Сферические однорядные роликовые подшипники
Сферические однорядные роликовые подшипники: конструкция, применение и технические аспекты
Сферические однорядные роликовые подшипники (обозначение по ISO: тип 230..E, по ГОСТ: тип 3617, 3618) представляют собой подшипники качения с бочкообразными роликами, расположенными в один ряд на сферической дорожке качения наружного кольца. Эта конструкция обеспечивает их ключевое свойство – самоустановку, то есть компенсацию перекосов вала относительно корпуса, возникающих вследствие монтажных погрешностей, прогиба вала под нагрузкой или тепловых деформаций в энергетических агрегатах. Угол перекоса может достигать 0,5-2 градусов в зависимости от серии и размера, что делает их незаменимыми в тяжелонагруженных узлах с длинными валами.
Конструктивные особенности и принцип работы
Конструкция подшипника включает следующие основные элементы:
- Наружное кольцо с общей сферической поверхностью беговой дорожки. Радиус этой сферы является общим для всех роликов, что и позволяет им свободно переориентироваться.
- Внутреннее кольцо с двумя бортами и конической или бочкообразной дорожкой качения. Внутреннее кольцо часто выполняется с коническим отверстием (конусность 1:12) для посадки на коническую втулку, что упрощает монтаж/демонтаж и позволяет регулировать радиальный зазор.
- Бочкообразные симметричные ролики, длина которых превышает диаметр. Форма ролика минимизирует концентрацию напряжений на краях контакта со сферической дорожкой наружного кольца.
- Сепаратор, центрируемый по роликам. Изготавливается из стали, латуни или полиамида. В энергетике предпочтение отдается цельнометаллическим сепараторам из-за высоких температурных и механических нагрузок.
- 2 – серия по ширине (средняя).
- 23 – серия по диаметру (средняя тяжелая).
- 20 – код посадочного диаметра (d=100 мм).
- E – исполнение с усиленным сепаратором и оптимизированной геометрией контакта.
- Опоны роторов турбогенераторов и газотурбинных установок (как правило, со стороны муфты).
- Приводные валы насосов систем охлаждения и питательных насосов.
- Валы тягодутьевых машин (дымососы, вентиляторы).
- Редукторы и мультипликаторы в ветроэнергетических установках.
- Оборудование гидроэлектростанций (вспомогательные механизмы, регуляторы).
- Электродвигатели большой мощности с длинным валом.
- Усталостное выкрашивание – нормальный вид износа при длительной циклической нагрузке.
- Задиры и прихваты – следствие недостатка смазки, несоосности, превышения нагрузки.
- Абразивный износ – попадание твердых частиц через негерметичные уплотнения.
- Коррозия – присутствие влаги в масле или конденсата.
- Пластическая деформация – результат ударных нагрузок или неправильного монтажа.
Принцип самоустановки основан на том, что линия контакта ролика со сферической дорожкой наружного кольца может свободно смещаться при перекосе, не вызывая краевого нагружения. Это отличает их от цилиндрических или конических подшипников, критичных к соосности.
Сравнительные характеристики и маркировка
По сравнению со сферическими двухрядными подшипниками, однорядные модели имеют меньшую радиальную грузоподъемность, но позволяют воспринимать ограниченные осевые нагрузки в обоих направлениях. Их основная функция – восприятие значительных радиальных нагрузок в условиях перекоса. Осевая грузоподъемность составляет примерно 20-25% от неиспользованной радиальной.
Типовая маркировка включает обозначение серии по ширине и диаметру, тип подшипника и исполнение. Пример: 22320 E.
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Данные подшипники применяются в узлах, работающих в тяжелых условиях с высокими радиальными нагрузками и риском перекоса:
Таблица 1. Сравнение подшипников для тяжелонагруженных валов
| Тип подшипника | Радиальная нагрузка | Осевая нагрузка | Компенсация перекоса | Типовое применение в энергетике |
|---|---|---|---|---|
| Сферический однорядный роликовый | Очень высокая | Двусторонняя, ограниченная | Да (до 2°) | Опоны роторов, вентиляторы |
| Сферический двухрядный роликовый | Высшая | Незначительная | Да (до 3°) | Основные опоры турбоагрегатов |
| Цилиндрический роликовый | Очень высокая | Нет | Нет | Опоры без осевых нагрузок |
| Конический роликовый | Высокая | Односторонняя, высокая | Нет | Редукторы, насосы |
Монтаж, смазка и техническое обслуживание
Правильный монтаж критичен для долговечности подшипника. Для подшипников с коническим отверстием используется гидравлический или механический метод напрессовки на коническую втулку с контролем осевой посадки или радиального зазора. Посадка наружного кольца в корпус должна быть плавающей (например, посадка H7) для обеспечения свободного самоустановки и осевого перемещения при тепловом расширении вала.
Смазка преимущественно жидкая, циркуляционная, реже – консистентная. В энергетических агрегатах применяются масла типа И-Г-А (турбинные масла) с высокими антиокислительными и противозадирными свойствами. Необходима эффективная система уплотнения (лабиринтные, камерные, щелевые уплотнения) для защиты от попадания влаги и абразивных частиц.
Таблица 2. Рекомендуемые зазоры и посадки для подшипника 22320 E
| Параметр | Значение / Рекомендация | Примечание |
|---|---|---|
| Посадочный диаметр вала (d) | 100 мм | Коническое отверстие 1:12 |
| Посадка на вал | Натяг via коническая втулка | Контроль по осевой посадке или зазору |
| Посадка в корпус (D) | H7 (плавающая) | Обеспечивает самоустановку |
| Номинальный радиальный зазор до монтажа | 0.10 — 0.15 мм | По каталогу производителя |
| Рабочий температурный диапазон | -30°C до +150°C (стандарт) | Для сепаратора из стали |
Диагностика неисправностей и отказов
Основные причины выхода из строя в энергетике:
Методы контроля: вибродиагностика (рост уровня вибрации на частотах, кратных частоте вращения), термометрия (аномальный нагрев узла), анализ частиц износа в масле (феррография, спектральный анализ).
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем однорядный сферический подшипник принципиально отличается от двухрядного?
Однорядный подшипник имеет один комплект роликов и способен воспринимать ограниченные двусторонние осевые нагрузки. Двухрядный подшипник имеет два ряда роликов, обладает значительно большей радиальной грузоподъемностью, но не предназначен для восприятия осевых нагрузок (кроме незначительных, вызванных, например, центробежными силами). Оба типа обладают способностью к самоустановке.
Можно ли использовать сферический подшипник в паре с упорным подшипником?
Да, это распространенная схема. Сферический однорядный роликовый подшипник устанавливается как радиальная опора, воспринимая основные радиальные нагрузки и перекосы, а упорный шариковый или роликовый подшипник (чаще сферический упорный роликовый) устанавливается отдельно для фиксации вала в осевом направлении и восприятия осевых усилий.
Как правильно выбрать радиальный зазор для работы при высоких температурах?
При работе в условиях повышенных температур (например, вблизи парового тракта) необходимо учитывать тепловое расширение вала и внутреннего кольца подшипника. Исходный монтажный зазор должен быть увеличен по сравнению со стандартным значением. Точный расчет требует учета коэффициентов линейного расширения материалов, градиента температур по сечению узла и рабочей температуры внутреннего кольца. Как правило, для таких условий выбирают подшипники с группой зазора С3 или С4.
Какие уплотнения наиболее эффективны для данных подшипников в запыленных условиях ТЭЦ?
Для тяжелых условий с наличием угольной пыли и влаги оптимальны комбинированные системы уплотнения. Внешние лабиринтные уплотнения с каналами для подачи чистого уплотнительного воздуха (например, от вентилятора наддува) в сочетании с внутренними многоступенчатыми щелевыми или дисковыми уплотнениями. Использование только контактных сальниковых уплотнений не рекомендуется из-за высокого трения и износа.
Какой метод монтажа является наиболее предпочтительным для крупногабаритных подшипников?
Для подшипников с коническим посадочным отверстием и посадочным диаметром свыше 80 мм безусловно предпочтителен гидравлический метод. Он предполагает подачу масла под высоким давлением (до 100 МПа) между конической втулкой и валом, что создает масляную пленку, радиально раздвигающую втулку и значительно облегчающую осевое перемещение. Этот метод обеспечивает точный контроль натяга, исключает риск повреждения посадочных поверхностей и гарантирует равномерность посадки по всей окружности.