Шарнирные подшипники скольжения

Шарнирные подшипники скольжения: конструкция, материалы, применение и выбор

Шарнирный подшипник скольжения (шарнирная втулка, сферический подшипник скольжения) – это механический узел, предназначенный для восприятия радиальных, осевых и комбинированных нагрузок с возможностью значительных угловых смещений (качания) и, в ряде конструкций, вращения вокруг своей оси. В отличие от шариковых или роликовых шарниров, в его основе лежит принцип скольжения: работающая пара состоит из сферического внутреннего кольца (вкладыша) и наружного корпуса с внутренней сферической поверхностью. Относительное движение происходит за счет скольжения этих двух поверхностей, разделенных либо слоем сухого трения, либо специальным материалом, либо смазкой.

Конструктивные особенности и принцип действия

Базовый шарнирный подшипник скольжения состоит из трех основных компонентов:

• Наружный корпус (наружное кольцо): Имеет внутреннюю сферическую поверхность и наружную цилиндрическую или сферическую форму. Часто снабжен монтажными отверстиями (резьбовыми или сквозными) для крепления. Изготавливается из углеродистой или легированной стали, обычно с антикоррозионным покрытием.
• Внутреннее кольцо (вкладыш, сферическая втулка): Деталь со сферической наружной поверхностью и цилиндрическим или коническим отверстием под шпильку, палец или вал. Изготавливается из материала с низким коэффициентом трения.
• Рабочий слой (композит): Ключевой элемент. В классическом исполнении представляет собой слой материала скольжения, запрессованный или нанесенный на внутреннюю сферическую поверхность корпуса. В альтернативной конструкции слой нанесен на наружную поверхность вкладыша. Обеспечивает скольжение и износостойкость.

Принцип работы основан на компенсации несоосности соединяемых элементов за счет углового смещения внутреннего кольца относительно наружного в сферическом зазоре. Передача нагрузки происходит непосредственно через рабочий слой скольжения.

Классификация и типы

Шарнирные подшипники скольжения классифицируются по нескольким ключевым признакам.

1. По наличию и типу смазки:

• Необслуживаемые (самосмазывающиеся): Наиболее распространенный тип в современной энергетике. Рабочий слой изготавливается из композитного материала, содержащего твердые смазочные вещества (чаще всего PTFE/тефлон, графит, дисульфид молибдена). Смазка заложена на весь срок службы. Не требуют технического обслуживания, устойчивы к загрязнениям.
• Обслуживаемые (со смазочными каналами): Имеют каналы для подачи пластичной или жидкой смазки. Применяются в узлах, работающих в условиях очень высоких ударных нагрузок или низких скоростей, где требуется толстая смазочная пленка. Требуют регулярного пополнения смазки.
• Работающие без смазки (сухое трение): Используются в специфических условиях, где смазка запрещена (пищевая промышленность, вакуум) или невозможна. Изготавливаются из специальных пар материалов, например, сталь/бронза.

2. По конструкции и направлению воспринимаемой нагрузки:

• Радиальные: Воспринимают преимущественно нагрузки, действующие перпендикулярно оси подшипника (основной тип).
• Радиально-упорные: Способны воспринимать значительные осевые нагрузки в одном направлении помимо радиальных.
• Упорные: Специализированы для восприятия осевых нагрузок.
• Подшипники с разъемным корпусом: Корпус состоит из двух половин, что позволяет устанавливать подшипник на узел без его демонтажа (например, на шатун крупного двигателя).

Материалы рабочего слоя и их характеристики

Выбор материала определяет долговечность, коэффициент трения и область применения подшипника.

Материал рабочего слоя	Состав и структура	Коэффициент трения (примерный)	Макс. рабочая температура	Ключевые преимущества	Типичное применение в энергетике
PTFE/Тефлон с наполнителями	Политетрафторэтиленовая матрица с включениями стекловолокна, бронзы, графита, кокса.	0.03 — 0.10 (сухое скольжение)	от -200°C до +280°C	Очень низкий коэффициент трения, химическая инертность, работа без смазки, стойкость к холодному течению.	Шарниры систем управления заслонками, регуляторов, компенсаторы трубопроводов, опоры изоляторов.
PTFE-ткань (DU, DX)	Стальная основа с пористым бронзовым промежуточным слоем, пропитанным смесью PTFE и свинца.	0.03 — 0.20	до +280°C	Высокая износостойкость, низкий стартовый момент, высокая несущая способность.	Критические узлы: шарниры силовых приводов выключателей, турбинных регуляторов, тяжелонагруженные рычажные системы.
Полиамид (PA, PA+MoS2)	Инженерный пластик, часто с добавлением дисульфида молибдена.	0.10 — 0.30	до +120°C	Хорошая износостойкость, ударная вязкость, низкая стоимость, стойкость к вибрациям.	Ненагруженные шарниры кожухов, крышек, вспомогательные механизмы.
Полиацеталь (POM)	Высокопрочный, жесткий термопласт.	0.10 — 0.30	до +100°C	Высокая жесткость и стабильность размеров, низкое водопоглощение.	Точные шарниры в измерительной и регулирующей аппаратуре.
Бронза (CuSn, CuPb)	Литая или спеченная бронзовая втулка.	0.10 — 0.35 (со смазкой)	до +250°C	Высокая теплопроводность, несущая способность, стойкость к заеданию.	Обслуживаемые шарниры в тяжелых условиях (гидротурбины, шлюзовые механизмы) с принудительной смазкой.

Критерии выбора для применения в энергетике

Выбор конкретного типа шарнирного подшипника скольжения осуществляется на основе анализа следующих параметров:

• Нагрузка: Определяется статическая (пиковая) и динамическая (рабочая) радиальная и осевая нагрузка. Учитывается характер нагрузки (постоянная, переменная, ударная).
• Угловое смещение: Максимальный угол качания от нейтрального положения. Для большинства стандартных подшипников составляет ±3°-±15°, специальные исполнения допускают до ±40°.
• Скорость и характер движения: Частота и амплитуда колебаний или скорость вращения. Для возвратно-поступательных и медленных колебательных движений (типичных для энергооборудования) подшипники скольжения оптимальны.
• Условия эксплуатации: Температурный диапазон, наличие агрессивных сред (химикаты, морская вода), воздействие абразивной пыли, УФ-излучения. Определяет выбор материала и необходимость защитных покрытий.
• Требования к обслуживанию: Возможность и целесообразность проведения регулярной смазки. В труднодоступных или ответственных узлах предпочтение отдается необслуживаемым самосмазывающимся подшипникам.
• Монтажные ограничения: Конструкция присоединительных элементов (тип и диаметр вала/пальца), способ крепления корпуса (прессовая посадка, фланец, прижим), наличие ограничений по габаритам.

Применение в электроэнергетическом оборудовании

Шарнирные подшипники скольжения находят широкое применение благодаря надежности в условиях медленных колебаний и высокой несущей способности.

• Силовые выключатели и разъединители: Шарниры приводных механизмов, рычажных систем управления контактами. Требуют минимального люфта, высокой износостойкости и стабильности характеристик в течение длительного срока службы (25+ лет).
• Трансформаторы: В системах регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) – шарниры приводов переключателей ответвлений.
• Турбинное и генераторное оборудование: В системах регулирования клапанов паровых и газовых турбин, в механизмах изменения геометрии направляющего аппарата гидротурбин.
• Опоры трубопроводов и компенсаторы: В качестве подвижных опор, воспринимающих тепловые расширения трубопроводов высокого давления. Компенсируют смещения в нескольких плоскостях.
• Воздушные линии электропередачи (ВЛ): В гибких подвесных изоляторах (тарельчатых) для компенсации угловых отклонений, в шарнирных соединениях элементов ОРУ.
• Системы вентиляции и охлаждения: В шарнирах заслонок и регулирующих клапанов систем приточной вентиляции и водяного охлаждения.

Монтаж, эксплуатация и контроль

Правильный монтаж критически важен для реализации заявленного ресурса подшипника.

• Посадка корпуса: Наружный корпус обычно устанавливается в гнездо с натягом (прессовая посадка) для предотвращения проворачивания. Для облегчения запрессовки может применяться охлаждение корпуса.
• Установка пальца (оси): Соединительный палец или шпилька должны свободно, без заедания, проворачиваться во внутреннем кольце. Зазор должен соответствовать паспортным данным. Запрещается ударный монтаж.
• Смазка: Для обслуживаемых подшипников используется только рекомендованная производителем пластичная смазка. Для необслуживаемых подшипников смазка монтажной поверхности пальца допустима, но не должна контактировать с рабочим слоем из PTFE (может ухудшить его свойства).
• Защита от загрязнений: При наличии абразивной пыли рекомендуется установка защитных чехлов (пыльников), если они не предусмотрены конструктивно.
• Контроль в процессе эксплуатации: Визуальный осмотр на предмет коррозии, появление нехарактерных зазоров (люфтов) или заеданий при перемещении. Для ответственных узлов проводится периодический замер момента поворота или углового люфта.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чем ключевое отличие шарнирного подшипника скольжения от шарикового сферического подшипника?

Шарнирный подшипник скольжения работает на принципе фрикционного скольжения между сферическими поверхностями, в то время как шариковый использует тела качения (шарики). Подшипники скольжения лучше подходят для медленных колебательных движений, тяжелых ударных нагрузок, не боятся вибраций и, как правило, не требуют обслуживания. Шариковые шарниры имеют меньший момент трения при старте и лучше подходят для вращательных движений с большими скоростями, но более чувствительны к ударным нагрузкам и требуют защиты от загрязнения.

Как правильно определить износ подшипника и его остаточный ресурс?

Основные признаки износа: увеличение радиального и осевого люфта (определяется индикаторным методом), появление заеданий или нехарактерного шума при движении, видимая деформация или выкрашивание рабочего слоя. Для точной оценки необходимо сравнить текущие зазоры с паспортными значениями нового подшипника. Остаточный ресурс оценивается по скорости нарастания люфта в процессе эксплуатации.

Можно ли ремонтировать или восстанавливать шарнирные подшипники скольжения?

Стандартные необслуживаемые подшипники восстановлению не подлежат и при износе подлежат замене в сборе. Некоторые крупногабаритные обслуживаемые подшипники (например, с бронзовым вкладышем) могут быть отремонтированы путем замены вкладыша или его перешлифовки с последующей пригонкой. Экономическая целесообразность такого ремонта определяется для каждого конкретного случая.

Как влияет температура на работу самосмазывающихся подшипников с PTFE?

PTFE сохраняет рабочие свойства в очень широком диапазоне: от криогенных температур до +280°C. При температурах ниже -50°C материал становится более жестким, но сохраняет низкий коэффициент трения. При длительной работе близко к верхнему пределу (+250°C…+280°C) возможно незначительное увеличение износа. Кратковременные пики выше +280°C приводят к деградации материала.

Что важнее при выборе для тяжелонагруженного шарнира – статическая или динамическая грузоподъемность?

Для шарниров в энергетике, где преобладают медленные колебания и длительные статические нагрузки (например, удержание положения заслонки), решающее значение имеет статическая грузоподъемность. Она характеризует максимальную нагрузку, которую подшипник может выдержать без необратимой деформации рабочего слоя или основы в неподвижном состоянии или при очень медленных движениях. Динамическая грузоподъемность важна для узлов с частыми циклическими движениями.

Нужно ли смазывать подшипники с тефлоновым (PTFE) рабочим слоем?

Нет, это не только не нужно, но и может быть вредно. Самосмазывающиеся подшипники с PTFE-композитом рассчитаны на работу без дополнительной смазки. Введение сторонней пластичной смазки может заблокировать выход твердых смазывающих частиц из объема материала на рабочую поверхность, что приведет к увеличению коэффициента трения и износа. Допустима лишь легкая смазка посадочных поверхностей при монтаже для предотвращения коррозии.

Заключение

Шарнирные подшипники скольжения являются критически важными элементами в механизмах энергетического оборудования, обеспечивая надежное соединение с возможностью углового смещения. Их правильный выбор, основанный на глубоком анализе нагрузок, условий эксплуатации и характеристик материалов, напрямую влияет на надежность, долговечность и безаварийную работу всего узла. Приоритет в современной энергетике отдается необслуживаемым самосмазывающимся конструкциям на основе композитных материалов, которые минимизируют эксплуатационные расходы при гарантированном сроке службы. Понимание принципов работы, классификации и критериев выбора данных изделий позволяет инженерно-техническому персоналу принимать обоснованные решения при проектировании, модернизации и ремонте энергооборудования.