Двухрядные самоустанавливающиеся подшипники

Двухрядные самоустанавливающиеся подшипники: конструкция, принцип действия и применение в электротехнике

Двухрядные самоустанавливающиеся подшипники качения представляют собой класс опор, способных компенсировать значительные перекосы между валом и корпусом без потери работоспособности и без возникновения дополнительных внутренних нагрузок. Эта ключевая особенность обусловлена уникальной конструкцией наружного кольца, внутренняя поверхность которого выполнена в виде сферической дорожки качения. По этой дорожке перемещаются два ряда тел качения (чаще всего бочкообразных роликов или сферических роликов), объединенных в сепараторе. Внутреннее кольцо, имеющее две цилиндрические дорожки, вместе с телами качения и сепаратором образует сферический блок, который может свободно поворачиваться внутри наружного кольца, обеспечивая самоустановку.

Конструктивные особенности и основные типы

Конструктивно двухрядные самоустанавливающиеся подшипники делятся на два основных типа, определяемых видом тел качения: шариковые и роликовые.

• Самоустанавливающиеся шарикоподшипники (тип CC, CA). Используют два ряда сферических шариков. Обладают меньшей грузоподъемностью по сравнению с роликовыми аналогами, но способны работать на более высоких скоростях вращения. Угол самоустановки обычно составляет до 3°.
• Сферические роликоподшипники. Оснащены двумя рядами бочкообразных асимметричных роликов. Это наиболее распространенный тип для тяжелонагруженных применений. Обладают очень высокой радиальной и умеренной двухсторонней осевой грузоподъемностью. Угол самоустановки может достигать 1,5° — 2,5° в зависимости от серии и производителя.

Конструкция включает обязательные компоненты: наружное кольцо со сферической беговой дорожкой; внутреннее кольцо с двумя жесткими дорожками; тела качения (ролики или шарики); сепаратор, удерживающий и ориентирующий тела качения. В большинстве исполнений сферические роликоподшипники поставляются в разобранном виде, где внутреннее кольцо с роликами и сепаратором (сферический блок) и наружное кольцо являются отдельными компонентами, что упрощает монтаж.

Принцип самоустановки и компенсация перекосов

Самоустановка — это способность подшипника и его внутренних компонентов автоматически выравниваться относительно наружного кольца при наличии перекоса осей вала и посадочного места в корпусе. Перекосы возникают из-за прогиба вала под нагрузкой, неточностей изготовления и монтажа корпусных деталей, тепловых деформаций оборудования. В обычных подшипниках (шариковых или цилиндрических роликовых) даже незначительный перекос приводит к концентрации нагрузки на краях тел качения, резкому росту температуры, вибраций и, как следствие, к преждевременному выходу из строя.

В самоустанавливающемся подшипнике сферический блок свободно поворачивается, занимая оптимальное положение относительно наружного кольца. При этом нагрузка распределяется по всей длине роликов равномерно, несмотря на смещение осей. Это свойство критически важно для длинных валов, многоподшипниковых конструкций и агрегатов, работающих в условиях переменных тепловых полей.

Применение в электротехнической и энергетической отрасли

В электротехнике и энергетике двухрядные самоустанавливающиеся подшипники (преимущественно сферические роликоподшипники) нашли широчайшее применение благодаря своей надежности, долговечности и способности работать в тяжелых условиях.

• Электрические машины (крупные электродвигатели и генераторы). Устанавливаются на валах роторов мощных двигателей (от сотен кВт до нескольких МВт) и генераторов тепловых, гидравлических и ветровых электростанций. Длинные валы таких машин подвержены прогибам, а нагрев статора и ротора может быть неравномерным. Самоустановка компенсирует эти факторы, обеспечивая равномерное распределение нагрузки и предотвращая заклинивание.
• Приводы механизмов собственных нужд электростанций. Вентиляторы, дымососы, насосы (циркуляционные, питательные, конденсатные) — оборудование с высокими динамическими нагрузками и часто неидеальными условиями монтажа.
• Оборудование для транспортировки топлива. Конвейеры угля, биомассы, скребковые питатели. Здесь подшипники работают в условиях запыленности, ударных нагрузок и возможного попадания абразивных частиц.
• Редукторы и мультипликаторы. Особенно в приводах мельниц, дробилок и другого тяжелого оборудования, используемого в энергетическом комплексе.
• Опорно-поворотные устройства (ОУП). В поворотных механизмах кранового оборудования, используемого при строительстве и ремонте энергообъектов, а также в фундаментах солнечных электростанций для ориентации панелей.

Критерии выбора и монтажные особенности

Выбор конкретного типоразмера подшипника осуществляется на основе расчета эквивалентной динамической нагрузки, требуемого ресурса (коэффициента долговечности L10) и частоты вращения. Для энергетики решающее значение часто имеет не только нагрузка, но и стойкость к вибрациям и способность работать в условиях возможного загрязнения.

Параметр	Влияние на выбор подшипника	Типичные исполнения для энергетики
Нагрузка (радиальная/осевая)	Определяет серию подшипника (легкая, средняя, тяжелая). Сферические роликоподшипники воспринимают преимущественно радиальную и небольшую двухстороннюю осевую нагрузку.	Серии 223.., 230.., 231.., 232.. (по ISO) для высоких радиальных нагрузок.
Частота вращения	Ограничивается типом подшипника, смазкой, точностью изготовления. Для высоких скоростей предпочтительны шариковые самоустанавливающиеся или роликовые с усиленными сепараторами из латуни или полиамида.	Исполнения с сепараторами из массивной латуни (М) или полиамида (Р, Т) для скоростных электродвигателей.
Условия окружающей среды	Определяют требования к уплотнениям и смазке. Для запыленных сред необходимы контактные лабиринтные или многоребордные уплотнения.	Подшипники с интегрированными уплотнениями (обозначение 2RS, K или специальные лабиринты). Исполнения для работы при повышенных температурах (стабибилизация колец).
Требования к точности	Влияют на уровень вибрации и шума. Для высокоскоростных генераторов и двигателей критична точность вращения.	Классы точности P6, P5 (по ГОСТ/ISO) или выше для особо ответственных применений.

Монтаж требует особого внимания. Валовая посадка внутреннего кольца, как правило, плотная (переходная или натяг). Посадка наружного кольца в корпус — обычно скользящая, с возможностью осевого перемещения для компенсации теплового расширения вала. Крайне важно обеспечить правильное осевое фиксирование только одного из колец (чаще наружного), в то время как второе кольцо должно иметь свободу перемещения. Несоблюдение этого правила приводит к заклиниванию подшипника из-за теплового расширения. Смазка — преимущественно пластичная (консистентная), реже — жидкая циркуляционная, в зависимости от скорости и температурного режима.

Преимущества и ограничения

Преимущества:

• Компенсация перекосов до 2.5°, что снимает требования к высокой соосности посадочных мест.
• Высокая радиальная грузоподъемность (особенно у роликовых типов).
• Способность работать в неблагоприятных условиях (вибрация, ударные нагрузки).
• Относительная простота монтажа за счет разборной конструкции.
• Двухсторонняя ограниченная осевая грузоподъемность.

Ограничения:

• Ограниченная допустимая частота вращения по сравнению с радиально-упорными шарикоподшипниками.
• Более высокий уровень шума и вибрации из-за сложной кинематики роликов.
• Чувствительность к чистоте смазочного материала. Абразивные частицы быстро выводят из строя сферическую поверхность наружного кольца.
• Как правило, большие габаритные размеры и масса по сравнению с однорядными подшипниками аналогичной грузоподъемности.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем двухрядный самоустанавливающийся подшипник принципиально отличается от двухрядного цилиндрического роликоподшипника?

Ключевое отличие — в геометрии дорожек качения и способности к самоустановке. Цилиндрический роликоподшипник имеет прямые дорожки на обоих кольцах, не компенсирует перекосы и предназначен для восприятия исключительно радиальных нагрузок (за исключением некоторых исполнений). Самоустанавливающийся подшипник имеет сферическую дорожку на наружном кольце, что позволяет внутреннему блоку наклоняться, компенсируя перекос, и воспринимает как радиальные, так и умеренные осевые нагрузки в обоих направлениях.

Можно ли заменить сферический роликоподшипник на два однорядных конических роликоподшипника, установленных «враспор»?

Такая замена возможна не всегда и требует тщательного перерасчета. Комбинация двух конических подшипников обеспечит высокую радиальную и осевую грузоподъемность, но не обладает функцией самоустановки. Она предъявляет жесткие требования к соосности посадочных мест и точности монтажа. В длинных или подверженных прогибу валах такая схема может привести к перераспределению нагрузок и сокращению срока службы.

Как правильно выбрать систему смазки для сферического роликоподшипника в приводе вентилятора на электростанции?

Выбор зависит от скорости (dn-фактора), температурного диапазона и режима работы. Для большинства приводов с умеренными и высокими скоростями предпочтительна консистентная смазка с высокой механической и термической стабильностью (типа NLGI 2), дополненная эффективными контактными или лабиринтными уплотнениями. Для очень тяжелонагруженных или низкоскоростных узлов может применяться жидкая циркуляционная смазка, которая лучше отводит тепло и вымывает продукты износа. Необходимо строго следовать рекомендациям производителя подшипника и оборудования.

Почему при монтаже фиксируют только одно кольцо самоустанавливающегося подшипника?

Это обязательное правило для всех подшипников качения, кроме фиксирующих (например, упорных). Фиксация обоих колец в осевом направлении лишает подшипник возможности компенсировать тепловое удлинение вала. При нагреве вал удлиняется, и если оба кольца зафиксированы, в подшипнике возникает нерасчетная осевая предварительная нагрузка, ведущая к резкому перегреву и разрушению. Фиксируется, как правило, наружное кольцо в корпусе, а внутреннее кольцо на валу имеет возможность осевого смещения.

Как определить износ сферического роликоподшипника без его демонтажа?

Основные косвенные признаки износа: увеличение уровня вибрации (особенно на частотах, кратных частоте вращения), рост рабочей температуры узла (на 15-20°C выше нормальной рабочей температуры при стабильных условиях), появление постороннего шума (гула, скрежета). Точная диагностика требует проведения виброанализа, который позволяет выявить увеличение зазоров, дефекты беговых дорожек и роликов по характерным спектральным составляющим.

Каков типичный ресурс сферических роликоподшипников в электродвигателях и от чего он больше всего зависит?

Расчетный ресурс L10 (при котором 90% подшипников должны оставаться работоспособными) для правильно подобранных и смонтированных подшипников в электродвигателях может составлять от 40 000 до 100 000 часов и более. На практике реальный ресурс в наибольшей степени зависит от трех факторов: чистоты и качества смазки (до 50% всех отказов связаны со смазкой), правильности монтажа и обеспечения соосности, а также от уровня вибраций и ударных нагрузок, передаваемых от рабочего механизма.