回转支承运动特性分析与驱动设计文献综述

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文献综述

0、引言

工程机械产品市场极具个性化，不同的应用场合和使用需求对同一类型产品的结构和功能有不同的要求。被人们称为机器的关节的回转支承是两物体之间需作相对回转运动，又需同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩的机械所必需的重要传动部件[1]，其设计强度及动态特性将直接关系到整机的工作性能及使用安全。一般情况下，回转支承自身均带有安装孔、润滑油和密封装置，可以满足各种不同工况条件下工作的各类主机的不同需求。广泛用于起重运输机械、采掘机、建筑工程机械、港口机械、风力发电、医疗设备、机器人以及旋转餐厅、雷达和导弹发射架等大型回转装置上[2]。

因为回转支承装置价格昂贵，更换维修困难，所以回转支承早期失效是生产企业及用户不能接受的故障现象。回转支承的早期失效有90%是由断齿所导致，而轮齿的折断形式主要有两种，一是弯曲疲劳折断，二是过载折断。引起疲劳折断的主要原因是传动系统的动载荷过大，而过载折断则通常是由于短时严重过载的冲击载荷作用，使轮齿承受的应力超过其极限应力所致。此外，载荷严重集中、动载荷过大均可能引起过载折断[3-4]。这就要求我们想办法来减少甚至避免早期失效，而回转支承的运动由驱动装置控制，回转支承的动态特性的好坏主要取决于驱动装置及回转支承结构特性的优劣，因此回转支承的驱动装置参数化设计和它的动态性能分析成为生产一个合格的回转支承产品的重要组成部分。

本文以回转支承为研究对象，设计课题的主要任务：熟悉回转支承，应用运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA或ABAQUS研究径向载荷、倾覆弯矩载荷以及轴向载荷与倾覆弯矩载荷耦合作用下的轴承刚度和周向变形；对回转速度制动停车时，冲击载荷对回转支承外圈轮齿的影响，完成零件图及总装图绘制。

1、回转支承的动态特性分析

1.1国内回转支承的动态特性分析的发展状况

早期对回转支承的分析采用近似的经验方法或者简单的解析法，侯宁提出了滚道硬度、滚道淬硬层深度、滚道曲率半径、滚道接触角是影响回转支承滚道质量的最重要的四个因素[5-6]。杜睿等运用赫兹理论的弹性接触理论推导出单排球式回转支承承载能力的理论计算公式，进而分析了回转支承的结构及工艺参数对其承载能力的影响[7-9]。随着计算机技术的发展，有限元仿真分析已经广泛应用于解决工程问题。张平等以有限元方法为工具，建立了汽车起重机回转支承的有限元计算模型，并对其进行了结构强度与刚度分析。其分析结果对产品的开发设计具有指导意义，并为其选择高强度螺栓提供了分析计算基础。

目前对轴承动态性能研究的比较多，徐弘毅等在LS-DYNA中建立轴承的多体动力接触有限元模型，通过选用塑性材料模型，研究塑性变形对轴承内部应力产生的影响，对改进重载轴承的设计具有指导作用[10-14];利用显式动力学方法，林腾蛟等在LS-DYNA中建立滚珠轴承的有限元模型并进行仿真计算，之后将有限元结果和赫兹理论计算结果进行比较，两种结果的吻合良好[15-16];樊莉等在LS-DYNA软件中模拟滚动轴承的运转过程，讨论滚动体接触应力的变化规律[17-21]。

1.2国外回转支承的动态特性分析的发展

Kania考虑到回转支承在运动过程中会产生变形，这会导致滚动体受到不相等的载荷，提出了利用有限元方法来模拟滚动体在回转支承工作期间的状态。Amasorrian等研究了在轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩作用下单排球式回转支承的滚动体的载荷分布情况[22-26]。

2、回转支承的驱动装置设计

2.1国内回转支承的驱动装置的发展状况

一般驱动方式为驱动马达带动蜗杆,蜗杆与回转支承外圈啮合连接/蜗轮蜗杆式带动力回转支撑装置等。像马鞍山菲利特回转支承有限公司的产品，其实用新型公开了一种回转支承驱动装置,包括回转支承、蜗杆、罩壳、端盖、驱动马达,其主要特点是回转支承内圈与罩壳采用半包围式连接,蜗杆放在罩壳筒体内,蜗杆与回转支承外圈啮合连接,蜗杆两端用圆锥滚子轴承进行轴向定位,蜗杆与驱动马达连接,罩壳两端用端盖密封固定。该装置结构简单,成本低,运行稳定可靠,可用作于太阳能发电装置、挖掘机的旋转挖斗装置、高空作业平台车装置等其它一些旋转驱动装置。

再如邓锐发明的实用新型公开了太阳能的跟踪回转装置,它包括底座、从动回转支承、驱动轮、驱动马达,驱动轮为人字齿轮,从动回转支承外圈的齿亦为人字齿,两者相啮合。本装置通过将驱动轮和从动回转支承外圈的齿改为人字齿,使齿轮啮合时的重合度增大,大大地提高了齿轮的承载能力；同时由于驱动轮和从动回转支承外圈相啮合的齿轮模数和压力角等运动参数相同,但旋向相反,所以其在啮合过程中产生的轴向力大小相等,方向相反,互相抵消,因而回转支承可用滑动轴承取代具有轴向推力功能的滚动轴承,进一步提高驱动轴的承载能力并使转动更加平稳。因此,本新型装置低速重载,旋转平稳,具有较高的跟踪精度,适应太阳能光板跟踪太阳的需求。总的来说，大部分回转支承驱动装置的设计驱动马达带动蜗杆,蜗杆与回转支承外圈啮合连接/蜗轮蜗杆式带动力回转支撑装置。

2.2国外回转支承的驱动装置的发展状况

国外的回转支承驱动装置设计原理与国内类似，像BOOMERANGSYSTEMSIN的发明专利：一种回转支承驱动器，主要内容为用于驱动和转向的载荷支承件的驱动和转向单元包括一个转向组件，与转向组件和可绕一个轴响应于所述转向组件的致动啮合的回转支承，驱动组件安装到所述回转支承，并耦合到所述驱动组件和可动的回转支承的驱动功率系统。

3、参考文献

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