1、2022-6-42022-6-41港口起重机回转支承轮港口起重机回转支承轮齿与法兰分析齿与法兰分析武汉理工大学物流工程学院武汉理工大学物流工程学院港口物流技术与装备教育部港口物流技术与装备教育部工程研究中心工程研究中心 胡吉全胡吉全2/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-4一一三三回转支承疲劳强度计算回转支承疲劳强度计算回转支承法兰变形分析回转支承法兰变形分析内容简介回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析二二3/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-41. 回转支承的疲劳计算回转支承的疲
2、劳计算 回转支承承载能力曲线图回转支承承载能力曲线图是由轴承制造厂家提供的，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。号。 承载能力曲线一般有两条，一条为承载能力曲线一般有两条，一条为极限静载曲线极限静载曲线，一，一条为条为疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线。极限静载曲线用于初步选型，疲劳寿。极限静载曲线用于初步选型，疲劳寿命曲线用于校核。命曲线用于校核。1.1 回转支承承载能力曲线回转支承承载能力曲线4/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-41. 回转支承的疲劳计
3、算回转支承的疲劳计算1.1 回转支承承载能力曲线回转支承承载能力曲线5/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-41. 回转支承的疲劳计算回转支承的疲劳计算1.2 回转支承寿命计算回转支承寿命计算 30000)(effL式中：式中： L Lf f 回转支承回转支承360360回转时的使用寿命回转时的使用寿命；f fe e 回转支承寿命载回转支承寿命载荷系数：荷系数： 寿命指数，球轴承取寿命指数，球轴承取=3=3，滚，滚动轴承动轴承=10/3=10/3。 计算公式： 回转支承的选型回转支承的选型寿命寿命计算计算是是依据回转支承在带载回转运行依据回
4、转支承在带载回转运行360360为整圈作为循环的基本单位，连续运行为整圈作为循环的基本单位，连续运行3000030000个工作循环的试验工况个工作循环的试验工况下，统计样品所能承受的最大负载而作出的。下，统计样品所能承受的最大负载而作出的。6/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-41. 回转支承的疲劳计算回转支承的疲劳计算1.2 回转支承寿命计算回转支承寿命计算 港口起重机在实际回转工作循环中，回转支承并没有作全回转运动，大多数情况下与上部回转结构固定连接的运行滚道仅会随回转结构在回转圆周的部分区域中运动。同时，港口起重机的回转支承在工作循
5、环中，所受的载荷也比较复杂，并非曲线试验中固定的载荷工况所能模拟的。常规寿命校核计算中将动态承载曲线用于将应对复杂工况的港口起重机回转支承的寿命校核，并没有对港口起重机中回转支承使用情况的特殊性加以考虑，所以计算结果也缺乏实用性，使得寿命校核并没有起到实质性的作用。7/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-41. 回转支承的疲劳计算回转支承的疲劳计算1.3 回转支承寿命计算载荷谱回转支承寿命计算载荷谱 门机的回转工作范围荷载作用频数的设定:8/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-41. 回
6、转支承的疲劳计算回转支承的疲劳计算1.3 回转支承寿命计算载荷谱回转支承寿命计算载荷谱按工作级别A8，设定可能出现的各循环事件及各自的设计循环次数9/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-41. 回转支承的疲劳计算回转支承的疲劳计算1.4 回转支承有限元疲劳分析回转支承有限元疲劳分析 根据金属结构疲劳分析理论与分析计算过程，利用有限元软件中的疲劳分析功能对外滚座结构中疲劳危险位置点的疲劳分析，得到了回转支承在起重机设定工作载荷谱作用下滚座结构中疲劳分析点的累积损伤率(即耗损系数)及既定载荷谱下回转支承允许经历的最大循环次数，为回转支承选型计算
7、中针对回转支承的寿命校核提供了更加准确的依据和指导作用。10/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析2.1 2.1 齿轮断齿形式齿轮断齿形式 轮齿受力后，在齿根部产生的弯曲应力很大，且在齿根过渡圆角处轮齿受力后，在齿根部产生的弯曲应力很大，且在齿根过渡圆角处有应力集中，由于轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限，在齿根圆角有应力集中，由于轮齿的交变应力超过了材料的疲劳极限，在齿根圆角处将产生疲劳裂纹，裂纹不断扩展，造成弯曲疲劳折断。处将产生疲劳裂纹，裂纹不断扩展，造成弯曲疲劳折断。过载折断过载折断通常
8、通常是由于受到短时过载或冲击载荷或轮齿磨薄，是轮齿应力超过其极限应是由于受到短时过载或冲击载荷或轮齿磨薄，是轮齿应力超过其极限应力所造成的。力所造成的。11/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析2.2 静强度齿根弯曲应力静强度齿根弯曲应力（1）静强度最大齿根弯曲应力）静强度最大齿根弯曲应力 （1-1）calFstVFFFSnFK KKY Y Y Ybm12/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析2.
9、2 静强度齿根弯曲应力静强度齿根弯曲应力（2）静强度许用齿根弯曲应力）静强度许用齿根弯曲应力 （1-2）relTFNTSTFFPstYSYYminlim13/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析 在在solidworkssolidworks软件中建立回转支承轮齿的三维模型，将其软件中建立回转支承轮齿的三维模型，将其导入导入ANSYSANSYS软件中，软件中，轮齿三维模型轮齿三维模型如图如图1-11-1所示。有限元分所示。有限元分析时，选择三齿模型。轮齿单元选取析时，选择三齿模型。轮齿单元选取SO
10、LID95SOLID95单元，模型单单元，模型单位为位为m m，划分网格的，划分网格的三齿有限元模型三齿有限元模型如图如图1-21-2。2.3 轮齿有限元分析轮齿有限元分析图图1-1 1-1 轮齿轮齿三三维维模型模型图图1-2 1-2 三三齿齿有限元模型有限元模型14/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析考虑单齿啮合，不考虑摩擦力的影响，齿根应力计算考虑单齿啮合，不考虑摩擦力的影响，齿根应力计算简图如图简图如图1-31-3所示。所示。2.3 轮齿有限元分析轮齿有限元分析图图1-3 1-3 齿齿根
11、根应应力力计计算算图图 法向载荷法向载荷 （1-3） n2=cosTFd载荷作用角载荷作用角 （1-4）1=tan-2FinvZ15/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析有限元计算结果如图有限元计算结果如图1-41-4所示，齿根最大弯曲应力最大所示，齿根最大弯曲应力最大2.3 轮齿有限元分析轮齿有限元分析ncosFF图图1-41-4 齿齿根根弯弯曲曲应应力云力云图图16/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮
12、齿断齿分析 在齿根应力较大的区域沿着齿宽方向选择一条线作为在齿根应力较大的区域沿着齿宽方向选择一条线作为路径，提取线上的节点应力，节点应力分布如图路径，提取线上的节点应力，节点应力分布如图1-51-5所示。所示。2.3 轮齿有限元分析轮齿有限元分析ncosFF图图1-5 1-5 齿齿根根节节点点应应力分布力分布沿着齿宽方向，应沿着齿宽方向，应力基本是对称分布，力基本是对称分布，靠近两端的弯曲应靠近两端的弯曲应力较大，中心处弯力较大，中心处弯曲应力较小。曲应力较小。17/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮
13、齿断齿分析 实际中由于回转机构安装误差或者转台变形，导致轮齿受到偏载荷实际中由于回转机构安装误差或者转台变形，导致轮齿受到偏载荷的作用，在以上基础上施加偏载荷均布作用于齿宽的三分之一，有限元的作用，在以上基础上施加偏载荷均布作用于齿宽的三分之一，有限元分析结果如图分析结果如图1-61-6所示，齿根最大弯曲应力。所示，齿根最大弯曲应力。2.3 轮齿有限元分析轮齿有限元分析ncosFF图图1-61-6 齿齿根根弯弯曲曲应应力云力云图图18/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-42.回转支承轮齿断齿分析回转支承轮齿断齿分析 在齿根应力较大的区域沿
14、着齿宽方向选择一条线作为在齿根应力较大的区域沿着齿宽方向选择一条线作为路径，提取线上的节点应力，节点应力分布如图路径，提取线上的节点应力，节点应力分布如图1-71-7所示。所示。2.3 轮齿有限元分析轮齿有限元分析ncosFF图图1-7 1-7 齿齿根根节节点点应应力分布力分布施加偏载荷后，一端施加偏载荷后，一端的齿根应力明显增大的齿根应力明显增大很多，当外界的偏载很多，当外界的偏载荷使齿根应力超过许荷使齿根应力超过许用值时，轮齿齿根会用值时，轮齿齿根会出现裂纹，进而加速出现裂纹，进而加速轮齿断裂。轮齿断裂。19/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心20
15、22-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析 回转支承本身的刚度较小，特别是横向刚度很差，回转支承本身的刚度较小，特别是横向刚度很差，主要依赖与其连接的法兰刚度，保证法兰有足够的刚度主要依赖与其连接的法兰刚度，保证法兰有足够的刚度至关重要。法兰结构形式一直在不断改进，其至关重要。法兰结构形式一直在不断改进，其结构形式结构形式主要有支座式、平法兰板式、圆筒插入式、加厚法兰板主要有支座式、平法兰板式、圆筒插入式、加厚法兰板及圆筒插人式、增加过渡圆筒的加厚法兰板形式。及圆筒插人式、增加过渡圆筒的加厚法兰板形式。3.1 法兰结构形式法兰结构形式20/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流
16、技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析 本文分析的本文分析的MQ4040MQ4040门座起重机回转支承与圆筒门架门座起重机回转支承与圆筒门架连接的法兰内圈直径连接的法兰内圈直径 3454mm3454mm，外圈直径，外圈直径 3834mm3834mm，法兰，法兰板上开板上开7272个螺栓孔，孔径个螺栓孔，孔径 45mm45mm，螺栓孔中心线直径，螺栓孔中心线直径 3742mm3742mm。回转支承与转台连接的法兰内圈直径。回转支承与转台连接的法兰内圈直径 3268mm3268mm，外圈直径外圈直径 3640mm3640mm，法兰板上开，法兰板上开7272
17、个螺栓孔，孔径个螺栓孔，孔径 45mm45mm，螺栓孔中心线直径螺栓孔中心线直径 3358mm3358mm。法兰板厚为。法兰板厚为120mm120mm，与法兰，与法兰连接的连接的过渡圆筒过渡圆筒厚度为厚度为30mm30mm。3.1 法兰结构形式法兰结构形式21/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析 圆筒门架采用圆筒门架采用SHELL93SHELL93壳单元，回转支承主体和法兰壳单元，回转支承主体和法兰结构采用结构采用SOLID95SOLID95实体单元，螺栓采用实体单元，螺栓采用LINK8LINK8杆单
18、元。将杆单元。将滚动体与滚道看成一个整体，杆单元的位置在螺栓孔中滚动体与滚道看成一个整体，杆单元的位置在螺栓孔中心，杆单元与法兰板连接的节点耦合，添加初始应变模心，杆单元与法兰板连接的节点耦合，添加初始应变模拟高强度螺栓预紧力，忽略角钢和筋板。法兰与回转支拟高强度螺栓预紧力，忽略角钢和筋板。法兰与回转支承的接触采用面承的接触采用面面接触，目标单元为面接触，目标单元为Targe170Targe170，接触，接触单元为单元为Conta174Conta174，摩擦系数取，摩擦系数取0.30.3。3.2 法兰有限元模型建立法兰有限元模型建立22/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装
19、备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析法兰板厚为法兰板厚为120mm120mm，过渡圆筒厚度为，过渡圆筒厚度为30mm30mm的有限元模型和回转支的有限元模型和回转支承部分模型如图承部分模型如图2-12-1、图、图2-22-2所示。所示。3.2 法兰有限元模型建立法兰有限元模型建立图图2-1 2-1 整体有限元模型整体有限元模型图图2-2 1/42-2 1/4回回转转支承有限元模型支承有限元模型23/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析计算载荷工况数据如下表。计算载荷工
20、况数据如下表。3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果名称名称载荷工况载荷工况A AB BC CD D垂直力垂直力V V（N N）5.275.2710106 65.275.2710106 64.184.1810106 64.684.6810106 6水平力水平力H H（N N）1.961.9610105 52.272.2710105 57.57.510105 50 0倾覆力倾覆力矩矩M M（N.mN.m）2.422.4210107 73.333.3310106 67.297.2910106 61.541.5410107 7表表2-1 2-1 回回转转支承支承计计算算载载荷荷24/32港口物
21、流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析 在上部圆筒端面建立一个刚性平面，将水平力、垂直力和倾覆在上部圆筒端面建立一个刚性平面，将水平力、垂直力和倾覆力矩施加到刚性平面的中心节点，圆筒门架底部施加全约束。法兰力矩施加到刚性平面的中心节点，圆筒门架底部施加全约束。法兰板厚为板厚为120mm120mm，过渡圆筒厚度为，过渡圆筒厚度为30mm30mm，不同载荷工况下计算的回，不同载荷工况下计算的回转支承上、下法兰板的位移云图如下。转支承上、下法兰板的位移云图如下。3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果图图2-3 2-
22、3 上部法上部法兰变兰变形形图图( (工工况况A)A)图图2-4 2-4 上部法上部法兰变兰变形形图图( (工工况况B) B) 25/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析 过渡圆筒厚度为过渡圆筒厚度为30mm30mm，不同厚度的法兰板在不同载荷工况作，不同厚度的法兰板在不同载荷工况作用下计算得出的变形角度见下表。用下计算得出的变形角度见下表。3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果法兰板厚(mm)载荷工况ABCD上法兰下法兰上法兰下法兰上法兰下法兰上法兰下法兰800.32190.28500.0608
23、0.058130.15910.15070.18850.1687900.31080.27900.05950.057360.15520.14950.18200.16511000.29460.27600.05900.057020.15410.14870.17440.16371100.31700.28330.06020.058110.15720.15150.18520.16751200.31620.28310.06010.058140.15720.15140.18480.16741300.31480.28240.05990.058020.15660.15130.18390.16691400.32250
24、.28520.06170.058960.16100.15270.18810.1682表表2-2 2-2 法法兰兰板平面板平面变变形角度形角度（）26/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析法兰板变形角度曲线图如下。法兰板变形角度曲线图如下。3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果图图2-11 2-11 载载荷工荷工况况A A图图2-12 2-12 载载荷工荷工况况B B27/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析
25、3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果图图2-13 2-13 载载荷工荷工况况C C图图2-14 2-14 载载荷工荷工况况D D从上表和图中可以看出，板厚为从上表和图中可以看出，板厚为100mm100mm的上、下法兰板的上、下法兰板变形角度是最小的。随着法兰厚度增加，变形角度不是变形角度是最小的。随着法兰厚度增加，变形角度不是线性减少。线性减少。28/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析 接下来在同一种法兰厚度情况下，改变过渡圆筒的厚度，其他接下来在同一种法兰厚度情况下，改变过渡圆筒的厚度，其他
26、条件不变，选取载荷工况条件不变，选取载荷工况A A，经过有限元分析得出法兰板平面变形，经过有限元分析得出法兰板平面变形角度见下表。角度见下表。3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果圆筒厚度(mm)法兰板厚(mm)8090100110上法兰下法兰上法兰下法兰上法兰下法兰上法兰下法兰240.32480.28760.31380.28160.29750.27870.32000.2860260.32370.28660.31260.28060.29640.27770.31890.2849280.32270.28570.31160.27970.29540.27680.31790.2841300.321
27、90.28500.31080.27900.29460.27600.31700.2833320.32350.29060.31000.27830.29390.27530.31620.2826340.32300.29010.30930.27780.29320.27480.31550.2821360.32250.28960.30870.27720.29260.27420.31490.2815380.32200.28920.30810.27680.29210.27380.31430.2810400.32160.28890.30760.27630.29160.27330.31380.2806表表2-3 2
28、-3 法法兰兰板平面板平面变变形角度形角度（）29/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析续接上表续接上表3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果圆筒厚度(mm)法兰板厚(mm)120130140上法兰下法兰上法兰下法兰上法兰下法兰240.31930.28580.31780.28500.32550.2879260.31810.28480.31670.28400.32430.2869280.31710.28390.31570.28320.32330.2860300.31620.28320.31480.2
29、8240.32250.2852320.31550.28250.31400.28180.32170.2845340.31480.28190.31340.28120.32100.2839360.31420.28140.31280.28070.32040.2834380.31360.28090.31220.28020.31990.2829400.31310.28050.31170.27980.31940.282530/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析变形角度曲线图如下变形角度曲线图如下3.3 法兰有限元计
30、算结果法兰有限元计算结果图图2-15 80mm2-15 80mm厚法厚法兰兰板板图图2-16 90mm2-16 90mm厚法厚法兰兰板板图图2-17 100mm2-17 100mm厚法厚法兰兰板板图图2-18 110mm2-18 110mm厚法厚法兰兰板板31/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-43.回转支承法兰分析回转支承法兰分析3.3 法兰有限元计算结果法兰有限元计算结果图图2-19 120mm2-19 120mm厚法厚法兰兰板板 图图2-20 130mm2-20 130mm厚法厚法兰兰板板 图图2-21 140mm2-21 140mm厚法厚法兰兰板板 从上表和图中可以看出，除了从上表和图中可以看出，除了80mm80mm厚的法兰板变形角度有些波厚的法兰板变形角度有些波动，其余在法兰板厚度不变时，随着过渡圆筒厚度的增加，法兰板动，其余在法兰板厚度不变时，随着过渡圆筒厚度的增加，法兰板变形角度线性减小，但总体数值变化不大，曲线基本趋于水平。由变形角度线性减小，但总体数值变化不大，曲线基本趋于水平。由此可见增加过渡圆筒的厚度不能明显减小法兰板变形角度。此可见增加过渡圆筒的厚度不能明显减小法兰板变形角度。32/32港口物流技术与装备教育部工程研究中心港口物流技术与装备教育部工程研究中心2022-6-4
