Одинарные упорные подшипники

Одинарные упорные подшипники: конструкция, типы, применение и расчет

Одинарные упорные подшипники (однорядные упорные шарикоподшипники) представляют собой класс подшипников качения, предназначенных исключительно для восприятия осевых нагрузок, действующих в одном направлении. Они не способны воспринимать радиальные нагрузки, которые должны компенсироваться другими узлами. Основная функция – фиксация вала в осевом направлении и передача значительных осевых усилий с минимальным трением. Конструктивно состоят из двух колец: верхнего и нижнего (или «сепаратора с шариками» и «опорных шайб»). Одно кольцо (осевое) монтируется на вал с натягом, другое (корпусное) – в корпус, обычно с зазором. Между кольцами расположены тела качения – шарики, удерживаемые сепаратором. Важная особенность – кольца имеют разную геометрию: одно обычно имеет посадочное отверстие, а другое – наружный диаметр, что определяет их монтажное положение.

Конструктивные особенности и материалы

Конструкция одинарного упорного подшипника строго ориентирована на осевое нагружение. Основные компоненты:

Верхнее и нижнее кольца (шайбы). Имеют дорожки качения для шариков. Одно из колец (часто то, что контактирует с вращающимся узлом) имеет посадочное отверстие под вал, второе – наружный диаметр для посадки в корпус. Кольца изготавливаются из подшипниковых сталей марок ШХ15, 95Х18 или их аналогов, с закалкой до высокой твердости (HRC 58-65).
Тела качения. Шарики из высокоуглеродистой хромистой стали, с высокой степенью сферичности и шероховатости поверхности. Диаметр и количество шариков определяют грузоподъемность подшипника.
Сепаратор. Удерживает шарики на равном расстоянии, предотвращая их контакт и снижая трение. Материалы: штампованная сталь (для стандартных условий), латунь (для высоких скоростей и ударных нагрузок), полиамиды (для высоких скоростей и смазки пластичными материалами).

Подшипники могут быть разъемными (кольца и узел сепаратор-шарики поставляются отдельно) и неразъемными. Для обеспечения работоспособности при монтаже требуется предварительный осевой натяг, создаваемый пружинами или регулировочными шайбами.

Типы и маркировка

Согласно ГОСТ 7872-89 и международным стандартам ISO 104, одинарные упорные шарикоподшипники имеют основное обозначение серии 50000. Ключевые типы и их характеристики представлены в таблице.

Тип (серия)	Особенности конструкции	Область применения	Пример обозначения
51100, 51200, 51300 (ГОСТ)	Стандартная высота серии. Различаются по грузоподъемности: 511 – легкая, 512 – средняя, 513 – тяжелая серия.	Универсальное применение в редукторах, насосах, общепромышленном оборудовании.	51108 (d=40 мм, D=60 мм)
53200, 53300 (ГОСТ)	Упорные подшипники с одним съемным кольцом (обычно нижним). Облегчают монтаж и обслуживание.	Узлы, где требуется частая разборка или регулировка осевого зазора.	53210 (d=50 мм, D=78 мм)
51400 (ГОСТ), 2344 (ISO)	Высотная серия. Обладают увеличенной высотой и, как следствие, большей грузоподъемностью и моментом опрокидывания.	Оборудование с высокими ударными осевыми нагрузками, тяжелое металлургическое оборудование.	51414 (d=70 мм, D=125 мм)
AST, AXT (по ISO)	Одинарные упорные подшипники со сферической опорной поверхностью на корпусном кольце. Компенсируют перекосы вала.	Узлы с возможной несоосностью монтажных поверхностей (например, валы вертикальных турбин).	51113 AXT (со сферической шайбой)

Сферы применения в энергетике и смежных отраслях

В энергетическом секторе одинарные упорные подшипники являются критически важными элементами, обеспечивающими осевую фиксацию роторов.

Вертикальные гидрогенераторы и турбины. Воспринимают вес вращающихся частей (ротора, турбинного колеса) и гидродинамические осевые усилия. Используются подшипники высотных серий (например, 514-й) большой грузоподъемности, часто с баббитовой заливкой рабочих поверхностей или в составе сегментных упорных подшипников жидкостного трения.
Насосное оборудование (питательные, циркуляционные, конденсатные насосы). Фиксируют ротор насоса от осевых смещений, возникающих из-за перепада давления на рабочем колесе. Применяются стандартные серии 511, 512.
Редукторы и мультипликаторы. Устанавливаются на быстроходных валах для фиксации положения шестерен и восприятия осевых составляющих от косозубых передач.
Оборудование для ВИЭ. В вертикальных ветрогенераторах малой мощности и в некоторых конструкциях поворотных механизмов.
Опорно-поворотные устройства (ОУП). В комбинации с радиальными подшипниками используются в механизмах наклона солнечных панелей или в небольших крановых установках.

Расчет и выбор упорного подшипника

Выбор основан на определении динамической и статической грузоподъемности. Основные этапы:

Определение действующей осевой нагрузки (F_a). Учитывается вес ротора, гидродинамические/аэродинамические силы, усилия от зубчатых передач.
Учет условий работы. Температурный режим, тип смазки, частота вращения (n), требуемый ресурс (L_10h).
Расчет требуемой динамической грузоподъемности (C_a). По формуле: C_a = F_a (L₁₀)^1/3, где L₁₀ – ресурс в миллионах оборотов. Для пересчета в часы: L_10h = (10⁶ / (60 n))
(C_a / F_a)³.
Проверка по статической грузоподъемности (C_0a). Для предотвращения недопустимой пластической деформации: F_a ≤ C_0a / S₀, где S₀ – коэффициент запаса (обычно 1.5-2.5 для высоких требований к точности).
Проверка предельной частоты вращения. Сравнение рабочей частоты с предельной по каталогу для данного типа смазки и сепаратора.

Монтаж, смазка и обслуживание

Правильный монтаж критичен для упорных подшипников из-за их чувствительности к перекосам.

Монтаж. Установка ведется с применением прессового инструмента, передающего усилие только на монтируемое кольцо (вал или корпус). Обязательна проверка соосности посадочных поверхностей и перпендикулярности торцов. После монтажа необходим контроль осевого зазора (натяга), который регулируется прокладками.
Смазка. Применяется консистентная или жидкая смазка. Для высокоскоростных узлов – масляная смазка разбрызгиванием или принудительная циркуляция. Консистентные смазки (Литин, ЦИАТИМ) используются для низких и средних скоростей. Важно обеспечить постоянное наличие смазочного материала в зоне контакта.
Обслуживание. Включает периодический контроль температуры, вибрации и акустического шума. Для ответственных узлов (гидрогенераторы) используется система непрерывного мониторинга толщины масляной пленки. Замена смазки проводится по регламенту производителя.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Высокая удельная грузоподъемность в осевом направлении.
Относительно низкое трение качения, особенно на высоких скоростях.
Компактность в радиальном направлении.
Простота конструкции и монтажа (для стандартных применений).
Стандартизация, широкий сортамент.

Недостатки:

Неспособность воспринимать радиальные нагрузки.
Чувствительность к перекосам вала (кроме типов со сферической шайбой).
Ограниченная скорость вращения по сравнению с радиально-упорными аналогами.
Более высокие требования к точности монтажа и регулировке осевого зазора.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается одинарный упорный подшипник от двойного?

Одинарный воспринимает осевую нагрузку только в одном, заранее заданном направлении. Двойной (двухрядный) упорный подшипник (серия 52000, 53000) состоит из двух комплектов тел качения и трех колец, что позволяет ему работать с осевыми нагрузками в обоих направлениях, одновременно фиксируя вал. Одинарный требует установки второго узла для восприятия нагрузки в обратную сторону.

Можно ли использовать упорный подшипник для восприятия радиальной нагрузки?

Нет, это категорически недопустимо. Конструкция упорного подшипника не рассчитана на радиальные нагрузки. Даже незначительная радиальная составляющая приведет к резкому снижению ресурса, повышенному износу дорожек качения и преждевременному выходу узла из строя. Для комбинированной нагрузки необходимо применять радиально-упорные подшипники или пару «радиальный + упорный».

Как правильно ориентировать подшипник при монтаже?

Кольцо с меньшим посадочным диаметром (обычно это отверстие) устанавливается на вал, как правило, с натягом. Кольцо с большим посадочным диаметром (наружное) монтируется в корпус, обычно с небольшим зазором. Направление, в котором подшипник способен воспринимать осевую нагрузку, всегда противоположно направлению, в котором «смотрит» отверстие меньшего кольца. Это указано в каталогах.

Какой зазор должен быть после монтажа?

Для упорных подшипников обычно предусматривается предварительный осевой натяг, а не зазор. Это обеспечивает стабильное положение вала и предотвращает осевые колебания под нагрузкой. Величина натяга (от единиц до десятков микрон) определяется расчетом, исходя из жесткости узла и рабочих температур, и обеспечивается подбором регулировочных колец или шайб при монтаже.

Что означает обозначение 51110 AXT по каталогу SKF?

Это обозначение одинарного упорного шарикоподшипника серии 511 (легкая серия) с внутренним диаметром 50 мм. Суффикс AXT указывает на исполнение со сферической опорной поверхностью на наружном кольце и фрезерованными карманами в сепараторе для лучшего подвода смазки. Такая конструкция допускает несоосность до 2-3 градусов.

Каков типичный ресурс упорного подшипника в насосе?

Расчетный ресурс L_10h (до усталостного выкрашивания 10% подшипников) для насосного оборудования обычно составляет от 20 000 до 40 000 часов при правильных условиях нагружения, смазки и отсутствии перекосов. Фактический ресурс может быть как больше (при недогрузке), так и значительно меньше (при наличии вибрации, загрязненной смазки или кавитации).

Заключение

Одинарные упорные подшипники являются специализированным, но незаменимым решением для узлов, требующих точной осевой фиксации вала при значительных односторонних нагрузках. Их корректный выбор, основанный на точном расчете осевого усилия и условий эксплуатации, а также строгое соблюдение правил монтажа и обслуживания, являются залогом надежной и долговечной работы ответственного оборудования в энергетике, гидравлике и общем машиностроении. Понимание их конструктивных ограничений, в первую очередь неспособности воспринимать радиальные нагрузки, обязательно для инженера-проектировщика и специалиста по обслуживанию.

Одинарные упорные подшипники