Двухрядные упорные подшипники
Двухрядные упорные подшипники: конструкция, типы, применение и монтаж
Двухрядные упорные подшипники представляют собой класс подшипников качения, предназначенных для восприятия осевых нагрузок, действующих в двух направлениях, и ограничения осевого смещения вала относительно корпуса. Их ключевое отличие от однорядных аналогов — способность работать с двусторонней осевой нагрузкой без необходимости установки двух отдельных подшипников в зеркальной конфигурации. Это достигается за счет наличия двух комплектов тел качения (шариков или роликов) и сепараторов, расположенных симметрично относительно центральной оси подшипника. Конструктивно они часто состоят из двух однорядных упорных комплектов, объединенных в единый узел с общим наружным и/или внутренним кольцом, что обеспечивает компактность и упрощает монтаж.
Конструктивные особенности и основные типы
Конструкция двухрядного упорного подшипника определяется типом используемых тел качения. Основные компоненты: два комплекта тел качения (шарики или ролики), сепараторы для каждого ряда, одно общее упорное (посадочное) кольцо, которое монтируется на вал, и два наружных (опорных) кольца, устанавливаемых в корпус. В некоторых исполнениях может использоваться одно общее наружное кольцо. Подшипники этого типа не предназначены для восприятия радиальных нагрузок, которые должны компенсироваться другими опорами.
1. Двухрядные упорные шарикоподшипники
Наиболее распространенный тип. Шарики катятся по дорожкам качения на кольцах. Обладают сравнительно высокой скоростью вращения и умеренной грузоподъемностью. Основные разновидности включают:
- Сферические двухрядные упорные шарикоподшипники: Имеют сферическую поверхность на наружном кольце и сферическую шайбу в корпусе, что позволяет компенсировать несоосность вала и корпуса до 2-3°. Критически важны для применения в условиях возможных перекосов.
- Подшипники с плоскими дорожками качения: Стандартное исполнение для точных применений без перекосов. Обладают минимальным моментом трения.
- Двухрядные упорные роликоподшипники с цилиндрическими роликами (тип 812.., 822..): Обладают максимальной осевой грузоподъемностью и жесткостью. Чувствительны к перекосам. Требуют точного монтажа и жестких конструкций.
- Двухрядные упорные сферические роликоподшипники (тип 293.., 294..): Наиболее универсальное и robust-решение для тяжелых условий. Ролики катятся по сферической дорожке качения наружного кольца, что позволяет компенсировать перекосы вала (до 2-3°). Способны воспринимать не только двустороннюю осевую, но и значительную одностороннюю радиальную нагрузку (до 55% от незаявленной осевой). Это ключевое преимущество для многих промышленных применений.
- Вертикальные гидрогенераторы и гидротурбины: Ключевое применение — восприятие веса вращающихся частей (ротора) и гидравлических осевых усилий на рабочем колесе турбины. Используются преимущественно двухрядные сферические роликоподшипники из-за огромных нагрузок и необходимости компенсации монтажных погрешностей.
- Опора поворотного устройства кранов, экскаваторов, стрел: Восприятие опрокидывающих моментов, преобразующихся в двустороннюю осевую нагрузку.
- Червячные редукторы: Фиксация червяка в осевом направлении и восприятие реактивных усилий от зацепления.
- Оборудование для металлургии: Клети прокатных станов, винтовые подачи.
- Шпиндели тяжелых станков: Точное осевое позиционирование.
- Повышение температуры узла выше нормативной (обычно более +80°С на корпусе).
- Появление повышенной вибрации с осевой составляющей.
- Возникновение шума (гула, скрежета) при работе.
- Увеличение осевого люфта вала, который не устраняется регулировкой.
- Появление продуктов износа (металлической стружки) в системе смазки.
2. Двухрядные упорные роликоподшипники
Используют в качестве тел качения цилиндрические, конические или сферические ролики. Обладают значительно большей осевой грузоподъемностью по сравнению с шариковыми, но имеют ограничения по максимальной скорости.
Материалы, смазка и уплотнения
Материалы колец и тел качения — подшипниковые стали (чаще всего хромистые, например, SAE 52100), проходящие закалку и низкотемпературный отпуск для достижения высокой твердости (58-65 HRC) и износостойкости. Для агрессивных сред (химическая промышленность, морская вода) применяются коррозионно-стойкие стали (например, AISI 440C). В условиях высоких температур или при необходимости снижения веса могут использоваться керамические тела качения (нитрид кремния Si3N4).
Смазка является критическим фактором. Применяются пластичные консистентные смазки на литиевой или комплексной основе и жидкие масла (циркуляционная или картерная система). Выбор зависит от скорости (DN-фактора), температуры и условий эксплуатации. Для высокоскоростных применений предпочтительны масла с присадками.
Уплотнения защищают зону качения от загрязнений и удерживают смазку. Используются контактные уплотнения из армированного NBR (стандартные условия), FKM (высокие температуры, агрессивные среды) или лабиринтные неконтактные уплотнения для высоких скоростей.
Области применения в энергетике и промышленности
Двухрядные упорные подшипники находят применение в узлах, где вал испытывает реверсивные осевые усилия или требуется жесткое двустороннее осевое фиксирование.
Таблица: Сравнение основных типов двухрядных упорных подшипников
| Параметр | Двухрядный упорный шарикоподшипник | Двухрядный упорный роликоподшипник с цилиндрическими роликами | Двухрядный упорный сферический роликоподшипник |
|---|---|---|---|
| Осевая грузоподъемность | Средняя | Очень высокая | Высокая |
| Скорость вращения | Высокая | Низкая | Средняя |
| Компенсация перекосов | Только в сферическом исполнении | Нет | Да (до 2-3°) |
| Радиальная нагрузка | Не воспринимает | Не воспринимает | Да, значительная (до ~55%) |
| Жесткость | Средняя | Очень высокая | Высокая |
| Типовое применение | Редукторы, шпиндели, насосы | Винтовые прессы, тяжелые домкраты | Гидрогенераторы, краны, горное оборудование |
Особенности монтажа и эксплуатации
Правильный монтаж определяет ресурс подшипника. Упорное (посадочное) кольцо устанавливается на вал с натягом (обычно по посадке js6, k6). Наружные кольца в корпусе должны иметь гарантированный осевой зазор (посадка H7, G7) для свободного перемещения при тепловом расширении и компенсации перекосов, особенно для сферических типов. Крайне важно обеспечить соосность посадочных поверхностей вала и корпуса. Монтаж осуществляется с помощью оправки, передающей усилие прессования только на монтируемое кольцо (внутреннее или наружное). Запрещается передавать ударную или монтажную нагрузку через тела качения. После установки необходимо проверить свободное вращение вала без заеданий. Обязательна предварительная смазка и обеспечение работоспособной системы смазывания в эксплуатации. Контроль температуры и вибрации — стандартные методы диагностики состояния узла.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем двухрядный упорный подшипник принципиально отличается от пары однорядных, установленных встречно?
Двухрядная конструкция обеспечивает более компактное решение, так как часто использует общие элементы (кольца). Она гарантирует точное взаимное расположение двух рядов тел качения, что критично для равномерного распределения нагрузки. Монтаж одного двухрядного подшипника проще и требует меньше точных регулировок по сравнению с установкой двух отдельных.
Можно ли использовать двухрядный упорный подшипник для восприятия радиальной нагрузки?
Подавляющее большинство типов (шариковые, цилиндрические) — нет. Исключение составляют двухрядные упорные сферические роликоподшипники (типы 293, 294), которые специально сконструированы для комбинированного восприятия очень высоких осевых и значительных радиальных нагрузок.
Как правильно выбрать посадки для колец двухрядного упорного подшипника?
Общее правило: кольцо, воспринимающее нагрузку (для упорных подшипников это почти всегда внутреннее, посадочное кольцо), должно устанавливаться с натягом для предотвращения проворачивания. Внешние кольца, как правило, устанавливаются с зазором (переходной или скользящей посадкой) в корпус для компенсации тепловых деформаций и перекосов. Конкретные посадки (например, вал: k6, корпус: H7) всегда следует уточнять в технической документации производителя подшипника для конкретного типа и условий нагружения.
Почему в вертикальных гидрогенераторах чаще всего применяют именно двухрядные сферические роликоподшипники?
Они оптимально соответствуют условиям работы: способны воспринять огромный осевой вес ротора и гидравлические усилия (двусторонняя нагрузка), компенсируют неизбежные перекосы между колонной вала и опорной конструкцией благодаря самоустанавливаемости, а также могут воспринять радиальную нагрузку от дисбаланса или гидродинамических сил. Их ресурс и надежность проверены в самых тяжелых эксплуатационных режимах.
Каковы основные признаки выхода из строя двухрядного упорного подшипника?
Заключение
Двухрядные упорные подшипники являются высокоспециализированным, но критически важным элементом в механизмах, подверженных значительным реверсивным осевым нагрузкам. Правильный выбор типа (шариковый, цилиндрический или сферический роликовый) на основе анализа величин нагрузок, скоростей, требований к точности и компенсации перекосов определяет надежность и долговечность всего узла. Особое внимание при их применении должно уделяться корректному расчету посадочных размеров, соблюдению технологии монтажа и обеспечению качественного смазывания в течение всего срока службы. В энергетике, тяжелом машиностроении и других ответственных отраслях эти подшипники выполняют ключевую функцию, обеспечивая стабильную работу мощного оборудования в экстремальных условиях.