Сферические шарнирные подшипники: конструкция, типы, применение и монтаж
Сферические шарнирные подшипники (сферические подшипники скольжения) представляют собой класс подшипников качения, предназначенных для восприятия радиальных и осевых нагрузок, а также значительных угловых смещений. Их ключевая особенность — способность к самоустановке, компенсирующая несоосность вала и корпуса, монтажные погрешности и прогибы валов под нагрузкой. Внутреннее кольцо имеет сферическую дорожку качения, а внешнее — соответствующую сферическую внутреннюю поверхность, что позволяет внутреннему кольцу с телом качения (шариками) свободно поворачиваться внутри внешнего. Это принципиально отличает их от обычных радиально-упорных шарикоподшипников.
Конструкция и принцип действия
Базовая конструкция сферического шарнирного подшипника включает следующие компоненты:
- Внешнее кольцо: Имеет сферическую внутреннюю поверхность и, как правило, два ряда дорожек качения. Часто снабжено прорезями для монтажа и смазочными канавками.
- Внутреннее кольцо: Оснащено двумя рядами сферических дорожек качения и цилиндрическим или коническим отверстием под вал.
- Тело качения: Два ряда бочкообразных (сферических) роликов или шариков, расположенных под углом. Роликовая конструкция (сферические роликоподшипники) обеспечивает значительно большую грузоподъемность.
- Сепаратор (клеть): Удерживает тела качения на равном расстоянии, предотвращая их контакт друг с другом. Изготавливается из стали, латуни или полимерных материалов (например, PA66).
- Система смазки: Включает смазочные отверстия и канавки во внешнем и/или внутреннем кольце для подачи пластичной смазки.
- Сферические роликоподшипники: Наиболее распространенный тип в тяжелом машиностроении. Используют бочкообразные ролики. Обладают максимальной радиальной и двухсторонней осевой грузоподъемностью, но ограничены по частоте вращения.
- Сферические шарикоподшипники: Используют шарики. Имеют меньшую грузоподъемность, но способны работать на более высоких скоростях вращения и с меньшим моментом трения.
- Турбогенераторы и гидрогенераторы: Опорные подшипники валов роторов, компенсирующие прогибы и тепловые расширения.
- Редукторы и мультипликаторы: Особенно в ветроэнергетических установках, где действуют значительные переменные и ударные нагрузки.
- Насосное оборудование: Центробежные и поршневые насосы высокого давления.
- Вентиляторное оборудование: Дымососы, дутьевые вентиляторы ТЭС и АЭС.
- Оборудование для передачи крутящего момента: Карданные валы, шлицевые соединения, тяговые приводы.
- Подъемно-транспортное оборудование: Краны, механизмы поворота, шкивы.
- Выкрашивание (питтинг) рабочей поверхности: Нормальная усталость при исчерпании ресурса или перегрузка.
- Абразивный износ: Матовые, затертые дорожки — признак попадания абразивных частиц из-за неэффективного уплотнения.
- Пластическая деформация (вмятины) на дорожках качения: Ударные нагрузки при монтаже или эксплуатации.
- Посинение (перегрев) колец: Недостаток смазки, чрезмерный натяг при посадке, перекос.
- Коррозия: Попадание влаги или агрессивных жидкостей, конденсат.
Принцип работы основан на компенсации перекосов за счет вращения сферической системы «внутреннее кольцо + тела качения» внутри сферической обоймы внешнего кольца. Допустимый угол перекоса варьируется от ±1.5° до ±3° для подшипников с цилиндрическим отверстием и может достигать ±4° для подшипников с коническим отверстием и коническими втулками, что позволяет им адаптироваться к реальным условиям эксплуатации.
Классификация и типы
Сферические подшипники классифицируются по нескольким ключевым признакам.
1. По типу тел качения
2. По конструкции и исполнению
| Тип | Конструктивные особенности | Типовые применения |
|---|---|---|
| С цилиндрическим отверстием | Стандартное исполнение, монтаж по посадке с натягом на гладкий вал. | Редукторы, вентиляторы, конвейеры. |
| С коническим отверстием (конус 1:12) | Монтируются на коническую втулку, что обеспечивает точную регулировку радиального зазора и облегчает монтаж/демонтаж. | Валы большого диаметра (прокатные станы, тяговые электродвигатели, турбогенераторы). |
| С уплотнениями | Оснащены контактными (резина) или лабиринтными уплотнениями для защиты от загрязнений и удержания смазки. | Оборудование для влажной или запыленной среды (горная, пищевая промышленность). |
| Разъемные (с разъемным внешним кольцом) | Позволяют устанавливать подшипник на валы без концевых заплечиков, например, на коленчатые валы. | Судовые двигатели, крупные кривошипные механизмы. |
Материалы и термообработка
Для изготовления колец и тел качения применяются подшипниковые стали, преимущественно марки 100Cr6 (SHХ15) или их аналоги. Ключевые этапы производства включают объемную закалку и отпуск для достижения твердости 58-64 HRC, что обеспечивает высокую контактную прочность и сопротивление усталости. Для работы в агрессивных средах (химическая промышленность, морская вода) используются подшипники из нержавеющей стали (например, AISI 440C). В условиях сухого трения или при недостаточной смазке применяются материалы с твердыми покрытиями (хромирование, нитрид титана) или специализированные полимерные композиты.
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Сферические шарнирные подшипники являются критически важными компонентами в следующих типах оборудования:
Монтаж, смазка и техническое обслуживание
Правильный монтаж определяет ресурс подшипника. Для подшипников с цилиндрическим отверстием применяется термический (нагрев масляной ванной или индукционным нагревателем) или гидравлический (с использованием масляного насоса высокого давления) методы. Подшипники с коническим отверстием монтируются с помощью конической втулки и гайки или гидравлическим методом, что позволяет точно контролировать осевую посадку и, следовательно, радиальный зазор.
Смазка — критический фактор. Используются консистентные смазки (литиевые, комплексные, полимочевинные) и циркуляционные масла. Выбор зависит от скорости, температуры и нагрузки. Современные подшипниковые узлы часто оснащаются автоматическими централизованными системами смазки.
Диагностика состояния включает регулярный контроль вибрации, температуры подшипникового узла и акустической эмиссии. Повышение температуры часто указывает на чрезмерный натяг, недостаток или деградацию смазки. Увеличение уровня вибрации — признак износа, выкрашивания или загрязнения.
Сравнение с альтернативными типами подшипников
| Параметр | Сферический роликоподшипник | Цилиндрический роликоподшипник | Конический роликоподшипник (пара) | Радиальный шарикоподшипник |
|---|---|---|---|---|
| Радиальная нагрузка | Очень высокая | Очень высокая | Высокая | Средняя/низкая |
| Осевая нагрузка | Двухсторонняя, средняя | Нет (кроме типа NJ) | Односторонняя, высокая | Низкая (кроме радиально-упорных) |
| Компенсация перекосов | Высокая (±1.5° — ±3°) | Нет | Нет | Очень низкая |
| Частота вращения | Средняя | Высокая | Средняя | Очень высокая |
| Требования к точности монтажа | Низкие | Высокие (соосность) | Очень высокие (регулировка) | Средние |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
1. Как правильно выбрать радиальный зазор для сферического роликоподшипника?
Выбор зазора (обозначается C2, CN, C3, C4) зависит от условий работы. Стандартный зазор CN подходит для большинства случаев. Зазоры C3, C4 применяются при значительном дифференциальном тепловом расширении вала и корпуса (например, в редукторах с обогревом), а также при посадке внутреннего кольца с большим натягом. Зазор C2 используется для прецизионных применений с точным контролем температуры и минимальным натягом.
2. Можно ли использовать сферический подшипник в качестве упорного?
Нет, в чистом виде — нельзя. Несмотря на способность воспринимать значительные двухсторонние осевые нагрузки, сферический подшипник является радиально-упорным и требует постоянной радиальной нагрузки для правильного распределения тел качения по дорожкам. Для чистых осевых нагрузок существуют специальные упорные сферические роликоподшипники.
3. Как определить причину преждевременного выхода подшипника из строя?
Анализ повреждений дает четкую картину:
4. Каковы особенности монтажа сферических подшипников с коническим отверстием?
Монтаж осуществляется на коническую втулку (адаптер) с помощью затяжной гайки. Критически важно контролировать не момент затяжки, а величину осевой посадки (осевой сдвиг) или уменьшение радиального зазора. Эти данные указаны в каталогах производителя. Превышение посадки ведет к катастрофическому уменьшению зазора, перегреву и заклиниванию.
5. Какой тип смазки предпочтительнее: пластичная или жидкая?
Пластичные смазки (консистентные) применяются при скоростях вращения до средних (значение dm*n, где dm — средний диаметр подшипника в мм, n — частота вращения в об/мин, обычно до 300 000-400 000). Они упрощают конструкцию узла, обеспечивают лучшую герметизацию. Циркуляционные масла необходимы для высокоскоростных применений, эффективного отвода тепла и в системах с централизованной смазкой. Выбор конкретной марки смазки зависит от температуры, нагрузки и наличия воды.
Заключение
Сферические шарнирные подшипники являются незаменимым техническим решением для тяжелонагруженных узлов, работающих в условиях несоосности, прогибов и сложного нагружения. Их правильный выбор, основанный на корректном расчете эквивалентной динамической нагрузки и требуемого срока службы, а также строгое соблюдение правил монтажа, смазки и мониторинга состояния, являются залогом надежной и долговечной работы ответственного оборудования в энергетике, тяжелом машиностроении и транспортной инфраструктуре. Понимание их конструктивных особенностей и эксплуатационных ограничений позволяет инженерам оптимизировать конструкции узлов и минимизировать риски внеплановых остановок.