Подшипники без внутреннего кольца
Подшипники без внутреннего кольца: конструкция, применение и технические аспекты
Подшипник без внутреннего кольца (англ. «bearing without inner ring», тип «RA» или «RE» по стандартам SKF, FAG и др.) представляет собой специализированный тип роликового подшипника, в котором внутреннее кольцо как отдельный компонент отсутствует. Его функцию выполняет непосредственно поверхность вала, которая закаливается и шлифуется до необходимой чистоты и твердости. Данная конструкция является неотъемлемым элементом в решениях, где критичны компактность, высокая грузоподъемность и работа в условиях жестких пространственных ограничений.
Конструктивные особенности и принцип действия
Основными компонентами подшипника без внутреннего кольца являются сепаратор с роликами и наружное кольцо. Наружное кольцо имеет специальные борта для направления роликов, а также канавки для стопорных колец, что позволяет фиксировать его в корпусе. Ролики, как правило, цилиндрические, игольчатые или бочкообразные (сферические), расположены в сепараторе, который обеспечивает их равномерное распределение и предотвращает контакт друг с другом. Рабочая поверхность вала, на которую непосредственно опираются ролики, должна быть подготовлена с высокой точностью: закалена (твердость обычно не менее 58 HRC) и отшлифована (шероховатость Ra ≤ 0,4 мкм, а часто и до 0,2 мкм). Это превращает вал в интегрированную часть подшипникового узла.
Преимущества и недостатки
Преимущества:
- Максимальная компактность радиальных габаритов. Отсутствие внутреннего кольца позволяет использовать подшипник большего диаметра на валу заданного размера, что существенно увеличивает грузоподъемность узла при тех же внешних размерах, или уменьшить габариты узла при сохранении нагрузки.
- Высокая грузоподъемность. Увеличенный диаметр роликов и их большее количество в серии напрямую повышают динамическую и статическую грузоподъемность по сравнению со стандартными подшипниками при равном посадочном диаметре.
- Жесткость и точность. Прямой контакт роликов с валом уменьшает количество интерференционных соединений, потенциально повышая жесткость системы и уменьшая радиальное биение.
- Экономия материала и веса. Исключение внутреннего кольца снижает металлоемкость конструкции.
- Высокие требования к материалу и обработке вала. Необходимость закалки и высокоточной шлифовки посадочной поверхности значительно увеличивает стоимость изготовления вала.
- Невозможность замены подшипника без обработки/замены вала. При износе рабочей поверхности вала его необходимо перешлифовывать (часто с нанесением гальванического покрытия) или заменять, что сложнее и дороже простой замены стандартного подшипника.
- Ограниченная пригодность для частой переборки. Конструкция менее приспособлена для частой разборки и сборки, так как может повреждаться подготовленная поверхность вала.
- Сложность осевого фиксирования. Как правило, требуются дополнительные упорные элементы (шайбы, кольца) для восприятия осевых нагрузок, так как большинство таких подшипников — радиальные.
- Электрические машины: Опорные узлы роторов высокооборотных электродвигателей и генераторов малой и средней мощности, особенно в условиях ограниченного диаметра.
- Редукторы и мультипликаторы: Планетарные передачи, где пространство между центральной и солнечной шестерней ограничено. Валы-шестерни часто выполняют роль внутренних колец.
- Турбомашины: Опоры вспомогательных валов, насосов систем смазки и регулирования.
- Крановое и тяжелое оборудование: Шарнирные соединения, оси блоков и роликов, где вал является массивным и его обработка экономически оправдана.
- Авиационная и аэрокосмическая техника: Приводы вспомогательных агрегатов, где критичен каждый грамм и миллиметр.
- Перешлифовку посадочной поверхности до ремонтного размера (уменьшенного диаметра).
- Нанесение гальванического покрытия (чаще всего хромового) для восстановления исходного диаметра и твердости.
- Чистовое шлифование хромированной поверхности до требуемого размера и шероховатости.
- RA (например, у INA): Обычно обозначает игольчатый подшипник без внутреннего кольца с массивным наружным кольцом.
- RE (например, у INA): Часто обозначает подшипник с тонкостенным наружным кольцом, предназначенным для запрессовки в корпус.
- RNA (у SKF, NTN): Стандартное обозначение игольчатого подшипника без внутреннего кольца с бортами на наружном кольце и канавками для стопорных колец.
Недостатки:
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Данный тип подшипников находит применение в узлах, где требования к компактности и нагрузке являются определяющими:
Технические требования к валу и монтажу
Успешная работа подшипника без внутреннего кольца на 70% определяется качеством подготовки вала. Ключевые параметры представлены в таблице.
Таблица 1: Требования к поверхности вала для подшипников без внутреннего кольца
| Параметр | Требуемое значение | Примечание |
|---|---|---|
| Твердость | 58–64 HRC | Достигается объемной или поверхностной закалкой, цементацией, азотированием. |
| Шероховатость (Ra) | 0,2 – 0,4 мкм | Обязательное чистовое шлифование, возможно полирование. |
| Допуск по диаметру | h5, h6 (редко h4) | Соответствует полю допуска внутреннего кольца стандартного подшипника. Указывается в каталоге на конкретный подшипник. |
| Овальность и конусность | Не более 50% от допуска на диаметр | Строгий контроль геометрической формы обязателен. |
| Радиальное биение посадочной поверхности | IT3–IT4 | Важно для обеспечения точности вращения. |
Процесс монтажа требует высокой чистоты. Вал должен быть обезжирен, а посадочная поверхность защищена от коррозии до установки. Наружное кольцо с сепаратором и роликами устанавливается на вал запрессовкой с использованием монтажной оправки, передающей усилие исключительно на наружное кольцо. Категорически запрещено передавать монтажное усилие через ролики, так как это приведет к образованию лунок на поверхности вала и преждевременному выходу узла из строя.
Типоразмеры, обозначения и подбор
Подшипники без внутреннего кольца стандартизированы основными мировыми производителями (SKF, NTN-SNR, INA (Schaeffler Group)). Типовое обозначение включает серию (например, RNA 49 или NATR 10), где «R» указывает на конструкцию без внутреннего/наружного кольца, а последующие буквы и цифры определяют тип, серию и размер.
Таблица 2: Примеры типоразмеров и характеристик (на примере серии RNA от SKF)
| Обозначение | Диаметр вала, d (мм) | Наружный диаметр, D (мм) | Ширина, B (мм) | Динамическая нагрузка, C (кН) | Статическая нагрузка, C0 (кН) |
|---|---|---|---|---|---|
| RNA 4901 | 12 | 24 | 13 | 6,8 | 6,55 |
| RNA 4904 | 20 | 37 | 17 | 13,2 | 13,5 |
| RNA 4911 | 55 | 80 | 23 | 30,5 | 36,5 |
При подборе аналога необходимо сверять не только основные размеры (d, D, B), но и грузоподъемность, допустимые частоты вращения, а также конструкцию сепаратора (материал, тип).
Сравнение с другими типами подшипников качения
Таблица 3: Сравнительный анализ конструкций
| Параметр | Подшипник без внутреннего кольца (тип RNA) | Стандартный игольчатый подшипник (тип NA) | Радиальный шарикоподшипник (тип 6000) |
|---|---|---|---|
| Радиальная компактность | Наилучшая | Хорошая | Средняя/Низкая |
| Грузоподъемность (при равном d) | Очень высокая | Высокая | Средняя |
| Требования к валу | Максимальные (закалка, шлифовка) | Средние (закалка желательна) | Минимальные (достаточно закалки или упрочнения) |
| Стоимость узла (подшипник + вал) | Высокая (из-за обработки вала) | Средняя | Низкая |
| Ремонтопригодность | Низкая (требуется обработка вала) | Средняя | Высокая (простая замена) |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Вопрос 1: Можно ли использовать подшипник без внутреннего кольца на незакаленном валу?
Ответ: Категорически не рекомендуется. Мягкий материал вала (менее 58 HRC) будет быстро пластически деформироваться под нагрузкой от роликов, образуя лунки (фреттинг-коррозию). Это приведет к повышенному вибрационному шуму, люфту и разрушению узла в кратчайшие сроки. Допустимо использование только при очень низких, чисто символических нагрузках, что противоречит самой сути применения данного подшипника.
Вопрос 2: Как правильно измерить и проверить посадочную поверхность вала?
Ответ: Необходимо контролировать:
1. Действительный размер микрометром в нескольких сечениях вдоль оси и в нескольких плоскостях.
2. Шероховатость профилометром или сравнением с эталонами.
3. Твердость твердомером Роквелла по шкале HRC.
4. Геометрию: овальность и конусность проверяются микрометром или точным индикаторным нутромером. Допуски должны соответствовать указанным в технической документации на подшипник (каталогу).
Вопрос 3: Что делать, если поверхность вала износилась? Можно ли восстановить вал?
Ответ: Восстановление возможно, но оно технически и экономически оправдано только для дорогостоящих или уникальных валов. Стандартная процедура включает:
Альтернативой может быть установка ремонтной втулки (наплавка с последующей механической обработкой), но это еще более сложный процесс. Для серийной техники часто проще и дешевле заменить вал.
Вопрос 4: Чем отличается подшипник типа «RA» от «RE» или «RNA»?
Ответ: Это обозначения разных производителей и серий, указывающие на небольшие конструктивные отличия:
При замене необходимо сверяться с полными размерами и грузоподъемностью по каталогам, а не только по серии.
Вопрос 5: Какой смазочный материал предпочтительнее и как организовать смазку?
Ответ: Учитывая высокие контактные давления, предпочтение отдается консистентным смазкам с высокими противозадирными (EP) и антифреттинговыми свойствами. Для высокооборотных узлов могут применяться жидкие масла с присадками. Смазка должна подаваться непосредственно в зону контакта роликов с валом. Конструкция часто предусматривает каналы для принудительной циркуляционной смазки или регулярного пополнения пластичной смазки через пресс-масленки. Важно обеспечить эффективное уплотнение узла для защиты от абразивов и удержания смазки.
Заключение
Подшипники без внутреннего кольца представляют собой высокоспециализированное решение, оптимальное для инженерных задач, где приоритет отдается максимальному использованию монтажного пространства и высокой радиальной грузоподъемности. Их успешное применение напрямую зависит от корректного проектирования, соблюдения строгих требований к материалу и обработке сопрягаемого вала, а также точности монтажа. В энергетическом секторе они находят свою нишу в компактных высоконагруженных приводах, редукторах и вспомогательных механизмах, обеспечивая надежность и долговечность в обмен на повышенные затраты на изготовление и восстановление. Выбор в пользу данной конструкции должен быть технически и экономически обоснован детальным расчетом жизненного цикла узла.