Открытые шарнирные подшипники
Открытые шарнирные подшипники: конструкция, материалы, применение и монтаж
Открытый шарнирный подшипник (также известный как сферический подшипник скольжения, шарнирная головка или подшипник сферический скольжения) представляет собой механический узел, предназначенный для передачи нагрузок и обеспечения углового перемещения между сопряженными элементами конструкции. В отличие от закрытых подшипников качения, он не имеет сепаратора с телами качения, а работает по принципу скольжения сферических поверхностей. Конструктивно он состоит из двух основных компонентов: наружного кольца (корпуса) с внутренней сферической поверхностью и внутреннего кольца (пальца) с наружной сферической головкой. Ключевая особенность «открытого» типа — наличие радиального разреза (или двух взаимно перпендикулярных разрезов) на наружном кольце, что позволяет компенсировать монтажные зазоры и обеспечивать предварительный натяг за счет стягивания корпуса.
Конструктивные особенности и принцип действия
Работоспособность открытого шарнирного подшипника основана на скольжении двух согласованных сферических поверхностей. Внутреннее кольцо (палец) обычно имеет сферическую головку на одном конце и резьбовую часть или проушину на другом для крепления. Наружное кольцо имеет соответствующую внутреннюю сферическую полость. Наличие радиального разреза позволяет наружному кольцу деформироваться (сжиматься) при затяжке монтажных болтов, проходящих через ушки корпуса, тем самым устраняя люфт и фиксируя внутреннее кольцо с требуемым натягом. Это обеспечивает работу без зазора, что критически важно для точных и ответственных соединений. Подшипник способен воспринимать нагрузки в различных направлениях:
- Радиальные нагрузки: Действующие перпендикулярно оси пальца.
- Осевые нагрузки: Действующие вдоль оси пальца в обе стороны.
- Комбинированные нагрузки: Сочетание радиальных и осевых усилий.
- Моментные нагрузки: В ограниченном диапазоне, благодаря сферическому контакту.
- Возможность регулировки натяга и устранения зазора в собранном узле за счет открытой конструкции.
- Способность воспринимать сложные комбинированные нагрузки (радиальные, осевые, моментные).
- Компенсация перекосов и неточностей монтажа благодаря сферическому контакту.
- Высокая надежность и долговечность при правильном подборе материалов и смазки.
- Относительная простота конструкции и монтажа.
- Существуют самосмазывающиеся версии для необслуживаемой работы.
- Как правило, более высокий коэффициент трения по сравнению с подшипниками качения, что приводит к выделению тепла и требует эффективной смазки.
- Ограниченная скорость относительного углового перемещения (обычно это колебательные движения, а не вращение).
- Требовательность к защите от абразивных загрязнений. Попадание твердых частиц приводит к задирам и ускоренному износу.
- Необходимость контроля момента затяжки при монтаже: недостаточный приводит к люфту, чрезмерный — к заклиниванию и повышенному износу.
- Изоляторы и гирлянды изоляторов ВЛ: Подшипники входят в состав тарельчатых опор для крепления гирлянд к опорам и траверсам. Они обеспечивают компенсацию угловых отклонений, вызванных ветром, изменением тяжения проводов и температурными деформациями.
- Разъединители, приводы выключателей: Используются в шарнирных звеньях механических приводов (тяги, рычаги) для передачи усилия от привода к ножам разъединителей или полюсам выключателей, компенсируя несоосности.
- Токопроводы и гибкие шинные соединения: В компенсаторах и шарнирных соединениях токопроводов, где необходимо обеспечить подвижность для снятия механических напряжений.
- Опорно-поворотные устройства (ОУП) кранового оборудования: В энергетике — для кранов на ГЭС, в машинных залах, для монтажа и обслуживания оборудования.
- Системы вентиляции и газоходы: В подвесках и компенсаторах больших газоходов, где необходимо компенсировать тепловые расширения.
- Гидротехнические сооружения: В затворах, сороудерживающих решетках, механизмах управления.
- Подготовка: Очистка посадочных мест (ушек) от загрязнений и заусенцев. Проверка соответствия размеров и соосности ушек.
- Установка: Подшипник устанавливается между ушками так, чтобы плоскость разреза наружного кольца была перпендикулярна направлению действующей нагрузки. Внутренний палец должен двигаться свободно.
- Смазка: При использовании подшипников, требующих смазки, рабочие поверхности обильно покрываются консистентной смазкой, рекомендованной производителем (часто на основе лития или дисульфида молибдена).
- Затяжка: В отверстия ушек наружного кольца и ответных деталей устанавливаются монтажные болты (как правило, класса прочности 8.8 или выше). Затяжка производится динамометрическим ключом крест-накрест с постепенным увеличением момента до значения, указанного в технической документации. Это обеспечивает равномерное стягивание корпуса и создание оптимального натяга.
- Контроль: После затяжки необходимо проверить плавность поворота пальца. Движение должно быть равномерным, без заеданий и люфта.
- Нагрузки: Максимальные статические и динамические радиальные и осевые нагрузки с учетом коэффициента запаса.
- Угол поворота: Максимальный рабочий угол отклонения от нейтрального положения.
- Частота колебаний: Скорость относительного перемещения (обычно в циклах в минуту).
- Условия эксплуатации: Температурный диапазон, наличие агрессивных сред, влажности, абразивной пыли.
- Требования к обслуживанию: Возможность или невозможность проведения регулярной смазки.
- Материал и покрытие: Исходя из условий среды и требований к коррозионной стойкости.
- Габаритные и присоединительные размеры: Диаметр пальца, ширина и диаметр корпуса, диаметр монтажных отверстий.
Угол свободного поворота (угловое смещение) обычно составляет от ±3° до ±15° в зависимости от серии и размеров, что позволяет компенсировать неточности монтажа и рабочие деформации конструкций.
Материалы и покрытия
Выбор пар трения определяет ресурс, несущую способность и условия эксплуатации подшипника. Основные комбинации материалов представлены в таблице.
| Материал наружного кольца (корпуса) | Материал внутреннего кольца (пальца) | Характеристики и область применения |
|---|---|---|
| Сталь конструкционная углеродистая (например, Ст45) с закалкой | Сталь конструкционная углеродистая с закалкой | Базовая комбинация. Требует постоянной смазки. Применяется при умеренных нагрузках и низких скоростях относительного поворота. |
| Сталь с покрытием из цинка, кадмия или хрома | Сталь с аналогичным покрытием | Повышенная коррозионная стойкость для работы в агрессивных атмосферных условиях. Сохраняет необходимость в смазке. |
| Сталь с внутренним слоем бронзовой или металлополимерной втулки | Закаленная сталь с полировкой | Улучшенные антифрикционные свойства, способность работать в условиях граничной смазки. Сниженный коэффициент трения. |
| Нержавеющая сталь (AISI 304, AISI 316) | Нержавеющая сталь с полировкой | Для агрессивных сред (химическая, пищевая, морская промышленность). Часто требует смазки на основе фторопласта. |
| Биметаллический корпус со вставкой из спеченного бронзографита | Закаленная и шлифованная сталь | Самосмазывающаяся конструкция. Вставка пропитана смазкой и работает в режиме сухого трения или при недостаточной смазке. Критически важны для необслуживаемых или труднодоступных узлов. |
Ключевые преимущества и недостатки
Преимущества:
Недостатки:
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Открытые шарнирные подшипники находят широкое применение в узлах, где требуется надежное шарнирное соединение, работающее под значительной нагрузкой с малыми углами поворота.
Монтаж, эксплуатация и обслуживание
Правильный монтаж определяет срок службы подшипника. Последовательность операций следующая:
Обслуживание заключается в периодической проверке состояния (визуальный осмотр на наличие коррозии, загрязнений) и регламентной замене смазки для обслуживаемых моделей. Для самосмазывающихся подшипников обслуживание не требуется в течение всего срока службы.
Критерии выбора открытого шарнирного подшипника
При подборе необходимо учитывать следующие параметры:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем открытый шарнирный подшипник принципиально отличается от закрытого?
Открытый подшипник имеет радиальный разрез в наружном кольце, позволяющий регулировать натяг при монтаже, полностью устраняя зазор. Закрытый подшипник имеет цельный корпус и поставляется с фиксированным зазором или натягом, регулировка в узле невозможна. Открытая конструкция более требовательна к точности монтажа, но обеспечивает более точную и безлюфтовую фиксацию.
Можно ли использовать открытый шарнирный подшипник в качестве опоры для непрерывного вращения?
Нет, это не рекомендуется. Данные подшипники рассчитаны на колебательные движения с малой амплитудой и низкой частотой. При непрерывном вращении система смазки неэффективна, происходит быстрый износ и перегрев, ведущий к выходу узла из строя.
Как правильно выбрать смазку для шарнирного подшипника?
Смазка должна соответствовать условиям эксплуатации: обладать хорошей адгезией, антикоррозионными свойствами, быть химически стойкой. Для высоких нагрузок применяют смазки с противозадирными присадками (EP). Для широкого температурного диапазона — синтетические смазки. Конкретную марку следует уточнять у производителя подшипника. Для ответственных узлов в энергетике часто используют консистентные смазки на основе лития или комплексные.
Что указывает на износ подшипника и необходимость его замены?
Основные признаки износа: появление ощутимого радиального или осевого люфта при контрольной проверке; заедание, неравномерность хода или скрип при повороте; видимые повреждения (трещины, сколы, глубокие риски); чрезмерная коррозия; выдавливание смазки с металлической стружкой. При появлении любого из этих признаков подшипник подлежит замене.
Какой момент затяжки монтажных болтов является правильным?
Момент затяжки строго регламентирован производителем для каждой модели и размера подшипника. Он указан в техническом паспорте или каталоге. Использование момента, меньшего рекомендуемого, приведет к люфту и ударным нагрузкам. Превышение момента вызовет деформацию наружного кольца, заклинивание пальца и ускоренный износ. Затяжка всегда производится динамометрическим ключом.
Допустимо ли использование открытых подшипников в условиях воздействия морской воды или агрессивных химических паров?
Да, но для этого необходимо выбирать специализированные исполнения: из нержавеющей стали (AISI 316L для морской воды) или с корпусом из стали с толстослойным антикоррозионным покрытием (цинкование, дакромет). Внутренняя пара трения также должна быть коррозионно-стойкой. Самосмазывающиеся подшипники со вставкой из бронзографита также часто обладают хорошей химической стойкостью.
В чем преимущество самосмазывающихся моделей и когда их следует выбирать?
Их основное преимущество — способность длительно работать без пополнения смазочного материала. Это критически важно для необслуживаемых, герметично закрытых или труднодоступных узлов (например, внутри конструкций, на большой высоте). Они также менее чувствительны к перепадам температур. Выбирать их следует при невозможности или высокой стоимости регулярного технического обслуживания. Недостаток — обычно более низкие допустимые удельные давления и ограничения по скорости скольжения по сравнению с металлическими парами трения со смазкой.