四、影响回转支承承载能力的因素

回转支承内部结构复杂，影响承载能力因素诸多，本部分从自身结构、硬化滚道和连接螺栓方面，分析各参数对承载能力的影响规律，为回转支承承载能力优化提供分析基础。

（一）结构对承载能力影响

1.套圈挡边高度 h

对于单排四点接触球式回转支承来说，套圈挡边高度设计不足时，过大载荷使滚球与滚道之间产生的接触椭圆应力区域接近或超出挡边边缘，造成明显应力集中，接触面内应力加剧滚球与滚道的摩擦和磨损，套圈挡边高度一般采用经验计算公式 h = kD _w 。设计合理的挡边高度需要考虑接触角、滚球直径、滚道沟曲率系数、载荷大小和类型以及材料许用接触应力等。

挡边高度设计如图2-17所示，通过几何关系得到滚道接触椭圆面长半轴边缘的接触角 β 为

式中， r 为滚球半径。

套圈挡边高度设计原则是接触椭圆长半轴 a 不能超过挡边高度 h ，因此，回转支承挡边高度最小值为

2.滚动体直径 D _w 和个数 Z

滚动体直径越大，单个滚动体承载能力越高。在给定的结构尺寸和安装尺寸下，滚动体直径越大，回转支承套圈径向深度和轴向高度越大，整体尺寸增加，增大轴承材料制造和安装成本。如果只增大滚动体直径，套圈径向深度和轴向高度不变，套圈内部结构变薄，不仅整体结构刚度下降，而且滚动体直径越大，滚动体数量越少，回转支承整体承载性能可能会下降。滚动体直径与滚动体个数关系通过经验公式获得，即

式中， K 是与保持架等参数有关的参数； Z 是滚动体个数； D _pw 是滚道直径（mm）； D _w 为滚动体直径（mm）。

3.游隙

游隙影响回转支承寿命、载荷分布、振动、噪声和摩擦等，包括轴向和径向游隙。在不受载状态下，游隙是指活动套圈相对固定套圈从一个极限位置到另一个极限位置的移动量。

在实际工程中，回转支承一般取小游隙或负游隙来减小振动冲击。对于风力发电机的变桨轴承来说，必须采用负游隙，通过增加滚球与滚道的接触压力减小滚球在滚道上径向微动时接触面的相对滑动量。当游隙为负值或零值时，所有滚动体与滚道接触，此时承载滚动体最多；当游隙为正值时，由于承载滚动体数量逐渐减少，所以当负游隙变为正游隙时，滚动体承载数量由多变少，与滚道的最大接触载荷由大变小，再逐渐增大，游隙变化直接影响滚动体承载值和承载个数。

4.接触角

对于单排四点接触球式回转支承滚球与滚道接触区中心法向与垂直于轴线的径向平面间夹角称为接触角，一般在40 ° ～60 ° 之间。轴向承载能力随着初始接触角变大而变大，径向承载能力随着初始接触角变大而变小。如果初始接触角和轴承内部间隙大，回转支承受载后实际接触角超过60 ° ，滚球与滚道接触点接近滚道边缘，随着滚道磨损，接触角继续增大，接触区域应力椭圆超过滚道边缘，造成应力集中，滚道的实际应力远远大于理论设计计算应力，造成滚道边缘压溃，加速滚道失效。

5.滚道曲率半径

对于单排四点接触球式回转支承来说，滚道曲率半径系数 f 是滚道曲率半径 r 与滚球直径 D _w 的比值。滚道曲率半径系数（见图2-18）影响滚球与滚道密合程度，设计时通常在0.51～0.56之间取值。

如图2-18a所示，滚道曲率半径系数越大，滚球与滚道密合程度越小，滚球与滚道接触区域越小，承载能力越小，摩擦力越小；如图2-18b所示，滚道曲率半径系数越小，滚球与滚道密合程度越大，滚球与滚道接触区域越大，承载能力越大，摩擦力越大，对回转支承加工与装配精度要求越高，制造难度越大。滚道曲率半径直接影响接触应力，为了尽可能提高回转支承承载能力和使用寿命，应使滚球与内外滚道的最大接触应力差值最小，通常外圈滚道曲率半径系数大于内圈。

（二）硬化滚道对承载能力影响

1.滚道硬化层深度

在回转支承滚道结构中，滚道硬化可提高表面强度，保证滚道不产生剥落。例如：受载后滚球与滚道的点接触变成面接触，接触区域为一个长半轴为 a 、短半轴为 b 的椭圆面，滚道除受压应力外，还受到切应力作用，最大切应力发生在滚道次表面0.47 a 处，因此滚道硬化层深度必须大于0.47 a （一般取0.6 a ），这也是国家标准中根据滚动体直径大小规定硬化层深度，而不是根据回转支承直径来规定的原因，同时给出了硬化层深度最小的保证值。目前，滚道硬化层深度还没有无损检测方法，主要依靠工艺和装备来保证。

2.滚道硬度

回转支承滚道热处理表面硬度对承载能力有着重要影响。表2-5为滚道硬度与额定静容量对比系数的对应关系。

国家标准规定回转支承滚道表面硬度不低于55HRC，在加工生产中滚道硬度可达57HRC，当滚道表面硬度只有50HRC时，即使安全系数取1.7倍，回转支承也会因硬度不够而损伤。表2-6给出了不同硬度和弹性模量之间的关系，对不能直接设置硬度的仿真软件可通过此关系获得滚道硬化层的材料属性。

（三）连接螺栓对承载能力影响

作为回转支承部件中的重要零件，连接螺栓将回转支承与上下支承结构固定在一起，螺栓好坏直接影响轴承的正常运转。连接螺栓预紧的目的是增强螺纹连接的可靠性、紧密性和防松能力，提高疲劳强度，防止安装面出现间隙而产生附加冲击，同时预紧力会在接触面间产生黏附摩擦力，起到传递径向力的作用。过大的预紧力会使螺栓在装配过程中或者过载情况下断裂，一般预紧力为螺栓承载极限的70%，尺寸应符合GB/T 5782—2016《六角头螺栓》的规定，强度不低于GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中规定的8.8级。

三排滚柱式回转支承内圈或外圈由上、下两部分组成，中间通过连接螺栓固定，载荷通过螺栓传递给上、下支承结构，如图2-19所示，外圈由上、下两滚座组成。目前，对三排滚柱式回转支承有限元计算分析时，将内外圈简化成整体进行计算，这使整圈的刚度增加，与实际工程情况有差别。本部分建立的整体三排滚柱式回转支承和分体三排滚柱式回转支承有限元模型如图2-20所示。根据GB/T 3098.1—2010选择螺栓预紧力为50kN，分析载荷和预紧力对整体刚度影响。

由表2-7可知，随着载荷增大，三排滚柱式回转支承变形增大，相同载荷下整体模型的变形小于分体模型，整体模型的刚度大于分体模型。在三排滚柱式回转支承有限元计算时，螺栓螺母与回转支承端面接触对较多，建模过程花费大量时间，对计算要求高，收敛难度大，一些学者将螺栓替换成非线性结构进行简化计算，分析螺栓对回转支承载荷分布影响，结果更加接近实际工况。