回转支承选型优化设计与运动特性分析

　　摘要：为满足工程机械产品市场个性化需求，以工程机械回转支承的选型优化设计为目标，建立回转支承装置齿轮传动系统的动力学模型，并基于ADAMS 软件对其进行动力学仿真分析。通过对齿轮动载荷历程的分析及研究结构设计参数对齿轮动态性能的影响，提出了回转支承装置的优化设计选型方法。在此基础上，还研究了齿轮激励对回转齿轮工作性能的影响，对回转支承的设计安装及使用具有一定的指导意义。

　　关键词：工程机械;回转支承装置;齿轮;动力学模型;优化设计

　　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。回转支承装置一般是各种履带式工程机械的重要组成部分，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。在工程机械行业中，回转支承装置价格昂贵，更换维修困难，因此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。

　　行业统计数据显示，回转支承早期失效有90%是由断齿所导致[1]。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[2]。从设计角度看，目前的回转支承选型都是采用基于经验知识的静态选型计算，很难满足具体的个性化工况使用要求。

　　国内外学者在齿轮动力学、回转支承受载状况，回转支承故障诊断技术、齿轮变形因素及寿命分析等领域展开了相关研究，并取得了许多成果[3-9]。但大部分研究都没有从回转支承的个性化实际工况出发，从设计角度开展回转支承的选型和齿轮设计参数优化设计，很难在根本上解决回转支承的断齿问题。

　　本文以某打桩机回转支承为研究对象，基于虚拟仿真技术，根据打桩机实际工况，对回转支承装置进行动力学研究，分析回转齿轮设计参数对其动态性能的影响，提出回转支承优化设计选型方法。

　　1、回转支承装置的设计与选型

　　针对某中型液压打桩机械，参考《回转支承》标准JB/T2300-1999，根据其静态选型计算方法，通过计算回转支承静止时承受的轴向、径向力及倾覆力矩，选择单排四点接触球式回转支承QNA2000.50 作为液压打桩机的回转机构，其额定扭矩6000 Nm，最高扭矩7500 Nm，转速范围0.4-50r/min。该液压打桩机回转支承装置传递的是低速重载运动，因此选用HKYC2.5A 型回转液压马达，该马达可以直接驱动回转支承装置。

　　基于 Pro/E 软件建立回转支承装置的三维模型，如图1 所示。其中对回转平台及液压马达的外形特征进行了适当简化，但仍保持其质量、质心位置等信息，以保证仿真结果尽量接近实际情况。

　　2、回转支承装置的动态性能分析回转支承在工作过程中受力复杂，是该液压打桩机非常关键的核心部件，对其进行动力学研究，即可在设计阶段分析和评价回转支承装置的动态特性。

　　2.1 回转齿轮机构的动力学建模本文以齿轮副扭转振动模型作为回转支承齿轮传动系统的动力学模型，研究回转支承齿轮的动态啮合特性，简化模型如图2 所示。

　　2.2 回转支承装置的动力学分析运用 ADAMS 软件对回转支承装置进行动力学仿真分析，首先须确定动力学模型各参数矩阵。

　　(1)质量矩阵的计算ADAMS 中回转支承模型是由Pro/E 三维模型导入的，模型已包含各零部件的质量、质心及转动惯量等信息，ADAMS 软件能根据零件质量信息自动建立模型的质量矩阵及转动惯量矩阵。

　　(2)阻尼系数的计算齿轮传动系统阻尼主要包括粘性阻尼和结构阻尼。粘性阻尼一般由齿轮圆周润滑液等粘性介质产生的作用力，而结构阻尼则是由轮齿、轴承等结构本身的内摩擦引起的阻尼。本文根据式(5)计算齿轮传动系统阻尼。

　　(3)刚度矩阵的计算齿轮啮合刚度的大小与轮齿弹性变形量紧密相关，随轮齿从齿顶到齿根的'不断啮合呈周期性变化，其周期为啮合齿轮的齿频周期。本文取回转齿轮等效啮合刚度作为仿真计算依据。