Радиально-упорные подшипники качения

Радиально-упорные подшипники качения: конструкция, принцип действия и применение в энергетике

Радиально-упорные подшипники качения представляют собой класс опор качения, способных одновременно воспринимать комбинированные нагрузки — радиальные и осевые. Их ключевая особенность заключается в конструкции дорожек качения внутреннего и наружного колец, которые смещены относительно друг друга вдоль оси подшипника. Угол контакта между телами качения (шариками или роликами) и дорожками качения определяет соотношение несущей способности по радиальному и осевому направлению. Чем больше угол контакта, тем выше осевая грузоподъемность подшипника при снижении радиальной. Данный тип подшипников является обязательным компонентом в ответственных узлах энергетического оборудования, такого как турбогенераторы, насосы, электродвигатели большой мощности и редукторы.

Конструктивные особенности и классификация

Конструкция радиально-упорных подшипников оптимизирована для работы под действием комбинированных нагрузок. Основные элементы включают: наружное и внутреннее кольца со скошенными дорожками качения, сепаратор (сдерживающий и направляющий тела качения) и тела качения. В зависимости от типа тел качения выделяют две основные группы:

• Радиально-упорные шарикоподшипники. Наиболее распространенный тип. Способны воспринимать осевые нагрузки только в одном направлении. Для работы в обе стороны их устанавливают парно (встречно или в распор). Имеют высокую предельную частоту вращения.
• Радиально-упорные роликоподшипники (конические). Тела качения — усеченные конусы. Обладают существенно более высокой радиальной и осевой грузоподъемностью по сравнению с шариковыми аналогами, но имеют ограничения по максимальной частоте вращения. Требуют точной регулировки зазора (натяга) при установке.

По количеству рядов тел качения подшипники делятся на однорядные, двухрядные и четырехрядные. Двухрядные радиально-упорные шарикоподшипники (чаще всего с раздвоенным внутренним или наружным кольцом) способны воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях без необходимости парной установки.

Угол контакта и его влияние на характеристики

Угол контакта (α) — это угол между линией, соединяющей точки контакта шарика с дорожками качения колец, и плоскостью, перпендикулярной оси подшипника. Это ключевой параметр, закладываемый при проектировании и определяющий эксплуатационные свойства.

Обозначение серии / Угол контакта (α)	Направление воспринимаемой осевой нагрузки	Соотношение несущей способности	Типовые области применения в энергетике
Серия 72B (α=40°)	Однонаправленная	Высокая осевая, умеренная радиальная	Вертикальные гидрогенераторы, упорные узлы насосов
Серия 32B (α=25°)	Однонаправленная	Сбалансированная радиально-осевая	Опоры валов турбогенераторов, электродвигатели
Серия 33 (α=12°)	Однонаправленная	Преимущественно радиальная с небольшой осевой	Опоры с необходимостью фиксации вала, вспомогательное оборудование

Схемы установки и регулировка

Для корректной работы радиально-упорные подшипники требуют точного монтажа и регулировки осевого зазора. Наиболее распространены три схемы установки:

• Парная установка «враспор» (X-образная схема). Линии действия осевых нагрузок сходятся к оси вала. Схема обеспечивает высокую жесткость узла, менее чувствительна к изменениям длины вала при нагреве. Применяется в узлах с высокими моментами опрокидывания.
• Парная установка «встречно» (O-образная схема). Линии действия осевых нагрузок расходятся. Схема более компактна в осевом направлении, лучше приспособлена для восприятия чистых осевых нагрузок в обоих направлениях.
• Одиночная установка. Возможна для двухрядных подшипников или при наличии постоянного осевого усилия в одном направлении, которое воспринимается одним подшипником, а второй в паре служит радиальной опорой.

Регулировка осевого зазора (для конических роликоподшипников — натяга) осуществляется с помощью комплекта прокладок, регулировочных гаек, термокомпенсационных колец или непосредственным осевым смещением одного из колец. Неправильная регулировка ведет к перегреву, резкому снижению ресурса или разрушению подшипника.

Применение в энергетическом оборудовании

В энергетике надежность подшипниковых узлов напрямую влияет на бесперебойность выработки энергии. Радиально-упорные подшипники применяются в следующих ключевых агрегатах:

• Турбогенераторы и паровые турбины. Опоры роторов, воспринимающие значительный вес ротора (радиальная нагрузка) и осевые усилия, возникающие из-за перепада давления в проточной части. Используются высокоточные шариковые и роликовые конические подшипники в паре, работающие в условиях высоких скоростей и температур.
• Гидрогенераторы и гидротурбины. Особенно критична установка в вертикальных агрегатах, где подшипник должен воспринимать полный вес вращающихся частей (осевая нагрузка) и радиальные усилия от гидродинамических сил. Применяются специальные серии с большим углом контакта или упорно-радиальные подшипники.
• Циркуляционные, питательные и прочие насосы. Опоры валов насосов, где возникают осевые усилия от перепада давления на рабочем колесе. Требуется точная регулировка для предотвращения осевого смещения ротора.
• Электродвигатели большой мощности. Установка на валу ротора для фиксации его осевого положения и восприятия поперечных сил (например, от ременных передач).
• Редукторы и мультипликаторы. Опоры шестерен, где помимо радиальных нагрузок возникают осевые составляющие от косозубых и червячных зацеплений.

Особенности смазывания и монтажа

В энергетике преобладают два основных метода смазывания подшипниковых узлов: циркуляционное маслосмазывание под давлением и консистентная смазка. Циркуляционное смазывание применяется в высокоскоростных и высоконагруженных узлах (турбины, генераторы), обеспечивая отвод тепла и удаление продуктов износа. Консистентная смазка используется в узлах с умеренными скоростями и упрощенной конструкцией корпуса (электродвигатели, вспомогательные насосы).

Монтаж радиально-упорных подшипников требует строгого соблюдения технологических карт. Запрещается передавать ударную нагрузку через тела качения. Напрессовка должна производиться с приложением усилия только к тому кольцу, которое создает натяг (как правило, внутреннее кольцо при посадке на вал с натягом). Обязательным этапом является контроль осевого зазора (люфта) или натяга после установки подшипника в узел с помощью индикаторных часов (индикаторов).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем радиально-упорный подшипник принципиально отличается от упорного?

Упорный подшипник предназначен исключительно для восприятия осевых нагрузок, действующих вдоль оси вала, и не способен нести существенную радиальную нагрузку. Радиально-упорный подшипник комбинированный: он рассчитан на одновременное действие как осевых, так и значительных радиальных нагрузок. Конструктивно в упорном подшипнике дорожки качения расположены в параллельных плоскостях, а в радиально-упорном — соосно, но со смещением.

Как правильно выбрать схему установки (X или O) для пары подшипников?

Выбор зависит от условий работы узла. Схема X («враспор») обеспечивает большую моментную жесткость и устойчивость вала, рекомендуется при наличии опрокидывающих моментов и когда точки приложения радиальной нагрузки находятся между подшипниками. Схема O («встречно») создает меньшую жесткость, но лучше компенсирует угловые перекосы и более компактна. Она часто применяется, когда нагрузка приложена за пределами опор. Также выбор может диктоваться удобством регулировки и компенсации теплового расширения вала.

Что произойдет, если не отрегулировать осевой зазор в коническом роликоподшипнике?

При чрезмерно большом зазоре (осевом люфте) возникает повышенный шум, вибрация и осевое биение вала, что приводит к ударным нагрузкам, разрушению сепаратора и снижению точности работы агрегата. При чрезмерном натяге (отрицательном зазоре) подшипник перегревается из-за повышенного трения, смазка теряет свойства, происходит быстрый износ дорожек качения и тел качения, вплоть до заклинивания узла. Оба случая приводят к аварийному отказу.

Можно ли заменить радиально-упорный шарикоподшипник на радиальный при ремонте?

Категорически не рекомендуется без перерасчета всего узла. Радиальный шарикоподшипник не рассчитан на постоянное действие осевых нагрузок. Его установка в узел, спроектированный под радиально-упорный подшипник, приведет к осевому смещению вала, повышенному износу дорожек качения, заклиниванию шариков в нерабочей зоне и быстрому разрушению подшипника с риском повреждения сопряженного оборудования.

Как влияет частота вращения на выбор типа радиально-упорного подшипника?

С увеличением частоты вращения возрастают центробежные силы, действующие на тела качения, и гироскопический момент. Для высокоскоростных применений (турбогенераторы, шпиндели) предпочтительнее однорядные радиально-упорные шарикоподшипники: они имеют меньшие потери на трение, меньший момент сопротивления и лучше приспособлены к высоким оборотам. Конические роликоподшипники, обладая большей грузоподъемностью, имеют ограниченную предельную частоту вращения из-за повышенного трения роликов о борта дорожки качения.

Каковы признаки неправильного монтажа радиально-упорного подшипника в работе?

Основные признаки: устойчивый нагрев узла выше расчетной температуры, повышенный уровень вибрации на осевой и радиальной частотах, сильный шум (вой, гул) при работе, течь смазки из-за теплового расширения. При первых же симптомах необходимо остановить агрегат для диагностики, проверки осевого зазора и состояния смазки.