Подшипники радиально-упорные с фланцем

Подшипники радиально-упорные с фланцем: конструкция, типы, применение и монтаж

Радиально-упорные фланцевые подшипники представляют собой узкоспециализированный класс опор качения, объединяющий в себе функциональность радиально-упорных шарикоподшипников и преимущества фланцевого корпуса. Их ключевая особенность — способность одновременно воспринимать значительные комбинированные (радиальные и осевые) нагрузки, а также упрощенный монтаж и точную фиксацию в узле благодаря фланцу. В энергетике и электротехнической промышленности они находят применение в высокооборотных электродвигателя, насосах, вентиляторах, редукторах и прочем оборудовании, где критически важны точность позиционирования вала, жесткость узла и минимизация осевого смещения.

Конструктивные особенности и принцип действия

Конструкция подшипника базируется на стандартном радиально-упорном шарикоподшипнике, где дорожки качения внутреннего и наружного колец смещены относительно друг друга вдоль оси подшипника. Это смещение позволяет шарикам контактировать с кольцами под оптимальным углом контакта (стандартные значения: 15°, 25°, 30°, 40°). Чем больше угол контакта, тем выше способность подшипника воспринимать осевую нагрузку, но несколько снижается допустимая радиальная нагрузка и предельная частота вращения.

Фланец, являющийся неотъемлемой частью наружного кольца, представляет собой диск с отверстиями для крепежных элементов (болтов, шпилек). Он позволяет жестко и точно зафиксировать подшипник на плоской монтажной поверхности (плите, стенке корпуса) без использования дополнительных корпусов или сложных прижимных крышек. Это существенно упрощает конструкцию узла, снижает его габариты и общую стоимость.

Классификация и типы

Радиально-упорные фланцевые подшипники классифицируются по нескольким ключевым признакам.

1. По направлению воспринимаемой осевой нагрузки:

• Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники: Могут воспринимать осевую нагрузку только в одном направлении. Для фиксации вала в обоих направлениях требуют установки вторым подшипником в паре (встречной или попутной схемой). Выпускаются как в разъемном, так и в неразъемном исполнении.
• Сдвоенные радиально-упорные шарикоподшипники (парные): Два однорядных подшипника, собранные на общем валу заводским способом в определенной конфигурации. Имеют предварительный натяг, что повышает жесткость узла. Основные типы:
  • Тандем (DT): Осевые нагрузки воспринимаются в одном направлении. Параллельное соединение увеличивает осевую грузоподъемность.
  • Расположение лицом к лицу (DF): Контактные углы направлены друг к другу. Эффективно компенсируют радиальное и угловое смещение вала, воспринимают двухсторонние осевые нагрузки.
  • Расположение спиной к спине (DB): Контактные углы направлены в противоположные стороны. Обеспечивают высокую моментную жесткость, также воспринимают двухсторонние осевые нагрузки.

2. По типу фланца:

• Круглый фланец с равномерно расположенными отверстиями (наиболее распространенный тип).
• Квадратный или прямоугольный фланец (для специфических применений, обеспечивает повышенную устойчивость к проворачиванию).
• Фланец с направляющим поясом (посадочным буртиком) для центровки в отверстии корпуса, что облегчает монтаж и повышает точность установки.

3. По комплектации:

• Открытые (требуют отдельной системы смазки и защиты от окружающей среды).
• С защитными шайбами (ZZ, 2Z) или контактными сальниками (RS, 2RS) для удержания пластичной смазки и защиты от загрязнений.
• Со стопорной канавкой и стопорным кольцом на наружном кольце для дополнительной фиксации в корпусе.

Материалы и смазка

Для стандартных применений кольца и шарики изготавливаются из подшипниковой стали (например, SAE 52100). В условиях повышенной коррозии или температур используются стали AISI 440C, нитридная сталь или керамика (гибридные подшипники с керамическими шариками). Сепараторы могут быть штампованными стальными, механически обработанными латунными или полимерными (PA66, PEEK).

Предварительная смазка на заводе чаще всего выполняется консистентной смазкой на литиевой или мочевинной основе. Выбор конкретной смазки зависит от диапазона рабочих температур, скорости вращения и условий эксплуатации. В высокоскоростных узлах энергетического оборудования может применяться циркуляционная жидкая смазка (масло).

Ключевые преимущества и недостатки

Преимущества:

• Комбинированная нагрузка: Одновременное восприятие радиальных и одно- или двухсторонних осевых нагрузок.
• Простота монтажа и центровки: Фланец обеспечивает быструю установку и точную осевую фиксацию подшипника в узле.
• Компактность конструкции: Отсутствие необходимости в сложных корпусах и прижимных устройствах.
• Высокая точность вращения и жесткость: Особенно для парных комплектаций с предварительным натягом.
• Унификация: Широкий ряд стандартизированных размеров (серии 72, 73 по ISO/DIN для фланцевых B- и BT-обозначений).

Недостатки:

• Чувствительность к перекосу: Однорядные подшипники плохо компенсируют угловые misalignment вала.
• Более сложный монтаж по сравнению с радиальными шарикоподшипниками: требуется обеспечение точного осевого натяга.
• Более высокое тепловыделение при высоких скоростях из-за повышенного трения.
• Ограниченная несущая способность по сравнению с роликовыми коническими подшипниками.

Области применения в энергетике и смежных отраслях

• Электродвигатели малой и средней мощности: Для фиксации ротора, особенно в двигателях с вертикальным валом.
• Насосное оборудование (центробежные, циркуляционные насосы): Восприятие осевых нагрузок от рабочего колеса.
• Вентиляторы и воздуходувки.
• Редукторы и коробки отбора мощности в качестве опор быстроходных валов.
• Приводы задвижек и регулирующей арматуры.
• Генераторы малой энергетики.

Таблица: Сравнение типов установки однорядных радиально-упорных подшипников

Схема установки	Конфигурация	Восприятие осевой нагрузки	Жесткость	Чувствительность к перекосу	Типичное применение
Одиночная	Один подшипник	В одном направлении	Низкая	Высокая	Простые узлы с четко определенным направлением осевой силы
Парная (DB) — «спина к спине»	Два подшипника, контактные углы расходятся	Двухсторонняя	Высокая моментная	Средняя	Узлы с опрокидывающими моментами, требующие высокой жесткости (шпиндели)
Парная (DF) — «лицом к лицу»	Два подшипника, контактные углы сходятся	Двухсторонняя	Высокая радиальная	Низкая (компенсируют перекос)	Узлы, подверженные угловому смещению вала
Тандем (DT)	Два подшипника, контактные углы направлены одинаково	В одном направлении (усиленная)	Высокая осевая	Высокая	Узлы с очень высокими односторонними осевыми нагрузками

Монтаж и эксплуатационные требования

Правильный монтаж критически важен для работы радиально-упорных фланцевых подшипников. Основные этапы:

1. Подготовка: Проверка посадочных поверхностей вала и корпуса на чистоту, отсутствие забоин и соответствие допускам. Вал должен иметь точку опоры для передачи осевой нагрузки.
2. Температурный монтаж: Рекомендуется нагрев подшипника в масляной ванне или индукционном нагревателе до 80-100°C для безударной посадки на вал с натягом.
3. Осевой натяг: Необходимо обеспечить расчетный осевой натяг (предварительное смещение) в паре подшипников. Это достигается применением регулировочных шайб, гаек или пружинных шайб. Недостаточный натяг ведет к проскальзыванию и вибрациям, избыточный — к перегреву и преждевременному выходу из строя.
4. Крепление фланца: Равномерная затяжка крепежных болтов указанным моментом по схеме «крест-накрест».
5. Смазка: Использование рекомендованной производителем смазки. Для закрытых подшипников (с сальниками) добавление смазки не требуется до первого обслуживания.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем основное отличие радиально-упорного фланцевого подшипника от радиального фланцевого?

Радиальный фланцевый подшипник (например, серия 62 с фланцем) предназначен в первую очередь для восприятия радиальных нагрузок. Он может воспринимать незначительные осевые нагрузки только за счет конструкции дорожек. Радиально-упорный подшипник специально сконструирован для значительных комбинированных нагрузок благодаря заданному углу контакта, что делает его незаменимым в узлах с выраженным осевым усилием.

Как правильно выбрать угол контакта (α) для применения в высокооборотном насосе?

Для высоких частот вращения (n > 10000 об/мин) и преобладающих радиальных нагрузок выбирают подшипники с малым углом контакта (15° или 25°). Они создают меньшее осевое усилие при радиальной нагрузке и меньше нагреваются. Если осевая нагрузка значительна, но скорость остается высокой, необходим тщательный компромисс и расчет эквивалентной динамической нагрузки. Часто оптимальным решением является пара подшипников 25° в схеме DB или DF.

Можно ли заменить сдвоенный радиально-упорный подшипник двумя одинарными?

Технически возможно, но не рекомендуется без проведения полного инженерного расчета. Заводские сдвоенные комплекты имеют строго выверенный и гарантированный предварительный натяг, обеспечивают идеальную соосность. Самостоятельная сборка пары из двух одинарных подшипников с требуемым натягом крайне сложна и может привести к некорректной работе узла, перегреву и ускоренному износу.

Как обслуживать закрытые (защищенные сальниками) фланцевые радиально-упорные подшипники?

Подшипники с контактными сальниками (2RS) считаются необслуживаемыми в течение всего срока службы. Попытка добавить смазку через сальник может его повредить. Ресурс определяется сроком службы заводской смазки. В ответственных узлах рекомендуется плановая замена подшипника по истечении расчетного срока службы. Подшипники только с защитными шайбами (2Z) допускают пополнение смазки через имеющиеся в наружном кольце смазочные отверстия.

Каковы признаки неправильного монтажа или выбора такого подшипника?

• Перегрев: Слишком большой осевой натяг, недостаток или избыток смазки, перекос.
• Повышенный шум и вибрация: Недостаточный натяг, ведущий к проскальзыванию шариков, износ из-за загрязнений, усталостное выкрашивание.
• Люфт вала в осевом направлении: Недостаточное закрепление подшипника, износ дорожек качения, неправильная схема установки.
• Коррозия: Неподходящая смазка или материал подшипника для данных условий среды.

Заключение

Радиально-упорные фланцевые подшипники являются высокоэффективным инженерным решением для узлов, работающих в условиях комбинированных нагрузок и требующих простого, надежного и компактного монтажа. Их корректный выбор, учитывающий соотношение радиальных и осевых усилий, частоту вращения, условия среды и схему установки, напрямую определяет надежность и долговечность всего агрегата. В энергетическом секторе, где требования к бесперебойности работы оборудования исключительно высоки, применение данных подшипников должно сопровождаться строгим соблюдением рекомендаций производителей по монтажу и обслуживанию.