Однорядные подшипники

Однорядные радиальные шарикоподшипники: конструкция, типы, применение и расчеты в электротехническом оборудовании

Однорядные радиальные шарикоподшипники являются наиболее распространенным и универсальным типом подшипников качения. Их основная функция – воспринимать радиальные нагрузки, а также, в зависимости от конструкции, осевые нагрузки в одном или двух направлениях. В электротехнической и энергетической отрасли они находят повсеместное применение в электродвигателях, генераторах, вентиляторах охлаждения, насосах, редукторах и другом вспомогательном оборудовании. Надежность и долговечность этих узлов напрямую влияют на бесперебойность работы энергообъектов.

Конструкция и основные компоненты

Стандартный однорядный радиальный шарикоподшипник состоит из следующих элементов:

• Наружное кольцо. Имеет желобок (дорожку качения) на внутренней поверхности. Устанавливается в корпус (станину, подшипниковый узел).
• Внутреннее кольцо. Имеет желобок на наружной поверхности. Напрессовывается на вал с определенным натягом.
• Тело качения. Шарики, изготовленные из высокопрочной хромистой стали. Количество и размер шариков определяют грузоподъемность подшипника.
• Сепаратор (cage). Удерживает шарики на равном расстоянии друг от друга, предотвращая их контакт и взаимное соударение. Изготавливается из штампованной стали, латуни, полиамида или других композитных материалов. Материал сепаратора критически важен для скоростных характеристик и рабочей температуры.
• Уплотнения/защитные шайбы. Не являются обязательным элементом для открытых подшипников, но широко применяются в виде интегрированных узлов (подшипники с защитными шайбами или контактными уплотнениями). Предназначены для удержания пластичной смазки и защиты от попадания загрязнений.

Типы однорядных шарикоподшипников и их характеристики

В зависимости от конструкции и функциональных возможностей, выделяют несколько основных типов.

1. Открытые подшипники (без уплотнений)

Имеют максимальную грузоподъемность для своих габаритов и допускают высокие скорости вращения. Требуют внешней системы смазки (масляный туман, циркуляционная система) или регулярного пополнения пластичной смазки через фитинги в корпусе. Применяются в редукторах, крупных электродвигателях с централизованной системой смазки.

2. Подшипники с защитными шайбами (ZZ, 2Z)

Оснащены штампованными стальными шайбами с небольшим зазором относительно колец. Эффективно защищают от попадания крупных частиц и удерживают смазку внутри. Не создают значительного момента трения. Применяются в электродвигателях общего назначения, вентиляторах, где требуется минимальное обслуживание.

3. Подшипники с контактными уплотнениями (RS, 2RS, RSH, 2RSH)

Имеют уплотнения из синтетического каучука (NBR, FKM), прижатые к борту кольца. Обеспечивают лучшую защиту от влаги и мелких загрязнений, практически герметичны для пластичной смазки. Создают дополнительный момент трения, что ограничивает максимальную скорость. Тип RSH часто имеет лабиринтное уплотнение в сочетании с контактным. Стандартный выбор для полностью герметичных узлов электродвигателей малой и средней мощности, работающих в запыленных или влажных условиях.

4. Сдвоенные подшипники (дуплексные)

Два однорядных подшипника, собранные в единый узел на заводе-изготовителе с предварительным осевым натягом (DB – back-to-back, DF – face-to-face, DT – tandem). Обеспечивают повышенную радиальную и осевую жесткость вала. Применяются в высокоточных шпинделях, мощных насосах, где критично отсутствие осевого люфта.

Материалы и смазка

Стандартный материал для колец и шариков – подшипниковая сталь марки 100Cr6 (аналог ШХ15). Для работы в агрессивных средах (морская вода, химические пары) применяются подшипники из нержавеющей стали марки AISI 440C. Для повышенных температур (свыше 150°C) или высокоскоростных применений используются кольца из сталей с добавлением молибдена и специальные сепараторы (машинная обработка из латуни или стали, полиамид РА66 с армированием).

Предварительная смазка на заводе обычно выполняется пластичными смазками на литиевой (Li) или комплексно-литиевой (Li-Complex) основе с антиокислительными и противозадирными присадками. Для высоких температур (электродвигатели с классом нагревостойкости F, H) применяются смазки на основе полимочевины (PU) или комплексного кальция (Ca-Complex).

Таблица: Сравнение типов однорядных шарикоподшипников

Тип подшипника	Обозначение	Защита от загрязнений	Удержание смазки	Момент трения	Макс. скорость	Типовое применение в энергетике
Открытый	—	Низкая	Низкое	Очень низкий	Очень высокая	Крупные турбогенераторы, редукторы с циркуляционной смазкой
С защитными шайбами	ZZ (2Z)	Средняя (крупные частицы)	Хорошее	Низкий	Высокая	Электродвигатели общего назначения, вентиляторы сухих градирен
С контактным уплотнением	2RS	Высокая (пыль, влага)	Отличное	Средний/Высокий	Средняя	Насосы циркуляционной воды, двигатели в ЗРИУ, вентиляторы дымоудаления
Сдвоенный (back-to-back)	DB	Зависит от исполнения	Зависит от исполнения	Удвоенный	Высокая	Вертикальные насосы, шпиндели станков на ремонтных предприятиях

Критерии выбора для электротехнического оборудования

• Нагрузка. Расчет эквивалентной динамической радиальной нагрузки P = X Fr + Y Fa, где Fr – радиальная нагрузка, Fa – осевая нагрузка, X и Y – коэффициенты. Статическая грузоподъемность C0 должна превышать пиковые статические нагрузки.
• Скорость. Ограничивается предельной частотой вращения, которая зависит от типа сепаратора, смазки, точности изготовления и балансировки. Для полиамидных сепараторов скорость выше, чем для штампованных стальных.
• Точность. Классы точности по ISO: P0 (нормальный), P6, P5, P4, P2 (сверхвысокий). Для большинства электродвигателей общего назначения достаточно P6 или P5. Высокоточные шпиндели генераторов или измерительных приборов требуют P4 и выше.
• Температурный режим. Стандартные подшипники рассчитаны на работу до 120°C. Для более высоких температур требуются термостабилизированные кольца (суффикс S1, S2…), специальная смазка и сепараторы.
• Условия окружающей среды. Присутствие влаги, абразивной пыли, агрессивных сред диктует необходимость применения подшипников с эффективными уплотнениями (2RS) или из коррозионностойких материалов.
• Монтаж и демонтаж. Для облегчения монтажа на валы больших диаметров применяются подшипники с коническим посадочным отверстием (суффикс K) или разъемные корпуса.

Особенности применения в электродвигателях и генераторах

В асинхронных электродвигателях однорядные шарикоподшипники устанавливаются на обоих концах вала (приводной и противоприводной конец). На приводном конце, как правило, устанавливается подшипник, фиксирующий вал в осевом направлении (чаще это подшипник 6000 или 6200 серии с повышенной осевой грузоподъемностью). На противоприводном конце может устанавливаться подшипник, допускающий осевое перемещение вала при тепловом расширении (например, с одним защитным кольцом или с увеличенным радиальным зазором C3/C4). Неправильный выбор осевой фиксации приводит к перегреву и преждевременному выходу подшипников из строя из-за чрезмерных осевых нагрузок.

В турбогенераторах и крупных синхронных машинах радиально-упорные шарикоподшипники могут использоваться во вспомогательных системах (возбуждение, маслонасосы), в то время как основные опорные подшипники ротора – это, как правило, подшипники скольжения.

Диагностика неисправностей

Основные причины выхода из строя подшипников в энергооборудовании:

• Усталостное выкрашивание (питтинг). Проявляется в виде отслоения материала на дорожках качения. Естественный износ после отработки расчетного ресурса L10.
• Загрязнение смазки. Приводит к абразивному изноу, повышению вибрации и температуры.
• Недостаточная или избыточная смазка. Недостаток ведет к сухому трению и задирам, избыток – к перегреву из-за перемешивания.
• Электрическая эрозия (пробои током). Характерно для электродвигателей при возникновении паразитных токов утечки через подшипник. Проявляется в виде кратеров и канавок на кольцах и шариках («шариковая дорожка»). Устраняется установкой изолированных подшипников или заземляющих щеток.
• Неправильный монтаж. Перекос, чрезмерный натяг при запрессовке, повреждение сепаратора ударным инструментом.

Методы контроля: вибродиагностика (анализ спектра вибрации на частотах BPFO, BPFI, BSF), термометрия (рост температуры выше нормативной на 10-15°C сигнализирует о проблеме), акустический контроль.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается радиальный зазор C3 от нормального (CN)?

Радиальный зазор – это величина свободного перемещения одного кольца относительно другого в радиальном направлении. Группа C3 означает увеличенный зазор по сравнению с нормальным. Это необходимо для компенсации теплового расширения вала и кольца в условиях повышенного нагрева (например, в электродвигателях с классом изоляции F или H) или при наличии теплового потока от внешнего источника. Использование подшипника с нормальным зазором в таких условиях может привести к его заклиниванию из-за уменьшения рабочего зазора до нуля или отрицательного значения (преднатяг).

Когда необходимо применять изолированные подшипники?

Изолированные подшипники (с покрытием внутреннего или наружного кольца оксидом алюминия или другим диэлектрическим материалом) применяются для предотвращения протекания циркулирующих токов через подшипниковый узел. Это явление характерно для частотно-регулируемых электроприводов (из-за несимметрии магнитного поля и емкостных связей) и для крупных машин с магнитной асимметрией. Признак проблемы – микросварные кратеры на дорожках качения. Если диагностирована эрозия, наряду с установкой изолированного подшипника необходимо обеспечить надежное заземление статора и ротора.

Как правильно выбрать смазку для подшипника электродвигателя?

Выбор определяется тремя основными факторами: скоростью вращения (DN-фактор), температурой работы и условиями среды. Для большинства электродвигателей общего назначения с рабочей температурой до 70-80°C подходит литиевая смазка NLGI 2 или 3. Для высокооборотных двигателей (DN > 300 000) предпочтительны синтетические смазки на основе эфиров или ПАО с низким механическим моментом. Для высокотемпературных применений (подшипники в зоне нагрева, двигатели с классом нагревостойкости F/H) обязательны смазки на основе полимочевины (PU) или комплексного кальция, не склонные к термическому разложению и карбонизации. Нельзя смешивать смазки на разной основе (например, литиевую и полимочевинную).

Что означает маркировка, например, 6205-2RS C3?

• 6 – серия: радиальный однорядный шарикоподшипник.
• 2 – серия диаметров: легкая.
• 05 – код посадочного диаметра вала: 05
• 5 = 25 мм.
• 2RS – исполнение с двумя контактными уплотнениями из синтетического каучука.
• C3 – группа радиального зазора: увеличенный.

Какой ресурс подшипника и от чего он зависит?

Номинальный расчетный ресурс L10 (в часах) – это срок, в течение которого 90% подшипников из одной партии должны отработать без признаков усталостного выкрашивания. Он рассчитывается по формуле L10 = (C/P)^p (10^6 / (60 n)), где C – динамическая грузоподъемность, P – эквивалентная динамическая нагрузка, n – частота вращения, p – показатель степени (p=3 для шарикоподшипников). Фактический ресурс может быть как меньше, так и значительно больше расчетного. На него негативно влияют: вибрации, загрязнения, неправильная смазка, перегрев, электрическая эрозия, монтажные ошибки. Правильная эксплуатация и обслуживание – ключ к достижению максимального ресурса.

Почему при замене подшипника в электродвигателе рекомендуется менять оба подшипника (на обоих концах вала)?

Это рекомендация основана на принципе равномерного износа и предсказуемости ресурса. Если вышел из строя один подшипник, второй, хотя и не показывает явных признаков неисправности, уже отработал тот же срок в идентичных условиях (нагрузка, температура, загрязнение смазки). Его остаточный ресурс может быть невелик, и его отказ в ближайшее время приведет к повторной остановке оборудования и затратам на ремонт. Замена комплекта повышает надежность и снижает общие затраты на жизненный цикл.