4-Point Contact Slewing Bearings: development of a dynamic model variant and experimental validation campaign

Four-point contact slewing bearings (4PCSBs) are a mechanical element of recurring use. In this specific case, they are medium- to large-sized devices designed for applications where the orientation of the mechanical system of which they are part is required. For example, they can be found inside radio telescopes, cranes, solar tracking devices, and wind turbines. This type of bearing has long been a subject of study in the Department of Mechanical Engineering of the University of the Basque Country (EHU), where the thesis work was carried out during an academic stay. In detail, this thesis focuses on the modelling of a variant of the analytical model used to describe the dynamics of the system under study. This result is then accompanied by an experimental part, in which the data from the tests are compared to the results of the analytical models, both the existing reference ones and the new variants. The development of the variant of the analytical model consists of the addition of the degrees of freedom of the balls between the bearing rings, which in the reference model are reasonably neglected in principle. It follows that each ball is no longer coupled to the relative motion between the inner and outer ring of the bearing, but has two independent degrees of freedom: one radial and one axial. This modification to the analytical model allows, on the one hand, to verify that the assumptions made in the reference are correct and, on the other, to explore new cases that are configured outside of these assumptions. Following the analytical modelling part, the thesis work then presents an experimental part. In the laboratories of the University of the Basque Country, it was possible to perform modal tests on a real sample of a four-point contact slewing bearing. These tests allowed the validation of the analytical models previously developed. The main result of this thesis is the deepening of innovative aspects in the field of modelling of four-point contact bearings, with experimental validation. That said, the results obtained should be viewed in the broader investigation work of the Department of Mechanical Engineering of the University of the Basque Country (EHU), in which this thesis work is part.

I cuscinetti volventi a quattro punti di contatto, 4 – Point Contact Slewing Bearings (4PCSBs), sono un elemento meccanico di uso ricorrente. Nel caso specifico, si tratta di dispositivi di dimensioni medie o grandi progettati per applicazioni ove è richiesto l’orientamento del sistema meccanico di cui essi fanno parte. Per esempio, si possono trovare all’interno di radiotelescopi, gru, dispositivi di tracciamento solare e turbine eoliche. Tale tipologia di cuscinetto è da tempo oggetto di studio nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università dei Paesi Baschi (EHU), dove il lavoro di tesi è stato svolto durante un soggiorno accademico. Nel dettaglio, questa tesi è incentrata sulla modellazione di una variante del modello analitico utilizzato per descrivere la dinamica del sistema in studio. A questo risultato si affianca poi una parte sperimentale, nella quale i dati provenienti dai test vengono raffrontati ai risultati dei modelli analitici, sia quelli di riferimento già esistenti sia le nuove varianti. Lo sviluppo della variante del modello analitico consiste nell’aggiunta dei gradi di libertà delle sfere tra gli anelli del cuscinetto, che nel modello di riferimento sono in principio ragionevolmente trascurate. Ne segue che ogni sfera non è più accoppiata al moto relativo tra anello interno ed esterno del cuscinetto, ma presenta due gradi di libertà indipendenti; uno radiale e uno assiale. Questa modifica al modello analitico permette da un lato di verificare che le assunzioni fatte nel riferimento siano corrette e dall’altro di esplorare nuovi casi che si configurano al di fuori di tali assunzioni. A seguito della parte di modellazione analitica, il lavoro di tesi presenta poi una parte sperimentale. Nei laboratori dell’Università dei Paesi Baschi è stato possibile eseguire i test modali su un campione reale di cuscinetto volvente a quattro punti di contatto. Tali test hanno permesso la validazione dei modelli analitici precedentemente sviluppati. Il risultato principale di questa tesi è l’approfondimento di aspetti innovativi nell’ambito della modellazione di cuscinetti a quattro punti di contatto, con tanto di validazione sperimentale. Ciò detto, i risultati ottenuti vanno visualizzati nel più ampio lavoro di investigazione del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università dei Paesi Baschi (EHU), in cui questo lavoro di tesi si inserisce.