Сферические двухрядные роликовые подшипники: конструкция, принцип работы и применение в электротехнике
Сферические двухрядные роликовые подшипники представляют собой подгруппу самоустанавливающихся подшипников качения, предназначенных для работы в условиях значительных радиальных нагрузок, умеренных осевых нагрузок в двух направлениях и несоосности вала и корпуса. Их ключевая особенность — способность компенсировать угловое смещение (перекос) между валом и посадочным местом, что делает их незаменимыми в тяжелом промышленном оборудовании, включая энергетическое.
Конструктивные особенности и принцип самоустановки
Конструкция подшипника включает следующие основные элементы:
- Наружное кольцо. Имеет сферическую беговую дорожку, геометрический центр которой совпадает с центром подшипника. Эта дорожка является общей для обоих рядов роликов.
- Внутреннее кольцо. Состоит из двух отдельных компонентов, каждый со своими цилиндрическими беговыми дорожками для роликов. Обычно стягивается зажимной втулкой на валу.
- Ролики. Два ряда симметрично расположенных бочкообразных (сферических) роликов. Их форма обеспечивает контакт со сферической дорожкой наружного кольца, что и позволяет осуществлять самоустановку.
- Сепаратор (клеть). Удерживает ролики на равном расстоянии, предотвращает их контакт друг с другом и обеспечивает равномерное распределение смазки. Изготавливается из стали, латуни или полимерных материалов.
- Система смазки. Часто имеют канавки и отверстия для подачи пластичной смазки, а также лабиринтные уплотнения для ее удержания и защиты от загрязнений.
- Высокая грузоподъемность. Два ряда роликов обеспечивают значительную радиальную грузоподъемность, превосходящую сферические шарикоподшипники.
- Компенсация перекосов. Способность работать при несоосности, снижающая риск заклинивания и преждевременного износа.
- Надежность в тяжелых условиях. Устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
- Длительный срок службы при правильном монтаже и обслуживании.
- Универсальность установки. Могут монтироваться на валу без прессовой посадки (с зажимной втулкой), что упрощает монтаж/демонтаж.
- Величину и направление нагрузки (радиальная, осевая).
- Частоту вращения.
- Требуемый ресурс в часах.
- Условия эксплуатации (температура, наличие вибраций, загрязнений).
- Тип смазки (пластичная, жидкая) и систему уплотнений.
- Крупные электрические машины (двигатели и генераторы). Устанавливаются в опорах валов роторов мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Компенсируют прогибы длинных валов и тепловые расширения.
- Турбоагрегаты и турбогенераторы. Работают в условиях высоких скоростей и температур, требуя специальных марок стали и систем циркуляционной смазки.
- Вентиляторное оборудование. Осевые и центробежные вентиляторы систем охлаждения (градирни, котлы, дымоудаление). Подвержены вибрациям и неуравновешенным нагрузкам.
- Насосы высокого давления (питательные, циркуляционные). Воспринимают значительные радиальные нагрузки от рабочего колеса.
- Приводы механизмов собственных нужд электростанций (ленточные конвейеры, мельничные вентиляторы).
- Проверка посадочных поверхностей вала и корпуса на чистоту и соответствие допускам.
- Нагрев внутреннего кольца (индукционный или в масляной ванне) до 80-120°C для облегчения посадки на вал. Запрещено нагревание открытым пламенем.
- Осевая фиксация с помощью зажимной втулки и стопорных элементов.
- Заполнение подшипника и полости корпуса смазкой на 1/3 — 1/2 объема (для пластичных смазок). Переполнение ведет к перегреву.
- Пластичные смазки (литиевые, комплексные литиевые, полимочевинные). Для умеренных скоростей, с периодическим пополнением через пресс-масленки.
- Жидкие масла (индустриальные, турбинные). Для высокоскоростных агрегатов с системой принудительной циркуляции и охлаждения.
- Усталостное выкрашивание (питтинг). Естественный износ при длительной циклической нагрузке. Ускоряется при перегрузках.
- Задиры и заедание. Следствие недостатка смазки, применения несоответствующей смазки или перегрева.
- Абразивный износ. Попадание твердых частиц (пыль, грязь, продукты износа) из-за неэффективного уплотнения.
- Разрушение сепаратора. Вызвано усталостью материала, вибрациями на резонансных частотах или неправильным монтажом.
- Коррозия. Работа во влажной среде или конденсация влаги внутри узла при перепадах температур.
Принцип самоустановки основан на том, что сферическая поверхность наружного кольца и соответствующая форма роликов позволяют внутреннему кольцу с валом отклоняться относительно наружного кольца, закрепленного в корпусе. Допустимый угол перекоса обычно составляет 1.5° — 3°, что эффективно компенсирует монтажные погрешности, прогиб вала под нагрузкой или тепловые деформации.
Ключевые преимущества и технические характеристики
Использование сферических двухрядных роликовых подшипников в энергетике и тяжелой промышленности обусловлено рядом преимуществ:
Типоразмеры, обозначения и выбор подшипника
Обозначения подшипников следуют стандартам ISO (международным) и ГОСТ (отечественным). Основная серия для тяжелых условий — 22200, 22300, 23000, 23100, 23200, 24000 по ГОСТ 5721 (аналоги серий CC, CAC, MB, CA по ISO). Цифры обозначают типоразмер и серию по ширине и диаметру.
Таблица 1. Соответствие основных серий и характеристик
| Серия по ГОСТ / ISO | Назначение и особенности | Пример обозначения | Допустимый угол перекоса |
|---|---|---|---|
| 22300 / CC | Средняя серия, широко распространена для валов среднего диаметра. | 22312 СС – подшипник сферический двухрядный, легкая серия, d=60 мм, D=130 мм. | До 1.5° — 2.5° |
| 23200 / CA | Широкая серия, повышенная радиальная грузоподъемность. | 23224 СА – подшипник с d=120 мм, D=215 мм, повышенной грузоподъемности. | |
| 24000 / CAC, MB | Сверхтяжелая серия, для экстремальных радиальных нагрузок (прокатные станы, мощные вентиляторы). | 24026 СС/С9W33 – подшипник с d=130 мм, D=200 мм, с усиленным сепаратором. |
При выборе подшипника для энергетического оборудования (электродвигатели, турбины, вентиляторы градирен, насосы) инженеры рассчитывают эквивалентную динамическую нагрузку по стандартам ISO 281, учитывая:
Применение в электроэнергетике и смежных отраслях
В энергетическом секторе данные подшипники являются критически важными компонентами:
Монтаж, смазка и техническое обслуживание
Правильный монтаж — залог долговечности. Основные этапы:
Смазка является определяющим фактором. Применяются:
Техническое обслуживание включает регулярный мониторинг вибрации, температуры подшипникового узла (пирометры, термопары) и акустического шума. Резкий рост этих параметров сигнализирует о износе, недостатке смазки или разрушении сепаратора.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем сферический двухрядный роликовый подшипник принципиально отличается от шарикового сферического?
Основное отличие — тип тел качения. Ролики (цилиндрические бочкообразные) обеспечивают контакт по линии, а не в точке, как шарики. Это дает роликовому подшипнику существенно более высокую радиальную грузоподъемность (на 50-100% для аналогичных габаритов), но ограничивает максимальную частоту вращения. Шариковые сферические подшипники лучше подходят для высоких скоростей при умеренных нагрузках.
Можно ли использовать сферические подшипники для восприятия чисто осевых нагрузок?
Нет, это не их основное назначение. Они способны воспринимать двусторонние осевые нагрузки, но лишь в размере 20-30% от неиспользуемой радиальной грузоподъемности. Для значительных осевых нагрузок следует применять упорные или упорно-радиальные подшипники.
Как правильно определить необходимый класс натяга при посадке подшипника на вал и в корпус?
Внутреннее кольцо, вращающееся вместе с валом, должно иметь посадку с натягом (обычно k6, m6). Наружное кольцо, которое в корпусе может самоустанавливаться, должно иметь посадку с небольшим зазором (H7, G7) для возможности проворота и компенсации перекоса. Точные рекомендации зависят от нагрузки, скорости и вибраций и приведены в справочниках по подшипникам качения.
Что означает маркировка «W33» на торце подшипника?
Маркировка W33 указывает на наличие в наружном кольце кольцевой канавки и трех равнорасположенных смазочных отверстий. Это позволяет эффективно подавать смазку непосредственно в зону контакта роликов и дорожки качения, что критически важно для тяжелонагруженных узлов, работающих в непрерывном режиме.
Каковы основные причины преждевременного выхода из строя этих подшипников в энергооборудовании?
Заключение
Сферические двухрядные роликовые подшипники являются высоконадежным и специализированным решением для ответственных узлов энергетического и тяжелого промышленного оборудования. Их правильный выбор, основанный на точных инженерных расчетах, корректный монтаж с учетом самоустановки и организация регулярного обслуживания с контролем состояния являются обязательными условиями для обеспечения длительной и безотказной работы турбин, генераторов, крупных электродвигателей и вспомогательных механизмов. Понимание их конструкции, характеристик и условий применения позволяет специалистам энергетической отрасли оптимизировать ремонтные циклы и повышать общую надежность агрегатов.