Подшипники скольжения разъемные
Подшипники скольжения разъемные: конструкция, материалы, применение и расчет
Разъемные подшипники скольжения (также известные как вкладыши подшипников скольжения) представляют собой ключевой тип опор вращающегося оборудования, предназначенный для восприятия радиальных нагрузок. Их принципиальное отличие от неразъемных подшипников и подшипников качения заключается в конструкции, состоящей из двух или более частей (верхнего и нижнего вкладыша), что позволяет устанавливать их на шейки валов без необходимости демонтажа сопряженных узлов. Это делает их незаменимыми в крупногабаритном и тяжелом энергетическом оборудовании, таком как турбины, генераторы, мощные электродвигатели, насосы и вентиляторы.
Конструктивные особенности и классификация
Основу разъемного подшипника составляет корпус (радиальный или самоустанавливающийся), в который устанавливаются сменные вкладыши. Конструкция вкладышей может варьироваться в зависимости от условий работы.
- По количеству разъемов: Двухкомпонентные (верхний и нижний вкладыш), четырехкомпонентные (с дополнительными регулировочными сегментами для точной центровки).
- По наличию покрытия: Цельнометаллические (изготавливаются из антифрикционного сплава) и биметаллические/триметаллические. Последние имеют стальную основу (обеспечивает прочность) и один или несколько слоев антифрикционного напыления (обеспечивают низкое трение, прирабатываемость и стойкость к заеданию).
- По типу масляного слоя: Подшипники жидкостного трения (гидродинамические), где вал при работе «всплывает» на масляном клине, и подшипники граничного трения, работающие при низких скоростях и высоких нагрузках.
- По форме внутренней поверхности: Цилиндрические, эллиптические (для повышения устойчивости вала), трех- или многолепестковые.
- Подача масла: Масло подается под давлением в разгрузочный паз на нерабочей поверхности вкладыша или через торцевые каналы. Давление масла является критическим параметром для подъема вала и формирования гидродинамического клина.
- Отвод тепла: Циркулирующее масло отводит тепло от зоны трения. Вкладыши часто имеют каналы для циркуляции охлаждающей воды (в особо нагруженных подшипниках).
- Контроль параметров: Обязателен мониторинг температуры подшипника (датчики в теле вкладыша или на выходе масла), давления и расхода масла, а также его чистоты (фильтрация).
- Удельное давление (p): p = R / (d
- L), где R – радиальная нагрузка, d – диаметр цапфы, L – длина подшипника. Контролируется для предотвращения выдавливания смазки и чрезмерного износа.
- Скорость скольжения (v): v = π d n, где n – частота вращения. Вместе с давлением определяет величину pv – ключевой критерий для подбора материала.
- Коэффициент нагруженности (μψ²/p): Безразмерный комплекс, используемый в гидродинамической теории смазки для определения коэффициента трения, относительного эксцентриситета и минимальной толщины масляного слоя (h_min).
- Минимальная толщина масляного слоя (h_min): Должна превышать сумму высот микронеровностей вала и вкладыша, а также возможные отклонения от геометрии. Обеспечивает работу в режиме жидкостного трения.
- Тепловой баланс: Расчет количества тепла, генерируемого трением, и его отвода системой смазки и окружающей средой для предотвращения перегрева.
Материалы для вкладышей подшипников скольжения
Выбор материала является критическим параметром, определяющим нагрузочную способность, износостойкость и коррозионную стойкость подшипника. Материалы должны обладать высокой усталостной прочностью, хорошей теплопроводностью, антифрикционными свойствами и способностью встраивать абразивные частицы.
| Материал | Состав (примерный) | Характеристики | Типичное применение в энергетике |
|---|---|---|---|
| Баббиты на оловянной основе | Sn, Sb (7-12%), Cu (3-6%) | Высокие антифрикционные свойства, отличная прирабатываемость, стойкость к заеданию, низкая усталостная прочность при повышенных температурах. | Опоры турбогенераторов, электродвигателей средней мощности, работающие в режиме жидкостного трения. |
| Баббиты на свинцовой основе | Pb, Sb (10-15%), Sn (5-10%) | Более низкая стоимость, хорошие антифрикционные свойства, но меньшая теплопроводность и коррозионная стойкость по сравнению с оловянными. | Нагрузки среднего уровня, вспомогательное оборудование. |
| Бронзы (оловянистые, свинцовистые) | Cu, Sn (6-10%), Pb (до 12%) | Высокая прочность, износостойкость, хорошая теплопроводность. Требуют качественной смазки и приработки. | Опора шейки вала тяжелых насосов, упорные сегменты, оборудование с ударными нагрузками. |
| Алюминиевые сплавы | Al, Sn (6-20%), Si, Cu | Высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость, хорошая теплопроводность. Сложнее в обработке. | Высокооборотные дизельные двигатели, турбокомпрессоры, все чаще – опоры мощных электродвигателей и генераторов. |
| Полимерные покрытия (например, PTFE-композиты) | Эпоксидная матрица с наполнителями (PTFE, графит) | Работают при граничном трении, не требуют жидкой смазки (или требуют минимальной), стойки к коррозии. | Оборудование с частыми пусками-остановами, подшипники скольжения в системах с водой в качестве смазки. |
Система смазки и охлаждения
Стабильная работа разъемного подшипника скольжения в режиме жидкостного трения невозможна без эффективной системы смазки. В энергетике преобладают циркуляционные системы принудительной смазки под давлением.
Расчет и проектирование подшипников скольжения
Проектирование является комплексной инженерной задачей, направленной на обеспечение работоспособности в заданных условиях. Основные расчетные параметры:
Монтаж, эксплуатация и диагностика
Правильный монтаж определяет долговечность подшипника. Ключевые этапы включают очистку и проверку посадочных поверхностей корпуса и вкладыша, контроль натяга (посадки) вкладыша в корпус (измеряется по выступанию), проверку овальности и конусности после запрессовки. Обязательна проверка зазоров: радиального (с помощью индикатора или свинцовой проволоки) и осевого (для обеспечения свободы теплового расширения вала).
В эксплуатации основными контролируемыми параметрами являются температура (резкий рост – признак износа, недостатка смазки или попадания загрязнений) и вибрация. Анализ металла в масле (диагностика по феррографии или спектральному анализу) позволяет выявить начальную стадию износа антифрикционного слоя.
Типовые неисправности и их причины
| Неисправность (вид износа) | Визуальные признаки | Вероятные причины |
|---|---|---|
| Усталостное выкрашивание баббита | Сетка трещин, отслоение участков баббита от основы. | Циклические знакопеременные нагрузки, перегрев, превышение усталостного предела материала, вибрации. |
| Абразивный износ | Глубокие продольные риски, повышенный зазор, потеря блеска поверхности. | Проникновение твердых частиц (пыль, песок, продукты износа) в масляный зазор, неэффективная фильтрация. |
| Задиры и схватывание | Локальные наплавления материала вкладыша на вал, борозды. | Недостаточная смазка, перегрузка, малая скорость вращения (отсутствие гидродинамического клина), несовместимость материалов пары. |
| Коррозия | Равномерное или точечное химическое разрушение поверхности. | Наличие агрессивных компонентов в масле (кислот, воды), низкая коррозионная стойкость материала вкладыша. |
| Эрозия | Вымывание материала в зоне подвода масла. | Высокая скорость потока масла, кавитация в масляном слое. |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем разъемные подшипники скольжения предпочтительнее роликовых/шариковых в энергетике?
Они обладают большей демпфирующей способностью, лучше гасят вибрации, выдерживают более высокие ударные нагрузки, имеют значительно больший ресурс при правильной эксплуатации в условиях непрерывной работы на высоких скоростях. Их конструкция позволяет регулировать зазоры и производить замену без демонтажа ротора.
Как определить оптимальный радиальный зазор в подшипнике?
Оптимальный зазор (обычно 0.1-0.15% от диаметра цапфы, но точное значение задается производителем) зависит от диаметра вала, скорости вращения, вязкости масла и нагрузки. Слишком малый зазор ведет к перегреву и задирам, слишком большой – к вибрациям и срыву масляного клина.
Почему в мощных турбогенераторах используют баббит на оловянной основе, а не более прочные материалы?
Оловянный баббит обладает уникальным сочетанием свойств: он хорошо прирабатывается, отлично встраивает посторонние частицы, предотвращая задир вала, и обладает высокими антифрикционными свойствами. Для тяжелонагруженных опор, работающих в стабильном режиме, его усталостной прочности достаточно. При этом в аварийных ситуациях (например, временный дефицит смазки) он «жертвует» собой, защищая более дорогой вал от повреждений.
Когда требуется замена вкладышей?
Основаниями для замены являются: достижение предельного износа (увеличение радиального зазора сверх допуска, указанного в паспорте агрегата), усталостное разрушение антифрикционного слоя (более 20-30% площади), наличие глубоких задиров или отслоений, а также изменение геометрии (овальность, конусность) после длительной эксплуатации.
Каковы преимущества самоустанавливающихся подшипниковых опор?
Самоустанавливающаяся (сферическая) опора позволяет вкладышу автоматически отклоняться на небольшой угол, компенсируя несоосность вала и корпуса, а также прогиб вала под нагрузкой. Это обеспечивает равномерное распределение нагрузки по длине вкладыша и предотвращает краевые нагрузки, что критически важно для длинных роторов турбомашин.
Как влияет чистота масла на ресурс подшипника?
Прямое и решающее влияние. Присутствие в масле твердых частиц размером более 25-40 мкм вызывает абразивный износ. Современные стандарты (например, ISO 4406) для систем принудительной смазки турбоагрегатов требуют чистоты масла на уровне 16/14/13 и выше. Соблюдение этого требования продлевает ресурс подшипника в несколько раз.