Роликовые сферические радиально-упорные подшипники

Роликовые сферические радиально-упорные подшипники: конструкция, принцип действия и применение в тяжелом машиностроении

Роликовые сферические радиально-упорные подшипники (тип 29300 и 29400 по ГОСТ, серии 293 и 294 по ISO) представляют собой ключевой тип опор качения, предназначенный для работы в условиях экстремальных комбинированных нагрузок при значительном несоосности вала и корпуса. Их конструктивная особенность заключается в использовании бочкообразных (сферических) роликов, расположенных под углом к оси вращения, которые катятся по сферической дорожке качения наружного кольца. Это позволяет подшипнику самостоятельно компенсировать перекосы вала до 3°, а также воспринимать одновременно высокие радиальные и односторонние осевые нагрузки.

Конструктивные особенности и материалы

Основные компоненты подшипника включают: наружное кольцо со сферической дорожкой качения; внутреннее кольцо с двумя бортами и коническими дорожками; комплект бочкообразных роликов; и сепаратор, удерживающий ролики. Внутреннее кольцо часто выполняется разъемным (состоящим из двух частей – основного кольца и съемного борта), что обеспечивает простой монтаж и демонтаж даже в стесненных условиях. Сепараторы изготавливаются из стали, латуни или полиамида, в зависимости от требований к скорости, температуре и смазке. Для работы в условиях ударных нагрузок и при высоких температурах (свыше 150°C) используются подшипники из специальных сталей, прошедших объемную закалку.

Принцип работы и кинематика

Угол контакта роликов с дорожками качения, обычно составляющий от 10° до 30°, определяет способность подшипника воспринимать осевую нагрузку. Под действием радиальной силы возникает внутренняя осевая составляющая, которая стремится раздвинуть кольца вдоль оси. Поэтому сферические радиально-упорные роликоподшипники практически всегда устанавливаются парами, в распор, либо с предварительным натягом. Сферическая форма наружной дорожки и роликов обеспечивает истинно катящийся контакт даже при перекосе, минимизируя проскальзывание и выделение тепла. Это критически важно для крупногабаритных узлов, где выверка соосности затруднена.

Сравнительная таблица характеристик основных типов

Области применения в энергетике и тяжелой промышленности

Данный тип подшипников является незаменимым в узлах, где сочетаются высокая нагрузка, умеренные скорости и неизбежные монтажные или эксплуатационные перекосы.

• Редукторы специального назначения: Червячные редукторы, где червяк подвергается значительным радиальным и осевым силам. Подшипник 294-й серии устанавливается со стороны выхода вала червяка.
• Оборудование для гидроэнергетики: Опорные узлы поворотных механизмов затворов, сегментных заслонок, направляющих аппаратов турбин, где требуется восприятие веса и гидравлического усилия.
• Металлургическая промышленность: Шпиндели прокатных клетей, опорные узлы летучих ножниц и кантователей, работающие в условиях ударных нагрузок и теплового расширения.
• Горнодобывающее оборудование: Оси и цапфы роторных экскаваторов, опоры барабанов шахтных подъемных машин.
• Тяжелое машиностроение: Опора поворотной платформы кранов, экскаваторов, опоры качения в открытых зубчатых передачах (венцовых колесах).

Монтаж, смазка и обслуживание

Правильный монтаж является критическим фактором для долговечности подшипника. Разъемная конструкция внутреннего кольца позволяет устанавливать его на вал без необходимости демонтажа других элементов узла. Посадка внутреннего кольца на вал – плотная, переходная или с небольшим натягом (обычно от m6 до p6). Посадка наружного кольца в корпус – скользящая (обычно H7) для обеспечения возможности самоустановки. Обязательным условием является обеспечение осевого подпора наружного кольца с одной стороны для правильного восприятия осевой нагрузки.

Смазка преимущественно пластичная (консистентная). Для высокоскоростных применений может использоваться циркуляционная жидкая смазка. Уплотнения, как правило, не интегрированы в подшипник и являются частью корпусного узла. В условиях запыленности или влажности применяются лабиринтные или торцевые уплотнения. Контроль состояния подшипника в эксплуатации осуществляется по вибрации, температуре и акустическому шуму.

Расчет и подбор подшипников

Подбор осуществляется по динамической и статической грузоподъемности с учетом режима нагружения. Ключевые расчетные параметры:

• Эквивалентная динамическая нагрузка P = XF_r + YF_a, где F_r – радиальная нагрузка, F_a – осевая нагрузка, X и Y – коэффициенты радиальной и осевой нагрузки, зависящие от типа и угла контакта.
• Расчетный срок службы по формуле L₁₀ = (C/P)^p, где C – базовая динамическая грузоподъемность, p = 10/3 для роликовых подшипников.
• Учет условий эксплуатации: температура (коэффициент f_t), характер нагрузки (коэффициент f_d), требования к надежности (коэффициент a₁).

Для низкооборотных или редко вращающихся механизмов проводится проверка по статической грузоподъемности C₀: F_a / C₀ ≤ допустимого значения для выбранного типа.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем принципиальное отличие серии 293 от 294?

Серия 293 (тип 29300) классифицируется как упорно-радиальный подшипник. Его основное назначение – восприятие односторонней осевой нагрузки с небольшой радиальной составляющей. Угол контакта у него больше. Серия 294 (тип 29400) – радиально-упорный подшипник, оптимизированный для комбинированных нагрузок с преобладанием радиальной. Его угол контакта меньше. Конструктивно они часто различаются: 293-я серия может поставляться без внутреннего кольца (для установки на закаленную цапфу), а 294-я обычно имеет разъемное внутреннее кольцо.

Можно ли устанавливать такой подшипник без пары?

Одиночная установка возможна только в узлах, где осевая нагрузка строго односторонняя и постоянна по направлению, а противоположная осевая сила надежно воспринимается другим узлом (например, радиальным сферическим подшипником со стопорным кольцом). В подавляющем большинстве случаев, особенно при реверсивной осевой нагрузке или чисто радиальном нагружении, требуется установка парой в распор для создания необходимого внутреннего предварительного натяга и предотвращения осевого смещения вала.

Как правильно ориентировать подшипники при парной установке?

При установке парой (тандемом) для увеличения осевой грузоподъемности в одном направлении подшипники ориентируются широкими сторонами внутренних колец друг к другу или друг от друга. Это позволяет распределить осевую нагрузку между двумя подшипниками. Классическая схема «распор» (O-образная схема), когда широкие стороны обращены наружу, используется для восприятия осевых нагрузок в обоих направлениях и обеспечения жесткого осевого фиксирования вала.

Каковы типичные причины выхода из строя этих подшипников?

• Неправильный монтажный натяг: Избыточный натяг приводит к перегреву и заклиниванию, недостаточный – к проскальзыванию и фреттинг-коррозии.
• Отсутствие компенсации осевого усилия: Если наружное кольцо не имеет осевой фиксации с одной стороны, весь узел может разгрузиться, вызывая вибрацию и ударные нагрузки.
• Недостаточная или загрязненная смазка: Вызывает абразивный износ, заедание и прогрессирующее выкрашивание рабочих поверхностей.
• Превышение допустимого угла перекоса: Хотя подшипник компенсирует перекос, его превышение ведет к краевому нагружению роликов и локальным перегревам.

Чем обусловлен выбор между стальным и полиамидным сепаратором?

Стальные сепараторы (штампованные или точеные) более прочные, термостойкие (работают при температурах свыше 120°C) и допускают использование любых типов смазок. Полиамидные сепараторы (чаще всего из материала PA66-GF25) легче, обладают демпфирующими свойствами, лучше прирабатываются и обеспечивают более плавный ход на средних скоростях. Однако они имеют ограничения по температуре (как правило, до 120°C непрерывно) и несовместимы с некоторыми синтетическими маслами и агрессивными средами.