4500吨浮式起重机回转支承结构优化设计4500tonsfloatingcraneslewingbearingstruc
摘 要摘 要21世纪以来，大型浮式起重机应用在了许多场合。回转支承要承受较大的轴向载荷和倾覆力矩，所以回转支承的设计优化不容忽视。所以本文利用有限元法对回转支承进行分析,基于workbench对回转支承进行优化设计。本文先由最简易的单排四点球式接触回转支承入手，对其分析计算。充分利用赫兹接触理论对回转支承滚动体与滚道接触部分进行量化分析，找出其不足之处。根据浮式起重机的真实运载情况考虑其各种载荷的变化，并且分析其各部分载荷分布的不均匀。根据不足寻找解决方案。首先，根据浮式起重机的工作特点计算器工作载荷，对其轴向载荷及倾覆力矩进行分析，以便了解各滚子所受到的载荷，并且指出回转支承可能受到的载荷不平衡现象。其次，利用赫兹接触理论和ANSYS workbench软件，建立回转支承有限元模型。对各部分所受应力，应变及其变形进行求解，得出所需参数。然后，根据所得变形量及应力大小，基于workbench对原有模型进行优化设计。得出三种优化方案。最后，将优化得出的计算结构与原模型的计算结果进行对比，选出一个结果最优的模型，实现更大的工程价值。关键词浮式起重机；回转支承；workbench有限元分析；优化设计；赫兹理论
目录
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究背景及意义 1
1.1.1 回转支承应用场合 1
1.1.2 本文研究意义 2
1.2 回转支承研究背景及意义 2
1.3本文研究内容 3
第二章 回转支承的受力分析及选型 5
2.1回转支承的结构类型 5
2.2回转支承的选型计算 7
2.2.1浮式起重机主要载荷 7
2.2.2回转支承的选择 9
2.3滚道圆周上的压力计算 12
2.3.1提出假设 12
2.3.2滚道圆周上的压力计算 13
2.4赫兹接触理论 15
2.4.1基本条件 15
2.4.2赫兹接触理论分析 16
2.4.3单排四点接触球式回转支承接触应力 17
第三章 基于ANSYS对已选回转支承进行有限元分析 19
3.1回转支承三维模型建立 19
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3.2材料的选取 20
3.3有限元接触分析法 20
3.3.1有限元法的概述 20
3.3.2利用ANSYS进行接触分析 20
3.4回转支承有限元模型的建立 21
3.4.1基本模型的建立 21
3.4.2模型网格划分 21
3.4.3接触对的创立 22
3.4.4载荷与约束 22
3.5计算结果分析 23
3.5.1总体变形 23
3.5.2应力与应变大小 23
3.5.3接触区状态 24
第四章 基于ANSYS的起重机回转支承结构优化设计 26
4.1优化方案一：接触状态部位优化 26
4.2优化方案二：对滚道数目的优化 28
4.3优化方案三：增加垫圈的影响 30
4.4优化结论概述 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
本文的研究背景及意义
回转支承又称回转轴承，可以承受较大的轴向载荷，倾覆力矩。用于支撑上下部分的能够旋转的支撑结构，具有传递力矩等多种功能的大型轴承[]。
1.1.1 回转支承应用场合
回转支承在实际生产中应用很广泛，人们称它为：“机器的关节”，是大型结构能够稳定运转的必不可少的零件。回转支承广泛应用在门座起重机、浮式起重机、挖掘机，逐渐延伸到运输机器、冶金机器、食品加工机器、军事领域、医疗机器、天梯、等领域[]。
除了机械平台，回转支承还应用于其他各种工作平台，类似港口，冶金，钻井等多种工作平台，大型回转支承已经逐渐代替了传统的轴承。回转支承的应用范围十分的广泛。各种用途如图11所示.
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图11回转支承的应用
以下是其应用平台：
港口设备：港口起重机中、装箱机
新能源设备：水力发电站、核电站
冶金设备：吊车起重机、齿轮加工台、搅拌机等机构
游乐设备:摩天轮等
机场设备:机场加油机
军工设备:雷达、坦克等
机器人:码垛机器人、焊接机器人、机械手
医疗设备:伽马刀
环保设备:刮泥机
停车设备:塔式车库
建筑结构:迪拜旋转塔
1.1.2 本文研究意义
回转支承连接着浮式起重机上旋转体与下固定体，承载着整个浮式起重机大部分的重量。回转支承的设计是整个浮式起重机设计的重要一环，回转支撑设计的好坏将直接影响到浮式起重机工作质量。而随着浮式起重机起重载荷的越来越大，如今对回转支承的要求更是变得越来越高。特别是回转支承如今精度要求高，起重机承载货物的重量也在逐年增加。为了起重机能够承载更大重量，回转支承的设计在整个系统中起到了至关重要的作用。回转支承结构的优化设计可以有效的减少回转支承的疲劳强度，使得回转支承的寿命大大提高，这对减少资源浪费，减轻工人劳动强度具有重要意义。而且国内回转支承在中高速运转时接触滚子处所受的压力很不均匀影响回转支承的工作，这点也要设法避免。
回转支承研究背景及意义
（1）国外研究现状
海外回转支承发展较早，回转支承的研发技术已经成型。国外目前主要厂家有德国的HRE，法国的ROllix、Rks及美国、日本、英国的技术都比较成熟。其技术种类多达十几种，技术装备以数控机床为主。国外对CAD与CAE技术掌控的比较好，他们将零件装配体的各项尺寸，使用条件，转速等数据输入电脑。电脑程序自动完成对产品进行计算，设计出符合要求的设备，根据承载能力进行选型，并进行有限元分析计算，利用matlab等对产品进行分析模拟仿真。所以国外对回转支承的研发较国内更成熟，承载性能较好。
而在工艺技术方面，国外的已经普遍用CNC[]机床进行加工，这种加工方法大大简化了工艺，提高了效率，同时减少了装夹次数，提高了装配的精度。大大缩短了生产周期，为企业创造更大的收益，也保证了产品的质量。由于CNC机床的渐渐应用，无图纸化操作变得简单。计算机系统联网，使产品合同，产品设计，工艺设计CNC机床的使用，这让整个生产都变得高效。此外，国外的许多生产厂家对其操作和滚道的加工都有独到之处。
目录
第一章 绪论 1
1.1 本文的研究背景及意义 1
1.1.1 回转支承应用场合 1
1.1.2 本文研究意义 2
1.2 回转支承研究背景及意义 2
1.3本文研究内容 3
第二章 回转支承的受力分析及选型 5
2.1回转支承的结构类型 5
2.2回转支承的选型计算 7
2.2.1浮式起重机主要载荷 7
2.2.2回转支承的选择 9
2.3滚道圆周上的压力计算 12
2.3.1提出假设 12
2.3.2滚道圆周上的压力计算 13
2.4赫兹接触理论 15
2.4.1基本条件 15
2.4.2赫兹接触理论分析 16
2.4.3单排四点接触球式回转支承接触应力 17
第三章 基于ANSYS对已选回转支承进行有限元分析 19
3.1回转支承三维模型建立 19
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3.2材料的选取 20
3.3有限元接触分析法 20
3.3.1有限元法的概述 20
3.3.2利用ANSYS进行接触分析 20
3.4回转支承有限元模型的建立 21
3.4.1基本模型的建立 21
3.4.2模型网格划分 21
3.4.3接触对的创立 22
3.4.4载荷与约束 22
3.5计算结果分析 23
3.5.1总体变形 23
3.5.2应力与应变大小 23
3.5.3接触区状态 24
第四章 基于ANSYS的起重机回转支承结构优化设计 26
4.1优化方案一：接触状态部位优化 26
4.2优化方案二：对滚道数目的优化 28
4.3优化方案三：增加垫圈的影响 30
4.4优化结论概述 32
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
本文的研究背景及意义
回转支承又称回转轴承，可以承受较大的轴向载荷，倾覆力矩。用于支撑上下部分的能够旋转的支撑结构，具有传递力矩等多种功能的大型轴承[]。
1.1.1 回转支承应用场合
回转支承在实际生产中应用很广泛，人们称它为：“机器的关节”，是大型结构能够稳定运转的必不可少的零件。回转支承广泛应用在门座起重机、浮式起重机、挖掘机，逐渐延伸到运输机器、冶金机器、食品加工机器、军事领域、医疗机器、天梯、等领域[]。
除了机械平台，回转支承还应用于其他各种工作平台，类似港口，冶金，钻井等多种工作平台，大型回转支承已经逐渐代替了传统的轴承。回转支承的应用范围十分的广泛。各种用途如图11所示.
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图11回转支承的应用
以下是其应用平台：
港口设备：港口起重机中、装箱机
新能源设备：水力发电站、核电站
冶金设备：吊车起重机、齿轮加工台、搅拌机等机构
游乐设备:摩天轮等
机场设备:机场加油机
军工设备:雷达、坦克等
机器人:码垛机器人、焊接机器人、机械手
医疗设备:伽马刀
环保设备:刮泥机
停车设备:塔式车库
建筑结构:迪拜旋转塔
1.1.2 本文研究意义
回转支承连接着浮式起重机上旋转体与下固定体，承载着整个浮式起重机大部分的重量。回转支承的设计是整个浮式起重机设计的重要一环，回转支撑设计的好坏将直接影响到浮式起重机工作质量。而随着浮式起重机起重载荷的越来越大，如今对回转支承的要求更是变得越来越高。特别是回转支承如今精度要求高，起重机承载货物的重量也在逐年增加。为了起重机能够承载更大重量，回转支承的设计在整个系统中起到了至关重要的作用。回转支承结构的优化设计可以有效的减少回转支承的疲劳强度，使得回转支承的寿命大大提高，这对减少资源浪费，减轻工人劳动强度具有重要意义。而且国内回转支承在中高速运转时接触滚子处所受的压力很不均匀影响回转支承的工作，这点也要设法避免。
回转支承研究背景及意义
（1）国外研究现状
海外回转支承发展较早，回转支承的研发技术已经成型。国外目前主要厂家有德国的HRE，法国的ROllix、Rks及美国、日本、英国的技术都比较成熟。其技术种类多达十几种，技术装备以数控机床为主。国外对CAD与CAE技术掌控的比较好，他们将零件装配体的各项尺寸，使用条件，转速等数据输入电脑。电脑程序自动完成对产品进行计算，设计出符合要求的设备，根据承载能力进行选型，并进行有限元分析计算，利用matlab等对产品进行分析模拟仿真。所以国外对回转支承的研发较国内更成熟，承载性能较好。
而在工艺技术方面，国外的已经普遍用CNC[]机床进行加工，这种加工方法大大简化了工艺，提高了效率，同时减少了装夹次数，提高了装配的精度。大大缩短了生产周期，为企业创造更大的收益，也保证了产品的质量。由于CNC机床的渐渐应用，无图纸化操作变得简单。计算机系统联网，使产品合同，产品设计，工艺设计CNC机床的使用，这让整个生产都变得高效。此外，国外的许多生产厂家对其操作和滚道的加工都有独到之处。
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