Подшипники упорные шариковые

Подшипники упорные шариковые: конструкция, типы, применение и расчет

Упорные шариковые подшипники — это подшипники качения, предназначенные для восприятия исключительно осевых нагрузок, действующих вдоль оси вала. Они не способны воспринимать радиальные нагрузки, которые должны компенсироваться другими типами опор. Основная функция — фиксация вала и вращающихся узлов в осевом направлении с минимальным коэффициентом трения и высокой точностью позиционирования. Принцип действия основан на передаче осевого усилия через тела качения (шарики), расположенные между двумя кольцами: упорным (располагается на валу) и опорным (устанавливается в корпус).

Конструктивные особенности и основные компоненты

Стандартный упорный шариковый подшипник состоит из следующих элементов:

Верхнее упорное кольцо (вальное кольцо) — имеет посадочное отверстие, монтируется на вал и вращается вместе с ним. Посадочная поверхность выполнена с допуском h8 или h9 для обеспечения плотной посадки.
Нижнее опорное кольцо (корпусное кольцо) — устанавливается в корпус или на опорную поверхность. Его наружный диаметр имеет посадку H8 для обеспечения свободной установки в корпус.
Сепаратор с комплектом шариков — удерживает шарики на равном расстоянии друг от друга. Сепараторы изготавливаются из штампованной или механически обработанной стали, латуни, а также полиамида. Шарики, как правило, изготавливаются из высокоуглеродистой хромистой стали (например, ШХ15) с высокой степенью чистоты поверхности и твердостью HRC 60-66.

Ключевой особенностью конструкции является наличие монтажной высоты, которая строго нормирована. Подшипники данного типа требуют высокой точности установки: валы и корпуса должны иметь перпендикулярные опорные торцы для равномерного распределения нагрузки.

Классификация и типоразмеры упорных шариковых подшипников

Классификация осуществляется по нескольким признакам: количеству рядов тел качения, способности к самоустановке, степени открытости.

1. Однорядные упорные шариковые подшипники (серия 51, 52 по ГОСТ 7872-89, DIN 711, ISO 104)

Самый распространенный тип, предназначенный для восприятия осевой нагрузки в одном направлении. Не способны к самоустановке, требуют точной параллельности монтажных поверхностей. Не воспринимают радиальную нагрузку.

2. Двухрядные упорные шариковые подшипники (серия 53 по ГОСТ 7872-89, DIN 712)

Состоят из двух однорядных комплектов, смонтированных общим корпусным кольцом. Способны воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях. Также не являются самоустанавливающимися.

3. Упорно-радиальные шариковые подшипники сферические (самоустанавливающиеся)

Имеют сферическую поверхность на опорном кольце и позволяют компенсировать несоосность вала и корпуса до 2-3°. Способны воспринимать не только осевые, но и незначительные радиальные нагрузки (порядка 10-20% от осевой).

4. Подшипники с плоским опорным кольцом и подшипники со сферическим опорным кольцом

Вторые используются в паре со сферическими опорными шайбами для компенсации перекосов, что актуально при монтаже на полые валы или в условиях возможной деформации конструкции.

Основные габаритные размеры и характеристики определяются стандартами. Ниже приведена таблица с примерами типоразмеров по ГОСТ 7872-89.

Обозначение подшипника	d, мм (внутр. диам.)	D, мм (наруж. диам.)	H, мм (высота)	Статическая грузоподъемность C₀, кН	Динамическая грузоподъемность C, кН
51204	20	40	14	19.5	9.90
51306	30	60	21	44.5	19.2
51410	50	110	27	124	44.5
52206	30	52	26	31.5	15.9

Материалы и технологии изготовления

Качество подшипника напрямую зависит от материалов и точности обработки.

Кольца и шарики: Высокоуглеродистая подшипниковая сталь марки 100Cr6 (аналог ШХ15) по DIN/ISO или 52100 по AISI. Для работы в агрессивных средах или при повышенных температурах применяются стали AISI 440C (9Х18), коррозионно-стойкие стали с мартенситной структурой, или специализированные сплавы.
Сепараторы:
- Штампованные стальные — наиболее распространены, применяются в стандартных условиях.
- Механически обработанные латунные (MGP) — обладают лучшей износостойкостью и теплопроводностью, используются в высокоскоростных узлах.
- Полимерные (полиамид PA66, PEEK) — легкие, обеспечивают низкий момент трения, работают при ограниченных температурах (обычно до +120°C).
Термообработка: Обязательная сквозная закалка колец и шариков с последующим низким отпуском для достижения твердости 58-65 HRC. Проводится глубокое охлаждение для стабилизации структуры.
Точность изготовления: Регламентируется стандартами ISO 199 (или ГОСТ 520). Наиболее распространенные классы точности для общего машиностроения — Normal (P0), P6, P5. Для высокоскоростных шпинделей или прецизионных станков используются классы P4, P2.

Области применения в энергетике и промышленности

Упорные шариковые подшипники находят применение в узлах, где преобладают значительные осевые нагрузки при умеренных радиальных и относительно невысоких скоростях вращения.

Вертикальные гидротурбины и генераторы: Фиксация ротора в осевом направлении, восприятие веса вращающихся частей и гидродинамических усилий.
Оборудование для нефтегазовой отрасли: Опоры шпинделей буровых установок, червячные редукторы.
Горизонтальные насосные агрегаты: Установка в качестве фиксирующей опоры для компенсации осевых усилий, создаваемых рабочим колесом насоса.
Редукторы и червячные передачи: Фиксация червяка, восприятие осевой составляющей от зацепления.
Оборудование металлургии: Валки клетей, механизмы поворота.
Станкостроение: Упорные узлы стоек, столы прецизионных станков.

Методика выбора и расчет ресурса

Выбор подшипника осуществляется на основе двух основных критериев: статической и динамической грузоподъемности.

1. Расчет по статической грузоподъемности (C₀): Проводится для подшипников, работающих при очень низких скоростях (n < 10 об/мин) или в режиме медленных колебаний. Условие выбора: P₀ ≤ C₀, где P₀ — эквивалентная статическая осевая нагрузка. Для упорных шариковых подшипников P₀ = F_a (фактическая осевая нагрузка). Коэффициент запаса s₀ = C₀ / P₀ должен быть не менее 1,5-2,5 для обычных условий, и выше для ответственных узлов.

2. Расчет по динамической грузоподъемности (C): Определяет долговечность подшипника при работе под нагрузкой с определенной скоростью. Номинальный ресурс в миллионах оборотов рассчитывается по формуле: L₁₀ = (C / P)^p, где p = 3 для шариковых подшипников. P — эквивалентная динамическая осевая нагрузка (P = F_a). Ресурс в часах: L_10h = 10⁶ / (60 n) (C / P)³.

При выборе необходимо также учитывать температурный режим (стандартные подшипники рассчитаны на работу до +120°C), требования к смазке и условиям монтажа.

Монтаж, смазка и техническое обслуживание

Правильный монтаж критически важен для упорных подшипников из-за их чувствительности к перекосам.

Подготовка: Проверить соосность и перпендикулярность посадочных поверхностей вала и корпуса. Допуск на неперпендикулярность обычно не должен превышать 0.002-0.005 мм на 10 мм диаметра.
Установка: Вальное кольцо устанавливается на вал с натягом (посадка j6, js6). Корпусное кольцо монтируется в корпус с небольшим зазором (посадка H7). Монтаж производится с помощью оправки, запрещается передавать ударную нагрузку через тела качения.
Смазка: Применяются пластичные консистентные смазки (на основе литиевого или комплексного литиевого загустителя) для умеренных скоростей и температур, либо жидкие масла (индустриальные ISO VG 32-68) для высокоскоростных или высокотемпературных узлов. Смазка должна обладать хорошими противозадирными свойствами (EP).
Обслуживание: Контроль температуры, вибрации и уровня шума. Для подшипников с консистентной смазкой — периодическая пополняющая смазка в соответствии с регламентом. Для масляной смазки — контроль чистоты и уровня масла.

Типовые неисправности и их причины

Признак неисправности	Вероятная причина	Способы устранения
Перегрев узла	Недостаток или избыток смазки, чрезмерный предварительный натяг, перекос при монтаже, повышенная радиальная нагрузка.	Проверить и отрегулировать смазку, проверить соосность, убедиться в отсутствии радиального нагружения.
Повышенный шум и вибрация	Износ дорожек качения и шариков, повреждение сепаратора, загрязнение смазки, возникновение усталостного выкрашивания.	Диагностика, замена подшипника, очистка узла, замена смазки.
Локальный нагрев и заклинивание	Полное отсутствие смазки, критическое загрязнение, попадание крупных абразивных частиц.	Немедленная остановка агрегата, разборка, ревизия и замена подшипника.
Осевой люфт вала	Износ тел качения и колец, неправильная осевая фиксация (недостаточный затяг).	Проверка осевой фиксации, замена изношенного подшипника.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается подшипник 51100 от 51200?

Это подшипники одной серии (однорядные упорные шариковые), но с разными габаритными размерами. Первая цифра «5» обозначает тип — упорный шариковый. Вторая цифра «1» или «2» указывает на серию по ширине (высоте). Подшипники серии «2» (например, 51200) имеют большую высоту и, соответственно, большую грузоподъемность по сравнению с подшипниками серии «1» (51100) при одинаковом внутреннем диаметре.

Можно ли использовать упорный шариковый подшипник для восприятия радиальной нагрузки?

Нет, это категорически не рекомендуется. Конструкция упорного шарикового подшипника не рассчитана на радиальные нагрузки. Даже незначительная радиальная составляющая приведет к неравномерному нагружению дорожек качения, резкому повышению шума, вибрации и преждевременному выходу подшипника из строя. Для комбинированных нагрузок следует применять упорно-радиальные роликовые подшипники (конические, сферические) или комбинацию радиального и упорного подшипников.

Как правильно определить необходимый класс точности?

Класс точности выбирается исходя из требований к точности вращения, скорости и условиям работы узла. Класс Normal (P0) подходит для большинства общепромышленных применений с умеренными скоростями. Классы P6, P5 используются в редукторах, электродвигателях, насосах среднего класса. Классы P4, P2 (ABEC 7, 9) — прецизионные, для высокоскоростных шпинделей станков, точных измерительных приборов. Повышение класса точности увеличивает стоимость подшипника.

Каковы особенности смазки для вертикально установленных упорных подшипников?

При вертикальном расположении (особенно в гидротурбинах) удержание смазки является критичной задачей. Рекомендуется:

Использование консистентных смазок с высокой адгезией и тиксотропными свойствами (например, на основе комплексного кальциевого сульфоната или полимочевины).
Применение жидкой циркуляционной смазки под давлением с обязательным наличием системы уплотнений.
Установка дополнительных маслоуловительных колец или центробежных дисков.
Увеличение периодичности пополнения смазки для консистентного варианта.

Что означает маркировка на торце подшипника, например, «51108 P5 C3»?

Данная маркировка расшифровывается следующим образом:

51108 — основное обозначение: упорный шариковый однорядный подшипник легкой серии с d=40 мм, D=68 мм, H=19 мм.
P5 — класс точности выше нормального (P0).
C3 — группа радиального зазора, большая, чем нормальная. Это важно для компенсации теплового расширения в узлах с повышенным нагревом или при посадке с большим натягом.

Какой ресурс считается нормальным для упорного подшипника в насосном агрегате?

Расчетный ресурс L_10h (ресурс, который достигает 90% подшипников из партии) для ответственных промышленных насосов обычно задается в пределах 25 000 — 40 000 часов. На практике реальный ресурс может быть больше при правильных условиях эксплуатации (чистая смазка, отсутствие перекосов, отсутствие кавитации, приводящей к ударным нагрузкам). Для критичных применений проводят расчет по скорректированному ресурсу с учетом условий смазки, чистоты материала и вероятности отказа.

Заключение

Упорные шариковые подшипники являются специализированным и незаменимым типом опор для узлов с преобладающими осевыми нагрузками. Их корректная работа напрямую зависит от точности выбора типоразмера и класса точности, качества монтажа и соблюдения условий смазки. В энергетике и тяжелом машиностроении они выполняют критически важные функции, обеспечивая точную осевую фиксацию и минимальные потери на трение. Понимание их конструкции, характеристик и правил эксплуатации позволяет инженерам проектировать надежные и долговечные узлы, минимизировать риски внеплановых остановок и оптимизировать затраты на техническое обслуживание.

Подшипники упорные шариковые