1. 2015-12-19 1 港口起重机回转支承轮 齿与法兰分析 武汉理工大学物流工程学院 港口物流技术与装备教育部 工程研究中心 胡吉全

2. 2/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 一 三 回转支承疲劳强度计算 回转支承法兰变形分析 内容简介 回转支承轮齿断齿分析 二

3. 3/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 1. 回转支承的疲劳计算 回转支承承载能力曲线图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 号。 承载能力曲线一般有两条，一条为极限静载曲线，一 条为疲劳寿命曲线。极限静载曲线用于初步选型，疲劳寿 命曲线用于校核。 1.1 回转支承承载能力曲线

4. 4/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 1. 回转支承的疲劳计算 1.1 回转支承承载能力曲线

5. 5/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 1. 回转支承的疲劳计算 1.2 回转支承寿命计算 式中： L f — 回转支承 360° 回转时的使用寿命； f e — 回转支承寿命载荷系数： ε — 寿命指数，球轴承取 ε=3 ，滚动轴承 ε=10/3 。 计算公式： 回转支承的选型寿命计算是依据回转支承在带载回转运行 360° 为整 圈作为循环的基本单位，连续运行 30000 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。

6. 6/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 1. 回转支承的疲劳计算 1.2 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. 7/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 1. 回转支承的疲劳计算 1.3 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. 8/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 1. 回转支承的疲劳计算 1.3 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. 9/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 1. 回转支承的疲劳计算 1.4 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. 10/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 2.1 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 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。过载折断通常 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 力所造成的。

11. 11/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 2.2 静强度齿根弯曲应力 （ 1 ）静强度最大齿根弯曲应力 （ 1-1 ）

12. 12/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 2.2 静强度齿根弯曲应力 （ 2 ）静强度许用齿根弯曲应力 （ 1-2 ）

13. 13/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 在 solidworks 软件中建立回转支承轮齿的三维模型，将 其导入 ANSYS 软件中，轮齿三维模型如图 1-1 所示。有限元 分析时，选择三齿模型。轮齿单元选取 SOLID95 单元，模 型单位为 m ，划分网格的三齿有限元模型如图 1-2 。 2.3 轮齿有限元分析 图 1-1 轮齿三维模型图 1-2 三齿有限元模型

14. 14/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 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 简图如图 1-3 所示。 2.3 轮齿有限元分析 图 1-3 齿根应力计算图 法向载荷 （ 1-3 ） 载荷作用角 （ 1- 4 ）

15. 15/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 有限元计算结果如图 1-4 所示，齿根最大弯曲应力最大 2.3 轮齿有限元分析 图 1-4 齿根弯曲应力云图

16. 16/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 在齿根应力较大的区域沿着齿宽方向选择一条线作为 路径，提取线上的节点应力，节点应力分布如图 1-5 所示。 2.3 轮齿有限元分析 图 1-5 齿根节点应力分布 沿着齿宽方向，应 力基本是对称分布， 靠近两端的弯曲应 力较大，中心处弯 曲应力较小。

17. 17/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 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 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 1-6 所示，齿根最大弯曲应力。 2.3 轮齿有限元分析 图 1-6 齿根弯曲应力云图

18. 18/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 2. 回转支承轮齿断齿分析 在齿根应力较大的区域沿着齿宽方向选择一条线作为 路径，提取线上的节点应力，节点应力分布如图 1-7 所示。 2.3 轮齿有限元分析 图 1-7 齿根节点应力分布 施加偏载荷后，一端 的齿根应力明显增大 很多，当外界的偏载 荷使齿根应力超过许 用值时，轮齿齿根会 出现裂纹，进而加速 轮齿断裂。

19. 19/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 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，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

20. 20/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 本文分析的 MQ4040 门座起重机回转支承与圆筒门架 连接的法兰内圈直径 3454mm ，外圈直径 3834mm ，法 兰板上开 72 个螺栓孔，孔径 45mm ，螺栓孔中心线直径 3742mm 。回转支承与转台连接的法兰内圈直径 3268mm ，外圈直径 3640mm ，法兰板上开 72 个螺栓孔， 孔径 45mm ，螺栓孔中心线直径 3358mm 。法兰板厚为 120mm ，与法兰连接的过渡圆筒厚度为 30mm 。 3.1 法兰结构形式

21. 21/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 圆筒门架采用 SHELL93 壳单元，回转支承主体和法 兰结构采用 SOLID95 实体单元，螺栓采用 LINK8 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 支承的接触采用面 — 面接触，目标单元为 Targe170 ，接 触单元为 Conta174 ，摩擦系数取 0.3 。 3.2 法兰有限元模型建立

22. 22/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 法兰板厚为 120mm ，过渡圆筒厚度为 30mm 的有限元模型和回转支 承部分模型如图 2-1 、图 2-2 所示。 3.2 法兰有限元模型建立 图 2-1 整体有限元模型 图 2-2 1/4 回转支承有限元模型

23. 23/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 计算载荷工况数据如下表。 3.3 法兰有限元计算结果 名称 载荷工况 ABCD 垂直力 V （ N ） 5.27×10 6 4.18×10 6 4.68×10 6 水平力 H （ N ） 1.96×10 5 2.27×10 5 7.5×10 5 0 倾覆力 矩 M （ N.m ） 2.42×10 7 3.33×10 6 7.29×10 6 1.54×10 7 表 2-1 回转支承计算载荷

24. 24/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 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 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 120mm ，过渡圆筒厚度为 30mm ，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。 3.3 法兰有限元计算结果 图 2-3 上部法兰变形图 ( 工况 A) 图 2-4 上部法兰变形图 ( 工况 B)

25. 25/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 过渡圆筒厚度为 30mm ，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。 3.3 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 800.32190.28500.06080.058130.15910.1507 0.18850.1687 900.31080.27900.05950.057360.15520.1495 0.18200.1651 1000.29460.27600.05900.057020.15410.1487 0.17440.1637 1100.31700.28330.06020.058110.15720.1515 0.18520.1675 1200.31620.28310.06010.058140.15720.1514 0.18480.1674 1300.31480.28240.05990.058020.15660.1513 0.18390.1669 1400.32250.28520.06170.058960.16100.1527 0.18810.1682 表 2-2 法兰板平面变形角度（ ° ）

26. 26/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 法兰板变形角度曲线图如下。 3.3 法兰有限元计算结果 图 2-11 载荷工况 A 图 2-12 载荷工况 B

27. 27/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 3.3 法兰有限元计算结果 图 2-13 载荷工况 C 图 2-14 载荷工况 D 从上表和图中可以看出，板厚为 100mm 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 线性减少。

28. 28/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 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 条件不变，选取载荷工况 A ，经过有限元分析得出法兰板平面变形 角度见下表。 3.3 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 24 0.32480.28760.31380.28160.29750.27870.32000.2860 26 0.32370.28660.31260.28060.29640.27770.31890.2849 28 0.32270.28570.31160.27970.29540.27680.31790.2841 30 0.32190.28500.31080.27900.29460.27600.31700.2833 32 0.32350.29060.31000.27830.29390.27530.31620.2826 34 0.32300.29010.30930.27780.29320.27480.31550.2821 36 0.32250.28960.30870.27720.29260.27420.31490.2815 38 0.32200.28920.30810.27680.29210.27380.31430.2810 400.32160.28890.30760.27630.29160.27330.31380.2806 表 2-3 法兰板平面变形角度（ ° ）

29. 29/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 续接上表 3.3 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 24 0.31930.28580.31780.28500.32550.2879 26 0.31810.28480.31670.28400.32430.2869 28 0.31710.28390.31570.28320.32330.2860 30 0.31620.28320.31480.28240.32250.2852 32 0.31550.28250.31400.28180.32170.2845 34 0.31480.28190.31340.28120.32100.2839 36 0.31420.28140.31280.28070.32040.2834 38 0.31360.28090.31220.28020.31990.2829 400.31310.28050.31170.27980.31940.2825

30. 30/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 变形角度曲线图如下 3.3 法兰有限元计算结果 图 2-15 80mm 厚法兰板图 2-16 90mm 厚法兰板 图 2-17 100mm 厚法兰板 图 2-18 110mm 厚法兰板

31. 31/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19 3. 回转支承法兰分析 3.3 法兰有限元计算结果 图 2-19 120mm 厚法兰板图 2-20 130mm 厚法兰板图 2-21 140mm 厚法兰板 从上表和图中可以看出，除了 80mm 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。

32. 32/32 港口物流技术与装备教育部工程研究中心 2015-12-19