Подшипники упорные сферические скольжения: конструкция, принцип действия и применение
Упорные сферические подшипники скольжения (УСПС) представляют собой класс опорных узлов, предназначенных для восприятия значительных осевых нагрузок, действующих вдоль вала, с возможностью самоустановки при перекосах и несоосностях. Их работа основана на принципе граничной или полужидкостной смазки, что исключает необходимость в системах принудительной смазки высокого давления, характерных для гидродинамических подшипников. Основная сфера применения — тяжелое энергетическое и промышленное оборудование, где надежность и долговечность являются критическими параметрами.
Конструктивные особенности и составные элементы
Конструкция УСПС является модульной и состоит из нескольких ключевых компонентов, изготавливаемых из высокопрочных материалов с особыми антифрикционными свойствами.
- Основание (корпус, сегментоноситель): Литая или сварная стальная конструкция, являющаяся несущим элементом. Имеет сферическую посадочную поверхность для установки сегментов, что обеспечивает их самоустановку. Корпус жестко крепится к фундаментной плите.
- Упорные сегменты (башмаки): Основной рабочий элемент. Представляют собой стальные плиты, на рабочую поверхность которых наплавлен или запрессован слой антифрикционного материала (баббит на основе олова или свинца). Тыльная сторона сегмента имеет сферическую форму, сопрягаемую с корпусом. Сегменты устанавливаются по окружности с небольшим зазором между ними для обеспечения независимой самоустановки.
- Опорное кольцо (упорный диск): Закаленный стальной диск, жестко соединенный с вращающимся валом (ротором). Рабочая поверхность кольца имеет высокий класс чистоты (шлифовка, притирка). Именно о поверхность этого диска происходит скольжение баббитового слоя сегментов.
- Система смазки и охлаждения: Включает в себя масляные каналы в корпусе для подвода смазочного материала к зазору, а также систему отвода тепла. Часто используется комбинированная схема: подача масла под низким давлением для смазки и отвода тепла, а также погружение нижней части сегментов в масляную ванну.
- Системы контроля и защиты: Датчики температуры (термосопротивления), встраиваемые в тело сегментов на глубине ~1 мм от баббитового слоя, для контроля режима работы. Могут присутствовать датчики износа.
- Удельное давление (p): Отношение расчетной осевой нагрузки к общей рабочей площади баббитового слоя всех сегментов. Измеряется в МПа. Для баббита Б83 допустимое значение обычно лежит в диапазоне 2.0–4.0 МПа в установившемся режиме.
- Скорость скольжения (v): Линейная скорость на среднем радиусе упорного диска. Измеряется в м/с.
- Произведение pv: Критерий, характеризующий работу подшипника. Ограничивает тепловыделение в узле трения. Допустимое значение pv для Б83 — до 40-50 МПа·м/с.
- Температура в слое баббита: Критический параметр контроля. Превышение температуры +80…+90 °C для оловянных баббитов ведет к разупрочнению, расплавлению и выдавливанию слоя.
- Толщина баббитового слоя: Обычно составляет 2-5 мм. Имеет запас на износ (1.5-2 мм до аварийного износа).
- Зазор на сферической опоре: Обеспечивает свободу самоустановки сегмента, обычно доли миллиметра.
- Гидрогенераторы и гидротурбины: Основное применение — восприятие осевого давления воды на рабочее колесо турбины (упор подшипника) и веса вращающихся частей (направляющий подшипник, если совмещен).
- Вертикальные насосы (насосные агрегаты): Для восприятия веса ротора и осевых гидравлических сил.
- Судовые валы и винто-рулевые колонки: Восприятие упора гребного винта.
- Дробильное, обогатительное оборудование (мельницы, вращающиеся печи): Восприятие осевых составляющих от веса и технологических нагрузок.
- Смазка: Применяются специальные турбинные масла (Тп-22, Тп-30, Тп-46) с высокими антиокислительными и противоводными свойствами. Необходим постоянный контроль чистоты масла (фильтрация, сепарация).
- Пуск и останов: Критические режимы. Перед пуском необходимо убедиться в наличии масляной пленки. Для крупных агрегатов используются системы принудительного подъема масла (гидравлические домкраты) для разобщения поверхностей в момент пуска.
- Мониторинг: Непрерывный контроль температуры каждого сегмента. Анализ тенденций роста температуры позволяет прогнозировать проблемы. Контроль уровня и температуры масла в системе.
- Плановые осмотры и ремонты: Включают визуальный осмотр баббитовой поверхности на предмет трещин, отслоений, неравномерного износа. Замер остаточной толщины баббитового слоя. Проверка состояния упорного диска (риски, биение).
- Перегрев баббита: Наиболее частая причина. Вызывается недостатком или загрязнением смазки, превышением нагрузки, нарушением охлаждения.
- Задиры и отслоение баббита: Попадание абразивных частиц в масляный зазор, нарушение технологии наплавки, локальные перегревы.
- Усталостное выкрашивание баббита: Результат длительной циклической нагрузки. Проявляется в виде сетки трещин и выпадения кусочков материала.
- Деформация или износ упорного диска: Появление рисок, борозд, изменение плоскостности снижает способность к образованию масляного клина.
- Залипание сегментов на сферической опоре: Образование отложений, коррозия, что лишает сегменты возможности самоустанавливаться.
Принцип работы и режимы трения
Работа УСПС основана на создании масляного клина в зазоре между поверхностью вращающегося упорного диска и баббитовым покрытием сегмента. При вращении диска масло, обладающее адгезией к металлу, увлекается в сужающийся зазор, создавая гидродинамическое давление, достаточное для разъединения поверхностей. В установившемся режиме работы подшипник функционирует в режиме полужидкостного трения. В режимах пуска, останова или при резких изменениях нагрузки происходит переход в режим граничного трения, где нагрузку воспринимает микрорельеф баббитового слоя, обладающего свойством прирабатываемости и низким коэффициентом трения по стали. Сферическая опора сегментов обеспечивает их автоматический поворот для формирования оптимального масляного клина даже при прогибе вала или монтажных перекосах.
Материалы, используемые в производстве
Выбор материалов определяет нагрузочную способность, износостойкость и надежность подшипника.
| Компонент | Материал | Требования и свойства |
|---|---|---|
| Корпус, сегментоноситель | Сталь литая (25Л, 35Л) или сварная конструкция из низкоуглеродистой стали (Ст3) | Высокая прочность, стабильность геометрии, хорошие литейные свойства. |
| Тело сегмента (основа) | Сталь конструкционная (сталь 45, 40Х) | Прочность, способность к надежному соединению с баббитовым слоем. |
| Антифрикционное покрытие сегмента | Баббит: Б83 (оловянный), Б16 (свинцово-оловянный), БН (бессвинцовые составы) | Низкий коэффициент трения, прирабатываемость, стойкость к заеданию, хорошая теплопроводность, пластичность. Б83 — для наиболее ответственных узлов. |
| Упорный диск (кольцо) | Сталь закаленная (сталь 45 с закалкой ТВЧ, 40Х, 38ХМЮА) | Высокая твердость поверхности (HRC 45-55), износостойкость, чистота обработки рабочей поверхности (Ra 0.2-0.4 мкм). |
Ключевые параметры и расчетные характеристики
Подбор и проектирование УСПС ведется на основе комплекса взаимосвязанных параметров.
Области применения в энергетике и смежных отраслях
УСПС являются неотъемлемой частью критически важного оборудования.
Эксплуатация, обслуживание и диагностика
Долговечность УСПС напрямую зависит от соблюдения регламентов эксплуатации.
Преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными решениями
| Критерий | Упорный сферический подшипник скольжения | Упорный роликовый подшипник (качения) | Гидростатический упорный подшипник |
|---|---|---|---|
| Максимальная нагрузка | Очень высокая (десятки-сотни тонн) | Ограниченная | Чрезвычайно высокая |
| Скорость вращения | Средняя и низкая (до 500 об/мин для крупных) | Высокая | Любая, включая очень низкую |
| Стоимость узла | Высокая | Умеренная | Очень высокая |
| Сложность системы | Умеренная (требуется система смазки) | Низкая | Высокая (насосы высокого давления, САУ) |
| Стойкость к ударам и перекосам | Высокая (благодаря самоустановке) | Низкая | Высокая |
| Требования к обслуживанию | Регулярный контроль, замена масла | Плановые смазки | Высокие (риск засорения дросселей) |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Как определить критический износ баббитового слоя на сегментах?
Критическим считается износ, при котором толщина баббитового слоя уменьшается до 1-1.5 мм (от первоначальной 3-5 мм). Дальнейшая эксплуатация опасна, так как может привести к контакту стального основания сегмента с диском и катастрофическому износу. Измерение проводится ультразвуковым толщиномером через тыльную сторону сегмента или механическим методом при демонтаже. Сигналом к внеплановой проверке служит устойчивый рост рабочих температур при неизменной нагрузке.
Каковы основные причины выхода из строя УСПС?
Чем отличается работа подшипника в режиме «масляной ванны» от принудительной циркуляционной смазки?
При схеме «масляная ванна» нижняя часть подшипника погружена в масло. Вращающийся диск захватывает масло и разбрасывает его по рабочей поверхности. Охлаждение происходит за счет естественной конвекции и излучения от корпуса. Это простая, но менее эффективная система, применяемая для агрегатов средней мощности. Принудительная циркуляционная система включает насос, теплообменник (охладитель) и фильтры. Масло под давлением 0.1-0.3 МПа подается непосредственно в зону трения и на выходе отводится, эффективно отводя тепло. Это обязательная система для мощных турбогенераторов и гидроагрегатов, обеспечивающая стабильный тепловой режим и высокую чистоту смазки.
Когда необходимо применять систему гидравлического подъема (разгрузки) при пуске?
Система гидравлического подъема (jacking oil system) применяется для тяжелых роторов (обычно массой более 50-100 тонн) с низкой частотой вращения. В момент пуска, когда гидродинамический масляный клин еще не образовался, сила трения покоя очень велика. Специальный насос высокого давления (до 70 МПа) нагнетает масло в центральную часть сегментов, приподнимая ротор на 0.02-0.1 мм и создавая масляную пленку. Это позволяет избежать сухого трения и износа баббита в начальный момент, значительно снизить пусковой момент двигателя. Система отключается после выхода агрегата на скорость, достаточную для образования устойчивого гидродинамического клина.
Как выбрать марку баббита для ремонта сегментов?
Выбор определяется условиями эксплуатации и рекомендациями производителя оборудования. Баббит Б83 (83% Sn) — эталонный материал для самых ответственных, высоконагруженных и высокооборотных агрегатов. Обладает лучшими антифрикционными свойствами, теплопроводностью и стойкостью к усталости, но имеет высокую стоимость. Баббит Б16 (16% Sn, остальное Pb, Sb, Cu) — более экономичный вариант для агрегатов со средними и стабильными нагрузками. Для специфических условий (агрессивные среды, повышенные температуры) могут применяться бессвинцовые баббиты (БН) или другие сплавы. Категорически не рекомендуется использовать непредусмотренные проектом материалы, так как это меняет все расчетные характеристики узла.
Заключение
Упорные сферические подшипники скольжения остаются незаменимым техническим решением для восприятия значительных осевых нагрузок в тяжелом энергетическом и промышленном оборудовании. Их надежность является результатом точного инженерного расчета, качественного изготовления и строгого соблюдения регламентов эксплуатации и технического обслуживания. Понимание принципов работы, конструктивных особенностей и критических параметров этих узлов позволяет специалистам обеспечивать их длительную и безотказную работу, что напрямую влияет на общую надежность и экономическую эффективность всего энергоблока или производственной линии.