Двухрядные роликовые подшипники: конструкция, типы, применение и расчет
Двухрядные роликовые подшипники представляют собой класс опор качения, в котором два ряда тел качения (роликов) расположены между общими наружным и внутренним кольцами. Их ключевое назначение — восприятие значительных радиальных нагрузок, а для некоторых типов и комбинированных (радиально-осевых) нагрузок, при обеспечении высокой жесткости и долговечности узла. По сравнению с однорядными аналогами, двухрядные конструкции обладают повышенной грузоподъемностью и лучшей способностью к восприятию опрокидывающих моментов, что критически важно для тяжелонагруженного оборудования в энергетике и промышленности.
Классификация и конструктивные особенности
Основное деление двухрядных роликовых подшипников осуществляется по форме тел качения и их способности компенсировать несоосности.
1. Двухрядные сферические роликоподшипники
Наиболее распространенный тип в тяжелом машиностроении. Имеют два ряда бочкообразных роликов, бегущих по общей сферической дорожке качения на наружном кольце. Эта конструкция обеспечивает самоустановку — способность компенсировать перекосы вала относительно корпуса (до 1,5°–3°), возникающие от прогиба вала, монтажных погрешностей или тепловых деформаций. Внутреннее кольцо часто выполняется с коническим посадочным отверстием (конус 1:12) для установки на вал посредством закрепительной втулки, что упрощает монтаж/демонтаж.
- Обозначение серий: 21300, 22200, 22300, 23000, 23100, 23200, 23900 (по ГОСТ/ISO), CC, CA, MB, E (специальные исполнения от производителей).
- Нагрузка: Высокая радиальная и двухсторонняя осевая (до ~25-30% от неиспользованной радиальной грузоподъемности).
- Обозначение серий: NN 3000 (с цилиндрическим отверстием), NNU 4900 (с коническим отверстием) — для двухрядных с разъемным внутренним кольцом.
- Нагрузка: Чрезвычайно высокая чисто радиальная.
- Обозначение: 2 x 7xxx (условно), часто поставляются в виде готовых узлов (сборные подшипниковые блоки).
- Без уплотнений: Для узлов со сторонней системой защиты и смазки.
- С металлическими защитными шайбами (ZZ, Z): Ограничивают попадание крупных частиц.
- С контактными уплотнениями из синтетического каучука (NBR, FKM): Обозначаются RSR, 2RSR, обеспечивают высокую степень защиты.
- Вибрации: Повышение уровня виброускорения в высокочастотном диапазоне часто свидетельствует о начале усталостного выкрашивания.
- Температуры: Неконтролируемый рост температуры может указывать на чрезмерный натяг, недостаток или деградацию смазки.
- Акустического шума: Появление постоянного или периодического шума — признак повреждения.
- 22318: Серия и размер (двухрядный сферический роликоподшипник, диаметр отверстия 90 мм).
- CA: Исполнение роликов и сепаратора (ролики симметричные, сепаратор из стали).
- W33: Наличие смазочного отверстия и кольцевой канавки на наружном кольце.
- C3: Группа радиального зазора, большая, чем нормальная (для условий, где требуется компенсация теплового расширения).
2. Двухрядные цилиндрические роликоподшипники
Содержат два ряда цилиндрических роликов. Обладают максимальной радиальной грузоподъемностью и жесткостью среди роликовых подшипников. Не воспринимают осевые нагрузки (за исключением некоторых исполнений с буртами) и не компенсируют перекосы. Применяются в высокоточных и жестких узлах: редукторы, электродвигатели, шпиндели.
3. Двухрядные конические роликоподшипники
Состоят из двух однорядных конических подшипников, смонтированных в сборе (тип TDO, TDI). Предназначены для восприятия комбинированных радиально-осевых нагрузок в обоих направлениях. Не являются самоустанавливающимися. Требуют точной регулировки зазора (преднатяга) при монтаже. Широко используются в колесных парах, редукторных системах.
4. Двухрядные игольчатые роликоподшипники
Компактные подшипники с двумя рядами игольчатых роликов малого диаметра. Обеспечивают высокую грузоподъемность при минимальных радиальных габаритах. Применяются в ступичных узлах, крестовых головках шатунов.
Материалы, смазка и уплотнения
Материалы колец и тел качения — подшипниковые стали (чаще всего хромомарганцовистая сталь 52100, SHX, или цементуемая 8620). Для агрессивных сред (морская вода, кислые пары) используют нержавеющие стали (AISI 440C). В условиях повышенных температур (свыше 150°C) — стали с добавлением молибдена и специальной термообработкой.
Смазка может быть пластичной (консистентной) или жидкой (масляной). Выбор определяется скоростным режимом, температурой и условиями эксплуатации. Для энергетического оборудования (электродвигатели, турбомуфты, вентиляторы) часто применяется циркуляционная система маслоснабжения.
Уплотнения — критически важный элемент для сохранения смазки и защиты от загрязнений. Исполнения:
Расчет и выбор подшипников для энергетического оборудования
Выбор двухрядного роликоподшипника основывается на расчете эквивалентной динамической нагрузки P и требуемой динамической грузоподъемности C.
Базовая формула для сферических роликоподшипников:
P = X Fr + Y Fa, где:
Fr — радиальная нагрузка, кН;
Fa — осевая нагрузка, кН;
X, Y — коэффициенты радиальной и осевой нагрузок, зависящие от типа подшипника и соотношения Fa/Fr.
Расчетный срок службы (по усталостной выносливости) L10:
L10 = (C/P)p, где:
p = 10/3 для роликовых подшипников;
L10 — расчетная долговечность в миллионах оборотов.
Для пересчета в часы: L10h = (106 / (60 n)) L10, где n — частота вращения, об/мин.
Таблица: Сравнительные характеристики основных типов двухрядных роликоподшипников
| Тип подшипника | Воспринимаемая нагрузка | Самоустановка | Макс. допустимый перекос | Типовое применение в энергетике | Коэффициент осевой нагрузки Y (ориент.) |
|---|---|---|---|---|---|
| Сферический роликовый | Радиальная, двухсторонняя осевая | Да | 1.5° – 3° | Турбогенераторы, тяговые электродвигатели, насосы большого напора, вентиляторы ГВУ | 1.5 – 3.0 |
| Цилиндрический роликовый двухрядный | Чисто радиальная (очень высокая) | Нет | ≤ 2′ | Электродвигатели средних и больших мощностей, муфты, опорные ролики | 0 |
| Конический роликовый двухрядный (в сборе) | Комбинированная (радиальная + двухсторонняя осевая) | Нет | ≤ 2′ | Редукторы циркуляционных насосов, механизмы поворота | 0.7 – 1.5 (зависит от угла) |
Монтаж, эксплуатация и диагностика
Правильный монтаж — залог достижения расчетного ресурса. Для подшипников с коническим отверстием обязательна запрессовка на вал с помощью закрепительной втулки и гидравлическим или механическим методом с контролем осевой посадки. Зазор в подшипнике (радиальный или осевой) должен соответствовать техническим условиям производителя, учитывающим тепловое расширение вала и корпуса.
В процессе эксплуатации необходим мониторинг:
Стандартные системы смазки для крупных подшипников в энергетике: централизованная автоматическая, циркуляционная масляная, периодическое пополнение консистентной смазки через пресс-масленки.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем двухрядный сферический подшипник принципиально отличается от однорядного?
Двухрядный обладает примерно в 1.7 раза большей радиальной грузоподъемностью при схожих габаритах, лучше воспринимает опрокидывающие моменты и имеет более стабильный осевой зазор. Однорядные сферические подшипники (типа 11100) применяются при меньших нагрузках и часто требуют парной установки.
Как правильно выбрать систему смазки для подшипника турбогенератора?
Для высокоскоростных валов турбогенераторов (3000 об/мин и выше) практически всегда применяется принудительная циркуляционная система маслоснабжения с фильтрацией, охлаждением и непрерывным мониторингом. Это обеспечивает отвод тепла и бесперебойную подачу чистого масла в зону контакта.
Что означает обозначение 22318 CA/W33 C3 на подшипнике?
Когда необходимо применять подшипники с термостабильной размерной обработкой (стабилизация)?
При рабочих температурах постоянно превышающих 150°C. Стабилизация (дополнительная термообработка) предотвращает необратимые изменения геометрии (усадку) колец подшипника в условиях высоких температур, что характерно для узлов рядом с теплообменниками, паровыми турбинами, печным оборудованием.
Какой метод монтажа предпочтительнее для крупногабаритных сферических подшипников?
Наиболее безопасным и контролируемым методом является гидравлический. Он предполагает подачу масла под высоким давлением между валом и поверхностью конической втулки, что создает временный натяг, облегчающий осевое перемещение и посадку подшипника на расчетную позицию. Это исключает риск повреждения от ударных нагрузок.
Заключение
Двухрядные роликовые подшипники являются ключевыми компонентами для высоконагруженных и ответственных узлов вращения в энергетическом секторе. Корректный выбор типа подшипника (сферический, цилиндрический, конический), основанный на точном расчете нагрузок, условий эксплуатации и монтажных допусков, определяет надежность и ресурс всего агрегата. Современные материалы, системы смазки и методы диагностики позволяют достигать чрезвычайно высоких показателей наработки на отказ, что напрямую влияет на бесперебойность выработки и передачи электроэнергии. Эксплуатационный персонал должен руководствоваться исключительно инструкциями производителя подшипников и нормативной документацией на конкретный вид оборудования для обеспечения безопасной и длительной работы.