Упорные однорядные подшипники
Упорные однорядные подшипники: конструкция, типы, применение и расчет
Упорные однорядные подшипники качения представляют собой класс подшипников, предназначенных исключительно для восприятия осевых (аксиальных) нагрузок, действующих вдоль оси вала. Они не способны воспринимать радиальные нагрузки, которые должны компенсироваться другими типами опор. Их основная функция – фиксация вала в осевом направлении с минимальными потерями на трение и обеспечение точного позиционирования вращающихся узлов. В энергетике, включая турбо- и гидрогенераторы, насосное и вентиляционное оборудование, эти подшипники являются критически важными элементами, от которых зависит надежность и долговечность агрегатов.
Конструктивные особенности и принцип действия
Конструкция упорного однорядного подшипника принципиально отличается от радиальных моделей. Он состоит из двух основных колец и тела качения. Нижнее кольцо (основное, или упорное) монтируется на корпус или в корпусную часть и является неподвижным. Верхнее кольцо (ответное, или регулировочное) устанавливается на вал и вращается вместе с ним. Между кольцами расположены тела качения – шарики или ролики, которые удерживаются и разделяются сепаратором. Сепаратор предотвращает контакт тел качения друг с другом, снижая трение и нагрев. Рабочие поверхности колец (дорожки качения) выполнены в виде плоских или специально профилированных (для роликовых типов) колец. Отсутствие радиального посадочного места на валу компенсируется наличием у ответного кольца цилиндрического посадочного отверстия с допусками, обеспечивающими плотную посадку.
Типы упорных однорядных подшипников и их характеристики
Классификация осуществляется по типу тел качения, что напрямую определяет грузоподъемность, скоростные возможности и область применения.
1. Упорные шариковые однорядные подшипники (серия 51, 52 по ГОСТ 7872-89, DIN 711, ISO 104)
Самый распространенный тип для средних осевых нагрузок и высоких частот вращения. Тела качения – шарики, катящиеся по плоским дорожкам. Обладают минимальным моментом трения среди всех упорных подшипников. Основной недостаток – неспособность работать при комбинированных (осевых и радиальных) нагрузках и чувствительность к перекосу вала относительно корпуса.
2. Упорные роликовые однорядные подшипники с цилиндрическими роликами (серия 812, 822 по ГОСТ 6874-88, DIN 728, ISO 104)
Используют в качестве тел качения цилиндрические ролики. Обладают значительно большей осевой грузоподъемностью (примерно на 200-300% выше, чем у шариковых аналогичного габарита) за счет увеличенной площади контакта. Однако их предельная частота вращения существенно ниже. Чувствительны к перекосу. Применяются в тяжелонагруженных низко- и среденооборотных узлах: опорах вертикальных валов гидрогенераторов, поворотных механизмах, тяжелых редукторах.
3. Упорные роликовые однорядные подшипники с коническими роликами (серия 813, 893 по ГОСТ 7872-89)
Ролики имеют коническую форму, а дорожки качения выполнены под углом. Главное преимущество – способность, помимо осевых, воспринимать незначительные односторонние радиальные нагрузки. Обладают высокой грузоподъемностью и жесткостью. Требуют точной регулировки зазора при монтаже. Применяются в мощных редукторах, экструдерах, прокатных станах.
4. Упорные роликовые однорядные подшипники со сферическими роликами (серия 294, 903 по ГОСТ 7872-89, DIN 812, ISO 104)
Наиболее совершенный и грузоподъемный тип. Сферические ролики и дорожка качения на основном кольце имеют сферическую форму. Это позволяет подшипнику самоустанавливаться и компенсировать перекосы вала до 2-3°, что критически важно для длинных валов и конструкций, подверженных прогибу. Обладают максимальной осевой грузоподъемностью среди однорядных моделей. Широко используются в энергетике: в опорах роторов вертикальных и горизонтальных гидрогенераторов, в системах регулирования лопастей гидротурбин, в тяжелом насосном оборудовании.
Материалы, смазка и уплотнения
Кольца и тела качения изготавливаются из подшипниковых сталей марок ШХ15, 100Cr6 (DIN) или их аналогов, проходящих глубокую закалку и низкий отпуск для достижения высокой твердости (HRC 58-65). Для работы в агрессивных средах (например, в морской воде) применяются коррозионно-стойкие стали (например, AISI 440C). Сепараторы могут быть штампованными из стали или латуни, а также механически обработанными из текстолита, латуни или полиамида (для высоких скоростей).
Смазка – критический фактор. Применяется как пластичная консистентная смазка (для низкоскоростных узлов с длительными интервалами обслуживания), так и жидкое циркуляционное масло (для высокоскоростных и высокотемпературных применений, таких как турбины). Масло обеспечивает лучший отвод тепла и подходит для систем централизованной смазки.
Стандартные упорные подшипники часто поставляются без встроенных уплотнений. Защита узла от загрязнений и удержание смазки обеспечивается уплотнениями корпуса или вала. В некоторых исполнениях могут устанавливаться защитные шайбы или уплотнительные кольца из бронзы или фторопласта.
Основные параметры выбора и расчет
Выбор упорного однорядного подшипника осуществляется на основе инженерного расчета, учитывающего следующие параметры:
- Осевая нагрузка (Fa): Определяющий параметр. Должна быть точно рассчитана с учетом всех сил, действующих на узел.
- Частота вращения (n): Определяет тип подшипника (шариковый или роликовый) и способ смазки.
- Требуемый срок службы (L10h): Расчетный срок службы в часах, при котором не менее 90% подшипников из партии должны отработать без признаков усталостного выкрашивания.
- Условия монтажа и эксплуатации: Наличие перекосов, вибраций, температурный режим, агрессивность среды.
- Перекос установки: Ведущая причина. Приводит к краевому контакту тел качения, перегреву и выкрашиванию.
- Недостаточная или загрязненная смазка: Вызывает абразивный износ, заедание и прогрессирующее разрушение дорожек.
- Превышение расчетной нагрузки или частоты вращения: Ускоренная усталость материала, перегрев.
- Неправильная посадка колец: Проворачивание кольца на посадочной поверхности приводит к фреттинг-коррозии и развальцовыванию посадочных мест.
Базовый расчет динамической грузоподъемности выполняется по формуле:
L10 = (C / P)p,
где:
L10 – расчетная долговечность в миллионах оборотов;
C – базовая динамическая грузоподъемность по каталогу (для упорных подшипников – осевая), кН;
P – эквивалентная динамическая осевая нагрузка, кН;
p – показатель степени: p=3 для шариковых, p=10/3 для роликовых подшипников.
Пересчет в часы: L10h = (106 / (60 n)) L10.
Таблица: Сравнительные характеристики основных типов упорных однорядных подшипников
| Параметр | Шариковые (51100) | Цилиндрические роликовые (81200) | Сферические роликовые (29400) |
|---|---|---|---|
| Тип тел качения | Шарики | Цилиндрические ролики | Сферические ролики |
| Осевая грузоподъемность | Средняя | Очень высокая | Наивысшая |
| Допустимая частота вращения | Высокая | Низкая/Средняя | Средняя |
| Способность к самоустановке | Нет | Нет | Да (до 2-3°) |
| Восприятие радиальной нагрузки | Нет | Нет | Незначительная |
| Момент трения | Низкий | Средний | Средний/Высокий |
| Типовое применение в энергетике | Вспомогательные насосы, вентиляторы, муфты | Опора вертикального вала гидрогенератора, червячные редукторы | Главная упорная опора гидрогенератора, поворотные механизмы затворов |
Особенности монтажа и эксплуатации в энергетике
Монтаж упорных подшипников требует высокой точности. Основное кольцо должно быть установлено в корпус с натягом, предотвращающим проворачивание. Ответное кольцо монтируется на вал также с натягом. Крайне важно обеспечить параллельность посадочных поверхностей корпуса и вала – их перекос приводит к неравномерному распределению нагрузки по дорожке качения, локальным перегревам и преждевременному выходу из строя. Для подшипников с коническими и сферическими роликами обязательна регулировка осевого зазора в соответствии с паспортными данными производителя. В энергетических установках, особенно гидроагрегатах, упорный подшипник часто работает в составе системы принудительной циркуляционной смазки под давлением, где контроль чистоты и температуры масла является обязательным условием эксплуатации. Системы мониторинга вибрации и температуры подшипникового узла входят в стандартный комплект контроля крупных энергоагрегатов.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем отличается упорный однорядный подшипник от упорно-радиального?
Упорный однорядный подшипник воспринимает только осевую нагрузку в одном направлении. Упорно-радиальный подшипник (например, шариковый сферический или конический роликовый) способен одновременно воспринимать значительные как осевые, так и радиальные нагрузки за счет конструкции дорожек качения.
Можно ли использовать два однорядных упорных подшипника для восприятия двухсторонней осевой нагрузки?
Да, это стандартная практика. Для фиксации вала в обоих осевых направлениях применяют схему установки двух однорядных упорных подшипников «спина к спине» или «лицом к лицу» (в зависимости от требований к жесткости), часто в паре с одним радиальным подшипником, который воспринимает радиальную нагрузку.
Как правильно определить направление действия осевой нагрузки при монтаже?
Основное (нижнее, более толстое) кольцо с маркировкой типоразмера монтируется на неподвижную часть (корпус). Ответное (верхнее) кольцо – на вал. Осевая нагрузка должна прижимать вращающееся кольцо к неподвижному. То есть, если вал давит вниз, то ответное кольцо должно быть установлено на валу выше основного кольца в корпусе.
Почему для вертикальных гидрогенераторов часто выбирают именно сферические роликовые упорные подшипники?
Вертикальные валы имеют значительный вес ротора, создающий большую постоянную осевую нагрузку. Сферические роликовые подшипники обладают максимальной осевой грузоподъемностью. Кроме того, возможные перекосы из-за монтажных погрешностей или прогиба вала компенсируются их способностью к самоустановке, что гарантирует равномерное распределение нагрузки и долгий срок службы.
Каковы основные причины выхода из строя упорных подшипников?
Заключение
Упорные однорядные подшипники являются специализированными высоконагруженными узлами, правильный выбор и эксплуатация которых напрямую влияют на надежность и ресурс ответственных механизмов в энергетике. Выбор между шариковым, цилиндрическим, коническим или сферическим роликовым типом определяется строгим инженерным расчетом, учитывающим величину и характер нагрузки, частоту вращения, условия монтажа и необходимый ресурс. Соблюдение правил монтажа, точной регулировки, а также обеспечение качественной смазки и контроля состояния являются обязательными условиями для их безотказной работы на протяжении всего расчетного срока службы.