Подшипники с фиксирующими пазами: конструкция, назначение и применение в электротехнике
Подшипники с фиксирующими пазами, также известные в профессиональной среде как подшипники со стопорными пазами или канавками (англ. locating slot bearings, snap ring bearings), представляют собой класс шарикоподшипников качения, оснащенных конструктивным элементом для осевой фиксации в узле. Этот элемент — кольцевой паз (канавка) на наружном или внутреннем кольце — предназначен для установки стопорного (разрезного) пружинного кольца. Такая конструкция обеспечивает надежное позиционирование подшипника в корпусе или на валу, упрощая монтаж и снижая требования к точности обработки посадочных мест по сравнению с посадками с натягом или использованием торцевых крышек.
Конструктивные особенности и типы
Основное отличие данного типа подшипников — наличие одной или двух канавок на наружной или внутренней поверхности кольца. В зависимости от расположения паза и типа воспринимаемой нагрузки выделяют несколько основных видов.
- С пазом на наружном кольце (серии 60, 62, 63 с суффиксом NR, например, 6204 NR). Предназначены для фиксации в корпусе. Стопорное кольцо, устанавливаемое в паз, упирается в выточку корпуса, предотвращая осевое смещение подшипника наружу. Это наиболее распространенный тип для установки в глухие или сквозные отверстия корпусов.
- С пазом на внутреннем кольце (серии с суффиксом Z, например, 6204 Z). Используются для фиксации на валу. Стопорное кольцо, размещенное в пазу внутреннего кольца, упирается в заплечик вала или специальную втулку, фиксируя подшипник в осевом направлении.
- С двумя пазами (на наружном и внутреннем кольце). Обеспечивают возможность двусторонней фиксации, что применяется в специфичных узлах, где требуется жесткое позиционирование как относительно корпуса, так и вала.
- Упрощение конструкции узла. Отпадает необходимость в сложных и габаритных торцевых крышках, фланцах или резьбовых втулках для осевой фиксации.
- Снижение требований к точности обработки. Посадочные места в корпусе или на валу могут быть выполнены с более грубыми допусками, так как точное осевое позиционирование обеспечивается стопорным кольцом, а не уступами. Это удешевляет изготовление.
- Облегчение монтажа и демонтажа. Установка и снятие подшипника производятся проще по сравнению с прессовыми посадками. Это сокращает время обслуживания и ремонта.
- Компактность. Узел в сборе имеет меньшие осевые габариты, так как стопорное кольцо занимает минимум места.
- Унификация. Позволяет использовать стандартные корпуса с гладкими цилиндрическими отверстиями под разные типоразмеры подшипников, меняя только размер стопорного кольца.
- Снижение прочности кольца. Наличие канавки создает концентратор напряжений, что ограничивает применение в условиях очень высоких динамических нагрузок и вибраций.
- Ограниченная осевая грузоподъемность. Подшипник не предназначен для восприятия значительных постоянных осевых усилий. Фиксирующий паз предназначен именно для позиционирования, а не для передачи рабочей нагрузки.
- Негерметичность узла. В месте расположения паза и стопорного кольца невозможно установить эффективное уплотнение, что может ограничивать применение в условиях высокой запыленности или влажности без дополнительных мер защиты.
- Зависимость от качества стопорного кольца. Надежность фиксации напрямую зависит от правильного выбора и установки пружинного кольца стандарта DIN 471 (для вала) или DIN 472 (для отверстия).
- Электродвигатели малой и средней мощности. Часто используются в качестве опор на противоположной от приводного конца стороне (задний подшипник). Фиксация пазом и стопорным кольцом в торцевой крышке двигателя является типовым и экономичным конструктивным решением.
- Вентиляторы и охладители. В крыльчатках вентиляторов систем охлаждения трансформаторов, радиаторов, шкафов управления. Простота конструкции узла способствует снижению стоимости и облегчает замену.
- Приводы механизмов коммутационных аппаратов. В приводах выключателей, разъединителей, где требуются подшипниковые опоры для валов с невысокими скоростями вращения, но с необходимостью точного позиционирования.
- Вспомогательное оборудование. Натяжные ролики, опорные ролики в конвейерных системах топливоподачи на ТЭЦ, опоры валов небольших генераторов вспомогательных нужд.
- Измерительные приборы и датчики. В конструкциях, где критична компактность и простота сборки.
Подшипники с фиксирующими пазами, как правило, являются радиальными однорядными шарикоподшипниками. Они могут быть как открытого типа, так и с защитными шайбами (с одной или двух сторон, суффиксы Z, ZZ, 2Z) или контактными уплотнениями (суффиксы RS, 2RS, RZ). Наличие паза не влияет на радиальную грузоподъемность, но несколько снижает допустимую осевую нагрузку из-за уменьшения площади поперечного сечения кольца в зоне канавки.
Преимущества и недостатки
Выбор подшипниковой опоры с фиксирующими пазами обусловлен конкретными инженерными и экономическими соображениями.
Преимущества:
Недостатки:
Применение в электротехнической и энергетической отрасли
В электротехнике, где ключевыми требованиями часто являются надежность, долговечность и минимизация обслуживания, подшипники с фиксирующими пазами нашли широкое применение в следующих типах оборудования:
Таблица: Сравнение методов осевой фиксации подшипников качения
| Метод фиксации | Конструктивная реализация | Преимущества | Недостатки | Типичная область применения в энергетике |
|---|---|---|---|---|
| Стопорное кольцо в пазу подшипника | Паз на наружном/внутреннем кольце + пружинное кольцо DIN 472/471 | Компактность, простота монтажа, низкая стоимость узла | Снижение прочности кольца, невысокая осевая жесткость | Электродвигатели, вентиляторы, вспомогательные механизмы |
| Торцевая крышка (фланец) | Крышка, привинчиваемая к корпусу, прижимает наружное кольцо | Высокая надежность и жесткость фиксации, хорошая защита | Увеличение габаритов и массы, более сложная обработка корпуса | Мощные электродвигатели, турбогенераторы, главные приводы |
| Крепление втулкой на валу | Резьбовая втулка с контргайкой и шплинтом фиксирует внутреннее кольцо | Очень надежная фиксация, возможность регулировки | Сложный монтаж, большие осевые размеры | Крупные генераторы, шаговые двигатели точного позиционирования |
| Посадка с натягом | Наружное или внутреннее кольцо устанавливается с предварительным натягом | Простота конструкции узла, высокая жесткость | Сложный монтаж/демонтаж, риск повреждения при установке | Роторы небольших высокооборотных машин, опоры в сепаратных подшипниковых щитах |
Критерии выбора и монтажные особенности
При проектировании узла с использованием подшипника с фиксирующим пазом необходимо учитывать ряд параметров.
1. Направление и характер осевой нагрузки.
Подшипник с пазом должен фиксироваться со стороны, противоположной направлению действия основной осевой силы. Если нагрузка двусторонняя, требуется использование двух подшипников, установленных встречно, или применение других методов фиксации. Стопорное кольцо воспринимает только кратковременные небольшие осевые усилия (например, при пуске).
2. Точность установки.
Осевой зазор в узле определяется точностью изготовления паза, толщиной стопорного кольца и размером выточки в корпусе. Для его минимизации могут использоваться регулировочные прокладки. Радиальный зазор подшипника должен соответствовать стандартным классам (CN, C3 и т.д.) в зависимости от условий работы (температурное расширение, нагрев).
3. Совместимость со смазкой и уплотнениями.
При использовании консистентной смазки необходимо убедиться, что паз и кольцо не будут препятствовать ее циркуляции. При наличии уплотнений (2RS) важно, чтобы стопорное кольцо не контактировало с кромкой уплотнения и не повреждало его при монтаже.
4. Монтаж.
Критически важно использовать специальный инструмент — съемники и монтажные клещи для стопорных колец. Запрещается монтировать кольца с помощью отверток или других непредназначенных для этого инструментов, так как это приводит к деформации кольца, его ослаблению и последующему выскальзыванию из паза. Посадочные поверхности вала и корпуса должны быть очищены от заусенцев.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Вопрос 1: Можно ли заменить подшипник с фиксирующим пазом (например, 6205 NR) на обычный (6205) в существующем узле?
Ответ: Да, но только при условии изменения метода осевой фиксации. Если в корпусе уже есть выточка под стопорное кольцо, то установка обычного подшипника 6205 без паза приведет к тому, что его нечем будет зафиксировать осево. Потребуется либо доработка корпуса (установка торцевой крышки), либо использование распорной втулки с буртиком, которая будет упираться в стопорное кольцо, а та, в свою очередь, — в торец внутреннего кольца подшипника. Это менее надежное решение, и его следует избегать.
Вопрос 2: Как правильно подобрать стопорное кольцо для подшипника с пазом?
Ответ: Размер кольца определяется типоразмером подшипника и стандартом паза. Производители подшипников в каталогах указывают для каждой модели с пазом (суффикс NR) необходимый размер стопорного кольца по DIN 472 (для отверстия). Например, для подшипника 6204 NR рекомендуется кольцо DIN 472 — 47×1.2, где 47 — наружный диаметр кольца (примерно равен диаметру паза), а 1.2 — толщина. Использование колец неправильного размера недопустимо.
Вопрос 3: Каковы ограничения по скорости вращения для подшипников с пазом?
Ответ: Теоретически наличие паза незначительно влияет на балансировку и не накладывает существенных дополнительных ограничений по скорости по сравнению с базовой моделью. Ограничивающим фактором является общий класс точности подшипника, тип смазки и система уплотнений. Однако для очень высокооборотных применений (например, шпиндели) предпочтение отдается другим методам фиксации (посадка с натягом, крепление втулкой) из-за требований к максимальной жесткости и минимальной дисбалансировке узла.
Вопрос 4: Как паз влияет на несущую способность подшипника?
Ответ: На радиальную динамическую и статическую грузоподъемность паз влияет незначительно, так как он расположен вне зоны нагружения дорожки качения. Однако осевая грузоподъемность может быть снижена на 10-15% из-за уменьшения площади поперечного сечения кольца в зоне канавки. Это важно учитывать при расчетах узлов, где возможны осевые нагрузки. Точные данные следует запрашивать в технических каталогах производителя для конкретной серии.
Вопрос 5: Можно ли использовать подшипник с пазом на наружном кольце в разъемном корпусе?
Ответ: Нет, это не рекомендуется и обычно технически невозможно. Паз и стопорное кольцо рассчитаны на установку в цельное цилиндрическое отверстие. В разъемном корпусе (состоящем из двух половин) невозможно обеспечить непрерывную опору по всей окружности наружного кольца в зоне паза, что приведет к его деформации и разрушению. Для разъемных корпусов используются подшипники с креплением наружного кольца стопорными кольцами специальной формы или подшипники в корпусных узлах (например, подшипниковых блоках).
Заключение
Подшипники с фиксирующими пазами являются экономичным, компактным и удобным в монтаже решением для широкого спектра применений в электротехническом и энергетическом оборудовании, где осевые нагрузки невелики, а требования к простоте конструкции и обслуживанию выходят на первый план. Их корректное применение требует четкого понимания принципов осевой фиксации, правильного подбора комплектующих (стопорных колец) и соблюдения технологии монтажа. В случаях высоких динамических нагрузок, вибраций или значительных осевых усилий следует рассмотреть альтернативные, более жесткие методы крепления подшипниковых опор.