30Cr13/440C）会显着增加原材料成本。特殊合金或涂层会进一步增加费用。
制造精度和公差：需要超高精度（例如，用于医疗或航空航天）、严格跳动公差或特殊表面光洁度的轴承涉及更复杂的加工、磨削和严格的质量控制，从而增加了成本。
齿轮加工：齿轮的加入增加了大量成本。因素包括齿轮类型（外/内）、尺寸（模数/节距、直径）、齿数、所需精度（质量等级 AGMA/ISO）、齿形复杂性（标准渐开线与特殊轮廓）和硬化工艺。高精度、大模数齿轮特别昂贵。
热处理：滚道硬化工艺（感应、表面硬化）的深度、均匀性和质量控制至关重要且成本高昂。实现深、一致的硬度而不变形需要先进的设备和专业知识。不锈钢热处理通常更复杂且更昂贵。
密封系统：标准双唇密封很常见。适用于恶劣环境的更复杂或更坚固的密封解决方案（三唇密封件、FKM/Viton 等专用弹性体材料、PTFE 密封件、集成迷宫功能或 V 形圈密封件）会增加成本。
轴承类型和设计：交叉滚子轴承的成本通常高于同等尺寸的 4 点接触球轴承。由于复杂性，三列滚子轴承是最昂贵的轴承之一。标准目录之外的定制设计会产生工程和设置成本。
数量：规模经济具有重要应用性。由于摊销的设置和工具成本，对于较大的生产运行，单位成本会大幅降低。原型或单轴承是每单位最昂贵的。
辅助功能：集成传感器安装座（例如，用于温度或振动）、特殊螺栓孔模式或类型（沉孔、攻丝与贯穿）、润滑系统复杂性（中央润滑端口）、特殊表面处理（腐蚀涂层，如锌镍、油漆）或非标准加工功能会增加成本。
质量认证和测试：符合严格的行业标准（例如 API、DNV-GL）、广泛的材料可追溯性（例如 EN 10204 3.1/3.2 证书）以及超出标准水平的强制性无损检测（NDT - MPI、UT）会增加制造和文档成本。
供应商专业知识和声誉：在复杂或关键应用方面拥有成熟专业知识的成熟制造商通常会根据可靠性、工程支持和质量保证获得溢价。
物流：包装和运输极大或超重轴承的成本可能很高。
回转支承供应商
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