Подшипники скольжения сферические
Подшипники скольжения сферические: конструкция, материалы, применение и расчет
Сферический подшипник скольжения (самоустанавливающийся подшипник скольжения, шаровой подшипник скольжения) – это тип опоры, предназначенный для восприятия радиальных, осевых и комбинированных нагрузок, допускающий значительные углы перекоса (до ±3°…±10° и более) между валом и корпусом. Его ключевая особенность – способность к самоустановке, компенсирующая неточности монтажа, изгибы вала под нагрузкой и тепловые деформации. Это делает его незаменимым элементом в тяжелом энергетическом машиностроении.
Конструктивные особенности и принцип действия
Базовая конструкция сферического подшипника скольжения включает три основных элемента:
- Наружное кольцо (корпусная обойма). Имеет сферическую внутреннюю поверхность. Часто выполняется с разъемом для упрощения монтажа и обслуживания. Устанавливается в корпус агрегата (редуктор, турбина, насос).
- Внутреннее кольцо (вкладыш, втулка). Имеет сферическую наружную поверхность, сопрягаемую с обоймой, и цилиндрическое отверстие, работающее в паре с цапфой вала. Изготавливается из антифрикционного материала, часто с нанесением слоя баббита.
- Система смазки. Обязательный элемент, обеспечивающий режим жидкостного трения. Включает каналы и карманы для подвода смазочного материала под давлением в зону контакта между валом и вкладышем, а также между сферическими поверхностями.
- Радиально-упорные. Воспринимают преимущественно радиальную и ограниченную осевую нагрузку в одном направлении. Имеют бурт на внутреннем кольце или упорные колодки.
- Сферические самоустанавливающиеся опоры. Комбинированные опоры, способные воспринимать радиальную, осевую и моментную нагрузки за счет сферической опорной поверхности.
- Цельные (неразъемные). Проще в изготовлении, но сложнее в монтаже.
- С гидродинамической смазкой. Масляный клин создается за счет вращения вала. Требуют постоянной подачи масла.
- С принудительной подачей под давлением. Стандарт для мощных турбоагрегатов и генераторов. Давление масла (часто 0.3-1.5 МПа) необходимо для подъема вала при пуске и создания устойчивого масляного клина.
- С комбинированной смазкой. Сочетание гидродинамического эффекта и принудительной подачи.
- Удельное давление (p): p = P/(d*L), где P – радиальная нагрузка [Н], d – диаметр цапфы [мм], L – рабочая длина вкладыша [мм]. Значение сравнивается с допустимым для выбранного материала.
- Скорость скольжения (v): v = πdn/60, где n – частота вращения [об/мин]. Влияет на режим трения и тепловыделение.
- Произведение p*v: Критерий, характеризующий работу подшипника. Ограничивает тепловую напряженность.
- Относительный зазор (ψ): ψ = (D – d)/d, где D – диаметр отверстия вкладыша. Определяет несущую способность масляного слоя и устойчивость против вибраций. Для энергетических машин обычно 0.001-0.002.
- Число (критерий) Sommerfeld (So): Безразмерный комплекс, ключевой для гидродинамического расчета: So = (p ψ²)/(η ω), где η – динамическая вязкость масла, ω – угловая скорость. Определяет положение вала в подшипнике и толщину масляного слоя (h_min).
- Паровые и газовые турбины: Опоры роторов высокого, среднего и низкого давления. Работают в условиях высоких температур, больших масс и скоростей.
- Турбогенераторы и гидрогенераторы: Основные и упорные подшипники. Критически важны для позиционирования ротора и восприятия магнитных сил.
- Насосное оборудование (питательные, циркуляционные насосы): Опоры для длинных валов, компенсируют прогибы и перекосы.
- Редукторы и мультипликаторы мощностью свыше 1 МВт: Выходные валы, воспринимающие значительные радиальные и осевые усилия.
- Вращающиеся преобразователи частоты, двигатели крупных прокатных станов.
- Непрерывный мониторинг температуры подшипника (термопарой или термосопротивлением). Аварийный сигнал при 90-100°C.
- Контроль вибрации опор. Рост вибрации может указывать на износ, нарушение масляного клина или дефекты поверхности.
- Анализ масла на наличие продуктов износа (феррография, спектральный анализ).
- Визуальный осмотр при ремонтах: проверка на наличие задиров, отслоения баббита, усталостных трещин, равномерности износа.
Принцип работы основан на образовании масляного клина в зазорах: между валом и внутренним отверстием вкладыша (основная рабочая пара) и между сферическими поверхностями вкладыша и обоймы (пара самоустановки). При перекосе вала вкладыш поворачивается внутри обоймы, сохраняя параллельность своей оси оси вала, что обеспечивает равномерное распределение нагрузки и стабильный гидродинамический режим.
Классификация и типы
Сферические подшипники скольжения классифицируются по нескольким ключевым признакам:
1. По типу нагрузки
2. По конструкции вкладыша
Разъемные (состоящие из двух или более сегментов). Наиболее распространены в энергетике для валов крупных диаметров (свыше 150 мм). Позволяют производить замену без демонтажа ротора или вала.
3. По системе смазки
Материалы, используемые в изготовлении
Выбор материалов определяет надежность, долговечность и несущую способность подшипника.
| Элемент подшипника | Материал | Характеристики и применение |
|---|---|---|
| Рабочий слой вкладыша (заливка) | Баббит на оловянной (Б83, Б88) или свинцовой (Б16, БН) основе | Высокие антифрикционные свойства, прирабатываемость, стойкость к заеданию. Б83 – эталон для высокооборотных машин. Для тяжелонагруженных опор – свинцовые баббиты. |
| Бронза (БрА9Ж3Л, БрО10Ф1) | Для средних и высоких нагрузок, повышенных температур. Меньшая прирабатываемость, требует качественной смазки. | |
| Трехслойные вкладыши (сталь-бронза-баббит) | Компромисс прочности и антифрикционности. Стальная основа обеспечивает механическую прочность, бронза – дисперсию тепла, баббит – рабочий слой. | |
| Основа (корпус) вкладыша и наружная обойма | Углеродистая или легированная сталь (Сталь 45, 40Х, 35Л, 20ХН3А) | Обеспечивает необходимую прочность и жесткость конструкции. Подвергается улучшающей термообработке. |
| Поверхность цапфы вала | Закаленная сталь (40Х, 38Х2МЮА), часто с упрочнением (азотирование, ТВЧ) | Твердость поверхности цапфы должна быть существенно выше твердости материала вкладыша (HB цапфы > HB вкладыша в 1.5-2 раза). |
Ключевые параметры и расчет
Проектирование сферического подшипника скольжения – инженерная задача, требующая учета множества факторов.
Основные расчетные параметры:
Таблица: Ориентировочные допускаемые значения для подшипников турбомашин
| Параметр | Диапазон значений для баббитовых подшипников | Примечание |
|---|---|---|
| Удельное давление, p [МПа] | 1.5 – 4.0 | Для Б83 до 2.5 МПа, для свинцовых баббитов до 4.0 МПа. |
| Скорость скольжения, v [м/с] | до 60-100 | Ограничивается нагревом и центробежными силами. |
| Произведение pv [МПам/с] | до 50-80 | Критерий тепловой нагруженности. |
| Минимальная толщина масляного слоя, h_min [мкм] | > (1.5-2)*(Rz1 + Rz2) | Rz1, Rz2 – шероховатость цапфы и вкладыша. Обычно h_min > 20-50 мкм. |
Области применения в энергетике
Монтаж, эксплуатация и диагностика
Правильный монтаж определяет ресурс подшипника. Основные этапы: проверка чистоты и геометрии посадочных мест, установка обоймы в корпус с натягом, центровка вала, установка вкладыша с контролем зазоров (верхнего, боковых, осевого). Пуск агрегата осуществляется только при наличии давления в системе смазки.
Эксплуатационный контроль включает:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем сферический подшипник скольжения принципиально отличается от шарикового или роликового сферического подшипника?
Это принципиально разные типы опор. Катковые/шариковые подшипники работают в режиме упругого контактного трения качения, имеют ограниченную несущую способность на высоких скоростях и чувствительны к перекосам, которые для них компенсируются лишь в пределах 1.5-3°. Сферический подшипник скольжения работает в режиме гидродинамического трения, где вал «всплывает» на масляной пленке. Он обладает гораздо большей демпфирующей способностью, выдерживает экстремальные нагрузки и скорости, а угол самоустановки у него на порядок выше.
Как определить оптимальный зазор в подшипнике скольжения?
Оптимальный зазор – компромисс. Слишком малый зазор ведет к перегреву и риску схватывания при тепловом расширении. Слишком большой – снижает несущую способность масляного клина и может привести к возникновению вибраций (масляное возбучение ротора). Он рассчитывается на основе диаметра цапфы, скорости, нагрузки и вязкости масла. Эмпирическая формула для ориентировки: рабочий зазор ≈ (0.001…0.002)*d. Точные значения указываются в паспорте агрегата и должны строго соблюдаться.
Почему в мощных турбинах почти всегда используют баббит Б83, а не более прочные материалы?
Баббит Б83 (оловянный) обладает уникальным сочетанием свойств: отличная прирабатываемость, высокие антифрикционные свойства, стойкость к заеданию, хорошая теплопроводность и неспособность повредить цапфу вала при кратковременном нарушении смазки. Его главный недостаток – сравнительно низкая усталостная прочность – компенсируется корректным расчетом давления и системы охлаждения. В критически важных узлах надежность и безопасность (предотвращение катастрофического разрушения) приоритетнее максимальной нагрузочной способности.
Что такое «масляное возбуждение» и как его предотвращают в сферических подшипниках?
Масляное возбуждение – это самовозбуждающиеся колебания ротора, вызванные гидродинамическими силами в масляном слое подшипника. Для предотвращения в конструкцию вводят специальные меры: использование подшипников со смещенными (эллиптическими, трех- или многолепестковыми) сегментами, которые создают несимметричное давление в зазоре и демпфируют колебания. Также применяют регулируемые системы подачи масла и тщательный расчет динамики ротора.
Какой ресурс у сферического подшипника скольжения в турбогенераторе и от чего он зависит?
Номинальный ресурс при правильной эксплуатации может превышать 200 000 часов. Фактический ресурс определяется качеством смазки (чистота, сохранение свойств), стабильностью работы системы смазки (отсутствие перебоев давления), уровнем вибраций агрегата, корректностью монтажных зазоров и термическими режимами. Основная причина выхода из строя – усталостное отслоение баббита из-за циклических нагрузок и вибраций, реже – абразивный износ при загрязнении масла.
Заключение
Сферические подшипники скольжения являются высокотехнологичными, критически важными узлами в энергетическом оборудовании. Их надежная работа обеспечивается точным инженерным расчетом, правильным выбором материалов, качественным изготовлением и строгим соблюдением регламентов монтажа и эксплуатации. Понимание их конструкции, принципов работы и особенностей диагностики позволяет специалистам обеспечивать длительную и безотказную работу турбин, генераторов и другого ответственного оборудования, что напрямую влияет на стабильность энергосистем.