Подшипники радиально-упорные скольжения

Подшипники радиально-упорные скольжения: конструкция, принцип действия и применение в энергетике

Радиально-упорные подшипники скольжения представляют собой класс опорных узлов, предназначенных для одновременного восприятия радиальных и осевых нагрузок за счет использования принципа фрикционного контакта скольжения. В отличие от подшипников качения, в которых нагрузка передается через тела качения (шарики, ролики), в данных узлах вал (цапфа) вращается в неподвижном вкладыше (втулке) с образованием рабочего зазора, заполненного смазочным материалом. Их работа основана на формировании масляного клина, разделяющего трущиеся поверхности при достижении определенной скорости. В энергетике, особенно в турбостроении и тяжелом электромашиностроении, такие подшипники являются критически важными элементами, обеспечивающими работу роторов турбин, генераторов, крупных электродвигателей и насосов высокого давления.

Принцип действия и формирование масляного клина

Ключевой процесс, обеспечивающий работоспособность радиально-упорного подшипника скольжения, — гидродинамическая смазка. При неподвижном вале он контактирует с нижней частью вкладыша. При начале вращения вал увлекает смазку в сужающийся зазор между цапфой и поверхностью вкладыша. Это создает область повышенного давления масляного клина, которая приподнимает вал и смещает его центр вращения. При установившемся режиме между поверхностями существует тонкая масляная пленка (от единиц до десятков микрометров), полностью разделяющая металлы. Осевая составляющая нагрузки воспринимается специальными упорными поверхностями (гребнями, сегментами), расположенными с одной или обеих сторон радиального вкладыша, где также формируется масляный клин за счет конусности или наклона поверхностей.

Конструктивные разновидности и материалы

Конструкция подшипника определяется величиной и направлением нагрузок, скоростью вращения, требованиями к точности и демпфированию.

1. По типу радиальной части:

Цилиндрические с буртами: Простейший тип. Радиальная нагрузка воспринимается цилиндрической поверхностью, осевая — торцевыми буртами (кольцевыми выступами) на вкладыше или валу. Применяются при умеренных осевых усилиях.
Конические (упорно-радиальные): Рабочая поверхность выполнена в виде конуса. Осевая и радиальная нагрузки воспринимаются одной наклонной поверхностью, что обеспечивает высокую жесткость. Требуют точной регулировки осевого зазора.
Сегментные (баббитовые, с самоустанавливающимися сегментами): Наиболее распространены в мощных турбомашинах. Упорные колодки (сегменты) шарнирно закреплены на опорном кольце, что обеспечивает их самоустановку и равномерное распределение нагрузки. Обладают высоким демпфированием.
Гидростатические и гидродинамические комбинированные: Имеют дополнительные каналы для подачи масла под высоким давлением от внешней системы. Обеспечивают масляную пленку даже при нулевой скорости, исключая сухое трение при пуске/останове.

2. По типу упорного узла:

Интегральные: Радиальная и упорная части объединены в одном корпусе (например, конический вкладыш).
Раздельные: Упорный подшипник (например, сегментный) установлен отдельно от радиальных опор. Позволяет независимо оптимизировать параметры каждого узла.

Материалы пар трения:

Выбор материалов критичен для износостойкости и аварийной живучести.

Вкладыш (подшипник): Основа — сталь или чугун. Рабочий слой — антифрикционный сплав, наносимый заливкой или наплавкой. Наиболее распространен баббит на основе олова (Б83, Б88) или свинца (Б16). Для тяжелых условий — бронза (БрО10Ф1, БрС30), серебро-индиевые покрытия, металлокерамика.
Вал (цапфа): Высококачественная закаленная сталь (например, сталь 40Х, 38ХН3МА). Поверхность тщательно полируется до шероховатости Ra 0.2–0.4 мкм.

Система смазки и охлаждения

В энергетических установках применяется централизованная система принудительной циркуляционной смазки. Масло выполняет три функции: создание несущей пленки, отвод тепла и удаление продуктов износа.

Циркуляционная система: Включает маслобак, насосы (основной и резервный), охладители, фильтры тонкой очистки, регуляторы давления и температуры, контрольно-измерительные приборы.
Подвод масла: Осуществляется через кольцевые канавки и отверстия во вкладыше. Для радиально-упорных подшипников критически важен подвод смазки к зоне формирования масляного клина как на радиальной, так и на упорной поверхности.
Требования к маслу: Используются специальные турбинные масла (например, Тп-22, Тп-30 по ГОСТ 9972-74 или современные ISO VG 32, 46). Ключевые параметры: вязкость, температура вспышки, стойкость к окислению, водоотделяющая способность.

Расчет и основные параметры

Проектирование радиально-упорного подшипника скольжения — сложная инженерная задача, требующая учета гидродинамики, теплообмена и механики деформируемого тела.

Ключевые расчетные параметры:

Параметр	Обозначение	Описание и влияние	Типичные значения для турбогенераторов
Относительный зазор	ψ = (D — d)/d	Отношение диаметрального зазора к диаметру цапфы. Влияет на несущую способность, потери, жесткость.	0.001 – 0.002
Относительная длина	l/d	Отношение длины подшипника к диаметру. Увеличение улучшает нагрузочную способность, но ухудшает теплоотвод.	0.6 – 1.2
Число Зоммерфельда	S = (p_m ψ²) / (η ω)	Безразмерный критерий, связывающий нагрузку, скорость, вязкость и зазор. Характеризует режим смазки.	1 – 5 (для гидродинамического режима)
Минимальная толщина масляной пленки	h_min	Наименьшее расстояние между поверхностями в рабочем режиме. Должна превышать сумму шероховатостей и возможных отклонений.	≥ 20 – 50 мкм
Коэффициент демпфирования	—	Способность подавлять колебания ротора. Высокое демпфирование — ключевое преимущество подшипников скольжения.	Определяется расчетом динамики ротора

Преимущества и недостатки по сравнению с подшипниками качения

Преимущества:

Высокая несущая способность при больших диаметрах валов и высоких скоростях.
Отличное демпфирование вибраций, что критично для гибких роторов турбоагрегатов.
Возможность работы в режиме жидкостного трения с крайне низким износом.
Компактность в радиальном направлении (при больших диаметрах).
Высокая надежность и долговечность при правильной эксплуатации и смазке.
Способность воспринимать ударные и переменные нагрузки.

Недостатки:

Высокие потери на трение при пуске, останове и работе в режиме граничной смазки.
Необходимость в сложной, дорогостоящей системе принудительной смазки.
Повышенные требования к чистоте и качеству смазочного материала.
Большие осевые габариты (особенно для сегментных упорных подшипников).
Чувствительность к нарушениям режимов смазки (риск схватывания и аварии).

Области применения в энергетике

Паровые и газовые турбины: Опоры и упорные подшипники роторов высокого, среднего и низкого давления. Сегментные упорные подшипники воспринимают огромные осевые усилия от перепада давления на рабочих лопатках.
Турбогенераторы и гидрогенераторы: Опорные подшипники ротора генератора. Часто используются подшипники с верхним разъемом для удобства монтажа.
Циркуляционные и питательные насосы АЭС и ТЭС: Опоры валов мощных вертикальных и горизонтальных насосов.
Приводы механизмов собственных нужд электростанций: В тяжелонагруженных редукторах, мельничных вентиляторах.
Ветроэнергетические установки (крупные): В главном редукторе и опорах гондолы.

Монтаж, эксплуатация и диагностика

Правильный монтаж определяет ресурс подшипника. Ключевые этапы: проверка геометрии посадочных мест, установка вкладышей с контролем натяга/зазора, центровка агрегата, промывка масляной системы. В процессе эксплуатации ведется постоянный мониторинг:

Температура: Контроль термопарами или термометрами сопротивления, встроенными в тело вкладыша. Превышение допустимой температуры (обычно 85-95°C) — аварийный сигнал.
Вибрация: Контроль виброскорости и виброперемещения опор. Резкий рост вибрации может указывать на износ, нарушение масляного клина или потерю устойчивости ротора.
Анализ масла: Регулярный отбор проб для определения содержания продуктов износа (спектральный анализ), наличия воды, изменения вязкости.
Визуальный контроль: При ремонтах — осмотр баббитового слоя на предмет отслоений, трещин, выкрашивания, задиров.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем радиально-упорный подшипник скольжения принципиально отличается от комбинации радиального и упорного подшипников?

Радиально-упорный подшипник — это единая конструктивная ячейка, в которой одна рабочая поверхность или тесно интегрированные поверхности одновременно воспринимают оба вида нагрузки. Это обеспечивает более компактную и жесткую конструкцию, часто с лучшими возможностями самоустановки. Раздельная установка независимых подшипников дает большую свободу при компоновке и ремонте, но требует более точной осевой фиксации вала и может занимать больше места.

Почему в турбогенераторах почти всегда используются подшипники скольжения, а не качения?

Основные причины: 1) Демпфирование: Масляный слой в подшипнике скольжения эффективно гасит вибрации гибкого ротора, предотвращая развитие неустойчивости. 2) Несущая способность: При больших диаметрах валов (более 200-300 мм) и высоких окружных скоростях подшипники качения теряют преимущество, а подшипники скольжения работают устойчиво. 3) Долговечность: В установившемся режиме жидкостного трения износ практически отсутствует. 4) Ремонтопригодность: Замена вкладыша или перезаливка баббита быстрее и дешевле замены крупногабаритного подшипника качения.

Как выбирается материал вкладыша для конкретных условий?

Выбор основан на удельной нагрузке (p), скорости скольжения (v) и произведении p*v. Баббиты (Б83) применяют при высоких скоростях и умеренных нагрузках, они обладают великолепной прирабатываемостью и антифрикционными свойствами, но низкой температурой плавления. Бронзы и более твердые сплавы используют при повышенных ударных нагрузках и в агрессивных средах, но они требуют высокой твердости и чистоты поверхности вала. Для самых тяжелых режимов (например, пусковые режимы турбин) могут применяться комбинированные покрытия.

Что такое «масляный клин» и почему он может разрушиться?

Масляный клин — это область сходящегося зазора между валом и вкладышем, где поток смазки создает давление, достаточное для разделения поверхностей. Разрушение (схлопывание) клина ведет к переходу в режим граничного или сухого трения. Причины: 1) Падение давления или расхода масла в системе. 2) Превышение расчетной нагрузки на подшипник. 3) Снижение вязкости масла из-за перегрева или неправильного выбора марки. 4) Попадание в зазор абразивных частиц или воды. 5) Недостаточная скорость вращения (при пуске/останове).

Каковы признаки износа или повреждения радиально-упорного подшипника скольжения?

Рост температуры выше рабочей нормы на конкретной опоре.
Повышение уровня вибрации, особенно на частоте, кратной частоте вращения.
Падение давления масла на выходе из подшипника (если есть такой контроль).
Появление в масле повышенного содержания металлов (олово, свинец, медь — в зависимости от материала вкладыша), выявляемое анализом.
Шумы, стуки при работе (в критических случаях).

Как осуществляется защита подшипников при аварийном отказе системы смазки?

Для защиты применяются многоуровневые системы: 1) Резервные маслонасосы (AC и DC), автоматически включающиеся при падении давления. 2) Маслонапорные баки (верхние аккумуляторы), обеспечивающие подачу масла самотеком на несколько минут для безопасного останова. 3) Аварийные сигнализации и автоматические остановы агрегата по критическому падению давления или росту температуры подшипников. 4) В особо ответственных случаях — гидростатические подшипники с независимым источником высокого давления.

Заключение

Радиально-упорные подшипники скольжения остаются незаменимым конструктивным элементом в силовой энергетике, где требуются высочайшая надежность, способность выдерживать экстремальные нагрузки и эффективное демпфирование колебаний роторных систем. Их эффективная работа является результатом точного расчета, качественного изготовления, применения специальных материалов и безупречного обслуживания сложных систем смазки. Понимание принципов их функционирования, особенностей конструкции и эксплуатационных ограничений является обязательным для инженерно-технического персонала, отвечающего за проектирование, ремонт и эксплуатацию турбомашин и тяжелого электромеханического оборудования.

Подшипники радиально-упорные скольжения