回转支承可同时承受三类载荷：轴向载荷、径向载荷和力矩载荷。
在大多数实际工况中——如起重机、挖掘机，风力发电机以及机械臂等设备中，设计的核心难点往往并非轴向承载能力，而是倾覆力矩。
若设计不当，轴承滚道将承受不均匀的接触应力，滚动体会过早发生疲劳，周边结构也会开始挠曲。若设计合理，额定寿命为 20 年的轴承便有望真正实现这一寿命。
本文将系统说明倾覆力矩的定义、计算方法、实际工况中会放大该载荷的因素，以及工程人员如何据此选型并对轴承进行防护。
什么是回转支承？
回转支承（亦称回转环或转盘轴承）是一类大直径滚动轴承，专为在复合载荷作用下实现低速回转而设计。
与主要承受单一载荷类型的常规轴承不同，回转支承必须同时承受轴向载荷（与回转轴线平行的力）、径向载荷（与回转轴线垂直的力）以及力矩载荷——即倾覆力矩，它由偏心力与其力臂共同形成。
其直径通常从用于轻型工业机器人的 200 mm，到海工起重机底座应用中的 4,000 mm 以上不等。
在这一尺寸范围内，额定力矩承载能力可超过 50,000 kN·m。
什么是倾覆力矩？
当合力不通过轴承几何中心时，便会产生倾覆力矩（亦称翻转力矩）。
这种偏置会形成力臂，使内圈相对于外圈产生倾斜趋势。
例如：起重机在 5 m 工作幅度下吊起 10 t 载荷。
即使径向力为零，载荷重量仍作用于距轴承中心线 5 m 处，从而产生 490 kN·m 的倾覆力矩。
该力矩并非轴向载荷，而是在轴承内部形成一对力偶：滚道一侧受压，另一侧则出现卸载拉应力（在某些设计中则表现为拉应力）。
这与纯轴向载荷有本质区别；在纯轴向载荷作用下，各滚动体大致均匀分担载荷。
在倾覆力矩作用下，各滚动体之间的载荷分布会变得高度不均匀，受载最大的滚动体可能承受平均载荷的3–5×，具体取决于轴承几何参数和刚度。
倾覆力矩与轴向及径向载荷
载荷类型 | 方向 | 对滚道的影响 |
|---|---|---|
轴向 | 沿旋转轴方向 | 载荷分布相对均匀 |
径向 | 垂直于旋转轴方向 | 使滚道半侧受载，另一半卸载 |
倾覆力矩 | 旋转作用下，使内圈相对外圈发生倾斜 | 应力集中严重；单个滚动体峰值载荷3–5×平均值 |
倾覆力矩由何而来？
回转支承中的倾覆力矩很少由单一因素引起。实际工况下，往往是多个来源同时作用，而工程计算必须准确反映其叠加效应。
倾覆力矩的5个主要来源
① 偏心载荷
任何作用点位于轴承中心水平距离之外的载荷都会产生倾覆力矩。无论载荷大小如何，臂架越长，力臂越大。这是起重机和挖掘机中的主要来源。
② 结构柔性
臂架或塔架在载荷作用下发生挠曲，会使实际力作用点发生偏移。在大型桁架臂起重机中，动态挠度会使计算静力矩增加5–15%。
③ 动态与惯性效应
当回转速度为 1 rpm、载荷为 10 t、半径为 20 m 时，会增加约 ~4.4 kN 的向心径向力。单独看数值并不大，但与底座倾覆力矩叠加后，会改变内部载荷区。
④ 风载与环境载荷
对于 3 MW 风机，在额定风速下，转子推力通常为350–450 kN。该载荷作用于轮毂高度（距偏航轴承约 ~80–100 m）时，会在偏航齿圈上形成28,000–45,000 kN·m的倾覆力矩——这往往是主导工况。
⑤ 安装偏差
即使平面度误差只有0.1 mm/m，也会引入超出原始设计计算的附加力矩载荷。ISO 76建议在轴承选型的同时，对支承结构刚度和平面度公差作出规定。
如何计算倾覆力矩
基本公式
倾覆力矩的计算公式为：
Mt= F × d
Mt= 倾覆力矩（N·m 或 kN·m） | F= 垂直于回转轴的力（N 或 kN） | d= 从轴承中心到力作用点的距离（m)
当多个载荷同时作用时，应对各来源产生的倾覆力矩进行矢量叠加。
大多数轴承样本都采用等效动载荷模型，将 Fa、Fr 和 Mt 统一折算为单一等效轴承载荷，并依据 ISO 281 进行寿命计算。
算例：履带起重机回转支承
已知参数
额定起重量：50,000 kg (490.5 kN)
最大幅度：18 m（自轴承中心线起）
臂架重量（距中心 9 m 处）：120 kN
载荷与臂架所受风载（作用于 12 m 高度）：15 kN
步骤 1 — 载荷倾覆力矩
M1= 490.5 kN × 18 m =8,829 kN·m
步骤 2 — 臂架自重倾覆力矩
M2= 120 kN × 9 m =1,080 kN·m
步骤 3 — 风载倾覆力矩
M3= 15 kN × 12 m =180 kN·m
步骤 4 — 合计（最不利工况，全部叠加）
Mt,total= 8,829 + 1,080 + 180 =10,089 kN·m
步骤 5 — 乘以安全系数（FEM 1.001 取 1.25）
Mdesign= 10,089 × 1.25 =12,611 kN·m
关键计算难点
动态载荷系数：起升、回转和行走同时进行时，等效载荷可能比静载值高出 10–30%。FEM 和 ASME 标准针对这类工况提供了载荷组合系数。
结构柔度：对于倾覆力矩敏感的应用，建议对支承结构进行有限元分析，因为圈体挠曲会改变轴承内部的接触角和载荷分布。
载荷谱：轴承很少长期处于最大载荷状态。ISO 281 寿命计算需要采用加权载荷谱，而不能仅依据峰值载荷；按载荷谱计算，L10 寿命可能延长 2–4 倍。
倾覆力矩如何影响轴承寿命与性能
对轴承寿命（L10）的影响
滚动轴承的载荷—寿命关系遵循反立方规律（球轴承）或反10/3次方规律（滚子轴承），这也是 ISO 281 轴承寿命模型的基础。
即使滚动体峰值载荷只是适度增加，也会对疲劳寿命产生不成比例的影响。
举例而言：若倾覆力矩作用下的载荷分布不均导致滚动体峰值载荷达到平均值的 1.5×，则该滚动体的局部疲劳寿命将降至约 (1/1.5)³ ≈均布载荷条件下的 30%。
因此，在大多数回转支承应用中，决定设计的关键约束是倾覆力矩承载能力，而不是轴向承载能力。
对运行效率的影响
倾覆力矩会使滚动接触应力呈非对称分布，从而提高轴承旋转所需的摩擦力矩。
在大型起重机回转驱动中，若倾覆力矩未得到有效控制，驱动电机电流可能增加15–25%，相较于设计工况高出这一幅度——在设备全生命周期内会直接反映为可计量的能耗成本。
安全风险
长期在超过额定倾覆力矩的工况下运行，会引发滚道剥落、滚动体断裂，严重时甚至导致套圈结构失效。
在移动式起重机中，过大的倾覆力矩是导致灾难性倾翻的主要原因之一。
ISO 76 和 EN 13001-3-6 均要求在轴承选型时明确考虑力矩载荷——仅依据轴向承载能力进行选型并不符合保守设计原则。
高倾覆力矩工况下的轴承选型
并非所有回转支承类型都具有相同的倾覆力矩承载能力。
内部结构几何形式的选择，会显著影响力矩刚度与承载能力。
根据我们的经验，最常见的错误是将轴向载荷能力作为唯一选型依据——这在以力矩载荷为主的应用中，几乎必然导致轴承过早失效。
抗倾覆力矩承载能力：高 | 刚性：很高
相互交错、呈 90° 布置的滚子在滚道上形成线接触，相较球接触可将载荷分散到更大的受力面积上。该结构广泛用于高精度工业机器人、雷达天线和机床回转工作台。典型力矩刚度：10³ 至 10⁵ N·m/mrad，具体取决于尺寸。
双列球轴承
抗倾覆力矩承载能力：中等 | 刚性：中等
双列结构之间的间距形成内部力矩臂，使其相较同外径的单列设计具有更高的力矩刚度。常见于挖掘机和中型起重机。
三排滚子轴承
抗倾覆力矩承载能力：很高 | 刚性：很高
上、下两排承担轴向载荷，中间一排承担径向载荷，按直径计算可获得最高的承载能力。该类轴承用于大型起重机和海工设备，适用于力矩载荷超过100,000 kN·m的工况。
轴承类型 | 抗倾覆力矩承载能力 | 刚性 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
交叉滚子 | 高 | 很高 | 机器人、雷达、机床 |
四点接触球 | 中高 | 中等 | 风电变桨、轻型起重机 |
双列球 | 中等 | 中等 | 挖掘机、中型起重机 |
三排滚子 | 很高 | 很高 | 大型起重机、海工设备 |
如何在运行中降低倾覆力矩
结构设计
尽量缩短力臂：将载荷作用点尽可能靠近轴承中心线布置，是最有效的减小力矩策略。悬臂距离减半，力矩 Mt 也随之减半。
增大套圈直径：较大直径的轴承可将力矩偶分散到更宽的受力基座上，在相同外部力矩下降低滚动体的峰值载荷。因此，大型起重机即使采用较小套圈在静强度校核上也可能勉强通过，实际仍会选用直径大于 2 m 的套圈。
支撑结构刚度：安装法兰及支撑结构应满足轴承制造商规定的平面度公差——通常为0.05–0.15 mm/m——以避免因结构柔度而产生附加力矩。
载荷管理
主动载荷监测：载荷力矩指示器（LMI）可实时测量实际倾覆力矩，并在接近极限前向操作人员发出预警。在欧洲（EN 13000）和美国（ASME B30.5），这对大多数起重量超过 1 t 的移动式起重机均属法定要求。
主动变桨控制（风力发电机）：根据风切变和湍流状况分别调节叶片桨距，可降低转子非对称推力。针对直驱式风机的公开研究表明，独立变桨控制可将变桨轴承的峰值力矩降低20–30%。
维护与监测
润滑：持续补充润滑脂可防止滚道发生金属直接接触。在风机变桨轴承等低速摆动工况下，假布氏压痕是已知失效模式；采用抗微动磨损润滑脂，可显著延长滚道寿命。请参阅我们的指南：轴承润滑最佳实践。
安装面检查：检查安装法兰的平面度，并在每个重大检修周期执行一次。支撑结构一旦发生永久变形，尤其是移动设备在不平地面上运行时，可能引入力矩，而这类载荷并非轴承设计承受范围。
振动与声学监测：安装在轴承座上的加速度传感器可在故障早期识别滚道损伤的萌生，通常可提前2–6 个月，这一缺陷往往要到目视检查时才会被发现。
行业应用
工程机械：起重机与挖掘机
在 100 t 桁架臂履带起重机中，回转支承承受的倾覆力矩可能超过15,000 kN·m，且发生在最大幅度工况下。
该轴承本体重量为 1,500–3,000 kg，装配时需将上下车体精确对中，并控制在制造商规定的公差范围内。
现场常见失效模式之一，是设备在不平整地面上作业，由此引入额外的倾覆力矩，而起重机原始额定参数中并未计入这部分载荷。
大多数 OEM 技术文件都会规定最大允许的地面倾斜度——通常为1–3%——原因就在于此。
风电机组：变桨轴承与偏航轴承
一台现代 5 MW 风机配有 3 套变桨轴承（每套直径约 2 m）和 1 套偏航轴承（直径约 3–4 m）。
随着叶片旋转，变桨轴承承受由重力驱动的交变倾覆力矩——一片长度 60 m、重量约 15 t 的叶片所产生的重力倾覆力矩约为4,400 kN·m位于 3 点钟和 9 点钟位置。
驱动疲劳损伤的，是这种低幅值的交变载荷，而不是一次性的较大超载。
这也是风电轴承在设计时采用雨流计数载荷谱，而不是仅依据单一峰值设计载荷的原因。
工业机器人
六轴工业机器人在底座（第1轴）以及部分腕部结构中采用回转支承。
一台负载 10 kg、工作半径 1.5 m 的机器人可产生约147 N·m的底座倾覆力矩——按起重设备标准看并不算大，但相对于所采用的 150–400 mm 小直径轴承而言，已相当可观。
由于刚度与尺寸比高，这里通常选用交叉滚子轴承。
不同应用中的典型倾覆力矩
工业机器人（底座轴承）
风电变桨轴承（5 MW）
履带起重机（100 t，最大幅度）
风电偏航轴承（3 MW）
柱形长度仅用于示意，并非按比例绘制。数值为典型设计载荷估算。
常见问题
轴承中的倾覆力矩与力矩载荷有什么区别？
二者指的是同一物理量。“力矩载荷”是通用工程术语；“倾覆力矩”或“翻转力矩”则用于描述该力矩在轴承上的实际作用方式——即试图使内圈相对于外圈发生倾斜。
轴承样本中这两个术语通常可以互换使用，因此在对比不同来源的数据前，务必先核对制造商资料中的坐标轴约定。
回转支承能否承受大于额定值的倾覆力矩？
简而言之，可以——轴承在静载方面通常具有高于动额定值的安全裕量。但在正常运行中一旦超过额定倾覆力矩，将显著加速滚道疲劳，而且这种劣化并非线性增长，使用寿命会明显缩短。
在超过静承载能力的工况下运行，可能导致滚道发生永久变形。按常规做法，应根据适用标准（FEM、ASME、ISO）分别采用 1.1–1.5 的静载安全系数和 1.0–1.25 的动载安全系数。
在组合载荷校核中，倾覆力矩如何与轴向载荷和径向载荷相互作用？
多数轴承制造商都会提供相互作用图或组合载荷方程。常用的简化校核公式为：(Fa/Ca) + (Fr/Cr) + (Mt/Cm) ≤ 1，其中 C 值分别表示相应的额定承载能力。
计算结果大于 1.0，说明该轴承在组合载荷工况下选型偏小；这一问题在初始选型阶段仅校核轴向承载能力时尤为常见。
回转支承在设备运行期间应多久检查一次对中状态？
对于移动设备（起重机、挖掘机），应在每次主要保养周期进行检查，或在已知发生过超载事件后立即检查。
对于固定式装置，应遵循 OEM 的维护计划——鉴于偏航轴承和变桨轴承的载荷循环频率更高，通常偏航轴承每年检查一次，变桨轴承每 6 个月检查一次。
回转支承出现倾覆力矩损伤的早期预警信号有哪些？
驱动扭矩增大（可通过电机电流测得）、旋转过程中出现异常噪声、取样润滑脂中存在金属颗粒，以及滚道在某一角度区域出现可见变色而非沿整个圆周均匀分布，这些现象都表明载荷分布不对称，与过大的倾覆力矩相一致。
振动分析可在滚道表面损伤肉眼可见前 2–6 个月识别出滚道亚表面疲劳。
结论
在几乎所有回转支承应用中，倾覆力矩都是关键设计载荷。
它直接决定轴承选型、安装结构设计、载荷监测要求以及维护周期；而当设计人员仅关注轴向承载能力时，这一参数也最容易被低估。
根据我们的经验，出现轴承早期失效的项目几乎都有相同的根本原因：倾覆力矩从未被正确计算，或者为了降低初始成本而省略了安全系数。
只有准确完成计算，并充分考虑力臂、动态系数、载荷谱以及结构柔度，才能区分一款能够实现其额定 20 年寿命的轴承与一款在 5 年内失效的轴承。
在 LILY Bearing，我们会在推荐轴承之前与客户共同完成完整的载荷分析，而不仅仅是依据样本目录进行匹配。
如果您的应用对倾覆力矩极为敏感，并希望获得详细的工程评审，请联系我们的团队。
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