Радиальные цилиндрические роликовые подшипники: конструкция, типы, применение и монтаж
Радиальные цилиндрические роликовые подшипники (обозначение по ISO: тип N, NU, NJ, NUP, NF и их двухрядные модификации) представляют собой подшипники качения, в которых телами качения являются цилиндрические ролики. Они характеризуются высокой радиальной грузоподъемностью, умеренной скоростью вращения и способностью воспринимать значительные радиальные нагрузки. Отличительной особенностью большинства типов является возможность осевого смещения внутреннего или наружного кольца, что позволяет компенсировать тепловые удлинения вала и использовать их в качестве «плавающей» опоры в узлах.
Конструктивные особенности и принцип работы
Основными компонентами радиального цилиндрического роликового подшипника являются: наружное и внутреннее кольца с дорожками качения, набор цилиндрических роликов и сепаратор, удерживающий ролики на равном расстоянии. В зависимости от типа, подшипник может иметь борта (заплечики) на одном или обоих кольцах для осевой фиксации. Ролики, как правило, имеют длину, сопоставимую с их диаметром, и могут быть оснащены контактными поверхностями бочкообразной формы (профилированные ролики) для снижения краевых напряжений. Сепараторы изготавливаются из штампованной стали, латуни или полиамида.
Основные типы и их обозначения
Классификация основана на конфигурации бортов и, как следствие, на способности воспринимать осевые нагрузки.
| Тип подшипника | Конструкция | Способность к осевому смещению | Восприятие осевой нагрузки | Типовое применение в узле |
|---|---|---|---|---|
| NU | Два борта на наружном кольце, без бортов на внутреннем. | Внутреннее кольцо может смещаться осево относительно наружного в обе стороны. | Только радиальная. Осевая фиксация вала невозможна. | «Плавающая» опора. Компенсация теплового расширения вала. |
| NJ | Два борта на наружном кольце, один борт на внутреннем. | Смещение возможно только в одну сторону (противоположную борту внутреннего кольца). | Ограниченная односторонняя осевая нагрузка. | Фиксация вала в одном направлении, «плавающая» опора. |
| NUP | Конструкция NJ с добавлением стопорного кольца (L-образной шайбы) со стороны, противоположной борту внутреннего кольца. | Осевое смещение невозможно. | Ограниченная двусторонняя осевая нагрузка. | «Фиксирующая» опора при использовании в паре со вторым подшипником, допускающим смещение. |
| N | Два борта на внутреннем кольце, без бортов на наружном. | Наружное кольцо может смещаться в корпусе. | Только радиальная. | Редко используется, для специфических случаев компенсации расширения в корпусе. |
| NF | Один борт на наружном кольце, один на внутреннем (расположены с одной стороны). | Ограниченное смещение. | Ограниченная односторонняя осевая нагрузка. | Аналогично NJ, но с фиксацией наружного кольца в корпусе. |
Сферы применения в энергетике и тяжелой промышленности
Цилиндрические роликовые подшипники являются критически важными компонентами в энергетическом оборудовании благодаря высокой надежности и грузоподъемности.
- Электродвигатели и генераторы: Установка на валах роторов средних и крупных мощностей (от сотен кВт до нескольких МВт). Тип NU или NJ часто используется на не приводном конце (противоположном муфте) для компенсации теплового удлинения ротора. На приводном конце может устанавливаться подшипник NUP в паре с радиально-упорным шарикоподшипником для фиксации ротора.
- Редукторы и турбомуфты: Применяются в быстроходных, промежуточных и тихоходных валах редукторов, где преобладают высокие радиальные нагрузки от зубчатых зацеплений.
- Насосное оборудование: Центробежные и поршневые насосы, где требуются высокая точность вращения и стойкость к вибрациям.
- Валопроводы турбоагрегатов: В паровых и газовых турбинах используются специальные исполнения с повышенной точностью и стойкостью к высоким температурам.
- Оборудование для ветроэнергетики: В главном вале и генераторе ветротурбины, где нагрузки носят сложный переменный характер.
- Наибольшая радиальная грузоподъемность среди всех типов подшипников качения сопоставимых габаритов.
- Жесткость конструкции, минимальный радиальный зазор.
- Приспособленность для работы на высоких скоростях вращения (особенно серии с сепараторами из полиамида или латуни).
- Низкий коэффициент трения качения, высокий КПД узла.
- Возможность разборки и монтажа компонентов по отдельности (кольца и сепаратор с роликами), что удобно при прессовой посадке.
- Неспособность (кроме специальных исполнений) воспринимать осевые нагрузки. Для их восприятия требуется установка дополнительных упорных подшипников.
- Повышенная чувствительность к перекосам вала или корпуса. Несоосность более 2-4 угловых минут может привести к резкому росту шума, вибраций и сокращению ресурса.
- Более высокие требования к точности посадочных поверхностей вала и корпуса (шероховатость, цилиндричность, соосность) по сравнению с шарикоподшипниками.
- Посадки: Внутреннее кольцо, как правило, устанавливается на вал с натягом (посадки k5, m5, m6). Наружное кольцо в корпус – с небольшим зазором или переходной посадкой (H7, G7) для обеспечения возможности осевого смещения в «плавающей» опоре.
- Температурный режим: Необходимо учитывать разницу в нагреве вала и корпуса. При сильном нагреве вала натяг внутреннего кольца увеличивается, что может привести к заклиниванию. Требуется точный расчет посадочных зазоров.
- Смазка: Применяется пластичная консистентная смазка (для умеренных скоростей и температур) или жидкое циркуляционное масло (для высокоскоростных или высоконагруженных узлов). Смазочный материал должен обладать хорошими антиокислительными и противозадирными свойствами.
- Осевая фиксация: Для подшипников типа NJ и NUP критически важна правильная установка стопорных колец, крышек и других элементов осевой фиксации с соблюдением необходимых тепловых зазоров.
- Повышенная вибрация на частоте, кратной частоте вращения: Указывает на дефекты дорожек качения (выкрашивание, вмятины).
- Локальный перегрев узла: Следствие чрезмерного натяга, недостатка или деградации смазки, заклинивания.
- Возрастающий шум (гудение, скрежет): Признак износа сепаратора, загрязнения смазки или задиров на рабочих поверхностях.
- Осевой люфт вала: Для типов NJ/NUP свидетельствует об износе бортов или стопорного кольца.
- NU: Тип подшипника (два борта на наружном кольце).
- 2: Серия ширины (2 — широкая, 3 — средняя, 4 — узкая).
- 10: Код посадочного диаметра (10
- 5 = 50 мм).
- EC: Конструктивное исполнение с оптимизированным внутренним дизайном (увеличенное количество роликов, профилированные ролики), повышающее грузоподъемность.
- M: Материал сепаратора (M — латунный, машинной обработки).
Ключевые преимущества и ограничения
Преимущества:
Ограничения:
Особенности монтажа и эксплуатации
Правильный монтаж определяет ресурс и надежность подшипникового узла.
Диагностика неисправностей
Основные признаки износа или повреждения цилиндрических роликовых подшипников:
Регулярный мониторинг вибрации и температуры является стандартной практикой для ответственных узлов в энергетике.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально отличается подшипник типа NU от NJ?
Подшипник NU имеет два борта только на наружном кольце и не имеет бортов на внутреннем. Это позволяет внутреннему кольцу с валом свободно смещаться в осевом направлении в обе стороны. Подшипник NJ имеет один борт на внутреннем кольце, что позволяет ему воспринимать ограниченную одностороннюю осевую нагрузку и смещаться только в направлении, противоположном этому борту. NU — чисто радиальный «плавающий» подшипник, NJ — «плавающий» с односторонней осевой фиксацией.
Можно ли использовать два цилиндрических роликовых подшипника на одном валу в качестве фиксирующей и плавающей опор?
Да, это стандартная схема. В качестве фиксирующей опоры используется подшипник типа NUP (или два подшипника NJ, установленные «спина к спине» с соответствующими распорными кольцами), который жестко фиксирует вал в осевом направлении в обе стороны. В качестве плавающей опоры, компенсирующей тепловое удлинение, используется подшипник типа NU или NJ (при условии, что его осевая фиксация не задействована). Важно обеспечить правильные посадки: натяг для внутренних колец обоих подшипников, и зазор в корпусе для наружного кольца плавающего подшипника.
Как правильно выбрать радиальный зазор для подшипника, работающего в электродвигателе?
Выбор радиального зазора (C0, C3, C4, C5) зависит от условий работы. Для большинства электродвигателей, где вал нагревается сильнее корпуса, стандартно применяется зазор C3 (больше нормального). Это компенсирует уменьшение внутреннего зазора из-за теплового расширения внутреннего кольца, посаженного с натягом на горячий вал. Для особо тяжелых режимов или при использовашении валопроводов с большим градиентом температур может потребоваться зазор C4. Точный выбор требует теплового расчета узла.
Почему цилиндрические роликовые подшипники чувствительны к перекосам?
Из-за линейного контакта ролика с дорожкой качения. При перекосе вала относительно корпуса нагрузка распределяется не по всей длине ролика, а концентрируется на его краях. Это приводит к резкому росту контактных напряжений, локальному выкрашиванию, повышенному износу и перегреву. Для компенсации незначительных перекосов применяются подшипники с бочкообразными (профилированными) роликами или сферические роликоподшипники.
Каковы критерии выбора между консистентной смазкой и жидким маслом?
Критерии включают скорость вращения (dn-значение), температуру, нагрузку и условия эксплуатации. Консистентная смазка применяется при умеренных скоростях (dn 300 000 мм/мин), при высоких температурах, для отвода большого количества тепла от узла трения, а также в системах, где смазка используется также для охлаждения или гидравлики (редукторы турбин).
Что означает обозначение, например, NU 210 ECM?
Заключение
Радиальные цилиндрические роликовые подшипники являются незаменимым решением для узлов, подверженных высоким радиальным нагрузкам при требовании к высокой точности вращения и жесткости. Их корректное применение, основанное на понимании различий между типами (NU, NJ, NUP), правильном расчете посадок и зазоров, а также организации эффективной системы смазки, напрямую определяет надежность и долговечность критически важного оборудования в энергетике, генерации и тяжелом машиностроении. Соблюдение регламентов монтажа и мониторинга состояния позволяет максимально реализовать их эксплуатационный потенциал и избежать преждевременных отказов.