Подшипники без роликов

Подшипники без роликов: принцип действия, типы и применение в электротехнике и энергетике

Подшипники без роликов, или подшипники скольжения (втулочные подшипники), представляют собой класс опорных узлов, в которых передача нагрузки и относительное движение между валом и корпусом осуществляются за счет скольжения сопряженных поверхностей, разделенных слоем смазочного материала. В отличие от подшипников качения, в их конструкции отсутствуют тела качения (шарики, ролики, иглы). Данный тип подшипников является фундаментальным для множества применений в электроэнергетике, тяжелом машиностроении и точном приборостроении, где ключевыми требованиями являются высокая надежность, долговечность, способность выдерживать ударные и вибрационные нагрузки, а также работа в условиях повышенной запыленности или необходимости полной герметичности.

Принцип действия и основы трибологии

Работоспособность подшипника скольжения обеспечивается созданием и поддержанием режима жидкостного трения, при котором поверхности вала и вкладыша (втулки) полностью разделены устойчивым слоем смазки. Переход от граничного или полужидкостного трения к жидкостному происходит благодаря эффекту гидродинамического клина: при вращении вала смазка увлекается в сужающийся зазор, создавая давление, достаточное для поднятия вала. Критическими параметрами являются вязкость смазки, скорость вращения, удельная нагрузка и зазор в подшипнике. При пуске, останове или малых оборотах преобладает граничное трение, что предъявляет особые требования к антифрикционным свойствам материала пары трения.

Классификация и типы подшипников скольжения

Подшипники скольжения классифицируются по множеству признаков. Основные типы, релевантные для энергетического сектора, представлены ниже.

1. По направлению воспринимаемой нагрузки

• Радиальные: Воспринимают нагрузки, направленные перпендикулярно оси вала. Наиболее распространенный тип (втулки, вкладыши).
• Упорные (осевые): Воспринимают нагрузки, направленные вдоль оси вала. Применяются в вертикальных гидроагрегатах, турбинах для фиксации ротора.
• Радиально-упорные: Комбинированные подшипники, способные воспринимать как радиальные, так и осевые нагрузки.

2. По конструкции

• Неразъемные (втулочные): Цельная цилиндрическая втулка. Применяются в узлах с малой нагрузкой или как вставные элементы.
• Разъемные (вкладышевые): Состоят из корпуса (радиального или упорного) и сменных вкладышей. Позволяют регулировать зазоры, обеспечивают простой монтаж/демонтаж без смещения сопряженных узлов. Основа для мощных турбогенераторов, дизель-генераторов.
• Самоустанавливающиеся: Вкладыш или сегмент (в упорных подшипниках) имеет сферическую опорную поверхность, что обеспечивает автоматическое выравнивание и равномерное распределение нагрузки. Критически важны для валов с возможными перекосами.

3. По типу смазки

• Гидродинамические (масляные): Смазка подается под давлением или за счет самосмазывания (кольца, диски). Основной тип для высокоскоростных и высоконагруженных машин (турбогенераторы, насосы).
• Газодинамические: В качестве смазки используется газ (воздух, гелий). Применяются в высокоскоростных турбомашинах, специальных установках. Требуют высокой точности изготовления.
• Твердосмазываемые (сухие): Работают без подачи жидкой смазки. Антифрикционные свойства обеспечиваются материалом вкладыша (графит, бронза с графитом, полимерные композиты). Применяются в узлах, где загрязнение смазкой недопустимо, или в условиях высоких температур.
• Пористые (самосмазывающиеся): Изготовлены методом порошковой металлургии (бронза, железографит). Поры заполнены смазкой, которая поступает к поверхности трения при нагреве. Используются в малонагруженных узлах, электродвигателях бытовой техники, вентиляторах.

Материалы для вкладышей и втулок

Выбор материала определяет надежность, износостойкость и коррозионную стойкость подшипника. Основные требования: низкий коэффициент трения, высокая теплопроводность, хорошая прирабатываемость, устойчивость к заеданию.

Материал	Состав / Тип	Преимущества	Недостатки	Типичное применение в энергетике
Баббиты	Оловянные (Б83, Б88) или свинцово-кальциевые сплавы	Исключительная прирабатываемость, антифрикционность, стойкость к заеданию, хорошая теплопроводность.	Низкая усталостная прочность при высоких температурах и нагрузках.	Вкладыши подшипников скольжения турбогенераторов, гидрогенераторов, крупных электродвигателей (на стальном или бронзовом основании).
Бронзы	Оловянные (БрО10Ф1), свинцовые (БрС30), алюминиево-железные (БрАЖ9-4)	Высокая прочность, износостойкость, хорошая теплопроводность, коррозионная стойкость.	Более высокий коэффициент трения по сравнению с баббитами, склонность к заеданию при недостаточной смазке.	Вкладыши и втулки насосов, арматуры, вспомогательных механизмов, подшипники скольжения двигателей средней мощности.
Полимерные композиты	PTFE (тефлон) с наполнителями (стекловолокно, бронза, графит), полиамиды (PA), полиацетали (POM), UHMWPE	Работа без смазки, химическая стойкость, бесшумность, способность поглощать вибрации, нечувствительность к загрязнениям.	Низкая теплопроводность, ползучесть под нагрузкой, ограниченный температурный диапазон.	Направляющие втулки выключателей, подшипники скольжения вентиляторов охлаждения, узлы в агрессивных средах, изоляционные втулки.
Пористые металлы	Бронзографит, железографит	Самосмазываемость, стабильность работы в широком диапазоне температур, простота конструкции узла.	Низкая механическая прочность, ограниченная нагрузочная способность.	Подшипники скольжения маломощных асинхронных двигателей, вентиляторов, приводов заслонок и регуляторов.
Углерод-графитовые материалы	Графит, электрографитированные материалы	Работа при высоких температурах, химическая инертность, самосмазываемость, электропроводность.	Хрупкость, низкая прочность на изгиб и удар.	Токоподводящие втулки, щеткодержатели, подшипники скольжения в агрессивных средах или сухих газовых потоках.

Системы смазки и охлаждения

Для тяжелонагруженных подшипников энергетического оборудования системы смазки и охлаждения являются жизненно важными. Основные типы:

• Циркуляционная система под давлением: Масло от насоса подается под давлением в масляные карманы подшипника, отводит тепло и выходит через зазоры. Обязательна для турбогенераторов и гидрогенераторов большой мощности. Включает насосы, холодильники, фильтры, систему контроля.
• Кольцевая смазка: Свободно висящее на валу масляное кольцо или цепь погружено в масляную ванну и при вращении подает масло на вал. Применяется в подшипниках скольжения мощных электродвигателей и насосов.
• Комбинированная смазка: Сочетание принудительной подачи масла под давлением и кольцевой смазки для повышения надежности.
• Консистентная (пластичная) смазка: Закладывается в полость подшипника при монтаже и периодически пополняется через пресс-масленки. Используется в узлах с умеренными скоростями и нагрузками.

Преимущества и недостатки по сравнению с подшипниками качения

Преимущества:

• Высокая нагрузочная способность при малых габаритах: Способны выдерживать экстремальные ударные и вибрационные нагрузки.
• Долговечность и надежность при правильной эксплуатации: Отсутствие усталостного выкрашивания тел качения.
• Бесшумность и плавность хода: Отсутствие дискретного перекатывания элементов.
• Высокая демпфирующая способность: Масляный слой эффективно гасит вибрации и удары.
• Возможность работы в агрессивных и абразивных средах: При использовании соответствующих материалов и герметичных конструкций.
• Ремонтопригодность: Возможность перезаливки баббитом или замены вкладышей без замены корпуса.
• Пригодность для очень высоких скоростей вращения: Газостатические и гидростатические подшипники.

Недостатки:

• Высокие пусковые моменты и износ при пуске/останове: Режим граничного трения.
• Необходимость в сложной и дорогой системе смазки: Для высоконагруженных применений.
• Более высокие потери на трение в установившемся режиме: По сравнению с подшипниками качения.
• Требовательность к точности монтажа и соосности валов: Для несамоустанавливающихся типов.
• Необходимость постоянного контроля температуры, вибрации, зазоров.

Применение в электроэнергетике и смежных отраслях

Подшипники скольжения являются неотъемлемой частью критически важного оборудования.

• Турбогенераторы и гидрогенераторы: Опорные и упорные подшипники роторов. Используются баббитовые вкладыши с циркуляционной системой маслоснабжения. Упорные подшипники фиксируют осевое положение ротора под воздействием огромных гидравлических сил (в ГЭС).
• Крупные электродвигатели (синхронные, асинхронные): Мощностью от сотен кВт и выше. Часто используют кольцевую или циркуляционную смазку. Предпочтительны при больших диаметрах валов и низких скоростях вращения.
• Насосное оборудование (циркуляционные, питательные, сетевые насосы): Работают в условиях высоких нагрузок и часто в погруженном состоянии. Требуют материалов, стойких к воде и загрязнениям.
• Силовые трансформаторы: Втулки токоведущих выводов (вводов) высокого напряжения. Выполняют роль изоляционных и направляющих элементов. Изготавливаются из фарфора, полимерных композитов или маслобарьерной бумаги с пропиткой.
• Коммутационная аппаратура (выключатели, разъединители): Подшипники скольжения в механизмах привода, шарнирных соединениях токоведущих частей. Часто используются сухие или твердосмазываемые полимерные втулки, не требующие обслуживания.
• Ветроэнергетические установки: Упорные и радиальные подшипники в поворотном механизме гондолы (т.н. «yaw» и «pitch» подшипники). Часто это крупногабаритные сегментные подшипники скольжения с полимерными композитными покрытиями.

Монтаж, эксплуатация и диагностика

Правильный монтаж и эксплуатация определяют ресурс подшипника скольжения. Ключевые этапы:

• Подготовка и посадка: Очистка посадочных поверхностей, проверка зазоров (натягов) щупами или методом свинцовой оттискной проволоки. Нагрев вкладышей перед посадкой для обеспечения плотного прилегания.
• Центровка валов: Точная центровка соединяемых валов для исключения перекоса и локальных перегрузов вкладыша.
• Пусконаладка: Обкатка на пониженных нагрузках для приработки поверхностей. Контроль температуры, вибрации, расхода масла.
• Эксплуатационный контроль: Регулярный мониторинг температуры подшипников (термопарами, термометрами сопротивления), анализ вибрации (спектральный анализ для выявления дефектов), контроль чистоты и температуры масла, периодическая проверка зазоров.
• Техническое обслуживание: Плановые остановы для ревизии: визуальный осмотр вкладышей на предмет задиров, отслоения баббита, проверка геометрии, при необходимости — перезаливка или замена.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем главное отличие подшипника скольжения от подшипника качения в контексте электродвигателя?

Подшипник качения имеет дискретный контакт (шарики/ролики), что обеспечивает низкое трение, но меньшую демпфирующую способность и чувствительность к ударным нагрузкам. Подшипник скольжения имеет непрерывную масляную пленку, что дает высокое демпфирование, большую нагрузочную способность на единицу площади, но требует постоянной системы смазки и имеет более высокие потери на трение. Для двигателей высокой мощности и низкой скорости подшипники скольжения часто предпочтительнее.

Как определить износ подшипника скольжения без разборки агрегата?

Косвенными признаками являются: устойчивый рост температуры подшипника при неизменных нагрузках; увеличение уровня вибрации, особенно на частоте, равной 0.5 x частота вращения (полосковое биение); падение давления в системе принудительной смазки при увеличении зазоров; появление шума. Точная диагностика требует остановки и измерения зазоров.

Почему в турбогенераторах почти всегда используются баббитовые вкладыши, а не бронзовые?

Баббит обладает уникальным свойством прирабатываемости и стойкости к заеданию. При случайном контакте вала с вкладышем баббит локально плавится или деформируется, предотвращая задир стального вала. Бронза в аналогичной ситуации с большой вероятностью приведет к схватыванию и катастрофическому разрушению как вкладыша, так и шейки вала. Для высокоскоростных и высоконагруженных роторов это критически важно.

Можно ли заменить подшипник качения на подшипник скольжения в существующей конструкции?

Такая замена принципиально возможна, но требует полного перерасчета узла: определения необходимого зазора, выбора материала, проектирования системы смазки (масляные карманы, каналы), обеспечения теплоотвода. Конструкция корпуса, посадочные места и система уплотнений будут совершенно иными. Замена редко бывает прямой и обычно нецелесообразна без глубокой модернизации агрегата.

Каковы современные тенденции в развитии материалов для подшипников скольжения?

Основные направления: 1) Разработка новых полимерных композитов с нанонаполнителями (графен, УНТ) для повышения теплопроводности и снижения износа. 2) Создание многослойных и градиентных покрытий (bimetal, trimetal) с оптимизированным распределением свойств: стальная основа — бронзовый промежуточный слой — антифрикционный баббитовый или полимерный слой. 3) Развитие твердых смазочных покрытий (DLC, MoS2) для работы в экстремальных условиях. 4) Улучшение пористых материалов для расширения диапазона их нагрузочной способности.

Как выбрать систему смазки для нового проектируемого узла?

Выбор основывается на расчете критерия подобия – числа Зоммерфельда (So), которое учитывает вязкость, скорость, нагрузку и геометрические размеры. Для малых So (высокие нагрузки, малые скорости) достаточно консистентной смазки или принудительной подачи. Для больших So (высокие скорости) необходим режим гидродинамической смазки, обеспечиваемый кольцевой или циркуляционной системой. Дополнительно учитывают условия эксплуатации (температура, запыленность), требования к надежности и доступность для обслуживания.

Заключение

Подшипники без роликов, или подшипники скольжения, остаются незаменимым конструктивным решением для ответственных узлов энергетического и электротехнического оборудования. Их способность работать под высокими ударными и вибрационными нагрузками, обеспечивать плавность хода и демпфирование, а также адаптироваться к сложным условиям эксплуатации делает их предпочтительным выбором для турбогенераторов, крупных электродвигателей, насосов и критической арматуры. Понимание принципов их работы, типов, материалов и правил эксплуатации является обязательным для инженерно-технического персонала, отвечающего за надежность и эффективность энергетических систем. Совершенствование материалов и методов диагностики продолжает расширять границы их применения, обеспечивая долговечную и безотказную работу ключевых активов отрасли.