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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 bearing

Abstract

50Mn 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，Poisson’s ratio and the properties of material;According the phase diagram,observe the change of 50Mn’s properties.

Kye words：slewing bearing；50Mn；42CrMo；contact stress；Finite Element Analysis

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究的背景和意义 1

1.2 回转支承材料的研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 2

1.3本文研究内容 3

第二章 回转支承材料的强度计算 5

2.1 回转支承的常用材料及其特点 5

2.1.1 滚动体常用材料 5

2.1.2 滚道常用材料 5

2.2 滚道接触应力计算 6

2.2.1 赫兹弹性理论 6

2.2.2 滚道接触应力计算公式 7

2.2.3回转支承接触应力计算 9

2.3 齿轮强度计算 12

2.4 本章小结 12

第三章 回转支承的有限元分析 14

3.1 有限元法及有限元软件 14

3.1.1 有限元法 14

3.1.2 ABAQUS软件介绍 15

3.2 基于ABAQUS的接触问题分析 16

3.2.1接触问题分类及解决方法 16

3.2.2 接触方式分类及选择 17

3.3.3 接触问题求解步骤 17

3.3 单排球式回转支承的有限元分析 18

3.3.2 划分网格 19

3.3.3 边界条件和载荷 20

3.4 本章小结 22

第四章 仿真结果分析 23

4.1 仿真结果与计算结果对比 23

4.2 不同材料的仿真结果对比 24

4.2.1 泊松比u对接触性能的影响 24

4.2.2 弹性模量E对接触性能的影响 25

4.2.3 热处理对接触强度的影响 26

4.3 本章小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 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42CrMo^[4]，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。

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