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摘 要

近年来，我国实力不断增强，现代工业、物流业发展迅速，门座式起重机在机械运输中所占据的地位也越发的重要，而其中回转支承的设计更是受到了人们广泛的关注。它是机械部件所必要的关键传动元件，在作相对回转运动的同时，也可以承受轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩。能否正确地设计回转支承，对整体性能的影响尤为重要。本文以20t门座式起重机为研究对象，对回转支承进行详细的计算与设计，运用三维软件UG构建了该回转支承的三维模型，运用workbench对其承载力进行有限元分析。

关键词：门座式起重机；回转支承；设计；建模；有限元分析

Design and Bearing Capacity Research of Portal Slewing Bearing Device

Abstract

In recent years, China"s strength has been increasing, and modern industry and logistics industry have developed rapidly. Portal crane plays a more and more important role in mechanical transportation, among which the design of slewing bearing has attracted widespread attention. It is an important transmission element in the machinery that can not only achieve relative rotation motion, but also bear axial load, radial load and overturning moment. Whether the design of slewing bearing is correct or not is particularly important to the overall performance. This paper takes 20t portal crane as the research object, calculates and designs the slewing bearing in detail, constructs the three-dimensional model of the slewing bearing by using three-dimensional software UG, and carries out finite element analysis of its bearing capacity by using workbench.

Key words: Portal crane; Slewing bearing; Design; Modeling; Finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 回转支承的发展情况 1

1.2.1 国内回转支承研究现状 1

1.2.2 国外回转支承研究现状 2

1.2.3 国内外回转支承生产技术对比 2

1.3 课题研究内容 2

1.4 本章小结 3

第二章 回转机构设计与方案选择 4

2.1 回转机构总体设计 4

2.1.1 已知条件 4

2.1.2 驱动方案简图和设计选择 4

2.1.3 回转机构总图和说明 5

2.2 立式减速器的方案选择及布置 6

2.3 技术参数 7

2.4 本章小结 8

第三章 回转机构设计计算校核 9

3.1 回转质量及坐标，风载计算 9

3.2 回转机构载荷组合 12

3.2.1 驱动装置载荷组合工况 12

3.2.2 支承装置载荷组合工况 12

3.2.3 计算载荷一览表 12

3.2.4 回转支承装置校核 15

3.2.5 滚子压力计算 15

3.2.6 滚道接触应力计算 16

3.2.7 回转支承连接螺栓强度校核 16

3.2.8 螺栓预紧力预紧力矩计算 17

3.2.9 螺栓强度计算 17

3.3 回转驱动机构等效阻力矩计算 18

3.4 电机静功率及电机校核 19

3.4.1 电机静功率及选型 19

3.4.2 电动机过载能力 19

3.4.3 电机起动时间 20

3.5 驱动装置传动比计算 20

3.6 本章小结 21

第四章 有限元分析 22

4.1有限元分析的流程 22

4.2 ANSYS workbench分析 23

4.2.1 workbench的设计思想 23

4.2.2 workbench的仿真环境与传统仿真环境的对比 23

4.3 三维建模与导入 23

4.4 定义材料属性 24

4.5 网格划分 24

4.6 施加载荷 24

4.7 回转支承有限元分析结果 25

4.8 本章小结 25

第五章 结束语 26

致 谢 27

参考文献 28

第一章 绪 论

1.1 选题背景与意义

随着现代工业的发展，在冶金、机械、交通运输、电力、建筑、采矿、化工、造船、港口和国防等工业部门中，起重机的应用越来越广泛。随着我国经济实力的迅速提升，对国内各种起重机的需求量也跟着有了很大的提高。门座式起重机作为物料运输机械，在我国国民经济中占据着极其重要的地位。

回转支承是现代机械中具有重要作用的基础元件之一，近五十年来，在各种行业中得到广泛的应用。它是既能够实现相对回转运动，又能同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩的机械中所必须的重要传动元件。如果选型正确,那么能够保证机械整体吊重状态下回转的可靠性和平稳性,回转所产生的冲击减小；如果选型误差较大的话,也就是说所选的回转支承结构太过简单,强度差,刚性弱,则可能导致发响或者是冲击过大的现象,甚至使回转支承无法满足各类况的要求,而引起重大事故的发生，甚至带来严重的后果。因此回转支承的设计在机械运动中尤其重要，采用什么样的方法,怎样提供各种类型机器回转支承的选用方法的有效论据,不仅能够处理我国回转支承故障率高的问题,还可以针对实际工程机械的设计做出重大的贡献。

1.2 回转支承的发展情况

1.2.1 国内回转支承研究现状

回转支承在长达半个多世纪的发展过程中，国内工程师对回转支承装置进行的更多的、更深入的相关研究，已经从最早的为工程机械设备提供相配套的设施广泛应用到很大其它的机械装备制造行业，它所占据的市场额度也越来越大，适用场合也越来越广泛，质量也越来越高^[1]。目前我国国内以生产回转支承为主的厂家将近有70多家，但是大多数都为小规模，系列比较单一，而真正属于产品系列较多、产业规模较大的厂家却屈指可数^[2]。

国内研究回转支承相关产品的时间较短，从初期的中心枢轴式回转支承结构逐步演化到如今的结构紧凑、操作灵活、承载能力较大的环形齿圈式结构。当今在实际生产和应用中最广泛的四种类型是四点接触单排球式、双排球式、交叉滚柱式、三排滚柱式。我国对回转支承研究和制造较早的有天津工程机械研究所、徐州回转支厂和洛阳轴承厂。这些厂家都是开展生产运营时间相对较长并且具规模较大的国内企业，它们的技术设备较好，企业信誉度较好，生产技术和能力提升速度较快，在行业竞争中具有较大的优势。经过几年的发展，目前已形成我国研制开发生产回转支承的三大专业厂家：徐州工程回转支承厂、山东莱阳重型机械厂、马鞍山方圆回转支承厂^[3]。这些厂家对回转支承相关产品都有一定深入的研究，产品主要应用于中小型的工程机械、工程塔式起重机械及采矿、化工、冶金等机械，而对于大型复合回转支承产品的研究都还处于起步阶段。山东莱阳重型机械厂对回转支承产品的开发虽然略晚几年，因与国内外科研院所工厂都有合作，积累了大量丰富的经验．所以发展速度最快，有条件研制大型且较为复杂的回转支承产品。

1.2.2 国外回转支承研究现状

国外对回转支承相关产品的研制时间较早，技术也相对比较成熟先进。回转支承产品基本上是由专业化的厂家设计制造，各厂家都各自的结构形式和规格系列。国外主要企业有德国 Thyssen Krupp、FAG 公司；法国 RKS 及美国、英国、日本 NSK、KOYO 公司等。其中德国科虏伯公司的知名度最高，可设计制造直径为0.35-40m的回转支承。罗特艾德公司为某一油田采油船所研制的六排滚柱式回转支承，将滚圈分为四段组装，滚道中心直径达11.5m，主机最大起重量达2500吨。而国内的回转支承尤其是大型且较为复杂回转支承的研究与制造水平，与国外相对成熟先进的技术之间存在一定的差距。大型化、平稳性和安全性较高的复合式回转支承体现着回转支承产品的制造水平，同时也是今后回转支承产品能否占领和拓宽市场的关键。

1.2.3 国内外回转支承生产技术对比

我国的回转支承生产技术主要是上世纪80年代从德国引进，而与国外相比，因为工艺装备不齐全、生产技术落后，导致回转支承的质量与国际水平之间还存在较大的差距，接下来从如下几个方面进行对比分析：

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