本發(fā)明屬于回轉(zhuǎn)支承設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種高溫環(huán)境下承載能力強(qiáng)的回轉(zhuǎn)支承及提高其承載能力的方法。
背景技術(shù)：
：回轉(zhuǎn)支承即轉(zhuǎn)盤軸承，其結(jié)構(gòu)組成主要包括滾動(dòng)體和內(nèi)、外滾圈等。因其可以承載較大傾覆力矩和軸、徑向載荷的共同作用，同時(shí)兼具運(yùn)轉(zhuǎn)方便靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、裝拆方便快捷等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，所以逐漸在各種機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。在一些高溫工況(如工頻爐、鐵水鋼包、熔煉爐轉(zhuǎn)包等)中使用的回轉(zhuǎn)支承，不僅要承受高溫產(chǎn)生的巨大熱應(yīng)力，同時(shí)還要承載回轉(zhuǎn)平臺(tái)等物體自重的共同作用，一旦超過其許可的承載應(yīng)力值，極容易造成回轉(zhuǎn)支承滾道損壞，從而影響整個(gè)機(jī)械以及整條作業(yè)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)支承的承載能力與滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)。目前回轉(zhuǎn)支承接觸區(qū)域的應(yīng)力分析主要有兩種方法：基于Herts接觸理論的解析法和有限元法；基于Herts接觸理論的解析法需要對(duì)模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化，并且不考慮材料的塑性變形、滾動(dòng)體與滾道之間的摩擦及滾圈的表面處理等等，因此這種解析法的誤差較大。有限元法是近些年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展而形成的一種利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)(幾何和載荷工況)進(jìn)行模擬的數(shù)值分析方法，這種方法可以模擬更接近實(shí)際的工況，計(jì)算結(jié)果更加精確。當(dāng)前利用有限元軟件已能夠比較方便地對(duì)常溫下的回轉(zhuǎn)支承承載性能進(jìn)行分析，然而要想準(zhǔn)確地反映高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承的承載性能則比較困難。主要是由于回轉(zhuǎn)支承模型一般較大，需要將溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合來模擬更接近實(shí)際的工況，而加上熱力耦合算法求解速度相對(duì)較慢，如果想得到較為精確的結(jié)果，需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。且對(duì)高溫回轉(zhuǎn)支承的優(yōu)化改進(jìn)需考慮更多因素，這樣就需要對(duì)很多組不同模型進(jìn)行熱力耦合分析，將會(huì)浪費(fèi)大量的精力和時(shí)間在有限元求解計(jì)算中，是相當(dāng)不值得的。經(jīng)檢索，在常溫下利用有限元法設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)支承的方案已有公開，如中國(guó)專利號(hào)ZL201210102961.4，授權(quán)公告日為2014年5月7日，發(fā)明創(chuàng)造名稱為：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸調(diào)心滾子軸承及其設(shè)計(jì)方法；該申請(qǐng)案的軸承設(shè)計(jì)過程包括以下步驟：a.建立坐標(biāo)系；b.計(jì)算主軸受力；c.計(jì)算調(diào)心滾子軸承受力；d-1.計(jì)算接觸應(yīng)力；d-2.取下限值A(chǔ)1；d-3.取上限值A(chǔ)2；d-4.利用差值法進(jìn)行計(jì)算；d-5.計(jì)算滿足|Ui-Vi|<3Ui/100且|Ui-Vi|<3Vi/100的比例系數(shù)Ai，設(shè)計(jì)出符合要求的軸承。該申請(qǐng)案有效減小了滾子與滾道的接觸應(yīng)力，采用有限元和差值算法，將兩排滾子接觸應(yīng)力的差值控制在較小的3％以內(nèi)，解決了滾子受力不均衡問題，提高了軸承使用壽命。但正如上文分析，該申請(qǐng)案并不適用于高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承的承載性能計(jì)算，仍需有針對(duì)性的重新設(shè)計(jì)一種提高回轉(zhuǎn)支承高溫環(huán)境下承載能力的方案。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題為了準(zhǔn)確地計(jì)算高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承接觸區(qū)域的應(yīng)力分布并對(duì)其承載能力進(jìn)行優(yōu)化，本發(fā)明提供了一種高溫環(huán)境下承載能力強(qiáng)的回轉(zhuǎn)支承及提高其承載能力的方法；本發(fā)明利用有限元建模模擬高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承的工況，求解出接觸區(qū)域的應(yīng)力分布情況，并綜合考慮回轉(zhuǎn)支承接觸角、滾道半徑與滾球半徑比值、滾球半徑、淬硬層深度和滾道硬度等因素的影響，利用正交試驗(yàn)分析得出其承載能力最強(qiáng)的參數(shù)組合，從而提高回轉(zhuǎn)支承的承載能力。2.技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：本發(fā)明的一種提高回轉(zhuǎn)支承高溫環(huán)境下承載能力的方法，利用有限元建模模擬高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承的工況，求解出滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)域的應(yīng)力分布情況，并分析單一結(jié)構(gòu)因素對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響，再利用正交試驗(yàn)分析多個(gè)結(jié)構(gòu)因素共同改變時(shí)對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響，得出回轉(zhuǎn)支承承載能力最強(qiáng)的參數(shù)組合，從而提高回轉(zhuǎn)支承的承載能力。更進(jìn)一步地，所述的結(jié)構(gòu)因素包括回轉(zhuǎn)支承接觸角、滾道半徑與滾球半徑比值、滾球半徑、淬硬層深度和滾道硬度。更進(jìn)一步地，所述的利用有限元建模模擬高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承的工況，求解出滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)域的應(yīng)力分布情況的具體過程為：1)根據(jù)回轉(zhuǎn)支承實(shí)際尺寸參數(shù)在SolidWorks軟件中建立回轉(zhuǎn)支承模型；2)將SolidWorks軟件創(chuàng)建好的回轉(zhuǎn)支承模型導(dǎo)入到ABAQUS有限元軟件中；3)在ABAQUS軟件中建立兩個(gè)靜力分析步，在第一個(gè)分析步中，對(duì)回轉(zhuǎn)支承施加軸向載荷，使?jié)L動(dòng)體和滾圈之間建立穩(wěn)定的接觸關(guān)系；在第二個(gè)分析步中施加溫度場(chǎng)；4)在ABAQUS軟件的接觸設(shè)置里選用表面與表面接觸類型，且設(shè)置滾動(dòng)體表面為主接觸面，內(nèi)、外圈滾道面為從接觸面，同時(shí)設(shè)置摩擦屬性切向行為為“罰”函數(shù)，法向行為為“硬接觸”；5)對(duì)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈施加全約束，對(duì)外圈兩側(cè)面施加循環(huán)對(duì)稱約束邊界，滾動(dòng)體釋放其沿回轉(zhuǎn)支承軸向的自由度，在外圈上端面施加軸向載荷；6)對(duì)滾動(dòng)體和內(nèi)外滾圈接觸區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格選用六面體網(wǎng)格，單元類型選擇C3D8R；7)在ABAQUS軟件的作業(yè)模塊創(chuàng)建回轉(zhuǎn)支承分析作業(yè)，提交計(jì)算，得到滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)域的應(yīng)力分布分析結(jié)果。更進(jìn)一步地，步驟1)建立回轉(zhuǎn)支承模型過程中，只創(chuàng)建單個(gè)滾動(dòng)體和滾道的接觸模型，并在分析時(shí)對(duì)相關(guān)截面添加循環(huán)對(duì)稱邊界約束。更進(jìn)一步地，步驟1)建立回轉(zhuǎn)支承模型過程中，僅創(chuàng)建回轉(zhuǎn)支承整體模型的1/84進(jìn)行分析，且在建模時(shí)忽略倒角棱邊、油孔，螺栓安裝孔類對(duì)分析影響不大的特征。更進(jìn)一步地，分析單一結(jié)構(gòu)因素對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響時(shí)，控制其他結(jié)構(gòu)因素的數(shù)值固定，對(duì)該結(jié)構(gòu)因素設(shè)置多組數(shù)值，并分別建立常溫及高溫條件下，各數(shù)值對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)支承模型，進(jìn)行仿真分析滾動(dòng)體和滾道接觸區(qū)域的應(yīng)力分布。更進(jìn)一步地，在軸向載荷為3168kN，工作環(huán)境溫度為300℃的工況下，對(duì)單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行單一結(jié)構(gòu)因素分析；當(dāng)分析滾球和滾道接觸角對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響時(shí)，控制其他結(jié)構(gòu)因素的數(shù)值固定，令滾球和滾道接觸角分別為30°、35°、40°、45°、50°、55°和60°；分析滾道半徑和滾球半徑比對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響時(shí)，控制其他結(jié)構(gòu)因素的數(shù)值固定，令滾道半徑和滾球半徑比分別為1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07和1.08；分析滾球半徑對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響時(shí)，控制其他結(jié)構(gòu)因素的數(shù)值固定，令滾球半徑分別為22.5mm、23mm、23.5mm和24mm；分析淬硬層深度對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響時(shí)，控制其他結(jié)構(gòu)因素的數(shù)值固定，令淬硬層深度分別為5mm、5.5mm、6mm；分析滾道硬度對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響時(shí)，控制其他結(jié)構(gòu)因素的數(shù)值固定，令滾道硬度HRC為55、57、59、61。更進(jìn)一步地，利用正交試驗(yàn)分析多個(gè)結(jié)構(gòu)因素共同改變對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響時(shí)，對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)因素選擇4個(gè)水平，分別為：滾球和滾道接觸角30°、40°、50°和60°；滾道半徑和滾球半徑比1.02、1.04、1.06和1.08；滾球半徑22.5mm、23mm、23.5mm和24mm；淬硬層深度5mm、5.5mm、6mm、6.5mm；滾道硬度55、57、59、61。本發(fā)明的一種高溫環(huán)境下承載能力強(qiáng)的回轉(zhuǎn)支承，在300℃溫度環(huán)境下，回轉(zhuǎn)支承接觸角為60°、滾道半徑與滾球半徑比值為1.04、滾球半徑為22.5mm、淬硬層深度為5.5mm、滾道硬度為61HRC。3.有益效果采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與已有的公知技術(shù)相比，具有如下顯著效果：(1)本發(fā)明的一種提高回轉(zhuǎn)支承高溫環(huán)境下承載能力的方法，針對(duì)高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承接觸應(yīng)力大的情況，從回轉(zhuǎn)支承的接觸角、滾道半徑與滾球半徑比值、滾球半徑、淬硬層深度和滾道硬度等因素考慮，分析各單一因素對(duì)其承載能力的影響，最后通過采用正交試驗(yàn)分析得出多個(gè)因素共同改變時(shí)回轉(zhuǎn)支承承載能力最強(qiáng)的參數(shù)組合，從而提高了回轉(zhuǎn)支承的承載能力，該方案大大地減少了工作量，更加高效、快速、經(jīng)濟(jì)；(2)本發(fā)明的一種提高回轉(zhuǎn)支承高溫環(huán)境下承載能力的方法，利用ABAQUS有限元軟件模擬高溫回轉(zhuǎn)支承的工況，求解出接觸區(qū)域的應(yīng)力分布情況，可以模擬更接近實(shí)際的工況，計(jì)算結(jié)果更加精確；(3)本發(fā)明的一種提高回轉(zhuǎn)支承高溫環(huán)境下承載能力的方法，在建立回轉(zhuǎn)支承模型時(shí)，只創(chuàng)建單個(gè)滾動(dòng)體和滾道的接觸模型，并在分析時(shí)對(duì)相關(guān)截面添加循環(huán)對(duì)稱邊界約束，同時(shí)只對(duì)回轉(zhuǎn)支承整體模型的1/84進(jìn)行分析，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算，節(jié)約了時(shí)間。附圖說明圖1為回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為某型回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；圖3為回轉(zhuǎn)支承的SolidWorks建模圖；圖4為回轉(zhuǎn)支承1/84簡(jiǎn)化模型圖；圖5為載荷和邊界條件設(shè)置示意圖；圖6為回轉(zhuǎn)支承網(wǎng)格劃分圖；圖7為300℃環(huán)境下某型回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈應(yīng)力分析結(jié)果圖；圖8為300℃環(huán)境下某型回轉(zhuǎn)支承外圈應(yīng)力分析結(jié)果圖；圖9中的(a)和(b)分別為常溫、高溫下外圈接觸應(yīng)力隨接觸角的變化圖；圖10中的(a)和(b)為常溫、高溫下外圈接觸應(yīng)力隨半徑比的變化圖；圖11中的(a)和(b)為常溫、高溫下外圈接觸應(yīng)力隨滾球半徑的變化圖；圖12為各因素不同水平的試驗(yàn)指標(biāo)值結(jié)果圖；圖13為結(jié)構(gòu)改進(jìn)后回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力圖。示意圖中的標(biāo)號(hào)說明：1、外圈；2、密封帶；3、滾動(dòng)體；4、加油嘴；5、內(nèi)圈。具體實(shí)施方式為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。本發(fā)明的一種提高回轉(zhuǎn)支承高溫環(huán)境下承載能力的方法，其核心思想為：在SolidWorks軟件中建立回轉(zhuǎn)支承模型并導(dǎo)入ABAQUS軟件中，利用ABAQUS有限元軟件仿真分析高溫回轉(zhuǎn)支承在一定軸向載荷下的承載能力，分析求解回轉(zhuǎn)支承在高溫下的接觸應(yīng)力。由于高溫下的回轉(zhuǎn)支承接觸應(yīng)力較大，且經(jīng)發(fā)明人長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)得出，回轉(zhuǎn)支承的失效形式主要是滾道受到損壞和斷齒，其中滾道損壞的比例達(dá)到98％以上，滾道質(zhì)量的好壞直接影響回轉(zhuǎn)支承的性能。而回轉(zhuǎn)支承承載能力主要與其滾道結(jié)構(gòu)的剛性和滾道區(qū)域的應(yīng)力分布有關(guān)，不同的滾道結(jié)構(gòu)參數(shù)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布不一樣。因此，發(fā)明人從回轉(zhuǎn)支承的接觸角、滾道半徑與滾球半徑比值、滾球半徑、淬硬層深度和滾道硬度等因素考慮，又由于多因素?zé)崃︸詈戏治鲇?jì)算量太大，為了簡(jiǎn)化分析過程和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，分析各單一因素對(duì)其承載能力的影響，最后通過采用正交試驗(yàn)分析法綜合考慮多個(gè)因素共同改變時(shí)對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響，得出其承載能力最強(qiáng)的參數(shù)組合和應(yīng)滿足的熱處理工藝條件組合，從而提高回轉(zhuǎn)支承的承載能力。本發(fā)明可以模擬更接近實(shí)際的工況，計(jì)算結(jié)果更加精確。實(shí)施例1參看圖1，本實(shí)施例針對(duì)某型單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)主要由外圈1、密封帶2、滾動(dòng)體3、加油嘴4和內(nèi)圈5等組成。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示，研究工況為：軸向載荷為3168kN，工作環(huán)境溫度為300℃。本實(shí)施例的具體實(shí)施步驟如下：1)根據(jù)圖2提供的回轉(zhuǎn)支承尺寸參數(shù)在SolidWorks軟件中建立如圖3所示回轉(zhuǎn)支承的模型。由于回轉(zhuǎn)支承是對(duì)稱形狀，當(dāng)其承受軸向載荷時(shí)各個(gè)滾動(dòng)體與滾道接觸區(qū)域所受的載荷均相同，所以從簡(jiǎn)化模型和方便分析計(jì)算的角度，只創(chuàng)建單個(gè)滾動(dòng)體和滾道的接觸模型，并在分析時(shí)對(duì)相關(guān)截面添加循環(huán)對(duì)稱邊界約束。利用SolidWorks三維軟件創(chuàng)建回轉(zhuǎn)支承整體模型的1/84進(jìn)行分析，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，在建模時(shí)忽略倒角棱邊、油孔，螺栓安裝孔等對(duì)分析影響不大的特征。創(chuàng)建的1/84回轉(zhuǎn)支承模型如圖4所示。2)將SolidWorks軟件創(chuàng)建好的回轉(zhuǎn)支承模型導(dǎo)入到ABAQUS中，通過屬性模塊創(chuàng)建并定義回轉(zhuǎn)支承的材料屬性，并指派到相應(yīng)的部件實(shí)例。3)選用靜力分析步，由于滾動(dòng)體和滾圈間的復(fù)雜接觸關(guān)系，同時(shí)施加軸向載荷和溫度場(chǎng)的情況，需建立兩個(gè)分析步，在第一個(gè)分析步中，對(duì)回轉(zhuǎn)支承施加軸向載荷，使?jié)L動(dòng)體和滾圈之間建立穩(wěn)定的接觸關(guān)系；在第二個(gè)分析步中施加溫度場(chǎng)。4)如圖1所示，滾動(dòng)體與內(nèi)、外滾圈通過四點(diǎn)接觸形成兩對(duì)接觸，當(dāng)其受到軸向載荷等作用時(shí)會(huì)由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)化為面面接觸，因此在ABAQUS接觸設(shè)置里選用表面與表面接觸類型，且設(shè)置滾動(dòng)體表面為主接觸面，內(nèi)、外圈滾道面為從接觸面。同時(shí)設(shè)置摩擦屬性切向行為為“罰”函數(shù)，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.05，法向行為為“硬接觸”。5)在軸向載荷作用在回轉(zhuǎn)支承的過程中，其內(nèi)圈是固定不動(dòng)的，載荷施加在外圈上端面通過滾動(dòng)體與滾道的接觸傳遞至內(nèi)圈，因此對(duì)回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈施加全約束，對(duì)外圈兩側(cè)面施加循環(huán)對(duì)稱約束邊界，滾動(dòng)體釋放其沿回轉(zhuǎn)支承軸向的自由度。在外圈上端面施加軸向載荷，大小為Fa＝3168kN，換算到1/84模型上的壓強(qiáng)為8.8Mpa，具體如圖5所示。6)對(duì)滾動(dòng)體和內(nèi)外滾圈接觸區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，以保證計(jì)算的準(zhǔn)備可靠性，網(wǎng)格選用六面體網(wǎng)格，單元類型選擇C3D8R，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查，確保沒有錯(cuò)誤和警告，劃分好的網(wǎng)格如圖6所示。7)在作業(yè)模塊創(chuàng)建回轉(zhuǎn)支承分析作業(yè)，提交計(jì)算，得到分析結(jié)果如圖7、圖8所示，300℃環(huán)境下其最大S，Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力分別為2376MPa、4109MPa。8)由上面的分析結(jié)果可以看出，回轉(zhuǎn)支承在高溫環(huán)境下的接觸應(yīng)力很大。而影響回轉(zhuǎn)支承承載能力的主要因素為其接觸角、滾道半徑與滾球半徑比值、滾球半徑、淬硬層深度和滾道硬度等，所以為了對(duì)現(xiàn)有回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，分別從這5個(gè)因素考慮，分析各單一因素對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響，具體如①～⑤所述。①滾球和滾道接觸角對(duì)其承載能力的影響當(dāng)滾道半徑和滾球半徑的數(shù)值固定時(shí)，選擇不同大小的滾球和滾道接觸角也可能對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載性能產(chǎn)生影響。以該型單排四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承為例，滾道半徑為10.4mm，滾球半徑為22.5mm保持不變，令滾球和滾道的接觸角分別為30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°建立7組模型，分別進(jìn)行仿真分析。得出回轉(zhuǎn)支承內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力如表1所示：表1不同接觸角下內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力由表1及圖9可以看出：在常溫下，接觸角在45°～60°范圍時(shí)，外圈接觸應(yīng)力比較小，因此通常在常溫下接觸角一般選用45°，但在高溫下接觸角越大，接觸應(yīng)力越小，而且變化比較明顯，因此僅從接觸角考慮，如果采用60°的接觸角會(huì)明顯減小接觸應(yīng)力的值，內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力降低19％左右，降低幅度比較明顯。②滾道半徑和滾球半徑比值大小對(duì)其承載能力的影響保持回轉(zhuǎn)支承的其他參數(shù)(滾球半徑、接觸角為45°)不變，只改變滾道半徑，讓滾道半徑和滾球半徑比值分別為1.01、1.02……1.08，相對(duì)應(yīng)的滾道半徑為22.725mm、22.95mm、……24.3mm，建立8組模型進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果如下表：表2不同半徑比下內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力由表2和圖10可以看出常溫下，當(dāng)滾道半徑和滾球半徑的比值從1.01逐漸增大到1.08時(shí)，回轉(zhuǎn)支承與滾道的距離逐漸變大，能夠承受應(yīng)力的滾道面積越來越小，從而導(dǎo)致滾道上的接觸應(yīng)力越來越大，比值為1.01時(shí)滾圈上的接觸應(yīng)力最小，但通常從加工方面、額定靜容量和壽命方面考慮通常滾道半徑和滾球半徑比值取1.04。300℃高溫下，當(dāng)滾道半徑和滾球半徑的比值從1.01逐漸增大時(shí)，回轉(zhuǎn)支承與滾道的距離雖然逐漸變大，但是變化程度比較小，導(dǎo)致接觸應(yīng)力先減小后基本保持不變。因此，在高溫下，回轉(zhuǎn)支承適合采用與常溫下相同的滾道半徑和滾球半徑比值比較合理。③當(dāng)滾道半徑和滾球半徑取1.04時(shí)，滾球半徑對(duì)承載能力的影響當(dāng)滾道半徑和滾球半徑的比值取1.04時(shí)，選用不同大小的滾球半徑對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載性能產(chǎn)生影響。表3不同滾球半徑下內(nèi)外圈上的承接觸應(yīng)力由表3和圖11可以看出，當(dāng)滾道半徑和滾球半徑固定時(shí)，隨著滾球半徑的增大，無論是在常溫條件還是在高溫環(huán)境下，內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力都會(huì)增大。增大滾球半徑，對(duì)降低滾球和滾道之間的接觸應(yīng)力有著重要作用，但是如果為了滿足更大的滾球直徑而增大回轉(zhuǎn)支承滾圈徑向深度和軸向高度，會(huì)使回轉(zhuǎn)支承整體變大。而在此處只是增大滾球與滾道的直徑，并沒有增加滾圈徑向深度和軸向高度，因此導(dǎo)致接觸應(yīng)力反而增大，因此在該結(jié)構(gòu)下采用直徑為45mm滾球最為適宜。④淬硬層深度對(duì)其承載能力的影響在回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)中，一定的淬硬層深度是保證回轉(zhuǎn)支承滾道不產(chǎn)生剝落的重要因素，當(dāng)外載荷作用于回轉(zhuǎn)支承時(shí)，滾球與滾道的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸就變成了面對(duì)面接觸，接觸面為橢圓形，滾道除了受到壓應(yīng)力外，還會(huì)受到剪切應(yīng)力的作用。因此淬硬層深度對(duì)回轉(zhuǎn)支承的承載能力有著重要影響，需探究滾道不同淬硬層深度對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響。分別建立3組模型，讓內(nèi)外滾圈淬硬層深度分別為5、5.5、6mm，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表4所示：表4不同淬硬層深度下內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力通過表4可以看出，隨著內(nèi)外圈滾道淬硬層深度的增加，滾道上的接觸應(yīng)力逐漸減小，但是對(duì)于承受一般負(fù)荷的回轉(zhuǎn)支承，其滾道淬硬層深度可按支承滾道直徑大小確定，大致規(guī)定如下：直徑小于1500mm，滾道淬硬層深度為3～4mm；直徑在1500～5000mm之間時(shí)，淬硬層深度為3～5mm；直徑大于5000mm，淬硬層深度5～6mm。⑤滾道硬度的影響相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定回轉(zhuǎn)支承的最低硬度為HRC55，實(shí)際加工中淬火硬度能夠達(dá)到HRC57左右，而當(dāng)硬度低于HRC53時(shí)，即使留有1.2的安全系數(shù)，在使用時(shí)也已經(jīng)不安全了。尤其是當(dāng)硬度只有HRC50時(shí)，即使1.7倍的安全系數(shù)也非常危險(xiǎn)。因此，硬度不夠極易造成回轉(zhuǎn)支承失效。下面針對(duì)HRC為55、57、59、61四個(gè)硬度值，進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見表5：表5不同滾道硬度下內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力9)以上只考慮了單個(gè)因素的變化對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響，但不確定多個(gè)因素同時(shí)改變時(shí)，回轉(zhuǎn)支承的承載能力會(huì)發(fā)生什么變化。而對(duì)高溫回轉(zhuǎn)支承的優(yōu)化改進(jìn)會(huì)考慮多個(gè)因素，需要對(duì)很多組不同模型進(jìn)行熱力耦合分析，將花費(fèi)大量的時(shí)間精力去求解計(jì)算。正交試驗(yàn)是一種高效，快速的多因素試驗(yàn)方法，能夠同時(shí)對(duì)多因素、多水平進(jìn)行比較，通過試驗(yàn)常能找出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此采用正交試驗(yàn)分析法綜合考慮多個(gè)因素共同改變時(shí)對(duì)回轉(zhuǎn)支承承載能力的影響，以找到一組最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)值，使得在高溫環(huán)境下回轉(zhuǎn)支承滾道上的接觸應(yīng)力最小，承載能力最強(qiáng)。影響回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的因素：(i)滾球和滾道接觸角；(ii)滾道半徑和滾球半徑比值；(iii)滾球半徑；(iv)淬硬層深度；(v)滾道硬度。在這里考慮這五個(gè)因素。每個(gè)因素選取4個(gè)水平，如表6所示：表6影響因素及各因素水平試驗(yàn)指標(biāo)：回轉(zhuǎn)支承滾道上接觸應(yīng)力的大小，要求接觸應(yīng)力越小越好。本實(shí)施例為四水平五因素試驗(yàn)，從盡量減少試驗(yàn)工作量角度出發(fā)，選擇正交表L16(45)。表7正交表L16(45)ABCDE實(shí)驗(yàn)111111實(shí)驗(yàn)212222實(shí)驗(yàn)313333實(shí)驗(yàn)414444實(shí)驗(yàn)522134實(shí)驗(yàn)621243實(shí)驗(yàn)724312實(shí)驗(yàn)823421實(shí)驗(yàn)933142實(shí)驗(yàn)1034231實(shí)驗(yàn)1131324實(shí)驗(yàn)1232413實(shí)驗(yàn)1344123實(shí)驗(yàn)1443214實(shí)驗(yàn)1542341實(shí)驗(yàn)1641432①排表頭分別把滾球和滾道接觸角、滾道半徑和滾球半徑比值、滾球半徑，淬硬層深度和滾道硬度放在正交表L16(45)上方的五個(gè)縱列頂端上，如表8所示，每列上放一種，從左到右依次放入接觸角A、滾道半徑和滾球半徑比值B及滾球半徑C，淬硬層深度D和滾道硬度E，最后這五個(gè)因素相應(yīng)的水平填入表格內(nèi)，表中各列的數(shù)字表示這些因素的水平，完成后如表8所示：表8試驗(yàn)方案表所在列ABCDE因素接觸角R/r比值滾球半徑淬硬層深度硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)1301.0222.5555實(shí)驗(yàn)2301.04235.557實(shí)驗(yàn)3301.0623.5659實(shí)驗(yàn)4301.08246.561實(shí)驗(yàn)5401.0223661實(shí)驗(yàn)6401.0422.56.559實(shí)驗(yàn)7401.0624557實(shí)驗(yàn)8401.0823.55.555實(shí)驗(yàn)9501.0223.56.557實(shí)驗(yàn)10501.0424655實(shí)驗(yàn)11501.0622.55.561實(shí)驗(yàn)12501.0823559實(shí)驗(yàn)13601.02245.559實(shí)驗(yàn)14601.0423.5561實(shí)驗(yàn)15601.06236.555實(shí)驗(yàn)16601.0822.5657②采用直觀分析法來分析試驗(yàn)：在ABAQUS中建立模型進(jìn)行分析，得到16個(gè)外圈滾道接觸應(yīng)力的值填入L16(45)正交表的最右側(cè)一列內(nèi)，如表9所示。現(xiàn)從有限元分析得到的這16個(gè)接觸應(yīng)力值的結(jié)果出發(fā)，來分析試驗(yàn)結(jié)果。表9承載性能試驗(yàn)結(jié)果表所在列ABCDE因素接觸角R/r比值滾球半徑淬硬層深度硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)1111115029實(shí)驗(yàn)2122225231實(shí)驗(yàn)3133335387實(shí)驗(yàn)4144445423實(shí)驗(yàn)5212344846實(shí)驗(yàn)6221434532實(shí)驗(yàn)7234124787實(shí)驗(yàn)8243214838實(shí)驗(yàn)9313424123實(shí)驗(yàn)10324314098實(shí)驗(yàn)11331243602實(shí)驗(yàn)12342134167實(shí)驗(yàn)13414233426實(shí)驗(yàn)14423143212實(shí)驗(yàn)15432413341實(shí)驗(yàn)16441323579均值15267.5004356.0004185.5004298.7504326.500均值24750.7504268.2504396.2504274.2504430.000均值33997.5004279.2504390.0004477.5004378.000均值43389.5004501.7504433.5004354.7504270.750極差1878.000233.500248.000203.250159.250③試驗(yàn)結(jié)果的分析(i)各因素對(duì)指標(biāo)的影響極差表征的是A、B、C、D、E五個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)外圈接觸應(yīng)力值的影響程度。其越大，表征該因素對(duì)外圈接觸應(yīng)力值的影響程度也越大。第1列的極差值最大，說明因素A接觸角對(duì)回轉(zhuǎn)支承外圈滾道上接觸應(yīng)力的影響最大；因此可以由極差值大小排列順序得出五個(gè)因素的主次順序：主→次：A→C→B→D→E。(ii)各因素水平的選取在該試驗(yàn)中，要求試驗(yàn)指標(biāo)回轉(zhuǎn)支承外圈滾道上的接觸應(yīng)力越小越好，因此取各因素A、B、C、D、E中四個(gè)水平中最小的那個(gè)即A4，B2，C1，D2，E4。(iii)隨各因素改變指標(biāo)的變化規(guī)律將試驗(yàn)中各因素不同水平的試驗(yàn)指標(biāo)值畫在圖12中。10)通過上述研究可以看出，在300℃的高溫環(huán)境下，為了提高回轉(zhuǎn)支承的承載能力，可以把回轉(zhuǎn)支承的接觸角改為60°，同時(shí)滾道與滾球半徑比仍采用1.04保持不變，淬硬層深度為5.5mm，滾道硬度61HRC，此時(shí)滾動(dòng)體直徑為45mm。再以優(yōu)化后的參數(shù)重新建模，分析回轉(zhuǎn)支承在300℃高溫環(huán)境下的承載情況。優(yōu)化后回轉(zhuǎn)支承內(nèi)、外圈滾圈上的接觸應(yīng)力如圖13所示，可以看出回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)和熱處理工藝條件改進(jìn)后，在300℃的高溫環(huán)境下，內(nèi)、外圈上的接觸應(yīng)力明顯減小，內(nèi)圈上的接觸應(yīng)力相比改進(jìn)前降低了約900MPa，大約降幅27％左右，外圈上的接觸應(yīng)力降低了約1000MPa，降幅24％左右。因此回轉(zhuǎn)支承在工作溫度300℃左右時(shí)，可以采用此結(jié)構(gòu)來降低內(nèi)外圈滾道上的接觸應(yīng)力，提高承載能力，結(jié)果見圖13。以上示意性的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一，實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3