Упорные подшипники качения

Упорные подшипники качения: конструкция, типы, применение и расчет

Упорные подшипники качения – это специализированный класс подшипников, предназначенный для восприятия осевых (аксиальных) нагрузок, действующих вдоль оси вала. Их принципиальное отличие от радиальных подшипников заключается в конструкции, которая позволяет им выдерживать значительные усилия, направленные параллельно оси вращения, при этом способность воспринимать радиальные нагрузки у большинства типов таких подшипников минимальна или отсутствует. В энергетике, тяжелом машиностроении и других отраслях, где присутствуют мощные осевые усилия, они являются критически важными элементами.

Принцип действия и базовая конструкция

Рабочие тела упорных подшипников качения – это тела качения (шарики, ролики), расположенные между двумя кольцами (шайбами). Одно кольцо, называемое упорным (или осевым), жестко фиксируется на валу и вращается вместе с ним. Второе кольцо – опорное (или осевой упор) – монтируется в корпус (станину) и остается неподвижным. Тела качения, удерживаемые сепаратором, катятся по дорожкам качения этих колец, передавая усилие от вращающегося узла к неподвижному. Для обеспечения работоспособности подшипник должен быть предварительно нагружен, что исключает заклинивание тел качения при изменении направления или величины нагрузки.

Классификация и типы упорных подшипников качения

Классификация осуществляется по типу тел качения, количеству рядов и способности компенсировать перекосы.

1. Упорные шарикоподшипники

Используют шарики в качестве тел качения. Основные разновидности:

• Однорядные упорные шарикоподшипники (серия 51, 52 по ГОСТ 7872-89, серия 511, 512 по ISO): Базовая конструкция, воспринимает осевые нагрузки только в одном направлении. Неспособны воспринимать радиальную нагрузку. Требуют строгой параллельности монтажных поверхностей.
• Двухрядные упорные шарикоподшипники (серия 52..A по ГОСТ, 522, 523 по ISO): Фактически представляют собой два однорядных подшипника, смонтированных «спина к спине». Способны воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях. Радиальную нагрузку не воспринимают.

2. Упорные роликоподшипники

Используют цилиндрические, конические или сферические ролики, что существенно увеличивает грузоподъемность и жесткость.

• Упорные подшипники с цилиндрическими роликами (серия 811, 812 по ISO, серия 82 по ГОСТ): Обладают наибольшей грузоподъемностью среди упорных подшипников при минимальных габаритах. Воспринимают только односторонние осевые нагрузки. Чувствительны к перекосам.
• Упорные подшипники с коническими роликами (серия 293..E, 294..E по ISO): Благодаря углу контакта способны воспринимать не только значительные осевые, но и ограниченные радиальные нагрузки (обычно не более 55% от неиспользованной осевой грузоподъемности). Часто поставляются в сборе с регулировочными шайбами.
• Упорные сферические роликоподшипники (серия 292..E, 293..E по ГОСТ 7872-89, серия 292, 293 по ISO): Наиболее универсальный и надежный тип для тяжелых условий. Ролики и дорожки качения имеют сферическую форму, что позволяет этим подшипникам самоустанавливаться и компенсировать перекосы вала до 2-3°. Способны воспринимать комбинированные (осевые и радиальные) нагрузки. Выпускаются в двух- и четырехрядном исполнении для экстремальных нагрузок.

3. Комбинированные подшипники

Сочетают в одном узле возможности восприятия радиальных и осевых нагрузок. Например, радиально-упорные шарикоподшипники (серия 7000, 7200), которые, однако, не являются классическими упорными, но часто используются для осевого фиксирования валов при наличии значительных радиальных нагрузок.

Материалы и технологии изготовления

Основной материал для колец и тел качения – подшипниковая сталь марок ШХ15, ШХ15СГ (аналоги 100Cr6, 52100). Для работы в агрессивных средах или при повышенных температурах применяются стали 95Х18 (коррозионно-стойкая), стали с добавлением молибдена и ванадия для повышенной ударной вязкости, а также специализированные сплавы. Сепараторы изготавливаются из штампованной стали, латуни, текстолита, а в высокоскоростных применениях – из полиамидов или композитов. Для тяжелонагруженных упорных сферических роликоподшипников сепараторы часто выполняют из кованой латуни (цельнометаллические) для повышенной прочности.

Области применения в энергетике и смежных отраслях

• Вертикальные гидрогенераторы и двигатели: Упорные подшипники (чаще сферические роликовые или сегментные упорно-опорные подшипники скольжения) являются ключевым узлом, воспринимающим вес вращающихся частей (ротора, турбины) и гидродинамическое усилие на лопатки.
• Турбины (паровые, газовые): Для фиксации ротора в осевом направлении и восприятия остаточных осевых усилий.
• Редукторы и червячные передачи: В червячных редукторах упорные подшипники (чаще роликовые) устанавливаются на червяк для восприятия усилия от зацепления.
• Оборудование для металлургии: В клетях прокатных станов, винтовых прессах.
• Шпиндели тяжелых станков, поворотные устройства кранов, экскаваторов.

Критерии выбора и расчет

Выбор упорного подшипника – инженерная задача, основанная на расчете. Основные параметры:

1. Нагрузка: Определяется максимальная осевая нагрузка F_a (Н).
2. Скорость: Рабочая частота вращения n (об/мин).
3. Режим работы: Постоянная, переменная, ударная нагрузка.
4. Условия эксплуатации: Температура, наличие вибраций, перекосов, агрессивной среды.
5. Требуемый срок службы: L_10h (часов).

Базовый расчет динамической грузоподъемности (C) и срока службы (L_10h) выполняется по формуле ISO 281:

L_10h = (10⁶ / (60 n)) (C / P)^p

где:
L_10h – расчетный срок службы в часах (с вероятностью безотказной работы 90%),
n – частота вращения, об/мин,
C – базовая динамическая грузоподъемность по каталогу (Н),
P – эквивалентная динамическая осевая нагрузка (Н),
p – показатель степени: для шариковых подшипников p=3, для роликовых p=10/3.

Эквивалентная нагрузка P для упорных подшипников, воспринимающих только осевую силу, равна этой силе (P = F_a). Для упорно-радиальных подшипников (конических, сферических) расчет P сложнее и учитывает радиальную составляющую.

Таблица: Сравнительные характеристики основных типов упорных подшипников

Монтаж, смазка и обслуживание

Правильный монтаж критичен для упорных подшипников. Монтажные поверхности вала и корпуса должны быть строго перпендикулярны оси вращения (за исключением самоустанавливающихся типов). Часто применяется тепловой метод посадки (нагрев подшипника в масляной ванне до 80-120°C) для посадки с натягом на вал. Осевой зазор или предварительный натяг регулируется с помощью комплектных шайб или гаек.

Смазка: В энергетике преимущественно применяется жидкая циркуляционная пластичная смазка. Консистентная смазка (литиевые, комплексные) используется в узлах с умеренными скоростями и температурой. Выбор смазочного материала должен соответствовать скоростному фактору (n*d_m), температуре и нагрузке.

Контроль состояния: В процессе эксплуатации осуществляется мониторинг вибрации, температуры подшиптового узла и анализ частиц износа в масле (феррография, спектральный анализ). Резкий рост температуры или вибрации сигнализирует о неисправности.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем ключевое отличие упорного шарикоподшипника от упорного роликоподшипника?

Ключевое отличие – в типе тел качения и, как следствие, в грузоподъемности и допустимой скорости. Шариковые подшипники способны работать на более высоких скоростях, но имеют меньшую грузоподъемность. Роликовые (особенно цилиндрические) обладают максимальной осевой грузоподъемностью, но ограничены по скорости. Сферические роликовые сочетают высокую грузоподъемность с возможностью самоустановки и восприятия радиальных нагрузок.

Можно ли использовать упорный подшипник для восприятия радиальной нагрузки?

Классические одно- и двухрядные упорные шариковые и цилиндрические роликоподшипники не предназначены для восприятия радиальных нагрузок. Их установка при наличии радиальной составляющей приведет к преждевременному выходу из строя. Исключение составляют упорные конические и сферические роликоподшипники, которые способны работать при комбинированном нагружении.

Как правильно отрегулировать осевой зазор в упорном подшипнике?

Регулировка осуществляется в собранном узле. Для подшипников, монтируемых в корпус с крышкой, зазор регулируется набором тонких металлических прокладок между корпусом и крышкой. Для подшипников, устанавливаемых на вал с гайкой, зазор регулируется этой гайкой с последующей фиксацией стопорной шайбой или контргайкой. Величина зазора указывается в технической документации на узел и зависит от типа подшипника, его размера и условий работы.

Что означает обозначение подшипника, например, 81218 М?

Это обозначение по ГОСТ или ISO. Пример расшифровки (ГОСТ 7872-89):
8 – тип (упорный роликовый с короткими цилиндрическими роликами),
12 – серия ширины и высоты,

18 – внутренний диаметр d = 18*5 = 90 мм (для диаметров от 20 мм код умножается на 5),
М – материал сепаратора (латунный).

Почему при работе мощного вертикального гидроагрегата чаще применяются сегментные упорные подшипники скольжения, а не качения?

Для гидрогенераторов сверхвысокой мощности (сотни МВт), где осевая нагрузка от веса ротора и гидравлики достигает тысяч тонн, применяются упорно-опорные подшипники скольжения с сегментами (баббитовыми вкладышами) и гидродинамической смазкой. Они обладают несоизмеримо большей нагрузочной способностью на единицу площади, демпфирующими свойствами, возможностью работы в режиме жидкостного трения и ремонтопригодностью в условиях станции. Подшипники качения в таких применениях не могут обеспечить необходимую надежность и ресурс.

Заключение

Упорные подшипники качения представляют собой высокоспециализированные, точно рассчитанные узлы, обеспечивающие работоспособность критического оборудования в энергетике и промышленности. Корректный выбор типа, размера и исполнения подшипника, основанный на точном расчете нагрузок и условий эксплуатации, а также соблюдение строгих правил монтажа и обслуживания, являются обязательными условиями для достижения проектного ресурса и надежности всего механизма. Понимание особенностей конструкции и характеристик каждого типа – ключевая компетенция инженера, ответственного за проектирование и эксплуатацию тяжелого роторного оборудования.