Подшипники цилиндрические двухрядные: конструкция, типы, применение и монтаж
Цилиндрические двухрядные подшипники качения представляют собой радиальные подшипники, в которых два ряда тел качения (цилиндрических роликов) расположены между общим внутренним и общим наружным кольцами. Их ключевая особенность — способность воспринимать значительные радиальные нагрузки при высокой жесткости и умеренной частоте вращения. В отличие от однорядных аналогов, они обеспечивают большую грузоподъемность и лучшую устойчивость вала в радиальном направлении, но, как правило, не предназначены для восприятия осевых нагрузок (за исключением некоторых модификаций). Основная сфера применения в энергетике — тяжелонагруженные узлы с преобладающими радиальными нагрузками: опоры валов турбин, генераторов, крупных электродвигателей, насосов, вентиляторов и редукторов.
Конструктивные особенности и принцип работы
Конструкция двухрядного цилиндрического подшипника включает следующие основные элементы:
- Наружное кольцо: Имеет две раздельные дорожки качения на внутренней поверхности. Часто выполняется с буртиками для направления роликов.
- Внутреннее кольцо: Может быть цельным или разъемным (состоять из двух колец). Имеет две дорожки качения на внешней поверхности. Часто снабжено стопорными кольцами или крепежными элементами для фиксации на валу.
- Ролики: Цилиндрические тела качения, изготовленные из высокопрочной подшипниковой стали. В каждом ряду ролики удерживаются и направляются сепаратором. Геометрическая точность формы (цилиндричность) критична для равномерного распределения нагрузки.
- Сепаратор (клеть): Разделяет ролики в каждом ряду, предотвращает их контакт и обеспечивает равномерное распределение. Изготавливается из стали, латуни или полимерных материалов (например, стеклонаполненного полиамида).
- Серия 32: Легкая узкая серия.
- Серия 23: Средняя широкая серия.
- Серия 42: Тяжелая серия.
- Серия 52: Тяжелая широкая серия.
- Сталь: Шарикоподшипниковая сталь ШХ15 (аналог SAE 52100) – базовый материал. Для агрессивных сред или повышенных температур применяются стали с добавлением хрома, молибдена, а также нержавеющие стали.
- Термообработка: Объемная закалка и низкий отпуск для достижения высокой твердости (60-66 HRC). Для особо ответственных узлов — сквозная закалка.
- Чистота поверхности: Дорожки качения и ролики подвергаются суперфинишированию для снижения шума, вибрации и трения.
- Сепараторы: Штампованные стальные (массовые серии), механически обработанные латунные (для высоких скоростей и ударных нагрузок) или полиамидные (снижение трения, не требуют смазки, но имеют температурные ограничения).
- Опоры роторов турбогенераторов и гидрогенераторов: Воспринимают огромные радиальные нагрузки от массы ротора и магнитных сил. Часто используются подшипники скольжения, но в агрегатах средней мощности и в качестве опорных могут применяться и прецизионные роликовые подшипники.
- Крупные электрические машины (двигатели и генераторы): Установка в концевых щитах мощных асинхронных и синхронных двигателей (от 1000 кВт и выше).
- Насосное оборудование: Питательные, циркуляционные, сетевые насосы ТЭС и АЭС.
- Вентиляторное оборудование: Дымососы, дутьевые вентиляторы котельных агрегатов.
- Редукторы и мультипликаторы: В быстроходных и тихоходных валах тяжелых редукторов, например, в приводах мельничных вентиляторов или конвейерных линий топливоподачи.
- Оборудование для транспортировки топлива: Опорные узлы валов ленточных конвейеров, барабаны.
- Предмонтажная подготовка: Проверка посадочных поверхностей вала и корпуса (чистота, размеры, шероховатость). Подшипник должен храниться в оригинальной упаковке до момента установки.
- Температурный монтаж: Наиболее распространенный метод для посадки с натягом. Внутреннее кольцо нагревается в масляной ванне или индукционном нагревателе до температуры 80-120°C (не более 125°C). Запрещается нагрев открытым пламенем.
- Осевая фиксация: Критически важный этап. Неподвижное кольцо (чаще внутреннее) фиксируется на валу стопорными кольцами, гайками или концевыми шайбами. Плавающее кольцо (чаще наружное) должно иметь возможность перемещаться в корпусе для компенсации теплового расширения вала.
- Смазка: Применяется пластичная консистентная смазка (для умеренных скоростей и температур, с длительными интервалами замены) или жидкое масло (циркуляционная или картерная система, для высокоскоростных и высоконагруженных узлов). Выбор смазки зависит от скорости (dn-фактор), температуры и условий окружающей среды.
- Усталостное выкрашивание (питтинг): Проявляется в виде шелушения и вырывов на дорожках качения и роликах. Причины: превышение расчетного ресурса, перегрузки, некачественный материал.
- Абразивный износ: Повышенный зазор, потеря точности, загрязнение смазки. Причины: попадание абразивных частиц (пыль, песок, продукты износа) из-за неэффективных уплотнений.
- Задиры (схватывание): Локальный перегрев и перенос материала с одной поверхности на другую. Причины: недостаточная смазка, слишком малый зазор, перекос при монтаже.
- Коррозия: Появление на поверхностях качения и посадочных поверхностях пятен ржавчины. Причины: попадание влаги, конденсат, агрессивная среда, нерегулярная замена смазки.
- Деформация колец и разрушение сепаратора: Причины: ударные нагрузки, неправильный монтаж (приложение усилия к сепаратору или роликам), дисбаланс ротора.
Принцип работы основан на замене трения скольжения на трение качения между кольцами и роликами. Радиальная нагрузка от вала передается через внутреннее кольцо на два ряда роликов, а затем на наружное кольцо и корпус. Наличие двух рядов позволяет распределить нагрузку, существенно увеличивая ресурс и допустимую нагрузку по сравнению с однорядным подшипником при тех же габаритных размерах.
Классификация и типоразмеры по ГОСТ и ISO
Классификация осуществляется по нескольким ключевым признакам: конструкция колец, наличие бортов, тип сепаратора и рядность. В обозначениях по ГОСТ 8328-75 и международному стандарту ISO 15:2011 основное внимание уделяется серии диаметров и ширин, а также конструктивному исполнению.
Основные серии по ширине и диаметру:
Серия 22: Средняя серия.
Таблица 1. Основные конструктивные исполнения двухрядных цилиндрических подшипников
| Тип (по ГОСТ/ISO) | Конструкция колец | Возможность осевого смещения | Направление воспринимаемой нагрузки | Типовое обозначение (пример) |
|---|---|---|---|---|
| NN, тип 29 (ГОСТ) | Двухрядный, с цилиндрическими отверстиями. Внутреннее кольцо с двумя бортами, наружное — без бортов. | Вал может перемещаться осево относительно корпуса в обе стороны. | Только радиальные нагрузки. | NN 3022 K |
| NNU, тип 49 (ГОСТ) | Двухрядный, с цилиндрическими отверстиями. Наружное кольцо с двумя бортами, внутреннее — без бортов. | Корпус может перемещаться осево относительно вала в обе стороны. | Только радиальные нагрузки. | NNU 4922 |
| NF (с бортом на наружном кольце) | Наружное кольцо с одним бортом, внутреннее — с двумя. | Ограниченное осевое смещение в одну сторону. | Радиальные и небольшие односторонние осевые нагрузки. | NF 222 |
Материалы и технологии изготовления
Для обеспечения долговечности в тяжелых условиях эксплуатации в энергетике используются подшипники, изготовленные по специальным технологиям:
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Двухрядные цилиндрические подшипники являются критически важными компонентами в следующих узлах:
Монтаж, смазка и техническое обслуживание
Правильный монтаж определяет ресурс подшипника. Для двухрядных цилиндрических подшипников характерны следующие процедуры:
Таблица 2. Рекомендации по смазке для двухрядных цилиндрических подшипников
| Тип смазки | Преимущества | Недостатки | Область применения в энергетике |
|---|---|---|---|
| Консистентная смазка (литиевые, комплексные) | Простота обслуживания, хорошая герметизация, длительный интервал замены. | Ограниченное теплоотведение, риск перегрева на высоких скоростях. | Тихоходные валы редукторов, опорные ролики, вентиляторы с умеренной частотой вращения. |
| Минеральные и синтетические масла | Эффективный отвод тепла, подходят для высоких скоростей и нагрузок, возможность фильтрации. | Сложная система подачи, риск утечек, необходимость контроля уровня и чистоты. | Опоры валов турбин, генераторов, высокоскоростные насосы и двигатели. |
Диагностика неисправностей и причины выхода из строя
Регулярный мониторинг состояния подшипников позволяет предотвратить катастрофические отказы. Основные методы: вибродиагностика, контроль температуры, акустический анализ, анализ смазочного материала.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
В чем ключевое отличие двухрядного цилиндрического подшипника от однорядного?
Двухрядный подшипник имеет два независимых ряда роликов, что при тех же габаритных размерах (диаметр и ширина) обеспечивает примерно на 60-80% большую радиальную грузоподъемность и повышенную жесткость узла. Он лучше справляется с перекосами вала, но, как правило, имеет более высокие требования к точности монтажа.
Могут ли двухрядные цилиндрические подшипники воспринимать осевые нагрузки?
Стандартные исполнения (типы NN, NNU) не предназначены для восприятия осевых нагрузок и используются в качестве «плавающих» опор, допускающих осевое смещение вала или корпуса. Существуют модификации с бортами на одном из колец (например, тип NF), способные воспринимать ограниченные односторонние осевые нагрузки. Для значительных осевых усилий необходимо применять упорные или комбинированные подшипники.
Как правильно выбрать посадку для двухрядного цилиндрического подшипника?
Выбор посадки зависит от типа нагрузки, вращения кольца и условий эксплуатации. Как правило, вращающееся внутреннее кольцо при циклической нагрузке устанавливается на вал с натягом (посадки k6, m6, n6). Неподвижное наружное кольцо в корпусе обычно имеет переходную или небольшую зазорную посадку (H7, J7) для возможности осевого самоустановки. Точные рекомендации приведены в ГОСТ 3325-85 и каталогах производителей.
Каковы особенности монтажа подшипников типа NNU (с бортами на наружном кольце)?
В подшипниках типа NNU (ГОСТ 49) внутреннее кольцо является свободным и не имеет бортов. Это позволяет валу перемещаться осево относительно внутреннего кольца. При монтаже важно обеспечить точное радиальное положение внутреннего кольца, но не препятствовать его возможному осевому смещению относительно вала. Наружное кольцо с бортами фиксируется в корпусе осево.
Что такое «dn-фактор» и почему он важен при выборе смазки?
dn-фактор — это произведение внутреннего диаметра подшипника (d, мм) на частоту его вращения (n, об/мин). Он служит условным критерием для определения допустимой скорости вращения и выбора метода смазки. Для двухрядных цилиндрических подшипников при dn < 300 000 часто применяется консистентная смазка, при dn > 300 000 — преимущественно жидкая масляная смазка с принудительной циркуляцией и охлаждением.
Как часто необходимо проводить замену смазки в подшипниковом узле?
Интервал замены смазки не является фиксированной величиной. Он зависит от типа смазки, условий работы (температура, запыленность), скорости вращения и режима нагрузки. Для консистентных смазок в энергетическом оборудовании регламентная замена часто проводится во время плановых капитальных ремонтов (раз в 2-5 лет). Однако необходим регулярный контроль состояния смазки (визуальный, на наличие загрязнений и окисления) и дозаправка по графику, установленному производителем оборудования.
Заключение
Двухрядные цилиндрические подшипники являются высоконадежными и долговечными узлами, предназначенными для работы в условиях экстремальных радиальных нагрузок. Их правильный выбор, основанный на анализе типа нагрузки, скоростного режима и условий эксплуатации, а также строгое соблюдение технологий монтажа, смазки и технического диагностирования являются залогом бесперебойной работы критически важного энергетического оборудования. Понимание конструктивных особенностей различных типов (NN, NNU, NF) позволяет инженеру-механику оптимально спроектировать опору вала, обеспечив необходимую грузоподъемность, жесткость и компенсацию тепловых деформаций.