Упорные конические роликовые подшипники
Упорные конические роликовые подшипники: конструкция, применение и технические аспекты
Упорные конические роликовые подшипники представляют собой отдельный класс подшипников качения, предназначенный для восприятия исключительно осевых нагрузок, действующих в одном направлении, и комбинированных (осевых и радиальных) нагрузок. Их ключевое отличие от радиально-упорных аналогов заключается в геометрии и расположении дорожек качения: оси конусов дорожек качения наружного и внутреннего колец, а также оси роликов сходятся в одной точке на оси подшипника. Это обеспечивает чисто катящее движение роликов без проскальзывания, что критически важно для работы под высокими осевыми нагрузками.
Конструктивные особенности и принцип действия
Основными компонентами упорного конического роликового подшипника являются:
- Кольцо оси (сепаратор с роликами) – комплект, состоящий из конических роликов, удерживаемых сепаратором. Это верхняя, обычно вращающаяся часть.
- Кольцо корпуса (осевой упор) – стационарное кольцо с конической дорожкой качения, монтируемое в корпус.
- Опорное кольцо (осевой упор) – второе стационарное кольцо, воспринимающее нагрузку с противоположной стороны. Часто используется в паре с кольцом корпуса.
- Конические ролики – тела качения, геометрия которых оптимизирована для передачи высоких осевых усилий. Имеют линейный контакт с дорожками качения.
- Сепаратор – фиксирует и направляет ролики, предотвращая их контакт друг с другом.
- Серия 7.. (например, 812, 893) – стандартные подшипники с нормальным углом контакта (~60°).
- Вертикальные гидрогенераторы и турбины: Восприятие веса вращающихся частей (ротора, рабочего колеса) и гидравлических осевых усилий.
- Монтаж: Подшипник всегда устанавливается с предварительным натягом. Кольцо оси (сепаратор с роликами) монтируется на вал с натягом. Кольца корпуса и опорное кольцо устанавливаются в корпус, часто по переходной посадке. Необходима абсолютная чистота и соосность посадочных мест.
- Fr, при условии, что Fr / Fa ≤ 0.55.
- Неправильная регулировка: Чрезмерный предварительный натяг приводит к перегреву и задирам, недостаточный – к проворачиванию и ударным нагрузкам.
Принцип работы основан на разложении приложенной осевой силы на нормальную и радиальную составляющие в зоне контакта ролика с дорожками качения. Благодаря конической форме роликов и дорожек, радиальная составляющая воспринимается самим подшипником, что требует его жесткой фиксации в радиальном направлении в узле. Это позволяет подшипнику выдерживать значительные комбинированные нагрузки, где радиальная составляющая достигает ~55% от приложенной осевой.
Классификация и типоразмеры
Упорные конические роликовые подшипники стандартизированы по ISO и DIN. Основная классификация ведется по углу контакта (α) – углу между линией, перпендикулярной оси подшипника, и линией контакта ролика с дорожкой качения. Стандартные серии включают:
Серия 9.. (например, 911, 994) – подшипники с увеличенным углом контакта (~75°), предназначенные для сверхвысоких осевых нагрузок при минимальной радиальной составляющей.
Обозначение подшипника, например, 81214 TN, расшифровывается следующим образом: 8 – обозначение типа (упорный роликовый), 12 – серия по ширине и высоте, 14 – внутренний диаметр (d=70 мм), TN – материал сепаратора (полиамид, стеклонаполненный).
Таблица: Сравнение характеристик основных серий упорных конических подшипников
| Типоразмер (пример) | Угол контакта (α), приблиз. | Коэффициент осевой нагрузки (Y) | Основная область применения |
|---|---|---|---|
| 81208 (40x60x18 мм) | 60° | 0.8 | Редукторы общего назначения, червячные передачи |
| 89318 (90x155x52 мм) | 60° | 0.8 | Тяжелое машиностроение, опоры поворота кранов |
| 91116 (80x115x25 мм) | 75° | 0.4 | Вертикальные турбины, шпиндели, работающие под преобладающей осевой нагрузкой |
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Данный тип подшипников нашел широкое применение в узлах, где преобладают значительные осевые усилия:
Опора поворота стреловых кранов и экскаваторов: Восприятие опрокидывающего момента, действующего как осевая нагрузка на подшипник.
Червячные редукторы: Фиксация червяка, где помимо крутящего момента возникают значительные осевые силы.
Оборудование для металлургии: Клети прокатных станов, шпиндели.
Большие редукторы с коническими передачами: Для фиксации валов конических шестерен.
Монтаж, регулировка и смазка
Правильный монтаж и регулировка являются критически важными для обеспечения долговечности упорных конических роликовых подшипников.
Регулировка осевого зазора/натяга: Осуществляется с помощью комплекта регулировочных шайб или резьбовых элементов (гаек), расположенных между опорным кольцом и корпусом. Зазор контролируется индикатором часового типа. Правильно отрегулированный подшипник должен иметь «нулевой» рабочий зазор или минимальный предварительный натяг, исключающий проворачивание колец при работе, но не вызывающий перегрева.
Смазка: Ввиду высоких контактных давлений применяются высоковязкие пластичные смазки (на литиевой или комплексной основе) с противозадирными присадками (EP) или циркуляционная система жидкой смазки (индустриальные масла ISO VG 220-680). Выбор зависит от скорости вращения и температурного режима.
Расчет долговечности и подбор подшипника
Основой для расчета является динамическая грузоподъемность (C) и эквивалентная динамическая осевая нагрузка (Pa). Для упорных конических роликовых подшипников при комбинированной нагрузке используется формула:
Pa = Fa + 1.2
где:
Fa – приложенная осевая нагрузка, кН;
Fr – приложенная радиальная нагрузка, кН.
Номинальный срок службы в миллионах оборотов рассчитывается по формуле: L10 = (C / Pa)10/3.
Расчетный срок службы в часах: L10h = (106 / (60 n)) L10, где n – частота вращения, об/мин.
При выборе также необходимо учитывать статическую грузоподъемность (C0) для проверки на недопустимые пластические деформации при кратковременных пиковых нагрузках или работе в режиме медленного вращения/качания.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем упорный конический роликовый подшипник принципиально отличается от радиально-упорного конического?
Главное отличие – в геометрии и назначении. У радиально-упорного подшипника оси конусов дорожек качения не сходятся на оси подшипника, что позволяет ему воспринимать преимущественно радиальные и ограниченные осевые нагрузки в обе стороны (при парной установке). Упорный конический подшипник сконструирован специально для восприятия очень высоких осевых нагрузок в одном направлении, а его способность нести радиальную нагрузку является производной от осевой и требует жесткой радиальной фиксации узла.
Можно ли использовать один упорный конический подшипник для восприятия реверсивных осевых нагрузок?
Нет, один подшипник воспринимает нагрузку только в одном направлении. Для работы с реверсивными осевыми нагрузками необходимо применять два подшипника, установленных встречно (лицом к лицу или спиной к спине) с соответствующей системой регулировки и фиксации.
Как правильно определить момент затяжки регулировочной гайки или толщину регулировочной шайбы?
Точный метод – контроль осевого зазора/натяга с помощью индикатора. После предварительной сборки и затяжки фиксирующих элементов измеряется осевой люфт вала. Толщина шайбы подбирается так, чтобы обеспечить заданный предварительный натяг (обычно от 0 до 0.05 мм для средних и крупных подшипников). Эмпирические методы (затяжка по моменту) допустимы только при наличии конкретных рекомендаций производителя подшипника для данного типоразмера.
Каковы основные причины преждевременного выхода из строя этих подшипников?
Несоосность посадочных мест в корпусе: Вызывает неравномерное распределение нагрузки по роликам, контактные напряжения и усталостное выкрашивание.
Загрязнение смазки: Абразивные частицы вызывают абразивный износ дорожек качения и роликов.
Недостаточное или неправильное смазывание: Приводит к схватыванию и заеданию поверхностей качения.
Превышение статической грузоподъемности: Пластическая деформация дорожек качения при монтаже ударным способом или при экстремальных нерасчетных нагрузках.
Какие альтернативы существуют для очень больших осевых нагрузок при низких скоростях?
Для низкоскоростных применений с экстремальными осевыми нагрузками (например, опоры поворота тяжелых кранов, платформ) часто используются упорные конические роликовые подшипники с разъемным кольцом (серия 998/999 по DIN) или упорные цилиндрические роликовые подшипники. Разъемная конструкция позволяет монтировать подшипники большого диаметра без необходимости демонтажа смежных узлов.
Заключение
Упорные конические роликовые подшипники являются высокоспециализированным и надежным решением для узлов, работающих под действием значительных осевых и комбинированных нагрузок. Их корректная работа напрямую зависит от точности изготовления посадочных мест, правильности монтажа, точной регулировки осевого зазора и применения качественной смазки. Понимание их конструктивных особенностей, принципов расчета и условий эксплуатации позволяет инженерам и специалистам по обслуживанию эффективно интегрировать эти подшипники в ответственные узлы энергетического и тяжелого промышленного оборудования, обеспечивая его длительную и безотказную работу.