Радиальные подшипники скольжения

Радиальные подшипники скольжения: конструкция, материалы, применение и расчет

Радиальный подшипник скольжения — это опора вращающегося вала или оси, в которой передача нагрузки и относительное движение происходят через трение скольжения между рабочими поверхностями вкладыша (втулки) и цапфы вала. В отличие от подшипников качения, в них отсутствуют тела качения. Основное функциональное назначение — восприятие радиальных нагрузок, направленных перпендикулярно оси вращения, с обеспечением точного позиционирования и минимального износа при соблюдении условий жидкостного трения.

Конструкция и классификация

Конструктивно радиальный подшипник скольжения состоит из корпуса (стакана), вкладыша (втулки) из антифрикционного материала и системы смазки. Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам.

• По возможности регулирования зазора: нерегулируемые (цельные, разъемные) и регулируемые (с тонкостенными вкладышами, позволяющими изменять натяг или зазор).
• По числу масляных клапанов (маслораспределительных каналов): подшипники с одним, двумя или тремя клапанами, что определяет стабильность масляного клина при переменных направлениях нагрузки.
• По типу смазки:
  • Гидродинамическая смазка: масляный клин создается за счет собственного вращения вала в масляной ванне. Основной режим для мощных энергетических агрегатов.
  • Гидростатическая смазка: масло под давлением подается в зону трения от внешнего насоса, что позволяет исключить сухое трение даже на нулевых и очень низких оборотах.
  • Граничная смазка: тонкий слой смазочного материала удерживается на поверхности за счет адгезии. Характерна для тихоходных или старт-стопных механизмов.
  • Газовая смазка (воздушная): в высокоскоростных агрегатах в качестве смазки используется газ.
• По конструкции вкладыша: цельные (втулки), разъемные (состоящие из двух или более частей), вставные (тонкостенные и толстостенные).

Материалы для вкладышей и покрытий

Выбор материала пары трения «вал-вкладыш» критически важен для надежности. Материалы должны обладать низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, хорошей прирабатываемостью, коррозионной стойкостью и высокой теплопроводностью. Чаще всего используется многослойная (композитная) конструкция вкладыша.

Таблица 1. Основные материалы вкладышей радиальных подшипников скольжения

Тип материала	Конкретные сплавы/марки	Преимущества	Недостатки и ограничения	Типичное применение
Баббиты на оловянной основе	Б83, Б88 (Sn-Sb-Cu)	Высокая прирабатываемость, коррозионная стойкость, хорошая теплопроводность, антифрикционность.	Низкая усталостная прочность при высоких температурах и нагрузках.	Опоры турбогенераторов, турбин, электродвигателей средних мощностей.
Баббиты на свинцовой основе	Б16, БН (Pb-Sb-Sn)	Более низкая стоимость, сохранение свойств при повышенных t°.	Меньшая коррозионная стойкость и усталостная прочность по сравнению с оловянными.	Нагруженные опоры дизельных двигателей, прокатные станы.
Бронзы	БрО10Ф1, БрС30, БрА9Ж3Л	Высокая механическая прочность, износостойкость, хорошая теплопроводность.	Более высокий коэффициент трения, склонность к заеданию при недостатке смазки.	Опоры тяжелонагруженных валов, шейки коленчатых валов, сегментные подшипники.
Алюминиевые сплавы	АО20-1, АО9-1 (Al-Sn)	Высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость, хорошая теплопроводность, малый вес.	Требуют высокого качества обработки поверхности вала.	Опоры двигателей внутреннего сгорания, турбонагнетателей, быстроходные опоры.
Полимерные композиты (PTFE, PEEK с наполнителями)	Фторопласт, текстолит	Работают в условиях граничной смазки или без смазки, химически стойки, не требуют дорогой обработки вала.	Низкая теплопроводность, ползучесть под нагрузкой, ограничения по температуре.	Оборудование для пищевой и химической промышленности, опоры с затрудненной смазкой.
Пористые спеченные материалы (бронзографит, железографит)	Спектр марок по ГОСТ, импортные аналоги	Самосмазывающиеся свойства за счет пропитки маслом по всей структуре.	Низкая механическая прочность, ограниченная нагрузочная способность.	Неответственные узлы, опоры в бытовой технике, узлы с периодической смазкой.

Основа (стальная или бронзовая лента) обеспечивает механическую прочность, промежуточный подслой (чаще из сплава на основе свинца или олова) — защиту от коррозии и улучшение адгезии, а антифрикционный рабочий слой (баббит) — непосредственное взаимодействие с валом.

Теория гидродинамической смазки и условия ее формирования

Работоспособность подшипника в номинальном режиме обеспечивается режимом жидкостного (гидродинамического) трения. Его суть заключается в самопроизвольном образовании несущего масляного клина между цапфой и вкладышем при достижении определенной скорости вращения.

• Вал в состоянии покоя лежит на вкладыше, их поверхности разделены лишь тончайшим слоем смазки (граничное трение).
• При начале вращения вал «всплывает» за счет того, что масло, обладающее вязкостью, увлекается в сужающийся зазор между цапфой и вкладышем. В узкой части зазора создается высокое давление, способное воспринять внешнюю нагрузку.
• В установившемся режиме вал и вкладыш разделены непрерывным слоем масла толщиной в несколько десятков микрометров. Трение происходит исключительно между слоями масла, что резко снижает износ и потери на трение.

Условия перехода в режим гидродинамической смазки описываются уравнением Рейнольдса и зависят от:

• Вязкости масла (μ).
• Скорости вращения вала (n).
• Удельной нагрузки на подшипник (p).
• Относительного зазора (ψ = (D — d)/d, где D — диаметр вкладыша, d — диаметр вала).

Критерием надежности является минимально допустимая толщина масляного слоя (h_min), которая должна превышать сумму высот микронеровностей поверхностей вала и вкладыша с запасом.

Системы смазки и охлаждения

В энергетических установках применяются сложные циркуляционные системы смазки, выполняющие также функцию охлаждения.

• Циркуляционная система под давлением: Масло из бака подается насосом через фильтры и холодильник в магистраль, а затем через сопла или каналы — в масляные канавки подшипника. После прохождения зазора масло стекает в картер и возвращается в бак. Система обеспечивает стабильное давление (обычно 0.3-1.5 МПа) и отвод тепла.
• Масляные канавки: Выполняются на ненагруженной стороне вкладыша (обычно в верхней части для горизонтальных валов). Их форма (прямоугольная, спиральная, сегментная) влияет на распределение давления. Неправильное расположение канавок может разрушить масляный клин.
• Комбинированная (гидростатическая) система запуска: В особо ответственных подшипниках (например, стартерах гидроагрегатов) перед пуском и на малых оборотах от отдельного насоса высокого давления подается масло, приподнимающее вал, что исключает сухое трение в момент страгивания.

Расчет радиального подшипника скольжения

Проектировочный расчет направлен на определение основных геометрических параметров, обеспечивающих работу в режиме гидродинамической смазки при заданных нагрузке, скорости и свойствах масла.

Таблица 2. Основные параметры и критерии расчета радиального подшипника скольжения

Параметр	Обозначение, формула	Комментарий и рекомендуемые значения
Удельная нагрузка	p = F / (d L) [МПа]	F — радиальная нагрузка [Н], d — диаметр цапфы [мм], L — рабочая длина подшипника [мм]. Значения p: для турбогенераторов 1.5-2.5 МПа, для судовых дизелей 10-15 МПа.
Относительный зазор	ψ = (D — d) / d	Зависит от диаметра, скорости и точности сборки. Обычно ψ = 0.001 — 0.003. Меньшие значения для высокоскоростных прецизионных валов.
Относительная длина	λ = L / d	Типовые значения λ = 0.5 — 1.5. Увеличение λ улучшает нагрузочную способность, но ухудшает теплоотвод и может привести перекосу вала.
Критерий работоспособности (число Зоммерфельда)	S = (p ψ²) / (μ ω)	μ — динамическая вязкость [Па*с], ω — угловая скорость [рад/с]. Характеризует режим трения. Для гидродинамического режима S > 1.
Минимальная толщина масляного слоя	hmin = 0.5 d ψ (1 — χ)	χ — относительный эксцентриситет (зависит от S). Расчетная hmin должна превышать сумму высот неровностей вала Rz1 и вкладыша Rz2 в 2-3 раза.
Коэффициент трения	μтр = (π / ψ) (μ ω / p) (d / hmin)	В режиме гидродинамической смазки очень мал (порядка 0.001-0.01).
Тепловой баланс	Qт = μтр F v = Qотв	Выделяемая теплота трения Qт должна равняться теплоте, отводимой циркулирующим маслом и корпусом. Расчет ведется для определения температуры масла в подшипнике (обычно не выше 70-80°C).

Монтаж, эксплуатация и диагностика

Правильный монтаж определяет долговечность подшипника. Ключевые этапы: проверка геометрии посадочных мест, очистка, нагрев вкладыша (для тонкостенных) перед запрессовкой для обеспечения натяга, контроль зазора щупом или методом свинцовой проволоки. При сборке разъемных подшипников обязательна проверка стыка вкладышей (недопустим «заподлицо»).

В эксплуатации основными контролируемыми параметрами являются:

• Температура: Мониторится с помощью термопар или термосопротивлений, встроенных в тело вкладыша на глубину 0.5-1 мм от рабочей поверхности. Резкий рост температуры — признак нарушения смазки или попадания посторонних частиц.
• Вибрация: Анализ вибросигналов позволяет выявить развитие усталостных трещин в баббите, износ, масляное вихревое возбуждение вала.
• Состояние масла: Регулярный анализ на наличие продуктов износа (спектральный анализ), воды, изменение вязкости.

Диагностика методом акустической эмиссии эффективна для обнаружения зарождающихся трещин в заливке.

Преимущества и недостатки по сравнению с подшипниками качения

• Преимущества:
  • Высокая нагрузочная способность при больших диаметрах валов.
  • Возможность работы при очень высоких скоростях вращения (роторы турбин, центрифуг).
  • Меньшие радиальные габариты.
  • Высокая демпфирующая способность, устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
  • Относительная тихоходность.
  • Длительный срок службы при правильной эксплуатации.
  • Ремонтопригодность (перезаливка баббитом).
• Недостатки:
  • Более высокие пусковые моменты из-за граничного трения.
  • Необходимость в сложной и надежной системе принудительной смазки.
  • Большие осевые габариты.
  • Повышенные требования к чистоте и качеству смазочного материала.
  • Более высокие потери на трение в установившемся режиме (в некоторых случаях).

Области применения в энергетике и смежных отраслях

• Турбогенераторы и паровые турбины: Опоры роторов высокого, среднего и низкого давления. Работают на гидродинамической смазке, часто с применением гидростатического подъема при пуске.
• Гидрогенераторы и гидротурбины: Опоры вертикальных валов, воспринимающие огромные радиальные и осевые нагрузки. Используются сегментные подшипники скольжения с водяным или масляным охлаждением.
• Электродвигатели большой мощности (свыше 1-2 МВт): Как правило, имеют подшипниковые щиты со встроенными подшипниками скольжения.
• Насосное оборудование (питательные, циркуляционные, сетевые насосы): Опора валов насосных агрегатов.
• Дизель-генераторные установки: Коренные и шатунные подшипники коленчатых валов.
• Компрессорное оборудование: Опоры роторов центробежных и поршневых компрессоров.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем обусловлен выбор баббита Б83 для опор турбогенераторов?

Баббит Б83 (оловянный) обладает оптимальным сочетанием свойств для высокоскоростных ответственных подшипников: отличная прирабатываемость, высокие антифрикционные свойства, хорошая теплопроводность (что критично для отвода тепла от зоны трения), коррозионная стойкость в минеральном масле и способность внедрять в свою структуру твердые частицы, предотвращая задир вала. Его основной недостаток — сравнительно низкая усталостная прочность — компенсируется точным расчетом нагрузки и надежной системой смазки.

Что такое «масляное вихревое возбуждение» ротора и как с ним борются?

Это самовозбуждающиеся колебания ротора, вызванные динамическими силами в масляном слое подшипника. При определенной скорости (как правило, около 2х оборотных частот) масляный клин начинает работать как пружина с отрицательным демпфированием, раскачивая вал. Методы борьбы: применение подшипников со смещенными (несимметричными) сегментами, использование осевых канавок на рабочей поверхности для разрушения непрерывного масляного клина, изменение параметров смазки (вязкости, давления), точная балансировка ротора.

Как определить износ вкладыша без разборки узла?

Прямое измерение износа требует разборки. Однако косвенными диагностическими признаками являются:

• Повышение температуры подшипника при неизменных нагрузках и скорости.
• Рост уровня вибрации на частоте, равной частоте вращения и ее гармоникам.
• Увеличение содержания в масле элементов, входящих в состав вкладыша (олово, сурьма, свинец, медь), выявляемое спектральным анализом.
• Падение давления в системе смазки при увеличении зазора (если система не оснащена регулятором давления).

Плановые вскрытия для осмотра и измерения остаются наиболее надежным методом.

Почему в некоторых подшипниках делают осевые канавки, а в других — нет?

Осевые (продольные) канавки, выполненные на нагруженной стороне вкладыша, разрушают несущий масляный клин, резко снижая гидродинамическую грузоподъемность. Поэтому их делают только на ненагруженной стороне (например, в верхней половине подшипника горизонтального вала) для подвода масла. В подшипниках, где нагрузка меняет направление (например, в опорах коленчатых валов ДВС), канавки могут выполняться в центральной части, но это всегда компромисс, снижающий максимальную нагрузочную способность.

Каковы современные тенденции в развитии подшипников скольжения для энергетики?

Основные направления:

• Разработка новых антифрикционных материалов: Наноструктурированные баббиты, полимерные композиты с высокой теплопроводностью, многослойные покрытия методом PVD/CVD для экстремальных условий.
• Внедрение систем активного магнитного подвеса (АМП): В некоторых новых турбомашинах подшипники скольжения заменяются на АМП, что полностью исключает механический контакт и потери на трение, но требует сложной системы управления.
• Интеллектуальный мониторинг: Встраивание в вкладыши сетки оптоволоконных датчиков температуры и давления для построения точной картины распределения масляного клина в реальном времени и прогнозирования остаточного ресурса.
• Оптимизация геометрии: Использование нецилиндрических профилей (эллиптические, трехлепестковые, смещенные) для повышения динамической устойчивости роторных систем.