回转支承承受着工程应用中最严苛的旋转载荷之一——起重机臂架，风电机舱以及挖掘机上部回转平台。
扭矩计算必须准确，容不得偏差。
扭矩估算偏低会导致驱动系统失速或失效；估算偏高则会造成硬件选型过度，增加不必要的成本。
本文将说明回转支承扭矩的实际含义、影响结果的关键变量，以及如何以满足实际工况要求的精度进行计算。
什么是回转支承扭矩？
扭矩是线性作用力在旋转运动中的对应量。
在回转支承应用中，扭矩是克服各类阻力并实现或维持旋转所需的扭转力，包括滚动体与滚道之间的摩擦、预紧力、密封阻力，以及作用于轴承的任何力矩载荷。
其标准表达式为：
τ = F × r
其中 τ 为扭矩（Nm），F 为施加的旋转力（N），r 为从旋转轴到力作用点的垂直距离（m）。
在实际应用中，回转支承通常需要关注两种扭矩值：
|
启动扭矩 较高 用于克服静摩擦 通常比运行扭矩高 30–50% 驱动电机必须按该峰值进行选型 |
运行扭矩 较低 用于维持运转速度 受动摩擦及油膜润滑影响而降低 用于功率消耗估算 |
在确定驱动系统之前，这两个数值都必须完成计算。
仅按运行扭矩选配电机，是回转支承应用中最常见、也最昂贵的设计失误之一。
关键部件及其对扭矩的影响
回转支承——亦称转盘轴承或回转环——是一类大直径轴承，能够在实现 360° 连续回转的同时承受轴向、径向和力矩复合载荷。
了解各组成部分对扭矩的影响，有助于诊断效率损失并选择合适的配置。
影响回转支承扭矩的因素
载荷类型与分布
回转支承同时承受三种载荷类型，且各自以不同方式影响摩擦扭矩：
|
轴向载荷 ↓ 与回转轴线平行 （在大多数起重机中为垂直方向） 对扭矩的影响： 增大接触法向力 → 摩擦扭矩线性上升 |
径向载荷 → 与轴线垂直 （水平剪切） 对扭矩的影响： 造成应力分布不均；较大的径向载荷需要采用交叉滚子结构 |
倾覆力矩 ↻ 倾覆弯矩 绕直径方向的力 对扭矩的影响： 最为严苛的载荷类型；会驱动滚道变形并显著增加扭矩 |
倾覆力矩应予以特别关注。
一台起重机臂架在距轴承中心8 meters处承载10 tonnes时，将产生800 kNm的倾覆力矩——远远高于轴向载荷的贡献。
轴承制造商会给出力矩承载额定值；即使短时间超出，也会加速滚道剥落。
如需了解该类载荷的详细计算与控制方法，请参阅我们的指南：回转支承的倾覆力矩。
摩擦与润滑
摩擦是任何回转支承中阻力扭矩的主要来源。摩擦扭矩可按下式估算：
Mf= μ × F总× d/2
其中，μ为有效摩擦系数，F总为轴承合成载荷（N），d为滚动体节圆直径（m）。
充分润滑条件下的典型摩擦系数：
轴承类型 | μ（良好润滑） | μ（润滑不良） |
|---|---|---|
四点接触球轴承 | 0.004 – 0.006 | 0.008 – 0.015 |
交叉滚子 | 0.003 – 0.005 | 0.007 – 0.012 |
三排滚子 | 0.005 – 0.008 | 0.010 – 0.018 |
润滑不足会使摩擦力矩在运行数小时内增至原来的两倍甚至三倍。
大多数制造商建议的补脂间隔为100–300 个运行小时，但对于重载或户外工况，通常应取该范围的较短周期。
润滑过量同样有害——过多润滑脂会增加搅拌阻力，并导致工作温度升高。
轴承结构与材料
滚动体几何形状、滚道曲率以及材料硬度都会影响接触面积，从而影响摩擦力矩。
更高硬度的材料配合更严格的公差控制，可获得更低且更稳定的力矩表现。
常见材料选项：
材料 | 典型硬度（HRC） | 适用场景 | 局限性 |
|---|---|---|---|
轴承钢（52100） | 58 – 64 | 高载荷、高循环工况 | 腐蚀性环境 |
不锈钢（440C） | 55 – 60 | 相较 52100，承载能力较低 | |
氮化硅陶瓷 | 约 78（维氏硬度等效值） | 高速、高温工况 | 脆性较大；成本较高 |
青铜 | 约 25 – 35 | 中等载荷、振动工况 | 需定期润滑 |
PEEK / 聚合物 | — | 低载荷、腐蚀性介质 | 不适用于重载或高速工况 |
安装与对中
若回转支承安装在平面度偏差超过 0.1 mm/m 的安装面上，载荷可能只集中于少数滚动体上，从而显著增加局部接触应力和摩擦力矩。
常见安装错误及其对力矩的影响：
安装问题 | 对力矩的影响 |
|---|---|
安装面平面度偏差 >0.1 mm/m | 载荷分布不均；旋转过程中力矩骤增 |
预紧力设定不当 | 基础摩擦力矩增大 |
螺栓拧紧力矩不一致 | 套圈变形；在特定转角位置出现卡滞 |
密封件损坏或缺失 | 污染物侵入；摩擦加剧并加速上升 |
安装方向错误 | 齿轮啮合偏斜；驱动所需力矩增加 |
回转支承力矩计算方法
由于力矩取决于载荷组合、轴承几何结构及摩擦状态，因此并不存在通用的统一公式。
最常用的三种计算方法如下：
① 功率法
M = P / ω
适用于已知电机功率和转速的场合。P 为瓦；ω 为 rad/s；M 为 Nm。
② 惯量法
M = J × α
适用于加速阶段。J = 转动惯量（kg·m²）；α = 角加速度（rad/s²）。对于需要快速升速的驱动选型尤为关键。
③ 力-力臂法
M = F × L
适用于已知载荷和偏心距离的场合。F 为牛顿；L 为米。是起重机和挖掘机应用中最直接的计算方法。
起重机分步计算示例
以下示例用于计算起重机在吊臂360°回转时所需的回转扭矩。
复杂工况的附加影响因素
对于重载或动态工况，手算公式只能给出估算结果，不能作为最终结论。
有限元分析（FEA）以及制造商提供的专用轴承仿真软件，可以综合考虑动态载荷循环、热膨胀效应、制造公差以及滚道接触疲劳寿命等因素，而这些都无法仅靠静态扭矩方程加以反映。
应用场景：扭矩考验发生在哪里
实现最佳扭矩性能的维护措施
扭矩性能会随着使用而呈可预见性下降。
大多数回转支承失效并非突然发生，而是沿着可追溯的劣化路径逐步演变，定期维护而这一过程可以被及时阻断。
根据ISO 76及相关标准，轴承寿命计算默认在整个服役周期内均保持充分润滑。
一旦偏离这一前提，额定寿命估算即不再成立。
何时应更换
出现以下任一情况时，应考虑更换：
运行扭矩较投运时建立的基准值上升超过 25%；
检查中可见滚道剥落或剥离；
径向游隙超过制造商限值（通常随轴承直径不同为 0.3–1.0 mm）；
或者振动分析显示滚动体通过频率特征幅值明显升高。
在超过这些阈值后继续运行，不能延长有效寿命——反而会加速灾难性失效，并可能造成远高于计划性轴承更换成本的设备损坏。
常见问题解答
回转支承的扭矩是什么？
回转支承扭矩是指克服全部阻力并实现或维持旋转所需的转动力矩，其中包括摩擦、载荷引起的力矩以及预紧力。其单位为牛·米（Nm），通常分为两种：起动扭矩（较高，用于克服静摩擦）和运行扭矩（较低，用于维持旋转）。
回转支承扭矩如何计算？
最常用的计算公式为M = P / ω（电机功率 ÷ 角速度，单位 rad/s）。若按载荷计算，则采用M = F × L（力 × 力臂）。计算实际输出扭矩时，应始终乘以轴承效率系数（通常为 0.85–0.95）。同时还应单独计算起动扭矩——其通常比运行扭矩高 30–50%。
回转支承的倾覆力矩是什么？
倾覆力矩（overturning moment）是作用于轴承的弯矩，趋于使轴承绕其回转轴线倾斜，通常由偏载引起——例如，起重机臂将载荷水平偏离轴承中心布置。其单位为 kNm，且必须控制在轴承额定力矩承载能力范围内，以避免滚道变形和加速磨损。
回转支承扭矩计算通常采用什么摩擦系数？
在理想润滑条件下，四点接触球式回转支承的有效摩擦系数（μ）通常为0.004～0.006。交叉滚子结构的数值略低，为0.003–0.005。在安装偏差或润滑不足的情况下，这些数值可能翻倍甚至更高——这也是润滑维护会直接影响扭矩性能的原因。
起动扭矩与运行扭矩有什么区别？
起动扭矩是克服静摩擦并使设备开始旋转所需的峰值力矩，其数值始终高于运行扭矩，通常高出30–50%。运行扭矩则是维持转速所需的持续力矩。若驱动电机仅按运行扭矩选型，是常见的设计失误，尤其在带载启动时，容易造成起动阶段堵转。
润滑对回转支承扭矩有何影响？
适当润滑可在滚动体与滚道之间形成油膜，从而降低摩擦扭矩。润滑脂不足会使摩擦扭矩增加20–40%，并加速滚道磨损。过量润滑则会产生搅拌损失，同样会抬高运行扭矩和温度。多数制造商建议每100–300 个运行小时进行补脂一次；对于重载或户外工况，应适当缩短间隔。
要点总结
回转支承扭矩并非单一固定值，而是随载荷组合、摩擦状态、转速和安装同轴度而变化。在选定驱动部件之前，应同时计算起动扭矩与运行扭矩，并考虑轴承效率（0.85–0.95），同时为动载和环境载荷预留裕量。
在整个轴承服役寿命内，规范润滑始终是维持额定扭矩性能影响最大的单项维护措施。按技术规范维护的轴承，可在设计寿命周期内保持稳定、可预测的扭矩表现。未得到妥善维护的轴承则无法做到这一点，而且其失效模式通常并不“友好”。
关于作者
