Радиально-упорные однорядные шариковые подшипники
Радиально-упорные однорядные шариковые подшипники: конструкция, принцип действия и применение в электротехнике
Радиально-упорные однорядные шариковые подшипники представляют собой класс прецизионных опор качения, предназначенных для одновременного восприятия комбинированных нагрузок — радиальных и осевых, действующих в одном направлении. Их ключевая особенность — смещение контактных углов между дорожками качения внутреннего и наружного колец относительно радиальной плоскости. Это смещение позволяет эффективно передавать осевые усилия через подшипниковый узел. В энергетике и электротехнической промышленности данные подшипники нашли широкое применение в высокоскоростных электродвигателях, генераторах, турбомеханизмах и насосном оборудовании, где требуются высокая точность вращения, минимальные потери на трение и способность выдерживать значительные осевые нагрузки от электромагнитных сил и теплового расширения валов.
Конструктивные особенности и геометрия
Конструкция радиально-упорного однорядного шарикового подшипника включает следующие основные элементы:
- Наружное и внутреннее кольца с дорожками качения, расположенными под определенным углом (контактным углом) к оси вращения. Дорожки качения смещены относительно друг друга, что и формирует способность воспринимать осевую нагрузку.
- Сепаратор (обойма), удерживающий шарики на равном расстоянии. В высокоскоростных применениях используются сепараторы из полиамида, латуни или стали.
- Набор шариков высокого класса точности, как правило, из хромистой стали.
- Неразъемные (стандартные): Оба кольца имеют буртики, подшипник поставляется в сборе. Монтаж осуществляется напрессовкой на вал и в корпус.
- Разъемные (с четырехточечным контактом или со съемным внутренним/наружным кольцом): Позволяют монтировать кольца раздельно, что удобно при сложной конструкции узла. Подшипники с четырехточечным контактом способны воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях, но в одном ряду шариков.
- Электродвигатели и генераторы средних и высоких мощностей: Подшипники устанавливаются на противоположных концах вала ротора. Конфигурация DB или DF позволяет точно отрегулировать осевой зазор/натяг, что критически важно для бесшумной работы и предотвращения осевых колебаний ротора под действием магнитных сил. В двигателях с горизонтальным валом они также воспринимают вес ротора.
- Турбогенераторы и турбокомпрессоры: Высокие скорости вращения и значительные тепловые расширения требуют использования подшипников в конфигурации «лицом к лицу», которая лучше адаптируется к осевым смещениям.
- Насосное оборудование (циркуляционные, питательные насосы): Помимо радиальных нагрузок от рабочего колеса, подшипники воспринимают осевое усилие (упор), возникающее из-за перепада давления на крыльчатке. Здесь часто применяется схема с одним радиально-упорным подшипником (для восприятия основного осевого усилия и радиальной нагрузки) и одним радиальным в качестве плавающей опоры.
- Вентиляторы и воздуходувки: Обеспечивают точное вращение и воспринимают аэродинамические осевые силы.
- Подбором толщины комплекта регулировочных прокладок между корпусом и крышкой.
- Использованием гаек с стопорными шайбами на конической посадочной поверхности вала.
- Калиброванным затягиванием парных гаек.
- Перегрев узла: Слишком большой предварительный натяг, перетянутые сальники, избыток смазки.
- Повышенный шум и вибрация: Недостаточный натяг или чрезмерный осевой зазор, приводящий к осевым биениям вала.
- Преждевременный износ и выкрашивание дорожек качения: Несоосность вала и корпуса, загрязнение смазки, кавитация.
- Осевое смещение вала в процессе работы: Неправильная регулировка осевого зазора, неучет теплового расширения.
Ключевым геометрическим параметром является контактный угол (α). Это угол между линией, соединяющей точки контакта шарика с дорожками качения колец, и плоскостью, перпендикулярной оси вращения подшипника. Стандартные углы составляют 15°, 25°, 30°, 40°. Чем больше угол, тем выше осевая грузоподъемность, но ниже радиальная, и наоборот.
Принцип действия и кинематика
Под действием осевой нагрузки в подшипнике возникает внутреннее осевое усилие, которое стремится сместить кольца относительно друг друга в осевом направлении. Однако из-за угловой конструкции дорожек качения это смещение невозможно без возникновения упругой деформации в зоне контакта шариков с кольцами. В результате нагрузка передается через шарики под углом, создавая радиальную и осевую составляющие. Для обеспечения правильной работы и предотвращения проскальзывания шариков радиально-упорные подшипники требуют обязательного предварительного натяга или, как минимум, осевой фиксации в противоположном направлении действию основной осевой силы. На практике это реализуется установкой двух подшипников в конфигурации «лицом к лицу» (DF) или «спина к спине» (DB), либо использованием сдвоенных подшипников.
Типы исполнений и маркировка
Радиально-упорные шариковые подшипники выпускаются в двух основных исполнениях: разъемные (серия 7000) и неразъемные (серия 7200, 7300).
Также существуют подшипники с податливыми канавками на наружном кольце для компенсации перекосов вала.
Таблица: Сравнение конфигураций установки радиально-упорных подшипников
| Конфигурация | Схема расположения | Жесткость | Восприятие моментов | Тепловое расширение | Типовое применение |
|---|---|---|---|---|---|
| «Спина к спине» (DB) | Осевые линии контактов расходятся | Высокая радиальная и моментная жесткость | Воспринимает опрокидывающие моменты | Менее чувствительна, требует точной регулировки натяга | Редукторы, шпиндели, роторы средних размеров |
| «Лицом к лицу» (DF) | Осевые линии контактов сходятся | Меньше моментная жесткость, чем у DB | Хуже воспринимает моменты | Более допускает осевое смещение от теплового расширения | Насосы, электродвигатели с выраженным тепловым удлинением вала |
| Тандем (DT) | Осевые линии контактов параллельны | Высокая осевая жесткость в одном направлении | Не предназначена для восприятия моментов | Требует компенсации расширения в другом узле | Применения с очень высокими однонаправленными осевыми нагрузками |
Применение в электротехнической и энергетической отрасли
В энергетике к подшипниковым узлам предъявляются требования высокой надежности, долговечности и способности работать в условиях переменных нагрузок и температур.
Монтаж, регулировка и смазка
Правильный монтаж радиально-упорных подшипников определяет их ресурс и уровень шума. Ключевой этап — установка осевого зазора (люфта) или предварительного натяга. Зазор необходим для компенсации теплового расширения, натяг — для повышения жесткости узла и точности позиционирования вала. Регулировка осуществляется:
Смазка в энергетических применениях чаще всего жидкая (масло картерного или циркуляционного типа), что обеспечивает отвод тепла и возможность длительной работы на высоких скоростях. Для небольших двигателей и агрегатов с умеренными скоростями применяется пластичная смазка на литиевой или комплексной основе, обладающая антиокислительными и противозадирными свойствами.
Таблица: Выбор контактного угла в зависимости от условий работы
| Контактный угол (α) | Соотношение осевой/радиальной грузоподъемности | Рекомендуемые режимы работы | Типовые применения в энергетике |
|---|---|---|---|
| 15° | Низкая осевая, высокая радиальная | Преобладающая радиальная нагрузка, небольшие осевые усилия, высокие скорости | Опорные подшипники роторов генераторов, вентиляторы |
| 25° — 30° | Сбалансированное | Комбинированные нагрузки средней величины, высокие скорости | Приводные электродвигатели, насосы, турбомеханизмы |
| 40° | Высокая осевая, умеренная радиальная | Преобладающая осевая нагрузка, умеренные скорости | Вертикальные насосы, упорные узлы турбин |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем радиально-упорный подшипник принципиально отличается от радиального?
Радиальный шарикоподшипник имеет параллельные дорожки качения, расположенные в радиальных плоскостях. Он предназначен в первую очередь для восприятия радиальных нагрузок, осевую нагрузку он может воспринимать лишь незначительную, и его конструкция для этого не оптимизирована. Радиально-упорный подшипник имеет смещенные дорожки качения, образующие контактный угол, что позволяет ему эффективно и преднамеренно воспринимать значительные осевые нагрузки наряду с радиальными.
Почему радиально-упорные подшипники почти всегда устанавливают парами?
Однорядный радиально-упорный подшипник воспринимает осевую нагрузку только в одном направлении. Для фиксации вала в осевом направлении с двух сторон и для восприятия реверсивных осевых нагрузок требуется установка второго подшипника, «направленного» в противоположную сторону. Кроме того, парная установка в конфигурациях DB или DF позволяет создать регулируемый осевой натяг или зазор, повышающий жесткость и точность всего узла.
Что такое предварительный натяг и когда он необходим?
Предварительный натяг — это преднамеренное создание отрицательного осевого зазора (напряжения) в подшипниковом узле до приложения рабочих нагрузок. Он устраняет внутренние зазоры, повышает жесткость вала, снижает уровень вибрации и шума, увеличивает точность вращения. Натяг обязателен для высокоскоростных шпинделей, прецизионных станков и узлов, где недопустимы осевые биения. Однако он приводит к повышенному тепловыделению и требует точного расчета. В большинстве стандартных электродвигателей устанавливается небольшой осевой зазор для компенсации теплового расширения.
Как правильно выбрать смазку для подшипников электродвигателя?
Выбор зависит от типа подшипникового узла, скорости (DN-значения), температуры и условий эксплуатации. Для высокоскоростных узлов (DN > 500 000 мм/мин) и агрегатов с принудительной системой смазки используется жидкое масло (чаще индустриальное ISO VG 32 или 46). Для большинких закрытых электродвигателей общего назначения применяется пластичная смазка на основе литиевого или комплексного литиевого загустителя с антиокислительными и противоизносными присадками. Крайне важно не допускать переполнения смазкой полости подшипника (обычно заполняют на 1/3 — 1/2), так как это вызывает перегрев и вспенивание смазки.
Каковы признаки неправильной установки или регулировки радиально-упорных подшипников?
Можно ли заменить радиально-упорный подшипник на два радиальных в одном узле?
Нет, такая замена некорректна с инженерной точки зрения. Два радиальных подшипника, установленных на некотором расстоянии, могут воспринять некоторый опрокидывающий момент, но они не предназначены для систематического восприятия значительных чистых осевых нагрузок. Это приведет к осевому смещению вала, повышенному износу, заклиниванию и, как следствие, к аварийному отказу узла. Радиально-упорный подшипник является специализированным решением для комбинированных нагрузок.