Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date回转支承材料及性能研究南京工业大学 2014届毕业设计论文 学生姓名： 鲁飞 学 号： 1202100217 所在学院： 机械与动力工程学院 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： 回转支承材料及性能研究 指导教师： 洪荣晶 2014 年 6 月 3 日-回转支承材料及性能研究摘要国内常用的回转支承内外圈材料为50Mn和42CrMo，但是材料发生滚道剥落、过度磨损的情况却屡见不鲜。本文以赫兹理论和有限元法为基础，对50Mn和42CrMo材料的接触性能进行研究，主要内容如下：（1） 讨论50Mn和42CrMo的材料特点，基于经典赫兹接触理论对两种材料进行接触应力计算，并将计算结果进行对比。（2） 创建回转支承滚道与滚珠接触模型，利用ABAQUS软件对模型进行有限元分析，将仿真结果与理论计算结果进行对比。（3） 根据50Mn和42CrMo的有限元分析应力云图，探讨两种材料的性能差异。（4） 根据赫兹理论公式，推算出泊松比、弹性模量与材料接触性能之间的关系；根据金相图，观察50Mn热处理前后的性能变化。关键词：回转支承；50Mn；42CrMo；接触应力；有限元分析Research on material and property of slewing bearingAbstract50Mn and 42CrMo are often used to make outer ring of slewing bearing,but it is common to see that the material occurs raceway spalling and excessive wear.This paper studies the contact performance of 50Mn and 42CrMo based on Hertz theory and finite element analysis,The main contents are as follow:(1)Discuss the characteristics of 50Mn and 42CrMo,calculate the contact stress of that two material based on Hertz theory,then compare the two results.(2)Create a model with a ball and raceway of slewing bearing,the model is meshed and analysis by ABAQUS,compare the simulation results and theoretical calculations.(3)According 50 Mn and 42CrMo FEA stress cloud to explore difference of performance between the two materials(4)According Hertz theory formular,calculate the relationship between modulus of elasticity，Poissons ratio and the properties of material;According the phase diagram,observe the change of 50Mns properties.Kye words：slewing bearing；50Mn；42CrMo；contact stress；Finite Element Analysis目录第一章 绪论11.1 研究的背景和意义11.2 回转支承材料的研究现状21.2.1 国内研究现状21.2.2国外研究现状21.3本文研究内容3第二章 回转支承材料的强度计算52.1 回转支承的常用材料及其特点52.1.1 滚动体常用材料52.1.2 滚道常用材料52.2 滚道接触应力计算62.2.1 赫兹弹性理论62.2.2 滚道接触应力计算公式72.2.3回转支承接触应力计算92.3 齿轮强度计算122.4 本章小结12第三章 回转支承的有限元分析143.1 有限元法及有限元软件143.1.1 有限元法143.1.2 ABAQUS软件介绍153.2 基于ABAQUS的接触问题分析163.2.1接触问题分类及解决方法163.2.2 接触方式分类及选择173.3.3 接触问题求解步骤173.3 单排球式回转支承的有限元分析183.3.2 划分网格193.3.3 边界条件和载荷203.4 本章小结22第四章 仿真结果分析234.1 仿真结果与计算结果对比234.2 不同材料的仿真结果对比244.2.1 泊松比u对接触性能的影响244.2.2 弹性模量E对接触性能的影响254.2.3 热处理对接触强度的影响264.3 本章小结27第五章 总结与展望285.1 全文总结285.2 工作展望28参考文献30致谢32第一章 绪论1.1 研究的背景和意义回转支承是一种特大型滚动轴承，由内外圈、滚动体等构成1，可以承受较大的综合载荷，广泛应用于工程机械、风电行业、港口机械、军工机械及航空航天等领域。图1.1是单排球式回转支承的实物图；图1.2为单排交叉滚柱式回转支承实物图。图1.2图1.1 回转支承的应用范围非常广泛。我国在水利工程、道路交通、电力输送等基础设施建设中，都为回转支承的发展提供了很大的空间。同时，随着机械行业的不断发展，用户对回转支承的性能要求越来越高，包括其使用寿命和安全性。目前国内生产回转支承产品的企业有很多，但是相比于国外的一些企业，其质量还是略有差距的，尤其是在回转支承的材质和热处理方面更是落后于国外，每年因为这方面的不足而产生的浪费金额都在数亿元以上，同时也造成了资源的浪费。回转支承的工作环境往往比较恶劣，所以对其材料的性能有着特别的要求，如滚道的接触强度要求和耐磨性要求以及齿轮的弯曲强度要求。但是目前市场上用的回转支承材料易在不同程度上发生失效，如滚道剥落和轮齿断裂等等2。基于以上原因，本课题开展了以回转支承为研究对象的回转支承材料及性能的研究。1.2 回转支承材料的研究现状1.2.1 国内研究现状六十年代初期，我国开始在挖掘机和起重机等工程机械领域中应用回转支承，例如合肥矿山机器厂生产的挖掘机和北京起重机厂生产的起重机均采用了双排式回转支承3。此后，国内各种旋转起重机、挖掘机、堆垛机等中的新产品，绝大多数采用了轴承式回转支承。从而，关于回转支承的研究也成为工程机械学科界的热点。回转支承的套圈材料主要为50Mn和42CrMo4，国内的回转支承公司、科研院所以及高校做了大量的针对这两类材料的研究。如马钢集团近期完成的50Mn回转支承的滚道剥离原因和解决方案的研究；张家港海陆环形锻件公司进行的42CrMo回转支承的材料缺陷研究等。这些研究结果表明：（1）不同的合金钢材料，由于其弹性模量及泊松比的不同会产生不同的力学性能；（2）同种材料在不同的热处理条件下所得到的力学性能也有着很大的不同。市场对于回转支承性能提高以及制造成本降低的要求越来越强烈，回转支承的加工工艺也就相应地需要得到改善。由南京工业大学机械学院与安徽工业大学、马鞍山方圆回转支承有限公司组成的研究团队通过数控改造技术，建成了回转支承数控加工生产线。不仅提高了生产效率，而且回转支承滚道精度也得到了很大的改善。此外，随着计算机技术、有限元方法以及各类仿真软件的不断发展，关于回转支承的静力与动态仿真的研究也越来越多。例如上述西南交通大学的汪洋，以及合肥工业大学的顾家祯，他们研究的方向都是以ANSYS软件为工具，对回转支承的滚道与滚动元件的接触问题进行仿真实验，并且研究成果得到业界很多学者的借鉴和引用。除了ANSYS外，很多其他仿真软件也常用于回转支承的研究，如南京工业大学的丁龙建曾从事的回转支承非线性接触研究，就是以ABAQUS软件为研究工具的。1.2.2国外研究现状国外的回转支承大多由轴承公司进行专业化生产，各公司都有自己的形势和尺寸系列。主要生产公司有德国的罗特爱德（ROTHE ERDE）、法国的RKS及日本的NSK、KOYO等5。此外，舍费勒公司研发制造出了外径达到4000mm的超大型回转支承，可安装在风里发电设备中。此回转支承为单排或双排四点接触式，可以承受轴向、径向和倾覆力矩。我国的回转支承技术主要从国外引进，国外关于回转支承方面的技术比较先进与成熟。国外公司和高校的研究者通过理论计算和有限元仿真的方法来分析回转支承的失效问题。S.Zupan等通过压力实验方法确定了滚动轴承上的外部载荷分布要素，以及表面硬化后滚道的实际接触能力。在测试过程中允许真实的旋转接触运动，这些连接的接触变化可以通过转动阻力进行分析。西班牙伊克兰研究中心的Jose Ignacio Amasorrain 等研究了在一般负载条件下（转矩、轴向载荷和径向载荷）的单排四点接触式回转支承，确定了滚动元件上载荷分布的计算过程。Hajela P. Genetic关于非凸优化问题的探讨为回转支承的研究提供了数学工具。回转支承某一个结构参数或者材料参数，例如R/r、E，发生变化就会对整个回转支承的承载性能产生影响，这种影响或大或小。结合优化算法与计算机技术，就可以得到这个参数的最优值。近年，尤其是在日本，有很多专家致力于S48C碳素结构钢的研究。研究发现，S48C作为机械结构用钢，热处理后具有较高的强度和较好的塑性，韧性、抗疲劳等性能也很优越。尤其是经过调质处理后的S48C钢，其良好的综合力学性能比较适合回转支承这类制造强度要求较高的机械结构。1.3本文研究内容本文研究的内容主要为以下几个方面：（1） 回转支承材料 滚珠、滚道常用材料的选择及其特点。（2） 接触问题理论计算研究 结合经典的赫兹理论，分别计算50Mn和42CrMo材料的滚道与滚珠之间的接触应力大小。（3）齿轮强度计算齿轮是回转支承重要的部件之一，齿轮强度直接影响到回转支承的承载性能。本文以QWC 125040A型回转支承为例，对其外齿的接触强度和弯曲强度进行公式计算。（4）四点接触式回转支承的有限元分析 运用ABAQUS对QWC 1250.40A型回转支承进行三维