Подшипники радиальные сферические скольжения
Подшипники радиальные сферические скольжения: конструкция, применение и технические аспекты
Радиальные сферические подшипники скольжения представляют собой класс опорных узлов, предназначенных для восприятия преимущественно радиальных нагрузок с возможностью самоустановки при монтажных и эксплуатационных перекосах вала. Их принцип действия основан на скольжении сопрягаемых поверхностей, разделенных слоем смазочного материала, что принципиально отличает их от подшипников качения. Конструктивной особенностью является сферическая форма внутренней поверхности наружного кольца (вкладыша) и соответствующая ей сферическая наружная поверхность внутреннего кольца (цапфы). Эта геометрия обеспечивает компенсацию несоосности до нескольких градусов, что критически важно для длинновалых валов, работающих в условиях прогиба или неточного монтажа.
Конструкция и основные компоненты
Типичный радиальный сферический подшипник скольжения состоит из нескольких ключевых элементов:
- Корпус (наружное кольцо/вкладыш): Изготавливается из стали, чугуна или бронзы. Внутренняя поверхность имеет сферическую форму и покрыта слоем антифрикционного материала (баббит, бронза, полимерный композит). Часто выполняется разъемным для облегчения монтажа.
- Цапфа (внутреннее кольцо/вал): Представляет собой непосредственно цапфу вала или отдельную деталь, напрессованную на вал. Рабочая поверхность имеет сферическую форму и подвергается упрочнению и шлифовке для снижения трения.
- Система смазки: Обязательный элемент конструкции. Включает масленки, каналы и кольцевые пазы в теле вкладыша для подвода пластичной или жидкой смазки. В мощных узлах применяется принудительная циркуляционная система смазки.
- Система уплотнений: Защищает узел от попадания абразивных частиц и утечки смазки. Могут использоваться лабиринтные, щелевые или сальниковые уплотнения.
- Крепежные элементы: Стяжные болты и шпильки для соединения половин корпуса.
- Гидродинамическое трение: Идеальный режим, при котором поверхности полностью разделены смазочным слоем. Износ практически отсутствует. Достигается при достаточной скорости вращения, вязкости смазки и оптимальном зазоре.
- Граничное трение: Возникает при пуске, остановке, низких скоростях или высоких нагрузках. Смазочный слой очень тонок, происходит контакт микронеровностей. Требует применения противозадирных присадок в смазке или специальных материалов пар трения.
- Сухое трение: Аварийный режим при отсутствии смазки, приводящий к быстрому заеданию и разрушению узла.
- Удельное давление (p): p = F / (d
- L), где F – радиальная нагрузка, d – диаметр цапфы, L – длина подшипника. Значение сравнивается с допустимым для выбранной пары материалов.
- Скорость скольжения (v): v = π d n / 60, где n – частота вращения, об/мин.
- Произведение p*v: Критерий, характеризующий работу узла трения. Отражает тепловыделение в контакте.
- Относительный зазор (ψ): ψ = (D — d) / d, где D – диаметр вкладыша, d – диаметр цапфы. Оптимальный зазор выбирается исходя из скорости, вязкости масла и нагрузки.
- Турбогенераторы и гидрогенераторы: Опорные и упорно-опорные подшипники роторов. Работают на высоких скоростях при точном гидродинамическом режиме с циркуляционной системой смазки.
- Крупные электродвигатели (синхронные и асинхронные): Для валов большой длины и массы, где неизбежны прогибы и вибрации.
- Насосное оборудование: Питательные, циркуляционные, сетевые насосы. Компенсируют перекосы от тепловых деформаций и гидравлических нагрузок.
- Вентиляторы и дымососы: Подшипниковые узлы приводов мощных вентиляционных установок.
- Редукторы и мультипликаторы: В тихоходных и тяжелонагруженных ступенях, особенно при ударных нагрузках.
- Оборудование для возобновляемой энергетики: Опоры валов ветрогенераторов, гидротурбин малых ГЭС.
- Контроль посадочных диаметров корпуса и цапфы, зазоров согласно чертежу.
- Тщательная очистка всех деталей и смазочных каналов.
- Центровка вала с использованием точных инструментов (лазерных, индикаторных). Допустимый остаточный перекос должен находиться в пределах компенсирующей способности подшипника.
- Настройка системы смазки: проверка подачи, давления и чистоты масла.
- Температура: Контроль с помощью термопар или термометров сопротивления. Резкий рост температуры – признак износа, недостатка смазки или попадания примесей.
- Вибрация: Анализ вибросигналов позволяет выявить развитие дефектов: износ, размягчение вкладыша, неуравновешенность ротора.
- Анализ масла: Регулярный отбор проб для определения содержания продуктов износа (спектральный анализ), изменения вязкости и наличия воды.
- Высокая нагрузочная способность при больших диаметрах валов.
- Способность гасить вибрации и демпфировать ударные нагрузки.
- Компенсация перекосов и несоосностей (самоустановка).
- Бесшумная работа при гидродинамическом режиме.
- Высокая надежность и долговечность при правильной эксплуатации и смазке.
- Ремонтопригодность (перезаливка или замена вкладыша без замены цапфы).
- Более сложная система смазки, требующая обслуживания.
- Более высокие пусковые моменты из-за граничного трения.
- Необходимость в постоянном контроле температуры и состояния смазки.
- Как правило, большие габаритные размеры в осевом направлении.
- Большие потери на трение в переходных режимах.
- Для гидродинамического режима (турбины, генераторы): Высококачественные индустриальные масла (турбинные масла типа Тп-22, Тп-30, Тп-46) с антиокислительными и противокоррозионными присадками. Важна чистота и стабильность вязкости.
- Для узлов с граничным трением или низкой скоростью: Пластичные смазки на литиевой или комплексной основе, часто с добавлением дисульфида молибдена или графита.
- Для полимерных вкладышей: Вода, консистентные смазки или работа всухую (в зависимости от конкретного материала композита).
- Превышение допустимого зазора (обычно в 1.5-2 раза от первоначального).
- Увеличение уровня вибрации на частотах, связанных с вращением вала.
- Постоянный рост рабочей температуры узла при неизменных условиях.
- Визуальные дефекты, обнаруженные при вскрытии: глубокие риски, отслоение баббита от стальной основы, оплавление, усталостные трещины (раковины).
- Высокая концентрация металлов изнашивания в масле по данным анализа.
- Износ/увеличенный зазор: Замена вкладыша, восстановление номинальных зазоров.
- Недостаточная жесткость фундамента или корпуса: Усиление конструкции.
- Несоосность: Проведение точной центровки валов с использованием лазерных систем.
- Масляный вихрь (масляный хлыст): Изменение конструкции смазочных канавок, применение маслостабилизирующих колец, корректировка вязкости масла.
- Неуравновешенность ротора: Балансировка ротора в собственных подшипниках или на станке.
Материалы трущихся пар
Выбор материалов определяет ресурс, нагрузочную способность и условия работы подшипника. Комбинации подбираются исходя из критериев износостойкости, прирабатываемости и коррозионной стойкости.
| Материал вкладыша (корпуса) | Материал цапфы (вала) | Характеристики и типовое применение |
|---|---|---|
| Баббит (сплавы на основе олова или свинца) | Закаленная сталь 45, 40Х | Высокая прирабатываемость и антифрикционность, стойкость к заеданию. Применяется в турбогенераторах, мощных электродвигателях, вентиляторах. Недостаток – низкая усталостная прочность при высоких нагрузках. |
| Бронза (БрА9Ж3Л, БрО10Ф1) | Закаленная сталь | Высокая механическая прочность и износостойкость, хорошая теплопроводность. Используется в узлах с ударными и высокими нагрузками, в тяжелом машиностроении. |
| Цинково-алюминиевые сплавы (ЦАМ) | Закаленная сталь | Альтернатива баббитам, более высокая прочность и термостойкость. Применяется в дизельных двигателях, прокатных станах. |
| Полимерные композиты (PTFE, POM с наполнителями) | Нержавеющая или углеродистая сталь | Работа в условиях граничной смазки, коррозионной среды. Не требуют постоянной жидкой смазки. Используются в пищевой, химической промышленности, в водоочистных сооружениях. |
| Чугун с шаровидным графитом | Закаленная сталь с поверхностным упрочнением | Для средних нагрузок и скоростей. Низкая стоимость, хорошие антифрикционные свойства при наличии графита в структуре. |
Принцип работы и режимы трения
Работа подшипника основана на создании несущего масляного клина в зазоре между цапфой и вкладышем. При вращении вала смазка увлекается в сужающийся зазор, создавая гидродинамическое давление, которое уравновешивает радиальную нагрузку. Режимы трения:
Сферическая форма позволяет цапфе самоустанавливаться внутри вкладыша, обеспечивая равномерное распределение нагрузки по всей поверхности даже при перекосах вала, что является ключевым преимуществом для энергетического оборудования.
Расчет и выбор подшипника
Основным критерием работоспособности является обеспечение гидродинамического режима смазки. Расчет ведется по комплексу параметров:
| Материал вкладыша | Допустимое давление [p], МПа | Допустимая скорость [v], м/с | Допустимое произведение [pv], МПам/с |
|---|---|---|---|
| Баббит Б83 | 10-15 | 60-80 | 50-100 |
| Бронза БрА9Ж3Л | 15-30 | 8-10 | 60-120 |
| Цинково-алюминиевый сплав | 20-35 | 15-20 | 80-150 |
| Антифрикционный полимер | 5-10 | 2-5 | 10-30 (при сухом трении) |
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Радиальные сферические подшипники скольжения являются критически важными компонентами в следующих типах оборудования:
Монтаж, эксплуатация и диагностика
Правильный монтаж определяет долговечность узла. Ключевые этапы:
В процессе эксплуатации осуществляется постоянный мониторинг:
Преимущества и недостатки по сравнению с подшипниками качения
Преимущества:
Недостатки:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем радиальный сферический подшипник скольжения принципиально отличается от шарикового сферического?
Шариковый сферический подшипник – это подшипник качения. Самоустановка происходит за счет сферической дорожки наружного кольца, а передача нагрузки – через тела качения (шарики). В подшипнике скольжения нет тел качения. Нагрузка передается непосредственно через смазочный слой между сферическими поверхностями цапфы и вкладыша. Подшипник скольжения выдерживает более высокие ударные нагрузки, лучше демпфирует вибрации, но требует организованной системы смазки.
Как определить оптимальный зазор в подшипнике?
Оптимальный монтажный зазор (на холодную) рассчитывается на основе диаметра цапфы, рабочей температуры, материалов и скорости. Общее эмпирическое правило: для валов диаметром 80-180 мм в энергомашиностроении относительный зазор (ψ) часто находится в диапазоне 0.001 — 0.002. Точные значения должны быть указаны в технической документации завода-изготовителя оборудования. Увеличение зазора сверх нормы ведет к росту вибрации, уменьшение – к риску заедания при тепловом расширении.
Какие смазочные материалы применяются?
Выбор зависит от режима работы:
Каковы основные признаки износа и когда требуется замена вкладыша?
Критерии для замены:
Можно ли использовать полимерные вкладыши вместо баббитовых в существующем корпусе?
Да, это распространенная практика модернизации. Однако это требует тщательного инженерного расчета. Полимерные композиты имеют иной коэффициент теплового расширения, меньшую теплопроводность (риск перегрева) и другие механические свойства. Необходимо пересчитать зазоры, возможно, изменить систему охлаждения и смазки. Замена возможна только после консультации с производителем вкладышей и анализа рабочих условий.
Как бороться с вибрацией в подшипниковом узле?
Методы борьбы зависят от причины: