Сферические упорные подшипники

Сферические упорные подшипники: конструкция, принцип действия и применение в тяжелом машиностроении и энергетике

Сферический упорный подшипник — это тип подшипника качения, предназначенный для восприятия преимущественно осевых нагрузок, действующих вдоль вала, при одновременной возможности незначительного углового смещения вала относительно корпуса. Его ключевая особенность — сферическая форма дорожки качения наружного кольца и соответствующие ей сферические ролики. Эта геометрия обеспечивает самоустанавливаемость, компенсирующую перекосы вала до 2–3°, что критически важно для тяжелонагруженных узлов с возможными монтажными погрешностями или прогибами под нагрузкой.

Конструктивные особенности и основные типы

Конструктивно сферические упорные подшипники состоят из следующих основных элементов:

• Наружное кольцо (сепараторный узел в сборе): Имеет сферическую дорожку качения. Часто выполняется разъемным для облегчения монтажа.
• Внутреннее кольцо: Обычно представляет собой два отдельных кольца (верхнее и нижнее), плотно садящихся на вал. Имеет плоские или слегка наклонные дорожки качения.
• Тела качения: Бочкообразные (сферические) симметричные или несимметричные ролики. Изготавливаются из высокопрочной подшипниковой стали с последующей термической обработкой и шлифовкой.
• Сепаратор: Центрирует и удерживает ролики на равном расстоянии. Изготавливается из стали, латуни или полиамида, армированного стекловолокном, в зависимости от условий эксплуатации (скорость, температура, наличие смазки).

Существует два основных типа сферических упорных подшипников, различающихся по направлению воспринимаемой нагрузки:

Тип подшипника	Обозначение серии (пример)	Направление воспринимаемой осевой нагрузки	Особенности
Одностороннего действия	292.., 293..	Осевая нагрузка только в одном направлении	Имеют одно цельное внутреннее кольцо и одно разъемное наружное. Требуют установки второго подшипника для восприятия нагрузки в обратном направлении.
Двустороннего действия	294.., 293.. (в сдвоенной комбинации)	Осевые нагрузки в обоих направлениях	Фактически представляют собой два подшипника одностороннего действия, смонтированных в одном узле. Имеют три кольца: два внутренних и одно общее наружное с двумя сферическими дорожками.

Материалы и технологии изготовления

Для обеспечения высокой грузоподъемности и долговечности в условиях экстремальных нагрузок и, зачастую, сложных условий окружающей среды, применяются специализированные материалы и технологии:

• Сталь: Используется подшипниковая сталь марки 100Cr6 (SHХ15) или ее аналоги, подвергаемая сквозной закалке до высокой твердости (58-62 HRC).
• Термообработка: Сквозная закалка и низкотемпературный отпуск для снятия внутренних напряжений.
• Чистота поверхности: Дорожки качения и ролики подвергаются суперфинишной обработке для минимизации трения и микрозадиров.
• Сепараторы: Штампованные стальные (для большинства применений), механически обработанные латунные (для высоких скоростей и ударных нагрузок) или полимерные (для работы в условиях недостаточной смазки).
• Специальные покрытия: В агрессивных средах (морская вода, высокая влажность) могут применяться покрытия, например, цинк-никелевые.

Принцип работы и ключевые преимущества

Принцип работы основан на преобразовании трения скольжения в трение качения между телами качения (роликами) и кольцами подшипника. Сферическая форма роликов и наружного кольца обеспечивает контакт по линии, что значительно увеличивает площадь контакта и, как следствие, грузоподъемность по сравнению с шариковыми упорными подшипниками.

Основные преимущества:

• Высокая осевая грузоподъемность: Способность выдерживать крайне высокие осевые нагрузки, в разы превышающие возможности шариковых упорных аналогов.
• Самоустанавливаемость: Компенсация перекосов вала — главное эксплуатационное преимущество, продлевающее срок службы как подшипника, так и всего узла.
• Надежность в тяжелых условиях: Устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.
• Долгий срок службы при правильной эксплуатации: Расчетный ресурс при соблюдении условий по нагрузке, смазке и температуре.

Области применения в энергетике и тяжелом машиностроении

Данные подшипники находят применение в узлах, где преобладают значительные осевые усилия:

• Гидрогенераторы и вертикальные гидротурбины: Опорно-упорные подшипники вала ротора, воспринимающие вес вращающихся частей (осевая нагрузка) и гидродинамические усилия.
• Оборудование шахтных стволов (копры): Подшипники шкивов трения, испытывающие колоссальные осевые и ударные нагрузки.
• Вертикальные насосы и двигатели: Для фиксации ротора и восприятия осевого давления перекачиваемой среды.
• Опора поворотного устройства кранов, экскаваторов, стрел: В узлах, где требуется восприятие осевой нагрузки с возможностью перекоса.
• Оборудование для металлургии: Валки клетей прокатных станов, червячные редукторы.

Монтаж, смазка и техническое обслуживание

Правильный монтаж и обслуживание — залог достижения расчетного ресурса.

• Монтаж: Требует высокой точности установки посадочных мест. Вал и корпус должны иметь соответствующие классы шероховатости и допуски (как правило, посадка внутреннего кольца на вал с натягом, наружного — в корпус с небольшим зазором). Запрессовка должна осуществляться с помощью специальных оправок, исключающих передачу усилия через тела качения.
• Смазка: Применяется преимущественно пластичная (консистентная) смазка, реже — циркуляционная жидкая. Смазка должна быть высококачественной, с противозадирными и антиокислительными присадками, рассчитанными на высокое давление (EP-свойства). Типичные смазки — на основе литиевого или комплексного литиевого загустителя.
• Обслуживание: Регулярный виброконтроль, мониторинг температуры рабочего узла, периодическая проверка состояния смазки и ее пополнение/замена в соответствии с регламентом производителя оборудования.

Расчет и подбор сферических упорных подшипников

Подбор осуществляется на основе двух основных критериев: статической и динамической грузоподъемности.

• Динамическая грузоподъемность (C): Определяет ресурс подшипника в миллионах оборотов при переменной нагрузке. Расчет ведется по формуле с учетом эквивалентной динамической нагрузки, коэффициентов температуры, надежности и вида нагружения.
• Статическая грузоподъемность (C₀): Критерий для подшипников, работающих в режиме медленного вращения, качания или испытывающих значительные ударные нагрузки. Осевая статическая нагрузка не должна превышать C₀ с учетом коэффициента безопасности.

Обязательно учитываются условия смазки, температура окружающей среды, частота вращения и характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем сферический упорный подшипник принципиально отличается от радиального сферического роликоподшипника?

Сферический радиальный роликоподшипник (например, серии 223..) предназначен в первую очередь для восприятия радиальных нагрузок, хотя может выдерживать и некоторую осевую. Его внутреннее кольцо имеет сферическую дорожку. Сферический упорный подшипник (серии 292.., 293..) сконструирован специально для восприятия исключительно высоких осевых нагрузок, его внутреннее кольцо имеет плоские дорожки, а наружное — сферическую.

Можно ли использовать сферический упорный подшипник для восприятия радиальной нагрузки?

Нет, это недопустимо. Конструкция подшипника не рассчитана на радиальные нагрузки. Их наличие даже небольшой величины приведет к резкому снижению работоспособности и преждевременному разрушению подшипника.

Как правильно выбрать тип смазки и интервал ее замены?

Тип смазки должен строго соответствовать рекомендациям производителя подшипника или оборудования. Для тяжелонагруженных низкооборотных узлов обычно применяются консистентные смазки класса EP (Extreme Pressure) на литиевой или комплексной литиевой основе с высокой вязкостью базового масла. Интервал замены зависит от условий работы (температура, запыленность, нагрузка) и обычно составляет от 6 месяцев до 2 лет. Критерием может служить анализ состояния старой смазки на предмет окисления, загрязнения и наличия металлических частиц.

Каковы основные признаки выхода подшипника из строя?

• Повышение температуры узла выше нормативного рабочего диапазона (обычно более +80°С).
• Появление повышенной вибрации и шума (гула, скрежета) при работе.
• Люфт или заклинивание вала в осевом направлении.
• Вытекание потемневшей или загрязненной смазки с металлической стружкой.

Что важнее при выборе: динамическая или статическая грузоподъемность?

Для подшипников, работающих во вращательном движении с частотой более 10 об/мин, основной критерий — динамическая грузоподъемность (C). Для узлов с очень медленным вращением, качательным движением или длительной статической нагрузкой (например, опора поворотной платформы крана в зафиксированном состоянии) решающей является статическая грузоподъемность (C₀). В большинстве тяжелонагруженных применений в энергетике проверяются оба параметра.

Как компенсировать тепловое расширение вала в узле с такими подшипниками?

Один из подшипников в системе (обычно не фиксирующий осевое положение) должен устанавливаться с возможностью осевого перемещения в корпусе. Для сферических упорных подшипников это достигается за счет посадки наружного кольца в корпус с гарантированным зазором (например, посадка H7 или G7), что позволяет кольцу смещаться при тепловом удлинении вала, не создавая опасных предварительных натягов.