Радиально-упорные роликовые цилиндрические подшипники: конструкция, применение и технические аспекты
Радиально-упорные роликовые цилиндрические подшипники (обозначаемые по ISO как тип NJ, NUP, HJ, NH и др.) представляют собой подкласс роликоподшипников, способных воспринимать одновременно значительные радиальные нагрузки и однонаправленные осевые нагрузки. Их ключевая особенность — наличие бортов (заплечиков) на одном или обоих кольцах, которые в сочетании с направляющими фланцами на сепараторе или прилегающих кольцах обеспечивают осевое фиксирование вала или узла в одном или двух направлениях. В отличие от шариковых радиально-упорных подшипников, они используют цилиндрические ролики, что обеспечивает более высокую радиальную грузоподъемность и жесткость, но, как правило, более низкие предельные частоты вращения.
Конструктивные особенности и типы
Конструкция основана на базе цилиндрического роликоподшипника (серии NU, N) с добавлением бортов для восприятия осевой нагрузки. Ролики — цилиндрические, с оптимизированным профилем для снижения краевых напряжений. Сепараторы изготавливаются из стали, латуни или полимерных материалов. Основные типы, регламентированные ISO 15:
- Тип NJ (например, NJ 2 series): Имеет два борта на наружном кольце и один борт на внутреннем. Способен воспринимать односторонние осевые нагрузки относительно вала. Часто используется в паре с упорным кольцом (тип HJ) для создания фиксированной опоры.
- Тип NUP (например, NUP 2 series): Имеет два борта на наружном кольце, а на внутреннем — борт и съемное стопорное кольцо (заплечик). Позволяет осуществлять двухстороннее осевое фиксирование вала в одном узле, выполняя функцию фиксированной опоры.
- Тип NH (серия 2): Представляет собой подшипник типа NJ в сборе с упорным кольцом типа HJ. Фактически является готовым узлом для фиксированной опоры.
- Тип HJ (упорное кольцо): Самостоятельное кольцо с двумя бортами, используемое в комбинации с подшипниками типов NJ или N для формирования осевой опоры.
- Электродвигатели средних и крупных габаритов: В качестве фиксирующей опоры на приводном конце вала, особенно в двигателях с высокими пусковыми моментами.
- Опора валов турбогенераторов и турбомеханизмов: В комбинации с другими типами подшипников для точного позиционирования ротора.
- Редукторы и зубчатые передачи: Для фиксации положения шестерен и валов под действием осевых составляющих от косозубых и червячных передач.
- Насосное оборудование: В центробежных и поршневых насосах для восприятия осевых усилий, возникающих от перепада давления.
- Оборудование для тяжелых условий эксплуатации: В валковых механизмах, опорах шпинделей.
- Высокая радиальная грузоподъемность и жесткость благодаря линейному контакту роликов.
- Способность воспринимать значительные односторонние осевые нагрузки.
- Возможность разборки и раздельной установки колец, что упрощает монтаж.
- Относительно низкое трение качения при радиальной нагрузке.
- Пригодность для высокоскоростных применений (в сравнении с другими роликовыми типами).
- Неспособность воспринимать двухсторонние осевые нагрузки в одной единице (кроме типа NUP).
- Чувствительность к перекосу вала относительно корпуса (малые допуски на misalignment).
- Более высокие требования к точности изготовления и монтажа по сравнению с шарикоподшипниками.
- Ограниченная осевая грузоподъемность при отсутствии радиальной предварительной нагрузки.
- Локальный перегрев узла.
- Повышенный уровень вибрации и шума, особенно на осевых гармониках.
- Появление задиров и выкрашивания на рабочих поверхностях бортов и торцах роликов.
- Изменение осевого люфта вала сверх допустимого.
Принцип действия и распределение нагрузок
Радиальная нагрузка воспринимается контактными поверхностями дорожек качения и роликами. Осевая нагрузка передается через торцы роликов на боковые поверхности бортов (заплечков) колец. Важно отметить, что способность воспринимать осевую нагрузку является следствием кинематического заклинивания роликов между бортами при осевом смещении. Эффективная работа подшипника под осевой нагрузкой возможна только при наличии достаточной минимальной радиальной предварительной нагрузки, обеспечивающей постоянный контакт роликов с бортами. При отсутствии радиальной нагрузки осевая грузоподъемность стремится к нулю.
Сферы применения в энергетике и смежных отраслях
Данные подшипники находят применение в узлах, требующих высокой радиальной жесткости и ограниченного осевого фиксирования:
Преимущества и недостатки
Преимущества:
Недостатки:
Таблица сравнения основных типов
| Тип подшипника | Схема осевого фиксирования | Воспринимаемые нагрузки | Типичное применение в узле |
|---|---|---|---|
| NJ | Вала в одном направлении | Радиальные + односторонние осевые | Плавающая или фиксированная опора (в паре с кольцом HJ) |
| NUP | Вала в двух направлениях | Радиальные + двухсторонние осевые | Фиксированная опора |
| NH (NJ+HJ) | Вала в двух направлениях | Радиальные + двухсторонние осевые | Готовая фиксированная опора |
| NU | Нет (осевое смещение вала возможно) | Только радиальные | Плавающая опора (для сравнения) |
Монтаж, смазка и обслуживание
Монтаж требует строгого соблюдения соосности. Внутреннее кольцо обычно устанавливается с натягом на вал, наружное — с небольшим зазором в корпусе для компенсации теплового расширения. Для подшипников типа NUP критически важно правильное расположение стопорного кольца. Смазка — пластичная (консистентная) или жидкая (масло), в зависимости от скорости вращения и температурного режима. В высокоскоростных узлах энергетического оборудования часто применяется циркуляционная система маслоснабжения, обеспечивающая также отвод тепла. Регламент технического обслуживания включает регулярный мониторинг вибрации, температуры и состояния смазочного материала.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем ключевое отличие типа NJ от NUP?
Подшипник типа NJ может фиксировать вал только в одном осевом направлении (относительно внутреннего кольца). Для двухстороннего фиксирования требуется дополнительное упорное кольцо (HJ). Подшипник типа NUP, благодаря наличию стопорного кольца на внутреннем кольце, обеспечивает двухстороннее фиксирование вала самостоятельно, в одном корпусе.
Можно ли использовать радиально-упорный цилиндрический подшипник в качестве плавающей опоры?
Нет, в классическом понимании — нельзя. Даже тип NJ, не имеющий второго борта на внутреннем кольце, ограничивает осевое перемещение вала в одном направлении. Для плавающей опоры, которая должна компенсировать тепловое удлинение вала, используются исключительно подшипники без бортов (типы NU и N) или качающиеся подшипники.
Как правильно ориентировать подшипники NJ в двухопорном валу?
При создании фиксированной опоры в одном месте (обычно со стороны привода) два подшипника NJ устанавливаются «спина к спине» (бортами наружу) в одном корпусе или используются в паре с упорными кольцами. Вторая опора должна быть плавающей (тип NU). Бортовые стороны подшипников NJ должны быть обращены в сторону прилагаемой осевой нагрузки.
Каковы признаки неправильного монтажа или выхода из строя?
Как выбрать между радиально-упорным цилиндрическим и коническим роликоподшипником?
Цилиндрические радиально-упорные подшипники выбирают при преимущественно радиальных нагрузках с умеренной осевой составляющей, требованиях к высокой жесткости и частоте вращения. Конические роликоподшипники более эффективны при значительных комбинированных нагрузках, особенно ударного характера, и лучше компенсируют перекосы, но имеют большее трение и меньшие предельные скорости.
Заключение
Радиально-упорные роликовые цилиндрические подшипники являются критически важным элементом в силовых и высоконагруженных узлах энергетического и промышленного оборудования. Их корректный выбор, основанный на анализе нагрузок, скоростных режимов и схемы осевого фиксирования вала, а также соблюдение строгих правил монтажа и обслуживания, напрямую определяют надежность, долговечность и энергоэффективность всего агрегата. Понимание конструктивных особенностей типов NJ, NUP и NH позволяет инженерам оптимально проектировать опорные узлы, обеспечивая стабильную работу в условиях комплексных нагрузок.