回转支承如何工作？类型、结构与应用

走进任何大型起重机制造厂或风电机组总装厂，都会发现有一个关键部件使整机运转成为可能——回转支承。

如果将其拆除，设备便无法实现旋转；而只要运行状态保持良好，整机即可长期平稳服役数十年。

全球回转支承市场规模约为2023年的48亿美元，预计到2033年将达到72亿美元，年复合增长率为5.3%。这一增长主要受建筑、可再生能源和工业自动化领域需求快速攀升的推动。

全球已有超过78,000台大型工程起重机依靠回转支承技术实现360°回转功能。

本文将系统介绍回转支承的定义、工作原理、不同类型的功能差异及其应用场景，并提供足以支持实际决策的技术细节。

什么是回转支承？

回转支承，也称回转环、回转轴承、回转支承轴承或转盘轴承，是一种大直径回转轴承，能够同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩载荷。

与主要承受单一载荷方向的普通轴承不同，回转支承可同时承受这三类载荷，因此成为重型回转设备中不可或缺的关键部件。

回转支承的制造直径范围通常为200 mm至6,000 mm以上，部分特殊应用甚至超过8米。

其典型结构包括两个同心环（内圈和外圈）、位于两圈之间的滚动体，以及在许多设计中集成于其中一圈上的齿形，用于驱动回转。

最终形成一个紧凑的一体化单元，可替代原本需要分开的多个部件：轴承、齿圈和支撑结构。

图1——回转支承结构

概览

结构与关键部件

了解回转支承的组成，有助于评估技术参数、诊断磨损并为具体工况选择合适型号。以下为各部件的作用。

回转支承如何工作？

回转支承的工作原理主要基于三项机械机制：通过滚动体实现回转、同时分配多轴载荷，以及在带齿型产品中实现动力扭矩传递。

回转运动

当一圈相对于另一圈转动时，滚动体沿滚道滚动而非滑动——这正是轴承与滑动轴套的本质区别。

滚动接触可将摩擦系数降至约0.006（相比滑动接触的 0.1–0.3），这也是单名操作人员即可借助一台功率并不大的电机，驱动数吨级起重机上部结构回转的原因。

滚动体受滚道几何约束，因此在完整 360° 回转过程中，内圈始终能够相对于外圈保持精确居中。

正是这种同心度赋予回转支承优异的定位精度——在 CT 扫描机机架或雷达天线基座等应用中尤为关键，因为几何精度会直接影响设备性能。

载荷分布

回转支承需同时承受三种本质不同的载荷：

这三种载荷同时作用，其综合效应由所有与受载滚道接触的滚动体共同分担。

轴承的额定承载数据——通常会分别给出轴向、径向和力矩载荷额定值——界定了其能够在设计寿命内安全运行的工作范围。

齿轮传动机构

带齿回转支承在其中一套轴承圈上直接加工齿形，形成一体化驱动接口。电机带动小齿轮与齿圈啮合，实现可控回转。小齿轮与齿圈之间的传动比决定扭矩放大与转速降低；在工程起重机中，常见配置的减速比可达 50:1 或更高，从而输出驱动带载臂架回转所需的高扭矩。

回转支承类型

不同类型的回转支承各自对应最适合的载荷谱。选型不当不仅会降低性能，还可能导致早期失效。以下为各类设计的主要区别。

快速对比

四点接触球式回转支承

在四点接触球轴承中，每个钢球与滚道形成四个接触点——内圈两个，外圈两个。

这种几何结构通过哥特式拱形（即“V形双沟”）滚道型线实现。

四点接触结构使单列钢球能够同时承受双向轴向载荷、径向载荷以及倾覆力矩载荷。

凭借这种多工况适应性，四点接触结构已成为应用最广泛的回转支承类型之一。

该结构广泛应用于汽车起重机、高空作业平台和包装机械等需要紧凑型多向承载方案的场合。

其代价在于：在较大的纯倾覆力矩载荷作用下，接触角会发生偏移，且应力集中加剧。

适用于极端倾覆力矩工况，通常更适合采用交叉滚子结构或三排式设计。

图2——四点接触球轴承

八点接触球式回转支承

该八点接触结构采用两列钢球布局，每列具有四个接触点——因此钢球与滚道之间共形成八个接触区。

与单列四点接触结构相比，其分载能力提高一倍。

双列布置还显著提升了力矩承载能力：更多接触点分布于更大的轴向跨距上，使轴承在抵抗倾斜方面更为有效。

该类型适用于载荷复杂且变化频繁的工况，例如盾构机刀盘支承或海上柱式起重机等场合，尤其适合载荷方向经常变化且载荷较大的应用。

图3——八点接触球式回转支承

交叉滚子回转支承

交叉滚子回转支承采用交替90°排列的圆柱滚子布置方式——即一个滚子的轴线水平，下一只垂直，如此沿圆周依次交错排列。

这种交错布置使每个滚子都能承受来自不同方向的载荷，从而使轴承在不牺牲几何结构的前提下，同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩。

滚子与滚道之间为线接触，因此单个承载元件的承载能力显著高于球轴承中的点接触。

其刚性同样更高——交叉布置相较球结构具有更强的抗变形能力，这对于精密应用至关重要。

交叉滚子回转轴承是机器人关节总成、医学影像设备和雷达天线座的优选方案，凡是对紧凑外径条件下的承载能力与几何精度均有严格要求的场合，均适用于此类轴承。

图4——交叉滚子回转支承

三排交叉滚子回转支承

普通交叉滚子轴承通常以单排交错滚子同时承受各类载荷，而三排结构则按功能分配载荷：一排滚子承受一个方向的轴向载荷，第二排承受相反方向的轴向载荷，第三排承受径向载荷。

每一排均配有独立的滚道。

这种功能分离使各排滚子能够针对对应载荷进行优化，而不必受多向载荷要求的制约。

由此可获得比相同外径单排结构显著更高的综合承载能力，但代价是轴向高度和重量增加。

三排交叉滚子轴承通常用于最重载工况，例如吊运100+ 吨载荷的大型港口起重机、钢厂设备以及大型隧道掘进机。

如今，用户普遍要求这类轴承能够承受超过25,000小时的高负载连续运行。

图5——三排交叉滚子回转支承

球滚复合回转支承

复合轴承采用一排钢球、另一排滚子布置，各排分别针对特定载荷类型进行优化。

钢球排通常承受轴向载荷和倾覆力矩，滚子排则主要承受径向载荷。

这种分工使设计人员能够分别优化各排结构——钢球几何可在倾斜工况下将接触应力降至最低，滚子几何则可最大限度提高径向刚度。

复合轴承广泛应用于农业机械、林业设备和物料搬运领域，尤其适用于不同工作模式之间载荷谱变化较大的工况。

图6 — 组合轴承（球-滚子）

跨行业应用

全球已有超过85%的大直径轴承装配应用应用于起重机、风力发电机和隧道掘进机的场景中，均依赖回转支承。

仅风电领域就约占全球回转支承需求的45%，其中2023年机舱安装的轴承数量已超过35,000套。

以下将介绍不同行业的应用方式，以及各类工况对轴承提出的具体要求。

工程机械：起重机与挖掘机

塔式起重机、汽车起重机和随车起重机均在固定塔身或底盘与回转上部结构的连接部位采用回转支承。

轴承不仅要承受上部结构自重及吊载——大型塔式起重机的吊载可超过100吨——还需在风载作用下实现连续360°回转。

挖掘机在上车体与底盘的连接处采用回转支承，使整机上部结构能够独立于履带实现回转。典型的50吨级挖掘机在重载挖掘工况下，作用于回转支承的倾覆力矩可超过500 kNm。

风电：机组偏航与变桨系统

现代风力发电机组在两个关键位置采用回转支承。偏航轴承通常直径为2–4 meters，安装于机舱底部，用于驱动整套机舱总成转向迎风。

变桨轴承则按每片叶片配置一套，通常直径为1–2 meters，用于调节单个叶片的桨距角，以控制输出功率并在强风条件下保护机组。

这两个应用位置都要求轴承具备 20+ 年的长期运行能力，且维护通达性较低。海上装置还面临额外的腐蚀挑战，因此对密封规格提出了更高要求。

海上应用对双排球回转支承的需求已增长17%（同比），主要受海上风电装机活动扩张推动。

医疗设备：CT 与 MRI 系统

CT 扫描机架带动探测器阵列和 X 射线源旋转，转速最高可达 240 RPM；部分高端系统甚至超过 300 RPM。

位于机架中心的回转支承必须以亚毫米级几何精度支承这些旋转部件，因为任何套圈挠曲都会直接反映为图像伪影。

振动必须尽可能低，轴承运行也必须安静。此类工况通常选用交叉滚子结构，因为其兼具高刚性与紧凑截面。一些先进 CT 系统还会在回转支承总成中集成滑环，以便在旋转接口之间传输电信号。

工业机器人与自动化

大型工业机器人关节，尤其是六轴机械臂的底座回转轴和肩部关节，通常采用回转支承，将承载与旋转功能集成于单一紧凑总成中。

轴承既要承受机器人的结构载荷，也要承受快速加减速所产生的动态力。

物流设施中的自动导引车（AGV）和自主移动机器人（AMR），通常在转向关节处采用小型回转支承。

这类应用的重复定位精度要求可低于 0.01°，因此轴承公差等级往往需要达到 P5 或更高。

农业与林业机械

联合收割机、采伐机和树木移植机均会在上部结构相对于履带式或轮式底盘回转的位置采用回转支承。

农业回转支承面临一项典型挑战：其工作环境污染严重（泥土、作物残屑、肥料等），密封件容易因此迅速劣化。

受季节性维护间隔和现场服务能力有限的影响，这类轴承必须对污染物侵入和过润滑循环具有更高耐受性。球-滚子组合结构因其载荷适应性强，在此类场合被广泛采用。

太阳能跟踪器

单轴和双轴太阳能跟踪器通过旋转光伏组件或聚光集热器，使其在一天中持续追踪太阳运行轨迹。

跟踪器转轴处的回转支承必须在户外环境下长期运行，项目寿命通常超过 25 年，并且维护需求极低；其服役环境往往从沙漠高温（环境温度 >60°C）到高海拔严寒（−40°C）不等。

载荷要求相对较低（主要为风载引起的侧向力及面板自重），因此该应用中常采用四点接触球式设计。选型时，首要考虑的是耐腐蚀性能和润滑持久性。

港口与海工设备

岸边集装箱起重机、散货装船机以及浮式起重船的回转机构均依赖大直径回转支承实现旋转。

油气平台上的海上立柱式起重机采用回转支承，必须在船体运动条件下可靠运行，包括横摇和纵摇加速度所产生的附加动态力矩载荷。

港口工况同时具备高循环次数（连续运行）和海洋腐蚀环境的双重特征，因此密封质量及耐腐蚀表面处理在此类设备中尤为重要。

国防：雷达与武器系统

雷达天线座、导弹发射塔架以及舰炮炮座均采用回转支承，以在严苛环境条件下实现精确、可控的旋转。

在2022年至2024年间，超过2,200套新型军用系统在全球范围内集成了回转技术——这一数字主要受全球国防开支增长和现代化项目推动。

这些应用对位置精度要求极高（通常达到角秒级），并需具备优异的抗冲击能力，且能够在宽温范围内运行而不降低性能。

如何选择合适的回转支承

回转支承的选型并非单一决策，而是一系列工程权衡的结果。

若选型失当，轴承可能两年便失效，而非正常服役二十年。

以下为需要逐项评估的主要因素。

如需了解更为详尽的分步选型方法，请参阅我们的指南：如何选择回转支承。

以下摘要涵盖关键因素。

维护基础知识

多数回转支承失效并非源于额定载荷不足，而是由于润滑不足或污染侵入所致。

与更换轴承相比，延长轴承寿命最有效的两项措施几乎不需要多少成本。

润滑

回转支承需要通过沿圆周分布的注脂嘴定期补充润滑脂。

补脂周期取决于运行转速、载荷水平、温度和环境条件——通常范围从每50 个工作小时，在严苛的工程机械环境中可缩短至每500+ 小时，而在洁净、轻载工况下则可延长至每

应使用制造商规定的润滑脂类型。

混用不相容的润滑脂稠化剂体系（例如锂基与复合钙基）会导致润滑剂结构破坏。

润滑脂应在轴承缓慢转动时加注，以便沿整个滚道圆周均匀分布。

检查与磨损监测

轴向游隙——即与旋转轴线垂直方向上的微小位移——会随着滚道和滚动体的磨损而增大。

应在设备投运时测量轴向游隙，建立基准值，并在后续维护周期内定期复测。

多数制造商都会给出轴向游隙的最大允许值；当游隙超过限值时，轴承应予以更换。

应定期检查螺栓扭矩——通常每500 小时或每年一次。

螺栓一旦松动，受载时便可能引发轴承套圈变形，从而加速滚道磨损。

轴承首次投运以及发生任何冲击事件后，都应检查齿轮齿面接触斑点。

异常噪声——如转动过程中的咔嗒声、研磨声或轰鸣声——通常是滚动体损伤或滚道剥落的早期征兆。

振动监测系统可在这些特征尚未肉眼可见之前将其识别出来，这一做法在风机维护体系中正日益普及。

常见问题

回转支承与回转环有什么区别？

在工程实践中，这些术语通常可以通用。“Slewing ring”一般指完整组件，包括内外圈、滚动体及密封件；而“Slewing bearing”则更强调其轴承属性。“Turntable bearing”也是同一类部件的常见名称之一。制造商和标准机构均会使用这三种称谓，其间并无技术差异。

回转支承的使用寿命有多长？

设计寿命在很大程度上取决于载荷循环强度、维护质量以及运行环境。对于维护得当、并按期补充润滑脂的建筑起重机，10–15年通常属于常见使用寿命。风电回转支承通常按20年寿命设计，以匹配整机项目寿命。在理想工况且维护持续稳定的情况下，运行寿命超过25,000小时也是可以实现的。

回转支承可以单向连续旋转吗？

可以——回转支承可根据应用需求实现单向连续旋转（360°及以上）、有限角度往复摆动，或两者兼具。CT 扫描机机架可高速连续回转；起重机上部结构则通常以往复摆动为主。连续旋转并不存在固有的设计限制，但其转速与润滑要求会与往复工况有所不同。

回转支承由哪些材料制成？

套圈通常采用中碳合金钢制造——常见材料为 42CrMo4（欧洲标准）或 4140 钢（北美等效牌号）。滚道经感应淬火处理，硬度可达 HRC 55–62。滚动体通常采用轴承钢（100Cr6 / 52100）。针对耐腐蚀应用，可提供不锈钢（316L）或镀锌碳钢方案。部分轻量化应用会采用铝合金套圈，尤其适用于航空相关设备或便携式设备场景。

什么是回转驱动？它与回转支承有何区别？

回转驱动将回转支承与蜗轮蜗杆传动机构集成在同一封闭壳体内。与需要外接电机和小齿轮才能实现旋转的带齿回转支承不同，回转驱动将蜗轮蜗杆、 电机安装座和轴承集成为一体。回转驱动在更紧凑的结构中即可输出更高扭矩，并具备自锁能力（电机失电时，蜗杆传动可防止反向驱动），因此广泛应用于太阳能跟踪系统和定位系统。

回转支承失效的原因是什么？

最常见的原因包括润滑失效（润滑脂型号不匹配、未按周期补脂或加脂量不足）、密封损坏导致污染物侵入、安装不当（螺栓预紧扭矩不正确、安装面不平整引起套圈变形），以及超过额定承载能力的过载运行。滚道在达到使用寿命后出现疲劳剥落属于正常现象；如果轴承已达到或超过设计寿命计算值，这并不属于过早失效。

参考文献

• Allied Market Research — 全球回转支承市场报告 2024–2033

• ScienceDirect —四点接触回转支承摩擦力矩的工程分析，Mechanism and Machine Theory，2023

• Springer Nature —球式回转支承摩擦力矩评估方法，Friction，2024

• Market Growth Reports — 回转支承市场规模与预测 2024