Роликовые сферические подшипники

Роликовые сферические подшипники: конструкция, принцип работы и применение в электротехнике и энергетике

Роликовый сферический подшипник (самоустанавливающийся двухрядный подшипник качения) представляет собой ключевой тип опорного узла, предназначенный для работы в условиях значительных радиальных нагрузок, несоосности валов и умеренных осевых нагрузок в обоих направлениях. Его основная конструктивная особенность — сферическая дорожка качения на наружном кольце и двойной ряд бочкообразных (сферических) роликов, расположенных под углом к оси подшипника. Эта геометрия позволяет внутреннему кольцу с роликами и сепаратором самоустанавливаться относительно наружного кольца, компенсируя перекосы вала до 2-3°, вызванные прогибом вала, монтажными погрешностями или деформациями корпуса.

Конструктивные особенности и материалы

Конструкция типичного роликового сферического подшипника включает несколько базовых элементов:

Наружное кольцо. Имеет сферическую беговую дорожку на внутренней поверхности. Изготавливается из высокоуглеродистой хромистой стали (например, 52100), часто с поверхностной закалкой для повышения усталостной прочности.
Внутреннее кольцо. Состоит из двух конических дорожек качения, расположенных под углом к оси подшипника. Материал аналогичен материалу наружного кольца. Часто имеет стопорные канавки для фиксации стопорного кольца.
Сферические ролики. Бочкообразной формы, расположены в два ряда. Форма ролика минимизирует концентрацию напряжений на дорожках качения и обеспечивает работу при перекосах. Изготовлены из подшипниковой стали с высокой чистотой поверхности.
Сепаратор (обойма). Удерживает ролики на равном расстоянии, предотвращает их контакт и обеспечивает равномерное распределение смазки. Материалы: штампованная сталь (наиболее распространена), полиамид (PA66, армированный стекловолокном), латунь (для высокотемпературных или ударных нагрузок).
Смазочные каналы и уплотнения. Многие модели имеют отверстия для подачи пластичной смазки и лабиринтные или контактные уплотнения (обозначаются суффиксами, например, 2RS1, K).

Классификация и маркировка

Сферические роликоподшипники классифицируются по нескольким ключевым признакам, отраженным в системах маркировки (основные — ISO, DIN, ABMA, отечественные ГОСТ 5721).

Критерий классификации	Типы / Обозначения	Описание и применение
Конструкция внутреннего кольца	Цельное (тип СС, СА)	С двумя бортами. Стандартное исполнение, требует осевой фиксации на валу.
Конструкция внутреннего кольца	Разъемное (тип СВ, ССА)	Состоит из двух частей, скрепляемых стяжным кольцом. Упрощает монтаж на валах без буртиков.
Угол контакта	Стандартный (ряд E, 21300)	Угол ~12°. Оптимален для преобладающих радиальных нагрузок.
Угол контакта	Увеличенный (ряд СС, СА, 22300)	Угол ~24°. Обладает повышенной грузоподъемностью и способностью воспринимать более значительные осевые нагрузки.
Точность изготовления	Нормальный класс (P0), повышенный (P6, P5)	Класс P0 — общепромышленное применение. Классы P6, P5 — для высокоскоростных или высокоточных узлов (редукторы специального назначения).
Система смазки	Без каналов, с каналом и канавкой (W33)	Исполнение W33 (цифровой суффикс может отличаться у разных производителей) указывает на наличие смазочного отверстия и кольцевой канавки на наружном кольце для подачи пластичной смазки в процессе эксплуатации.

Принцип работы и компенсация несоосности

Работоспособность подшипника основана на геометрическом соответствии сферической поверхности наружного кольца и профиля роликов. При перекосе оси вала внутреннее кольцо вместе с роликами и сепаратором наклоняется, продолжая катиться по сфере наружного кольца. Контакт остается линейным, что предотвращает возникновение краевых напряжений и преждевременный износ. Это критически важно для длинных валов электродвигателей, мощных вентиляторов, где прогибы неизбежны, или для тяжелых редукторов, где обеспечить идеальную соосность посадочных мест технически сложно.

Области применения в электротехнике и энергетике

Данный тип подшипников является основным для тяжелонагруженного низко- и среднескоростного оборудования.

Электродвигатели большой мощности (свыше 500 кВт). Устанавливаются преимущественно на приводном конце вала ротора для компенсации прогибов и тепловых расширений.
Турбогенераторы и гидрогенераторы. Вспомогательные приводные валы, системы возбуждения.
Редукторы и мультипликаторы. Особенно цилиндрические и коническо-цилиндрические редукторы в приводах мельниц, дробилок, насосов, ленточных конвейеров.
Насосное оборудование. Центробежные и поршневые насосы высокого давления, где возникают значительные радиальные нагрузки от рабочего колеса.
Вентиляторы и дымососы ТЭС. Подшипниковые узлы главного привода вентиляторов градирен, дутьевых и дымососов, работающих в условиях запыленности и вибрации.
Крановое и подъемное оборудование. Механизмы подъема и передвижения мостовых, портальных кранов, используемых в машинных залах и на открытых распредустройствах.
Оборудование для прокладки кабеля. Тяжелые кабельные барабаны, натяжные устройства.

Расчет и выбор подшипника

Выбор сферического роликоподшипника для ответственных узлов энергетического оборудования проводится на основе расчета динамической и статической грузоподъемности по стандартам ISO 281 и ISO 76. Ключевые этапы:

Определение нагрузок: Расчет эквивалентной динамической радиальной нагрузки (P_r) с учетом коэффициентов радиальной (X) и осевой (Y) нагрузок, а также влияния вибраций и ударов (коэффициент f_p).
Расчет номинального ресурса (L₁₀): L₁₀ = (C/P)^10/3 [млн. оборотов], где C — базовая динамическая грузоподъемность по каталогу, P — эквивалентная нагрузка. Для энергетического оборудования требуемый ресурс L_10h в часах обычно составляет не менее 40 000 – 60 000 часов.
Проверка по статической грузоподъемности (C₀): Обеспечивает, что подшипник не получит недопустимых пластических деформаций при пиковых нагрузках во время пусков, останова или коротких замыканий в электродвигателе.
Учет условий эксплуатации: Температурный режим (определяет класс термостойкости смазки и материал сепаратора), скорость вращения (проверка по предельной частоте вращения), способ смазки (пластичная смазка или жидкое масло, циркуляционная система).

Монтаж, смазка и техническое обслуживание

Правильный монтаж определяет долговечность подшипника. Основные правила:

Предмонтажная подготовка: Проверка посадочных поверхностей вала и корпуса (чистота, шероховатость, размеры). Подшипник должен храниться в оригинальной упаковке до момента установки.
Методы монтажа: Запрессовка с применением индукционного нагревателя (нагрев внутреннего кольца до 80-120°C) или гидравлического пресса. Запрещено передавать монтажное усилие через ролики или сепаратор. Ударные методы недопустимы.
Смазка: Используются высококачественные консистентные смазки на основе литиевого или комплексного литиевого мыла (например, NLGI 2) с антизадирными (EP) и антиокислительными присадками. Для высокоскоростных узлов — циркуляционные системы жидкой смазки (индустриальное масло ISO VG 68-150).
Контроль и обслуживание: Регулярный мониторинг температуры подшипникового узла (пирометры, термопары), виброакустическая диагностика, периодическая пополняющая смазка через пресс-масленки (объем и периодичность — по инструкции производителя оборудования).

Типовые неисправности и их причины

Признак неисправности	Визуальный осмотр / Диагностика	Вероятные причины
Повышенный шум и вибрация	Высокочастотный спектр вибрации, металлический стук или гул.	Износ рабочих поверхностей, усталостное выкрашивание (питтинг), попадание абразивных частиц, недостаток смазки.
Перегрев узла (t > 80°C)	Термография, контактный термометр.	Избыток смазки (холостое перемешивание), чрезмерный натяг при посадке, недостаточный зазор, несоосность сверх допустимой, разрушение сепаратора.
Локальный нагрев наружного кольца	Тепловизионный контроль, разборка.	Проворачивание наружного кольца в корпусе из-за недостаточной посадки с натягом, износ посадочного места.
Появление люфта	Механический индикатор, покачивание вала.	Износ роликов и дорожек качения, неправильный первоначальный радиальный зазор, выработка посадочных мест.
Утечка смазки, загрязнение	Визуально.	Разрушение уплотнений, перегрев, неподходящий тип смазки, избыточное давление в полости подшипника.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальное отличие сферического роликоподшипника от шарикового сферического?

Шариковый сферический подшипник (например, серия 12xxx) использует шарики и также компенсирует перекосы, но обладает существенно меньшей радиальной грузоподъемностью и незначительной способностью воспринимать осевые нагрузки. Роликовый сферический подшипник, благодаря линейному контакту роликов с дорожками, выдерживает на порядок большие радиальные нагрузки и значительные ударные нагрузки, что делает его предпочтительным для тяжелого энергетического оборудования.

Как правильно определить необходимый радиальный зазор (C₃, C₄)?

Выбор группы радиального зазора зависит от условий работы. Нормальный зазор (CN, не маркируется) используется в стандартных условиях. Зазоры C3, C4 (увеличенные) применяются при работе с повышенными температурами, когда внутреннее кольцо нагревается сильнее наружного и посадка с натягом на валу может привести к опасному уменьшению рабочего зазора. Для валов электродвигателей, где нагрев внутреннего кольца значителен, почти всегда выбирают группу C3 или C4. Точный выбор требует теплового расчета.

Можно ли заменить сферический роликоподшипник на два конических роликоподшипника, установленных «враспор»?

Теоретически такая замена возможна для восприятия радиальных и двусторонних осевых нагрузок. Однако конические подшипники не обладают способностью к самоустановке. Их применение требует высокой точности соосности посадочных мест и жесткости вала, а также точной регулировки осевого зазора. В энергетике такая замена допустима только после детального инженерного анализа и пересчета узла, и, как правило, не рекомендуется для оборудования с длинными валами.

Какой материал сепаратора предпочтительнее для вентиляторов дымососов ТЭС?

Для агрессивных сред с вибрацией и умеренными температурами (до 120°C) оптимален сепаратор из штампованной стали. Он обладает максимальной прочностью, стойкостью к вибрациям и нечувствителен к большинству химических агентов. Полиамидные сепараторы (обозначение TN, T) легче, обеспечивают лучшее смазывание, но имеют ограничения по температуре (как правило, до 120°C непрерывно) и стойкости к некоторым химическим веществам.

Как часто необходимо проводить замену смазки в узле сферического роликоподшипника?

Периодичность замены или пополнения смазки не регламентируется универсально. Она зависит от типа смазки, скорости вращения (DN-фактор), температуры и запыленности среды. Для узлов с пластичной смазкой на энергетическом оборудовании (скорость до 1500 об/мин) типичный интервал пополнения смазки через пресс-масленки составляет 500-2000 рабочих часов. Полная замена смазки с промывкой полости рекомендуется при каждом капитальном ремонте агрегата (раз в 3-5 лет). Точные данные приведены в руководстве по эксплуатации конкретной машины.

Что означает обозначение 22318 CC/C3W33 в каталоге?

22318: Основное обозначение серии и размера (легкая серия, диаметр отверстия 90 мм).
CC: Конструкция внутреннего кольца и роликов (двухрядные сферические ролики, цельное внутреннее кольцо с центрирующим бортом).
C3: Группа радиального зазора, увеличенная.
W33: Наличие смазочного отверстия и кольцевой канавки на наружном кольце.

Заключение

Роликовые сферические подшипники являются незаменимым конструктивным элементом для обеспечения надежной работы тяжелого низко- и среднескоростного оборудования в электроэнергетике. Их способность компенсировать перекосы и воспринимать высокие радиальные и ударные нагрузки напрямую влияет на ресурс и безотказность электродвигателей, редукторов, насосов и вентиляторов. Грамотный выбор подшипника с учетом всех эксплуатационных факторов, правильный монтаж и систематическое техническое обслуживание с контролем состояния являются основой для предотвращения внеплановых остановок и снижения затрат на ремонт критически важных энергетических активов.

Роликовые сферические подшипники