Подшипники с эксцентриком: конструкция, принцип действия и применение в электротехническом оборудовании
Подшипник с эксцентриком (эксцентриковый подшипник) — это специализированный узел, объединяющий функции стандартного подшипника качения и механизма для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное или для создания регулируемого радиального смещения вала. Конструктивной особенностью является наличие эксцентриковой втулки (наружного кольца с внешней поверхностью, ось которой смещена относительно оси внутреннего отверстия) или эксцентрикового вала. Данный тип подшипников находит критически важное применение в различных механизмах электротехнического и энергетического оборудования, где требуется точная регулировка, натяжение или создание вибрации.
Конструкция и основные типы
Конструктивно подшипники с эксцентриком делятся на два основных типа, различающихся расположением эксцентрика.
1. Подшипники с эксцентриковой наружной обоймой
Наиболее распространенный тип. Внешняя цилиндрическая поверхность наружного кольца подшипника имеет ось, смещенную относительно оси его внутреннего бегового дорожки, где расположены тела качения. Подшипник монтируется в стандартное посадочное отверстие корпуса. При проворачивании наружного кольца с помощью предусмотренных штифтов, отверстий или пазов, центр вращения внутреннего кольца (и, следовательно, вала) смещается на величину эксцентриситета (e). Это позволяет регулировать межосевое расстояние в передачах, натяжение цепей или ремней.
- Основа: Чаще всего используются шариковые радиальные подшипники (например, серия 1200-E или аналогичные от различных производителей) как наиболее универсальные и недорогие.
- Крепление: Для фиксации наружного кольца после регулировки применяются стопорные винты, штифты или специальные прижимные пластины.
- Эксцентриситет: Стандартные значения эксцентриситета обычно лежат в диапазоне от 0.2 до 3 мм, в зависимости от типоразмера.
- Материалы колец и тел качения: Высокоуглеродистая хромистая сталь (например, SUJ2), часто с упрочняющей термообработкой.
- Сепараторы: Сталь, латунь или полиамиды (PA66, PEEK) в зависимости от скорости и условий работы.
- Защита: Стандартные уплотнения (контактные типа 2RS или низкофрикционные неконтактные типа 2Z). В вибрационных установках критически важна защита от вытекания смазки, поэтому часто применяются многоступенчатые лабиринтные уплотнения в комбинации с резиновыми кольцами.
- Смазка: Предварительно заложенная высокотемпературная пластичная смазка на основе литиевого или комплексного мыла. Для тяжелых условий возможна смазка консистентной смазкой с дисульфидом молибдена.
- Для регулировочных подшипников: максимальное смещение вала равно удвоенному эксцентриситету (2e). Регулировка осуществляется поворотом наружного кольца.
- Для приводных подшипников в вибрационных механизмах: амплитуда вибрации (радиальный ход) равна эксцентриситету (e). Центробежная сила (возмущающая сила) рассчитывается по формуле: F = m ω² e, где m – масса эксцентрикового узла, ω – угловая скорость, e – эксцентриситет.
- Вентиляторы и дутьевые механизмы котельных агрегатов.
- Приводы шино- и ленточных конвейеров топливоподачи на ТЭС.
- Механизмы перемещения и регулировки в оборудовании для обслуживания воздушных линий электропередачи.
- Вибродвигатели (дебалансные вибраторы): Устанавливаются на вибростолы, вибросита, виброконвейеры, уплотнители бетона, грохоты. Широко используются на предприятиях по производству железобетонных изделий для энергетического строительства (опоры ЛЭП, фундаменты).
- Виброуплотнение грунта и сыпучих материалов при строительстве фундаментов энергообъектов.
- Виброотделение и транспортировка золы и шлака на угольных электростанциях.
- Тип нагрузки и величина: Радиальная, осевая, комбинированная. Расчет по динамической (C) и статической (C0) грузоподъемности.
- Величина необходимого регулировочного смещения или амплитуды вибрации: Определяет требуемый эксцентриситет (e).
- Частота вращения: Ограничивается допустимой скоростью для конкретного типа и размера подшипника.
- Условия эксплуатации: Температура, наличие абразивной пыли, влаги, агрессивных сред. Диктует выбор материала, типа уплотнения и смазки.
- Способ фиксации: Наличие и расположение отверстий под штифт, пазов для стопорения.
- Перед установкой необходимо убедиться в чистоте посадочных мест и самого подшипника.
- Запрещается ударная запрессовка по кольцам подшипника. Монтаж должен осуществляться с помощью специальных оправок, оказывающих давление на монтируемое кольцо (наружное для регулировочного типа).
- После установки и регулировки стопорные элементы (винты, штифты) должны быть надежно затянуты и законтрены для предотвращения самопроизвольного проворачивания.
- В вибрационных применениях обязательна периодическая проверка момента затяжки всех крепежных элементов (фундаментных болтов, гаек вала) и состояние подшипников по уровню вибрации и шума.
- Смазка, как правило, закладывается на весь срок службы (L10), но в тяжелых условиях требуется периодическое пополнение через пресс-масленки (если они предусмотрены конструкцией).
- Усталостное выкрашивание (питтинг) рабочих поверхностей из-за циклических нагрузок. Нормальный вид отказа при достижении расчетного ресурса L10.
- Абразивный износ из-за попадания твердых частиц через неэффективные уплотнения.
- Пластическая деформация дорожек качения от чрезмерных статических или ударных нагрузок.
- Высыхание или старение смазки, приводящее к увеличению трения, перегреву и заклиниванию.
- Ослабление крепления стопорных элементов, ведущее к проворачиванию наружного кольца и нарушению регулировки или дисбалансу.
- Регулярно проверять и подтягивать все резьбовые соединения (фундаментные болты, гайки вала, стопорные винты).
- Контролировать уровень и спектр вибрации узла в процессе эксплуатации.
- Соблюдать межремонтные интервалы по замене подшипникового узла в сборе, рекомендованные производителем оборудования.
2. Подшипники с эксцентриковым валом (эксцентриковые втулки)
В данной конструкции эксцентриковая часть выполнена на валу или представляет собой отдельную втулку, устанавливаемую на вал. Сам подшипник (чаще игольчатый или роликовый) монтируется на эксцентриковую поверхность. При вращении вала центр наружного кольца подшипника совершает круговое движение, что используется для привода плунжеров, штанг или создания вибрации в виброоборудовании. Это ключевой элемент вибрационных двигателей и механизмов.
Материалы и защита
Для обеспечения долговечности в условиях переменных нагрузок и возможного загрязнения применяются:
Принцип действия и ключевые расчетные параметры
Принцип действия основан на геометрии эксцентрика. Величина радиального смещения (хода) определяется эксцентриситетом (e) – расстоянием между геометрической осью внутренней части подшипника и осью его внешней посадочной поверхности.
| Обозначение | Внутренний диаметр, d (мм) | Наружный диаметр, D (мм) | Ширина, B (мм) | Эксцентриситет, e (мм), ном. | Динамическая грузоподъемность, C (кН) | Статическая грузоподъемность, C0 (кН) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1205-E | 25 | 52 | 15 | 0.3 ±0.05 | 10.2 | 5.1 |
| 1207-E | 35 | 72 | 17 | 0.5 ±0.1 | 19.5 | 11.2 |
| 1209-E | 45 | 85 | 19 | 0.5 ±0.1 | 24.5 | 15.0 |
| 1211-E | 55 | 100 | 21 | 0.8 ±0.15 | 33.2 | 21.0 |
Области применения в электроэнергетике и смежных отраслях
1. Регулировка натяжения в приводных механизмах
Использование в натяжных устройствах для ремней, цепей и тросов в системах вспомогательного привода:
Преимущество: плавная и точная регулировка без необходимости перемещения всего двигателя или редуктора.
2. Вибрационные двигатели и механизмы
Это основная сфера применения подшипников с эксцентриковым валом. Они являются сердцем:
Здесь к подшипникам предъявляются экстремальные требования по ударным и циклическим нагрузкам.
3. Прецизионные регулировки в коммутационной аппаратуре
В высоковольтных выключателях и разъединителях могут применяться для точной юстировки положения контактов или механических linkages, обеспечивая необходимое нажатие и синхронность срабатывания полюсов.
4. Насосное оборудование
Эксцентриковые подшипники используются в конструкции некоторых типов поршневых и плунжерных насосов для систем гидроуправления, смазки и охлаждения турбогенераторов.
Критерии выбора и особенности монтажа
Выбор подшипника с эксцентриком определяется следующими параметрами:
Особенности монтажа и эксплуатации:
| Тип подшипника | Тип эксцентрика | Основные преимущества | Недостатки / Ограничения | Типичные применения |
|---|---|---|---|---|
| Шариковый радиальный | Наружная обойма | Универсальность, низкое трение, умеренная стоимость, способность воспринимать небольшие осевые нагрузки. | Ограниченная радиальная грузоподъемность по сравнению с роликовыми, чувствительность к ударным нагрузкам. | Регулировочные узлы в приводах средней мощности, натяжные устройства. |
| Цилиндрический роликовый | Наружная обойма или вал | Высокая радиальная грузоподъемность, жесткость, допустимость высоких скоростей. | Не воспринимает осевые нагрузки, более высокая стоимость. | Регулировочные узлы в мощных редукторах, тяжелых конвейерах. |
| Игольчатый роликовый | Вал (эксцентриковая втулка) | Максимальная грузоподъемность при минимальных радиальных габаритах. | Требует высокоточного монтажа, чувствителен к перекосам. | Компактные вибродвигатели, кривошипно-шатунные механизмы. |
| Сферический роликовый | Вал | Высокая грузоподъемность, допуск на misalignment (перекосы), стойкость к ударным нагрузкам. | Большие габариты и масса, ограничение по максимальной скорости. | Крупные вибрационные установки для тяжелой промышленности (грохоты, питатели). |
Диагностика неисправностей и срок службы
Основные причины выхода из строя эксцентриковых подшипников, особенно в вибрационных применениях:
Диагностика осуществляется путем мониторинга виброакустических характеристик (рост уровня вибрации на характерных частотах), контроля температуры корпуса узла и визуального контроля состояния смазки (при возможности).
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем подшипник с эксцентриком принципиально отличается от обычного подшипника качения?
Обычный подшипник качения предназначен исключительно для поддержания вала с минимальным сопротивлением вращению. Подшипник с эксцентриком, благодаря смещению геометрических осей, является также механизмом, создающим строго определенное радиальное смещение или позволяющим его регулировать. Он выполняет две функции: опорную и преобразователя движения/регулировки.
Как правильно ориентировать подшипник с эксцентриковой наружной обоймой при регулировке?
Для регулировки необходимо ослабить стопорный элемент. Затем, используя отверстия или пазы на торце наружного кольца, проворачивать его с помощью подходящего инструмента (штифта, ключа). При этом внутреннее кольцо и вал будут смещаться в радиальном направлении. Направление и величина смещения определяются начальным положением эксцентрика. После достижения требуемого положения (например, нужного натяжения ремня) стопорный элемент должен быть надежно зафиксирован.
Можно ли заменить подшипник с эксцентриком на два стандартных подшипника и отдельный эксцентриковый узел?
Теоретически возможно, но такая замена приведет к усложнению конструкции, увеличению габаритов и массы узла, снижению жесткости и точности. Фирменный эксцентриковый подшипник представляет собой оптимизированное, компактное и готовое к установке решение, прошедшее соответствующие испытания на балансировку и нагрузку.
Почему подшипники в вибродвигателях выходят из строя чаще, чем в обычных электродвигателях?
Подшипники в вибродвигателях работают в экстремальных условиях: постоянные знакопеременные ударные нагрузки от центробежной силы дебаланса, высокие циклические напряжения, повышенные требования к балансировке ротора. Даже незначительный дисбаланс или износ резко увеличивают динамические нагрузки. Кроме того, постоянная вибрация может приводить к самоотвинчиванию крепежа и нарушению посадочных натягов.
Как выбрать эксцентриситет для вибродвигателя?
Эксцентриситет (радиус дебаланса) выбирается исходя из требуемой амплитуды вибрации и возмущающей силы. Чем больше эксцентриситет и масса дебаланса, тем больше амплитуда и сила при той же частоте вращения. Выбор является компромиссом между желаемыми вибрационными параметрами, допустимыми нагрузками на подшипники и габаритами механизма. Расчеты должны проводиться на этапе проектирования оборудования.
Требуют ли подшипники с эксцентриком специального обслуживания?
Да, особенно в ответственных и тяжелых применениях. Помимо стандартных процедур (контроль состояния смазки, уплотнений), необходимо:
Пренебрежение этими процедурами значительно увеличивает риск внезапного отказа.
Заключение
Подшипники с эксцентриком представляют собой высокоспециализированный и критически важный класс опорно-преобразовательных узлов. Их корректный выбор, основанный на точном расчете нагрузок, эксцентриситета и условий работы, а также строгое соблюдение правил монтажа и эксплуатационного обслуживания являются залогом надежной и долговечной работы широкого спектра электротехнического и энергетического оборудования – от систем натяжения приводов до мощных вибрационных установок. Понимание их конструкции и принципа действия позволяет инженерно-техническому персоналу эффективно решать задачи модернизации, ремонта и диагностики.