（机械制造及其自动化专业论文）慈海桥摩天轮特大型轴承研究.pdf

中文摘要 摩天轮的旋转支承部件轴承是整个摩天轮的“心脏”，其性能直接影响 到摩天轮能否正常运转。随着摩天轮高度的不断增加和形式的不断翻新，对于轴 承的要求也越来越高。 本文的研究对象为即将修建的世界第一高度的慈海桥摩天轮的轴承。该摩天 轮横跨在慈海桥上，与桥共用支撑结构，其旋转支承部件是钢结构件和机械部件 的结合体。钢结构件和机械部件在精度要求上相差很大，因此给轴承设计制造造 成了巨大困难。 本文针对摩天轮工程中轴承的具体设计要求，以轴承设计理论为依据，以现 代设计方法为工具，创造性的提出三种可供选择的方案：轴承式、天平滚轮式和 轴承滚轮式。在对各方案进行分析评价的基础上，选出其中的一种认为最合理的 方案轴承滚轮式。针对轴承滚轮式方案的具体结构建立起优化设计数学模型 并进行优化计算。最后使用大型分析软件a n s y $ 对滚轮和滚道的接触部位进行接 触应力分析，并将分析结果和传统赫兹理论的计算结果进行比较，验证在特大型 轴承设计中使用传统赫兹理论进行接触应力计算的可靠性。 本文的结论和设计方法对于慈海桥摩天轮轴承方案的确定和详细设计具有 参考价值。 关键词：摩天轮；特大轴承；优化设计；有限元分析 a bs t r a c t r o t a t i o ns u p p o r t i n gp a r to ft h eg i a n tw h e e l t h eb e a r i n gi s ”h e a r t ”o ft h ew h o l e g i a n tw h e e l i t sp e r f o r m a n c e sh a v ed i r e c ti n f l u e n c eo nt h en m n i n go fg i a n tw h e e l ， w i t ht h eh e i g h ti n c r e a s i n ga n dt h ef o r mr e n o v a t i n gc o n s t a n t l y ，t h ed e m a n dt ot h e g i a n tw h e e lb e a r i n gg e t sh i g h e ra n dh i g h e r t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri st h eb e a r i n go fc i h a ib r i d g eg i a n tw h e e l ， w h i c hw i l lb eb u i l ti nt h en e a rf u t u r ea n db e c o m et h eh i g h e s tg i a n tw h e e li nt h ew o r l d t h eg i a n tw h e e lb e s t r i d e so nt h ec i h a ib r i d g ea n ds h a r e s t h es a m es u p p o r t i n g s t r u c t u r ew i t ht h ec i h a ib r i d g e t h er o t a t i o ns u p p o r t i n gp a r to ft h eg i a n tw h e e li st h e c o m b i n a t i o no fs t e e ls t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp a r t s t h ed e m a n di np r e c i s i o no fs t e e l s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp a r t si sd i f f e r e n tm u c h ，w h i c hc r e a t e sg r e a td i f f i c u l t yi nt h e d e s i g no f b e a r i n g i nt h i sp a p e ga i m i n ga tt h ec o n c r e t ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n to ft h eg i a n tw h e e l b e a r i n g ，c o m b i n i n gt h ed e s i g nt h e o r yo ft h et r a d i t i o n a lb e a r i n ga n dr e f e r e n c i n gt h e a p p l i c a t i o nw a yo ft h er o l l e rw h e e lt r a n s m i s s i o n ，t h r e ek i n d so fs c h e m e ss u i t a b l ef o r c h o o s i n ga r ep r o p o s e dc r e a t i v e l y ：t h eb e a r i n gt y p e ，t h eb a l a n c er o l l e rw h e e lt y p ea n d t h eb e a r i n gr o l l e rw h e e lt y p e t h eb e a r i n gr o l l e rw h e e lt y p e ，w h i c hi st h o u g h tt ob e t h em o s tr a t i o n a ls c h e m e ，i sc h o s e nb yc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h r e es c h e m e s ，t h em a t h e m a t i c sm o d e lo fo p t i m i z a t i o nd e s i g ni ss e tu pa n d c a l c u l a t e da i m i n ga tt h ec o n c r e t es t m c t u r eo ft h eb e a r i n gr o l l e rw h e e lt y p es c h e m ea t l a s tt h ec o n t a c ts t r e s sb e t w e e nt h er o l l e rw h e e la n dt h er o l l w a yn e s ti sa n a l y z e dw i t h l a r g e - s c a l ea n a l y s i s s o f t w a r e a n s y s ，b yc o m p a r i n gt h ea n a l y s i s r e s u l ta n d c a l c u l a t i o nr e s u l tw i t ht h eh e r t zt h e o r y , t h er e l i a b i l i t yt oa p p l yt r a d i t i o nh e r t zt h e o r y h e r ei sp r o v e d t h em e t h o d so fc o n c l u s i o na n dd e s i g ni nt h i sp a p e rh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e f o rc h o o s i n gt h es c h e m ea n df u r t h e rd e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i n g k e yw o r d s ：g i a n t w h e e l ；s u p p e rb e a r i n g ；o p t i m i z a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅盘望或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乌德珲签字目期： 朋岁年工月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：旁之确叁琴 签字日期：工”j 年上月厂同 导师签名 磷船叉 签字日期：? 一r 年v 月j r 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 轴承及其作用 第一章绪论 轴承是机械工业中使用广泛、要求严格的配套件和基础件，被人们称为机械 的“关节”。由于使用范围广泛，决定了轴承品种的多样性和复杂性；由于要求 严，决定了轴承质量和性能的重要性。轴承制造业是一种精密的基础件制造业， 它的精度以0 0 0 1 m m 来衡量，而普通机械零件的制造公差一般只有o 0 l m m 。电 机的噪声和振动，在很大程度上取决于轴承质量；高精度机床主轴的摆差和温升， 更是与轴承质量息息相关；通讯卫星旋转装置中的轴承性能，直接影响其通讯效 果，航天、航空中关键轴承发生故障，就会造成严重的事故。总之，不但工业、 农业、国防、科学技术等各个领域中的主机，其精度、性能、寿命、可靠性等各 项技术经济指标，都跟轴承有着密切的联系，而且轴承工业的发展还关系着我国 重大技术装备的制造水平及机械设备的出口能力。轴承在国民经济和国防建设中 正在起着越来越重要的作用。 1 】2 滚动轴承的应用和设计技术 以滑动轴承为基础发展起来的滚动轴承，其工作原理是以滚动摩擦代替滑动 摩擦，一般由两个套圈，一组滚动体和一个保持架所组成。滚动轴承是一种通用 性很强，标准化、系列化程度很高的机械基础件。由于各种机械有着不同的工作 条件，对滚动轴承在负萄能力、结构和使用性能等方面都提出了各秘不同的要求， 因此滚动轴承也发展形成各式各样的结构。与滑动轴承相比滚动轴承具有摩擦力 小、使用寿命长、结构精度高、起动容易、润滑简单、便于更换等优点，因而在 各种现代机械中它几乎是不可缺少的部件。 随着机械工业的不断发展，人们对于滚动轴承的要求越来越高。如何设计滚 动轴承系统，如何使滚动轴承达到规定的可靠性和寿命，如何使滚动轴承在各种 工况条件下达到性能好、寿命长、可靠性高的目标，这是轴承应用设计者所关心 的重要问题。只有充分考虑影响滚动轴承系统可靠性和寿命的各种因素，对滚动 轴承系统的进行设计才能够完全发挥轴承的优良性能，达到预期的使用寿命。滚 动轴承的设计是- - f q 重要的实用技术，它包括设计、制造、装配和使用等知识。 第一章绪论 如果对滚动轴承选型得当，又掌握相应的轴承应用和维护保养知识，就能够确保 滚动轴承的性能的发挥和寿命的提高。传统的轴承的设计技术早在上个世纪五十 年代就已经形成了完整的体系结构，现在传统的轴承设计理论仍然是常规轴承选 型设计的重要依据。五十年代后期随着科技的进步和计算机技术的发展，许多新 的设计方法应运而生，如何在轴承设计中运用新的设计方法来推动轴承设计技术 的发展成为轴承设计技术的新的发展方向“1 。 1 2 轴承工业的现状及其发展趋势 1 2 1 轴承工业的现状 世界轴承工业兴起于十九世纪末期n - - 十世纪初期。1 8 8 0 年英国开始生产轴 承，1 8 8 3 年德国建立了世界上首家轴承公司( f a g 乔治沙佛公司) ，1 8 8 9 年美国 开办了n d 轴承厂( 现为通用汽车轴承公司新第泊桥海特轴承部) ，欧美其它大型 轴承企业基本上都在二十世纪初叶奠定了今天的基础。日本轴承工业形成于欧美 之后，1 9 1 0 年瑞典s i t p 公司向日本提供样品，使“轴承”第一次单独在日本露 面。其后，日本n s k 、n t n 等轴承制造公司先后于1 9 1 4 年和1 9 1 8 年建立。第三 世界国家的轴承工业起步更晚，与其整个科学技术和机械工业一样，处于相对落 后的局面。 进入二十世纪中叶。经过二次世界大战以后，伴随着航空航天、核能工业、 电子计算机、光电磁仪器、精密机褫等高新技术的飞速发展，体现当代科学技术 水平的世界轴承工业进入一个历史新时期。全面革新制造技术，迅速发展品种， 提高和完善轴承精度、性能和寿命成为轴承工业发展的新动向。轴承工业的发展 体现出如下特点。 1 轴承企业规模超级化、集团化。形成了超千逾万人的大型企业集团和跨 国公司，如日本的n s k 、n t n 、n m b ，瑞典的s e f ，美国的t t t d k e n 、德国的f a g 等。 2 轴承产量猛增。五十年代初期，世界轴承总产量不过9 亿套，六十年代 初已达1 8 亿套，七十年代初为4 0 亿套，八十年代初上升到7 0 亿套，九十年代 后期已超过1 0 0 亿套。 3 轴承品种繁多，用途曰益广泛。既有传统的单列、双列、多列球轴承， 圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等，又有万向节轴承、超薄壁轴承、空 气轴承、电磁轴承，各种在高速、高温、低温、防磁、耐腐蚀等特殊工况下使用 的专用轴承等等。 4 设备先进，自动化程度高，测试手段完善，工序间电脑管理，少人无人 第一章绪论 如果对滚动轴承选型得当，又掌握相应的轴承应用和维护保养知识，就能够确保 滚动轴承的性能的发挥和寿命的提高。传统的轴承的设计技术早在上个世纪五十 年代就已经形成了完整的体系结构，现在传统的轴承设计理论仍然是常规轴承选 型设计的重要依据。五十年代后期随着科技的进步和计算机技术的发展，许多新 的设计方法应运而生，如何在轴承设计中运用新的设计方法柬推动轴承设计技术 的发展成为轴承设计技术的新的发展方向n ，。 1 2 轴承工业的现状及其发展趋势 i 2 1 轴承工业的现状 世界轴承工业兴起于十九世纪末期到二十世纪初期。1 8 8 0 年英国开始生产轴 承，1 8 8 3 年德国建立了1 廿界上酋家轴承公司( f a g 乔治沙佛公司) ，1 8 8 9 年美国 开办了n d 轴承厂( 现为通用汽车轴承公司新第泊桥海特轴承部) ，欧美其它人型 轴承企业基本上都在二十世纪初叶奠定了今天的基础。日本轴承工业形成于欧美 之后，1 9 1 0 年瑞典s k f 公司向日本提供样品，使“轴承”第一次单独在日本露 面。其后，日本n s k 、n t n 等轴承制造公司先后于1 9 1 4 年和1 9 1 8 年建立。第三 世界国家的轴承工业起步更晚，与其整个科学技术和机械工业一样，处于相对落 后的局面。 进入_ 十世纪中| 。经过二次世界大战以后，伴随着航空航天、核能t 业、 电子计算机、光电磁仪器、精密机械等高新技术的飞速发展，体现当代科学技术 水平的世界轴承t 业进入一个历史新时期。仝面革新制造技术，迅速发展品种， 提高和完善轴承精度、性能和寿命成为轴承工业发展的新动向。轴承丁业的发展 体现出如下特点。 1 轴承企业规模超级化、集团化。形成了超下逾万人的大型企、i k 集团和跨 国公司，如日本的n s k 、n t n 、n m b ，瑞典的s k f ，美国的t i m k e i y 、德国的f a g 等。 2 轴承产量猛增。五十年代初期，世界轴承总产量不过9 亿套，六十年代 初已达1 8 亿套，七十年代初为4 0 亿套，八十年代初上升到7 0 亿套，九十年代 后期已超过1 0 0 亿套。 3 轴承品种繁多，用途日益广泛。既有传统的单列、双列、多列球轴承， 圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等，又有万向节轴承、超薄壁轴承、空 气轴承、电磁轴承，各种在高速、高温、低温、防磁、耐腐蚀等特殊工况下使用 的专用轴承等等。 4 设各先进，自动化程度高，测试手段完善，工序问电脑管理，少人无人 4 设备先进，自动化程度高，测试手段完善，工序问电脑管理，少人无人 第一章绪论 如果对滚动轴承选型得当，又掌握相应的轴承应用和维护保养知识，就能够确保 滚动轴承的性能的发挥和寿命的提高。传统的轴承的设计技术早在上个世纪五十 年代就已经形成了完整的体系结构，现在传统的轴承设计理论仍然是常规轴承选 型设计的重要依据。五十年代后期随着科技的进步和计算机技术的发展，许多新 的设计方法应运而生，如何在轴承设计中运用新的设计方法来推动轴承设计技术 的发展成为轴承设计技术的新的发展方向“1 。 1 2 轴承工业的现状及其发展趋势 1 2 1 轴承工业的现状 世界轴承工业兴起于十九世纪末期n - - 十世纪初期。1 8 8 0 年英国开始生产轴 承，1 8 8 3 年德国建立了世界上首家轴承公司( f a g 乔治沙佛公司) ，1 8 8 9 年美国 开办了n d 轴承厂( 现为通用汽车轴承公司新第泊桥海特轴承部) ，欧美其它大型 轴承企业基本上都在二十世纪初叶奠定了今天的基础。日本轴承工业形成于欧美 之后，1 9 1 0 年瑞典s i t p 公司向日本提供样品，使“轴承”第一次单独在日本露 面。其后，日本n s k 、n t n 等轴承制造公司先后于1 9 1 4 年和1 9 1 8 年建立。第三 世界国家的轴承工业起步更晚，与其整个科学技术和机械工业一样，处于相对落 后的局面。 进入二十世纪中叶。经过二次世界大战以后，伴随着航空航天、核能工业、 电子计算机、光电磁仪器、精密机褫等高新技术的飞速发展，体现当代科学技术 水平的世界轴承工业进入一个历史新时期。全面革新制造技术，迅速发展品种， 提高和完善轴承精度、性能和寿命成为轴承工业发展的新动向。轴承工业的发展 体现出如下特点。 1 轴承企业规模超级化、集团化。形成了超千逾万人的大型企业集团和跨 国公司，如日本的n s k 、n t n 、n m b ，瑞典的s e f ，美国的t t t d k e n 、德国的f a g 等。 2 轴承产量猛增。五十年代初期，世界轴承总产量不过9 亿套，六十年代 初已达1 8 亿套，七十年代初为4 0 亿套，八十年代初上升到7 0 亿套，九十年代 后期已超过1 0 0 亿套。 3 轴承品种繁多，用途曰益广泛。既有传统的单列、双列、多列球轴承， 圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等，又有万向节轴承、超薄壁轴承、空 气轴承、电磁轴承，各种在高速、高温、低温、防磁、耐腐蚀等特殊工况下使用 的专用轴承等等。 4 设备先进，自动化程度高，测试手段完善，工序间电脑管理，少人无人 第一章绪论 操作，技术水平高，生产效率高。如日本n t n 公司的盘田制作所球轴承厂有自动 线3 5 条，每条生产线仅5 人管理，日产4 0 万套，年产1 6 8 亿套。 5 轴承材料高级化、复合化、多样化，因而轴承质量有较大提高。轴承材 料不仅包括高碳铬钢、渗碳钢、不锈钢、耐热钢、工具钢等金属材料，而且还有 陶瓷、塑料、石墨和碳纤维等非金属材料。 6 轴承国际贸易空前发展。可以说世界轴承工业促使所有使用轴承的工业、 行业、领域发展繁荣起来，对于整个世界经济和人类社会进步做出了巨大贡献1 ”。 中国是世界上最早发明和应用轴承技术的国家之一。早在周秦和两汉时代， 就己出现了具有现代滚动轴承结构雏形的轴承，并在古代工程机械中得到广泛应 用。从考古文物与资料看，中国最古老的具有现代滚动轴承结构雏形的轴承，出 现于公元前2 2 l 一2 0 7 年( 秦朝) 的今山西省永济县薛家崖村。公元1 2 8 0 年( 元朝) 在中国古代的天文仪器使用了圆柱滚动支承。尽管历史上中国在滚动轴承技术领 域曾走在世界文明的前列，但是从十六世纪开始，在西方兴起工业革命的同时， 中国在封建社会制度，特别是在十九世纪形成的半殖民地半封建制度束缚下，轴 承制造业发展水平十分落后。新中国成立前，轴承制造业几乎是一片空白，机械 设备配套和维修需要的轴承，基本上依赖进口。当时，仅在辽宁省瓦房店和沈阳、 上海及山酉省长治等地有一些轴承厂、店，但能独立生产轴承四元件( 内外套圈、 滚动体和保持架) 的工厂却没有一家。1 9 4 9 年，全国轴承年产量仅为1 3 8 万套。 1 9 4 9 年建国以后，中国轴承工业得到迅速发展，轴承品种从少到多，产品质量和 技术水平从低到高，行业规模从小到大。到“五五”初期，中国轴承制造业逐 步建立起了瓦房店、哈尔滨、洛阳、襄阳等四家轴承厂和上海轴承行业五个各具 特色的生产基地，以及星罗棋布的中小轴承企业，并建立起综合性的科研与工厂 设计机构和一些行业内的工艺装备与测试仪器专业厂，形成了布局基本合理、科 研生产和后勤保障较完善的轴承工业体系。改革开发以后，我国轴承工业逐渐走 出国门，和国外著名的轴承生产厂家如瑞典s k f 、日本n t n 、n s k 、美国了t i m k e n 等实现技术交往与合作。轴承生产规模目盏扩大，轴承生产品种同益增多。j 9 9 2 年我国轴承产量为6 5 亿套，产值8 0 亿元，出口创汇1 5 亿美元。2 0 0 1 年，我国轴 承产量升至2 5 亿套，产值增至2 4 5 亿元，出口创汇达n 6 8 亿美元。在1 9 9 2 - - 2 0 0 2 年期间，我国轴承行业的平均年增长幅度为：产量1 6 1 5 、产值1 2 8 8 、出口 创汇1 8 2 9 。目前，我国已成为世界轴承生产大国之一。在目前国际轴承市场 达到3 0 0 亿美元的年销售总额中，我国已占至虹o “。 虽然我国轴承行业经过半个世纪的发展取得了很大的成绩，但与国际知名厂 商的产品相比，在质量、性能和可靠性等方面还有较大差距。f f t l 女n 中小型深沟球 轴承的振动和噪声问题53 ，大型轴承的可靠性问题等。就国内轴承产品现状看， 第一章绪论 我国轴承工业占据国内外市场仍困难重重主要原因是国内轴承技术水平与国际 先进水平相比，还有很大差距。主要表现为产品水平低，质量不稳定；工艺装备 落后，制造水平低；劳动生产率低，经济效益差，缺乏自我发展能力。例如：精 密轴承合格率，国内为9 5 ，而国外为9 8 ：国外已批量生产z 3 组轴承，而国 魂仍徘徊在z 2 组。在重要设备中，具有国外8 q 年代水平的仅占1 4 ，其余的 设备只有国外7 0 年代以前的水平。这些差距将无法保证重点轴承的生产，从而 失去市场竞争能力，严重阻碍我国轴承工业的发展。在加人w t o 以来，进口轴 承价格一步步降低，其优良的性能将导致国内一些效益好的厂家为追求本企业的 设备高效运转而更加倾向使用进口名牌产品，这将对我国轴承行业是一个极大的 挑战。为了迎接拶s 战，国内辕承行业必须加快技术革新的步伐，逐步缩小与国外 同行业企业之间的差距。一方面要在轴承设计理论上有所突破，另方面要加快 制造技术的革新速度，使轴承制造水平有进一步的提高”1 。 1 2 2 轴承技术的发展趋势 随着科学技术魄发展，鞋承的应用越来越广泛，不但在工业、农业、国防、 高科技及其他领域的地位日益重要，而且与人们生活的关系将越来越密切。虽然 人们很少直接使用轴承，但在现代生话中，通过乘车、船、飞机，使用摄、录像 机、洗衣机、电脑等等，都会间接利用轴承。轴承的需求促进了轴承技术的发展， 出现了多种发展趋势”。 l 轴承类型多样化 近年来各种特殊轴承的开发应用将得到较好的研究与重视，如超真空用轴 承，超清洁环境轴承、耐腐蚀轴承、绝缘轴承、无磁钢轴承，及高温或超高温轴 承或超低温轴承、高负荷轴承、高速轴承、陶瓷轴承、磁悬浮轴承”3 等。轴承意 义已经突破了传统的意义，从材料学、热学、声学等方面找到了新的突破口。1 。 2 轴承发展的精密化、微型化 科技的发展导致了各种精密机械的出现，更促进了轴承向精密化、微型化方 向发展“。日前，日本爱知县研究人员利用具有“富勒烯”结构的材料，研制出一 种微型轴承。据报道，“富勒烯”是人工合成的种球形分子，它由6 0 个碳原子 彼此连接成的多个五边形和六边形构成。研究人员用复杂的工艺并借助极细的原 子探针，使多个“富勒烯”聚集在一起。之后再用具有这种分子结构的材料制成 能通过滚动支撑轴的部件，并把多个这样的部件固定在两个石墨薄片之间，于是 便制成了一个能够在显微镜下观测的轴承。据估计，这种摩擦力应小于万亿分之 一牛顿。专家指出，这种轴承有望用来制作微型机器人和机械零件，应用于医疗 等领域。 第一章绪论 3 大型化 在大型机械尤其是工程机械中，特大型轴承的应用目益广泛，我国直径最大 的转盘轴承于2 0 0 4 年6 月3 0 日在洛阳轴承集团成功合套。该套轴承直径5 4 9 2 m ， 约有两层楼高，是为上海宝山钢铁公司生产的，将用于宝山钢铁公司三期改造工 程重大核心项目的关键部位。世界上最大的轴承由瑞典s k f 在法国的子公司 r k s s a 研制成功。该轴承占地面积1 3 9 m 2 ，重7 0 t 。该轴承是为加拿大纽芬兰岛 海岸附近的特拉诺夫油田使用的停泊浮动开采存储和卸货船用的塔台而制造的。 另外在各种游乐设施中，特大型轴承也有广泛的应用，例如在摩天轮的建造中， 摩天轮的旋转就是靠两个特大型轴承来实现的，现在世界上最大的摩天轮应用的 轴承已经达到内直径2 5 新的轴承发展态势对于轴承的设计理论提出了更高的要求，新的轴承设计及 生产将综合考虑最优化的产品设计，新材料的全面开发及综合应用，材料及能源 的全面节约，特殊的热处理及表面处理技术的应用，新型轴承润滑剂的开发应用， 全面的环保及清除污染排放等将成为未来轴承的发展及研究的方向。 1 ，3 课题的背景及其主要研究内容 1 3 1 课题背景 观览车也称摩天轮，英文称为g i a n t _ | 】| f h e e l ，是圆盘带动载客的轿厢绕水平 轴馒速回转的游乐设备。由于设备车轮般的造型和庞大的占空面积，因此一直成 为游乐园和城市标志性的景观。 观缆车的制造史最早可以追溯到1 9 世纪末。1 8 9 3 年美国人g e o r g ef e r r i s 在芝加哥世界博览会上为纪念哥伦布首航美洲大陆4 0 0 周年，耸起了世界上第一 座观览车。紧随其后的英国、奥地利和法国于1 8 9 5 年、1 8 9 7 年、1 8 9 9 年分别在 英国的伯爵府( e a r l sc o u r t ) 、维也纳及巴黎建造了炫耀诸国列强实力的“摩天 轮”。后来由于二次世界大战的因素，观览车的发展停止了将近一个世纪。 1 9 8 1 年日本在神户建造了6 3 m 高的观览车，掀起了世界第二次观览车制造 的高潮。不甘寂寞的美国于1 9 8 5 年的达拉斯建造了6 5 m 高的观览车。此后的二 十余年内，世界上仅有的二、三个游艺机生产大国，在刷新观览车高度的记录上 展开了多轮角逐，相继建成了百米以上的观览车共8 台，除建造在英国1 3 5 m 的 “伦敦之眼”外，其余的7 台均建造在日本。2 0 0 2 年5 月1 目，中国上海有了 中国人自己设计和制造的1 0 8 m 观览车，取名为“上海大转盘”。2 0 0 3 年5 月1 日哈尔滨高1 l o m 摩天轮投入运营，成为中国第一高，世界第六高巨型摩天轮。 籀一章绪论 当前，中国湖南长沙正在修建高1 2 0 m 的巨型摩天轮，将成为亚洲第一。本科题 的相关项目修建中的慈海桥摩天轮高1 4 0 m ，将成为世界第一摩天轮。在今 后的五年，俄罗斯，新加坡，中国的上海、北京都在规划修建1 5 0 m 以上的摩天 轮，摩天轮的世界纪录将一次次的被刷新。 海河开发重点项目慈海桥，已于去年8 月开始建设，预计后年全部完工。 慈海桥是一部将斜拉索桥和摩天轮完美结合之作，因此成为广大市民一直关注的 焦点。它位于海河上游的三岔河口，跨度l o o m ，与具有“彩虹桥”之称的金钢 桥相距7 0 0 m ，贯通红桥、河北两区。它建成后不仅可发挥交通枢纽的作用，还 将成为海河上一道美丽景观。根据市政府向国际招标的要求，慈海桥的设计必须 具有交通、景观、旅游、商业、休闲等多种功能。建成后的慈海桥，要具有凝聚 世界目光的魅力，可迅速提升海河知名度。正在建设中的慈海桥基本吻合上述要 求，多处独特设计为世界第一或首创。另外，设计者还将大桥、观览车和商业设 施融为一体，形成一种全新的空间结构，实现了独一无二的“轮桥合”风格。 慈海桥摩天轮宜径1 4 0 m ，相当于3 5 层楼高，是目前世界上最大的摩天轮。 轮外装挂6 4 个3 6 0 。透明悬挂式座舱，每个座舱可乘坐8 个人，可同时供5 1 2 个人观光。摩天轮旋转周所需时间为3 0 m i n ，到达最高处时，海河全流域及天 津市半径4 0 k m 范围内景色一览无余，晴空万里时，甚至可以看到天津港。 1 3 2 本课题研究的内容及意义 摩天轮的旋转部件( 相当于巨型轴承以下简称轴承) 是整个摩天轮旋转的中 枢。摩天轮轴承的设计制造是整个摩天轮设计制造的重点之一，其设计和制造将 直接影响整个摩天轮的运转是否正常。随着摩天轮高度的不断提升，摩天轮轴承 的要求越来越高，最初的小型摩天轮采用单纯的大型滚动轴承或设计普通的滑动 轴承。当摩天轮高度超过6 0 m 以上时，其轴承尺寸要求、承载能力要求都超出 了普通轴承的标准的范围，其结构形式，承载能力都与普通的轴承不同“。本次 课题的设计内容就是慈海桥摩天轮的特大型轴承设计工作。 在特大型轴承的设计和生产上，虽然我国已经取得了一定的成绩，在定程 度上填补了一些空白。但总体上来说，我国特大型轴承的设计和生产能力仍然处 于比较落后的状态，特大轴承的使用大多依赖于进口。此次欲建造的摩天轮由于 是建造在桥上，属于机械部件和建筑部件的结合，在国内乃至国际上部属于首次 尝试。这种特殊的结构需要轴承直径近8 m ，在我国轴承制造历史中还没有先例， 在世界轴承制造史上也极为少见。本文主要针对给定的条件，对轴承的结构形式、 支撑形式以及设计计算中的一些问题进行研究和探讨，研究的结论将作为摩天轮 轴承方案选择和设计计算的重要参考。 第二章轴承设计理论和方法 第二章轴承设计理论和方法 滚动轴承现在已经成为一种具有高度互换性的标准化部件。人们对于轴承设 计理论的研究由来已久，到二十世纪五六十年代滚动轴承的基本计算原理已经发 展完善。二十世纪六十年代以后，电子计算机的应用和现代设计方法的出现和发 展为轴承理论的发展拓展了新的空间。研究者可以建立较复杂的数学模型，预测 滚动轴承的性能、寿命和可靠性，因此轴承设计水平显著提高。 2 1 轴承设计经典理论 经典轴承设计理论的内容主要包括轴承中的几何关系、负载分布、应力与应 变、运动学关系、额定静载荷、额定动载荷和寿命计算等。在现在的轴承设计工 作中，这部分仍起着重要的作用。随着轴承工业的标准化、系列化、通用化，轴 承的设计工作主要集中在轴承的选择验算上，即根据工作条件，首先确定滚动轴 承工作要求的额定负荷，然后根据结构要求、类型要求、尺寸要求及额定负荷要 求，在滚动轴承样本中查找选取所需要的轴承型号，再对其寿命进行验算校核。 可见，确定工作要求的轴承额定动负荷是传统轴承设计的基础。 2 接触应力计算 图2 - 1两球体接触图2 - 2 两圆柱体接触 接触应力和变形是在两个曲面物体相互挤压时，在接触部位邻近的应力和应 变“，在滚动轴承中，滚动体和滚道之间应力和应变的计算是滚动轴承设计计算 第二章轴承设计理论和方法 的基础。在1 9 世纪末，赫兹就求得了接触应力和变形的关系。这些公式在现代 设计中，尤其是齿轮设计和轴承设计中仍起着基础性的作用e 1 3 。 对于两球体接触如图2 一l 所示： 接触面半径：c 上叠。坐王 3 f e ie 2 4 l p 3f l 最大接触应力：盯砌* 2 i 元丁2 7 凯- o ，桃。咄删一。一o ，s s 污 对于两圆柱体接触如图2 - 2 所示： 接触面半宽：d = 1 一v 12 1 一v 2 2 4 f e le 2 而 1 p 最大接触应力：盯。= i 4 丽f 1 f p 庙1 一嵋2 1 一y 2 2 当v i = v 2 = 0 3 和e = e 2 = e 时- 一0 4 墙j 嚣 式中：p 综合曲率半径，! ：土上，正号用于外接触，负号用于内接 pp lp 2 触；平面和圆柱或球接触时取平面曲率半径p ：= o 。( m m ) ； 占综合弹性模量，e ：三生蔓( m p a ) ： 也l + 丘2 e ，e ：为接触材料的弹性模量( m p a ) ； p ，矿，两接触材料的泊松比。 第二章轴承设计理论和方法 2 1 2 滚动轴承中的负载分布 作用在轴承上的负载通过滚动体由一个套圈传递到另一个套圈，通常各个滚 动体所承受的负载是不同的，负载的大小将直接影响到轴承的性能和寿命，习惯 上将确定外负载作用时轴承内部各滚动体所受负载称为滚动轴承的负载分布“。 在任一瞬间轴承内承受负载的滚动体多于两个，负载分布的计算属于静不定问 题，确定轴承中负载分布时，必须考虑变形协调条件。轴承套圈一般安装在刚性 很强的轴承座中，套圈的弯曲变形是可以忽略的，在变形协调条件中仅计算接触 处的弹性变形。如果考虑套圈的变形和轴承座的影响，采取有限元法计算会有好 的效果“。 首先考虑径向游隙为零的情况，如图2 3 所示 f 。 黟 豫 k v 罐 蘸 。 q m i 图2 3 滚动轴承中的负载分布 其中：口滚动体中心线与径向负载作用线之间的夹角( 。) ； q m 与负载作用线夹角为妒位置的滚动体所承受的接触负载( n ) 占，内圈中心相对外圈中一t l , 的移动量( r n n l ) ； 瓦与径向负载作用线夹角为p 处的弹性变形量( m m ) ； 矗。滚动体与内外套圈接触处的最大总弹性变形量( m m ) 。 由内圈在外加载荷f ，和滚动体接触负荷q 。的作用下的平衡条件可得： = q o + 2 g c o s f p( 妒z 2 ) 2 一l 不考虑套圈的弯曲变形，由角度妒处的变形协调条件有： 瓦= j 。c o s o 2 - 2 第二章轴承设计理论和方法 空间弹性接触的变形与负载的关系为：j = g n q 可得接触负荷与变形量的关系：警= 老 2 - 3 将2 - 2 带入2 - 3 有：q 。= q o c o s “7 妒 2 - 4 将2 - 4 带入2 - 1 可得受载最大的滚动体负荷为：q o2 箸 其中j ，：! ! 壁竺 对于不同数目的z 可计算1 的值，对于滚子轴承当随着滚动体数目的增 抛l t 趋于常数4 0 8 ，国姥当径向游隙为零时，向心滚子轴承中受载最大的滚动 体负荷为q 0 ：4 0 8 f , 。 当有径向游隙时，承受负载区域将减小，滚动体的接触负载将增加，采用同 样的分析方法( 具体推导过程略) 可得受载最大的滚动体负荷为：o o ：4 6 一f , 。 2 ，1 3 滚动轴承的动载荷和寿命计算 在轴承的失效形式中，大部分滚动轴承是由于疲劳点蚀而失效的，轴承中任 一元件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或在一定转速下的工作小时数称 为轴承寿命。同一批轴承在相同工作条件下运转，各轴承的实际寿命大不相同， 最高的和最低的可能相差数十倍，对于一个具体轴承很难预知其确切寿命，但是 一批轴承服从一定的概率分布规律，用数理统计的方法处理数据可分析计算一定 可靠度r 或失效概率i 下的寿命。实际选择轴承通常以基本额定寿命为标准，轴 承的基本额定寿命是指9 0 可靠度、常用材料和加工质量、常规运转条件下的寿 命。 在标准中规定将基本额定寿命为一百万转( 1 0 6 r ) 时轴承所承受的额定载荷 取为基本额定动载荷，也就是说，在基本额定动载荷作用下，轴承可以工作1 0 6 r 而不发生点蚀失效的可靠度为9 0 。基本额定动载荷大，轴承抗疲劳的承载能力 相应较强。基本额定动载荷c 可用相关的经验公式计算，不同厂家生产的轴承在 其产品样本中都已经列出了各型号轴承的基本额定动载荷，用户在使用轴承时可 以直接在样本中查得相应的数值。 若滚动轴承同时承受径向和轴向联合载荷，为了计算轴承寿命时在相同条件 下比较，需将实际工作载荷转化为当量动载荷。在当量动载荷的作用下，轴承寿 命与实际联合载荷下轴承的寿命相同。当量动载荷的计算公式是：p = 埘l + 阡：， 第二章轴承设计理论和方法 式中f 径向载荷；c 轴向载荷；x ，y 径向动载荷和轴向动载荷系 数，可在轴承手册的相应图表中查到。对于具体的工作环境通常要考虑冲击振动 载荷系数。 滚动轴承的寿命随载荷的增大而降低，寿命与载荷的关系为：p 。l ，。= 常数， 式中p 当量动载荷；厶基本额定寿命，常以1 0 6 r 为单位( 当寿命为一 t n 百万转时，厶。= 1 ) ；寿命指数，球轴承s = 3 ，滚子轴承占= 詈。由手册 j 中查得的基本额定动载荷c 是以l 。= 1 ，可靠度9 0 9 6 为依据的，由此可以列出轴 ，1 、6 承的当量动载荷为p 时以转数为单位的基本额定寿命为厶。= 【告i1 0 6 ，。在轴承 1 的设计计算中要使计算出的基本额定寿命大于预期使用寿命”“。 2 1 4 滚动轴承的静载荷计算 静载荷是指轴承套圈相对转速为零时作用在轴承上的载荷，为了限制滚动轴 承在静载荷作用下产生过大的接触应力和永久变形，需要进行静载荷计算。滚动 体和套圈之问在负载的作用下要产生变形，变形包括弹性变形和塑性变形，滚动 轴承中的塑性变形是不可避免的，甚至在很轻的作用下也会产生塑性变形。塑性 变形的表现形式是在接触表面上形成局部凹坑，凹坑过大轴承运转时将产生较大 的振动和噪声，影响轴承平稳运行。塑性变形究竟多大是允许的，这是一个重要 的问题，经验表明在承受最大负荷的滚动体和滚道接触处总的塑性变形量小于滚 动体直径的万分之一时对轴承的运转没有什么影响。在以前的国际标准中，额定 静负载的定义是指轴承中接触应力最大滚动体和滚道接触的总塑性变形量为滚 动体直径万分之一时的载荷。以前的轴承标准中的额定静载荷的计算都是以此作 为判据来进行的。近年来国际标准化组织滚动轴承技术委员会对额定静负载进行 了重新讨论，提出了修改方案。讨论认为以前的滚动体直径万分之一作为经验判 据具有一定的局限性，应据此规定准确的接触应力作为许用值。实验表明与万分 之一塑性变形量对应的接触应力随着轴承类型的不同而不同，大致在4 0 0 0 4 6 0 0 m p a 。基于此，规定额定静负荷的定义如下：额定静负荷是指使轴承受载最 大的滚动体与套圈滚道接触处中心的计算接触应力达到下列数值的静负载，即 对于双列向心球面轴承为4 6 0 0 m p a ： 对于其它球轴承为4 2 0 0 m p a ； 对于所有滚子轴承为4 0 0 0 m p a “” 由于所规定是计算接触应力数值，它仅与外加负荷、轴承内部几何参数和轴 承材料的弹性常数有关，而与热处理组织、表面残余应力等因素无关。此时受载 第二章轴承设计理论和方法 最大的滚动体与套圈滚道接触处总塑性变形量可能大于或小于滚动体直径的万 分之一。以此标准为基准可以得出各类轴承额定静载荷的计算公式，公式在相应 的轴承手册都可以查到。不同厂家生产的轴承在其产品样本中都已经列出了各型 号轴承的基本额定静载荷，用户在使用轴承时可以直接在样本中查得相应的数 值。 以上传统的轴承设计理论很多都是在实验和经验的基础上形成，适合于各类 轴承的设计计算。但在具体的轴承计算中，应结合轴承的类型、轴承的组合结构、 轴承的润滑与密封、强度和刚度等进行详细的设计。随着科学技术的发展，轴承 的设计理论也有了新的发展，但是传统的方法仍然在轴承设计中起着重要的作 用。 2 2 现代设计方法及其在轴承设计中的应用 现代设计方法主要针对传统设计而言，传统设计是以经验总结为基础，运用 长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依 据，通过经验公式、近似系数或类比等方法迸行设计n ”。传统设计在长期运用中 得到不断地完善和提高，是符合当代技术水平的有效设计方法。分析传统的设计 过程，可以看出传统设计的每一个环节都依靠设计者用手工方式来完成的。首先 凭借设计者直接的或间接的经验，通过类比分析或经验公式来确定方案，由于方 案的拟定很大程度上取决于设计人员的个人经验，即使同时拟定几个方案，也难 于选出最优方案。分析计算中，由于受人工计算条件台勺限制，只能用静态的、近 似的方法，参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要的 因素，因而造成设计结果的近似性较大，有时不符合客观实际。此外，在信息处 理、经验或知识的存储和重复使用等方面还没有一个理想的有效方法，懈算和绘 图也多用手工完成，所以不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确 和优化的效果。传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳 动为特征的设计方法，随着现代科技术的飞速发展、生产技术的需要和市场的激 烈竞争以及先进设计手段的出现，传统设计方法己难以满足当今时代的要求“。 现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，由于科技进步的速度日 盏加快，特别是计算机技术的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维 规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去难以想象的综合集成设计计算， 使设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。2 0 世纪中叶开始，设计 领域中相继出现了一系列新兴理论与方法。为区别于过去常用的传统设计理论与 方法，把这些新兴理论与方法称为现代设计。当然现代设计不仅指设计方法的更 2 第二章轴承设计理论和方法 新也包含了新技术的引入和产品的创新。目前现代设计方法主要包括：优化设计、 可靠性设计、设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业艺术造 型设计、人机工程、并行工程、价值工程、反求工程设计、模块化设计、相似性 设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、摩擦学设计、人工神经元计算方法等。 现代设计方法将