Подшипники сферические самоустанавливающиеся
Подшипники сферические самоустанавливающиеся: конструкция, типы, применение и монтаж
Сферические самоустанавливающиеся подшипники (сферические подшипники скольжения или сферические шарниры) представляют собой класс опорных узлов, предназначенных для передачи и восприятия значительных радиальных и осевых нагрузок, а также моментов в условиях существенного перекоса валов или монтажных поверхностей. Их ключевая особенность — способность к самоустановке (самоуравниванию), которая компенсирует несоосность, прогибы валов, деформации корпусов и ошибки монтажа, достигающие нескольких градусов. Это делает их незаменимыми в тяжелом энергетическом оборудовании, где подобные отклонения являются нормой, а не исключением.
Принцип действия и конструктивные особенности
Основу конструкции составляет сферическая рабочая поверхность, по которой происходит относительное скольжение. Эта поверхность формирует шарнирное соединение, позволяющее внутреннему кольцу (или цапфе) свободно отклоняться относительно внешнего кольца. Рабочая пара трения может быть представлена в различных комбинациях материалов, определяющих эксплуатационные характеристики узла.
- Металл-металл: Классическое исполнение, обычно сталь по стали. Требует постоянной смазки и предназначено для медленных колебательных или поворотных движений. Отличается высокой грузоподъемностью и стойкостью к ударным нагрузкам.
- Металл-полимер: Наиболее распространенный вариант в современной энергетике. На внутреннюю сферическую поверхность внешнего кольца наносится слой полимерного материала (например, PTFE-композита или другого термопласта). Такая конструкция часто работает в режиме граничной смазки или вовсе без смазки, обладает низким коэффициентом трения, стойкостью к заеданию и способностью работать в условиях загрязнения.
- Сельскохозяйственное исполнение: Отличается наличием уплотнений и каналов для подачи консистентной смазки, что позволяет работать в условиях высокой запыленности и влажности.
- Гидрогенераторы и гидротурбины: Используются в опорах направляющего аппарата, лопаток, сервомоторах и системах регулирования. Компенсируют перекосы, вызванные огромными массами и водяным напором.
- Силовые трансформаторы: Применяются в узлах регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) — в механизмах переключения ответвлений обмоток, где необходима точная и надежная передача усилия с компенсацией возможных смещений.
- Электрические машины крупных габаритов: В опорах валов генераторов и мощных электродвигателей для компенсации прогибов и термических расширений.
- Опоры воздушных линий электропередачи (ЛЭП) и токопроводов: В подвесных и опорных изоляторах, шарнирных соединениях гибких шин для обеспечения свободного перемещения при тепловом расширении и ветровых нагрузках.
- Приводы задвижек и запорной арматуры: Обеспечивают передачу крутящего момента на затвор в условиях возможной несоосности между приводом и шпинделем.
- Нагрузка: Максимальная радиальная (Fr) и осевая (Fa) нагрузка, характер нагрузки (статическая, динамическая, ударная).
- Угол перекоса (α): Максимальный ожидаемый угол между осями внутреннего и внешнего колец в процессе работы. Запас по углу должен быть не менее 20-30%.
- Частота и угол колебаний: Для колебательных движений критичен расчет удельного давления и скорости скольжения. Используется формула pv ≤ [pv], где p — удельное давление, v — скорость скольжения, [p*v] — допустимое значение для пары материалов.
- Температурный диапазон: Определяет пригодность материалов (особенно полимерного вкладыша) и типа смазки.
- Среда: Наличие абразивной пыли, влаги, химически агрессивных веществ диктует требования к уплотнениям и материалу.
- Перед установкой проверить чистоту посадочных мест, отсутствие забоин и заусенцев.
- Запрещается ударная запрессовка по внешнему или внутреннему кольцу. Нагрузка должна передаваться только через опорные поверхности (например, через переходную втулку).
- Для подшипников скольжения с полимерным вкладышем категорически запрещается нагрев индукционным методом или открытым пламенем.
- При установке необходимо обеспечить свободное самоустанавливание. Жесткое крепление, создающее дополнительные изгибающие моменты, недопустимо.
- Для смазываемых подшипников необходимо использовать только рекомендованные производителем сорта смазки и соблюдать регламент обслуживания.
- Контроль состояния в эксплуатации включает визуальный осмотр, проверку на наличие люфтов, посторонних шумов и повышенного трения.
- Удельного давления (p = F/A, где F — нагрузка, A — проекция площади контакта).
- Скорости скольжения и характера движения (непрерывное вращение, колебания).
- Коэффициента трения и условий смазки.
- Температуры и чистоты рабочей среды.
- Увеличение люфта и стук: Признак чрезмерного износа сферической поверхности.
- Заедание, резкое увеличение момента вращения: Может быть вызвано отсутствием смазки, загрязнением, коррозией, повреждением полимерного слоя или превышением угла перекоса.
- Посторонний шум (скрежет, визг): Указывает на сухое трение, попадание абразива или разрушение вкладыша.
- Видимая коррозия или трещины: Результат воздействия агрессивной среды, кавитации или усталости материала.
Классификация и типы сферических подшипников
Подшипники классифицируются по нескольким ключевым признакам: типу нагрузки, конструкции, наличию смазочных каналов и материалу вкладыша.
Таблица 1: Классификация по типу воспринимаемой нагрузки
| Тип подшипника | Нагрузка | Конструктивная особенность | Типовое применение |
|---|---|---|---|
| Радиальные | Преимущественно радиальная, допускается осевая до 10-15% от динамической радиальной грузоподъемности. | Сферическая поверхность на внешнем кольце, цилиндрическое отверстие во внутреннем. | Опоры валов, шарнирные соединения штоков. |
| Радиально-упорные | Комбинированная (радиальная и односторонняя осевая). | Наличие бурта или упорного кольца на внешнем или внутреннем кольце. | Опоры с фиксированием положения вала в осевом направлении. |
| Упорные | Преимущественно осевая. | Сферическая поверхность в опорном узле, воспринимающая осевое усилие. | Опора поворотных узлов, например, в гидротурбинах. |
Таблица 2: Классификация по конструкции и смазке
| Тип | Смазка | Материал скольжения | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|---|
| Регулярно смазываемые (с каналом и пресс-масленкой) | Периодическая, консистентная смазка. | Сталь/сталь, сталь/бронза. | Высокая долговечность при правильном обслуживании, стойкость к пиковым нагрузкам. | Требует техобслуживания, чувствителен к потере смазки. |
| С самосмазывающимся полимерным вкладышем | Не требуют смазки или требуют ее крайне редко. | Сталь/PTFE-композит, сталь/термопласт. | Минимальное обслуживание, стойкость к вибрации и заеданию, работа в агрессивных средах. | Ограниченная температурная стойкость (обычно до +150…+200°C), ограничения по ударным нагрузкам. |
| С тефлоновым покрытием | Не требуют смазки. | Сталь с покрытием PTFE/хромированная сталь. | Очень низкий коэффициент трения, коррозионная стойкость. | Покрытие подвержено износу и может быть повреждено при монтаже. |
Применение в энергетической отрасли
Сферические подшипники являются критически важными компонентами в следующих типах энергетического оборудования:
Критерии выбора и расчет
Выбор сферического подшипника осуществляется на основе комплексного анализа рабочих условий. Ключевые параметры для расчета и подбора:
Монтаж, эксплуатация и обслуживание
Правильный монтаж определяет долговечность и надежность узла. Основные правила:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем сферический самоустанавливающийся подшипник принципиально отличается от шарикового или роликового подшипника?
Шариковые и роликовые подшипники качения рассчитаны на работу при минимальных перекосах (обычно до 0,05°-0,15°). При превышении этого угла в них возникают краевые нагрузки, ведущие к катастрофическому износу. Сферический подшипник скольжения изначально рассчитан на работу с перекосом (до 3°-10° и более), используя его как функциональную особенность. Он работает на принципе скольжения, а не качения.
Когда выбирать смазываемый, а когда самосмазывающийся вариант?
Выбор зависит от условий эксплуатации и требований к обслуживанию. Смазываемый (металлический) вариант выбирают для тяжелонагруженных узлов с медленными, но значительными по амплитуде движениями, где возможны ударные нагрузки и где организовано регулярное техническое обслуживание (ТО). Самосмазывающийся (полимерный вкладыш) вариант предпочтителен для труднодоступных узлов, где ТО затруднено или невозможно, для оборудования с частыми малыми колебаниями (вибрациями), а также в условиях, где утечка смазки недопустима (пищевая, фармацевтическая промышленность, некоторые зоны электростанций).
Как правильно рассчитать ресурс сферического подшипника скольжения?
Для подшипников скольжения понятие «номинальный срок службы в миллионах оборотов», как для подшипников качения, не применяется. Ресурс определяется износом рабочей пары трения. Он зависит от:
Ресурс часто оценивают по величине допустимого износа (например, в мм), после которого нарушается работоспособность механизма. Производители предоставляют графики и номограммы зависимости износа от p*v фактора для своих материалов.
Можно ли заменить смазываемый подшипник на самосмазывающийся в существующей конструкции?
Такую замену в принципе можно рассмотреть, но она требует тщательного пересчета. Самосмазывающиеся полимерные вкладыши обычно имеют более низкие допустимые значения по удельному давлению [p] и произведению [p*v]. Необходимо убедиться, что фактические рабочие p и v не превышают допустимых для нового материала. Также важно проверить температурный режим и совместимость с окружающей средой. Габаритные и присоединительные размеры, как правило, стандартизированы и взаимозаменяемы.
Каковы основные признаки выхода подшипника из строя и причины?
Основные причины отказов: неправильный подбор (занижение грузоподъемности), отсутствие смазки, эксплуатация за пределами допустимого угла перекоса, монтажные повреждения, попадание абразивных частиц.
Какой угол самоустановки считается достаточным?
Угол должен превышать расчетный или ожидаемый угол перекоса в системе не менее чем на 20-30%. Например, если вал может отклониться на ±2°, то подшипник следует выбирать с допустимым углом не менее ±2.5°. Запас необходим для компенсации погрешностей монтажа, непредвиденных деформаций и износа.