Упорные подшипники скольжения
Упорные подшипники скольжения: конструкция, материалы, расчет и применение в энергетике
Упорный подшипник скольжения — это тип опоры, предназначенный для восприятия осевых (аксиальных) нагрузок, действующих вдоль оси вращения вала, и обеспечения его точного позиционирования с минимальным коэффициентом трения в условиях прямого контакта скользящих поверхностей. В отличие от радиальных подшипников, которые воспринимают нагрузки, перпендикулярные оси, упорные подшипники скольжения являются ключевым элементом в вертикальных гидроагрегатах (гидрогенераторах, насосах), паровых и газовых турбинах, тяжелонагруженных редукторах и другом оборудовании, где возникают значительные осевые усилия.
Принцип действия и основные функции
Работа упорного подшипника скольжения основана на принципе гидродинамической смазки. При вращении упорного диска (башмака), закрепленного на валу, масло увлекается в клиновой зазор между поверхностями диска и неподвижных опорных сегментов. При достаточной скорости вращения возникает масляный клин, создающий давление, достаточное для полного разделения трущихся поверхностей. Таким образом, в установившемся режиме работа происходит без прямого контакта металла, а сопротивление определяется только внутренним трением в слое смазочного материала. Основные функции: восприятие осевых нагрузок, обеспечение минимальных потерь на трение, отвод тепла, выделяющегося в масляном слое, и демпфирование колебаний вала.
Конструктивные разновидности
Конструкция упорных подшипников скольжения варьируется в зависимости от величины и направления нагрузки, скорости вращения и требований к точности.
- Цельные (неразъемные) упорные шайбы: Простейший тип в виде кольца, напрессованного на вал. Применяются при небольших нагрузках и нереверсивном вращении. Недостаток — невозможность регулировки и сложный монтаж.
- Сегментные (башмачные) упорные подшипники (подшипники Кингсбери или Мичелла): Наиболее распространенная и эффективная конструкция для тяжелых условий. Состоит из поворотных самоустанавливающихся сегментов (башмаков), расположенных на опорном кольце. Каждый башмак может независимо наклоняться, формируя оптимальный масляный клин. Обеспечивает высокую грузоподъемность и способность работать в реверсивном режиме.
- Упорные подшипники с гидростатической смазкой: Масло под высоким давлением подается в зону контакта внешним насосом независимо от скорости вращения. Используются в особо тяжелонагруженных агрегатах или на низких скоростях, когда гидродинамический эффект недостаточен (например, при пуске и остановке турбогенератора).
- Комбинированные радиально-упорные подшипники: Конструкции, способные одновременно воспринимать и радиальную, и осевую нагрузку.
- Среднее удельное давление: p = F/A, где F — осевая нагрузка, A — суммарная площадь сегментов. Значение не должно превышать допустимое для выбранного материала.
- Произведение pv: Критерий, учитывающий давление и скорость скольжения. Ограничивает тепловыделение в узле.
- Минимальная толщина масляной пленки hmin: Рассчитывается с учетом вязкости масла, скорости вращения, нагрузки и геометрии сегмента. Должна превышать сумму шероховатостей поверхностей для предотвращения контакта.
- Коэффициент трения и потери мощности: Мощность трения преобразуется в тепло, которое должно быть отведено системой охлаждения.
- Тепловой баланс: Расчет необходимого расхода масла для поддержания рабочей температуры.
- Загрязнение масла: Абразивные частицы вызывают задиры и ускоренный износ.
- Нарушение режима смазки: Падение давления, недостаточный расход, перегрев масла.
- Перегрузка: Превышение проектных осевых усилий (например, при гидроударе в турбине).
- Износ или отслоение антифрикционного слоя: Естественный износ баббита, усталостное выкрашивание.
- Деформация опорных поверхностей: Нарушение монтажной геометрии из-за внешних воздействий или перегрева.
Материалы для трущихся пар
Выбор материалов определяет надежность, износостойкость и эффективность подшипника. Материалы должны обладать антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью, коррозионной стойкостью и хорошей прирабатываемостью.
| Материал | Состав / Тип | Предельное давление, МПа | Температурный диапазон, °C | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| Баббиты | Сплав на основе олова (Б83) или свинца | 15-25 | до 120-150 | Наиболее распространены в энергетике для заливки сегментов гидрогенераторов, турбин. |
| Бронза оловянистая | БрО10Ф1, БрО5Ц5С5 | 15-20 | до 200 | Упорные шайбы, сегменты при повышенных температурах. |
| Антифрикционный чугун | С пластинчатым или шаровидным графитом | 5-10 | до 300 | Узлы со средней нагрузкой и ограниченной смазкой. |
| Металлокомпозиты (биметалл) | Стальная основа с тонким слоем баббита | до 40 | до 150 | Высоконагруженные подшипники современных турбоагрегатов. |
| Полимерные композиты | PTFE (тефлон), полиамиды с наполнителями | 3-7 | до 200-260 | Узлы с работой в воде или агрессивных средах, пищевая промышленность. |
Система смазки и охлаждения
Эффективность и надежность упорного подшипника напрямую зависят от системы смазки. В энергетике применяются циркуляционные системы принудительной смазки. Масло выполняет три функции: создание несущего слоя, отвод тепла и очистка от продуктов износа. Типовая система включает: масляный бак, насосы (основной и резервный), охладители (водо-масляные теплообменники), фильтры тонкой очистки, регулирующую и контролирующую арматуру. Для контроля состояния подшипника непрерывно измеряются: температура масла на входе и выходе (перепад обычно не более 10-15°C), температура башмаков (датчики встроены в сегменты), давление в масляной магистрали и толщина масляной пленки.
Расчет и проектирование упорных подшипников
Основная задача расчета — обеспечение гидродинамического режима смазки при всех рабочих режимах агрегата. Расчет ведется по следующим критериям:
| Параметр | Единица измерения | Диапазон значений | Примечание |
|---|---|---|---|
| Удельное давление (p) | МПа | 3.5 – 6.5 | Для баббита Б83 до 25 МПа кратковременно |
| Окружная скорость | м/с | 30 – 70 | Зависит от диаметра и частоты вращения |
| Произведение pv | МПа·м/с | 150 – 400 | Критерий для выбора материала |
| Минимальная толщина масляной пленки | мкм | 40 – 120 | Зависит от чистоты обработки поверхностей |
| Расход масла на подшипник | л/мин | 200 – 1000 и более | Определяется тепловым расчетом |
Монтаж, эксплуатация и диагностика
Правильный монтаж критически важен. Он включает: тщательную очистку всех деталей и маслопроводов, проверку соосности и перпендикулярности посадочных поверхностей, регулировку параллельности сегментов и зазоров. При эксплуатации основное внимание уделяется параметрам масляной системы: чистоте масла (по ISO 4406), вязкости, температуре. Признаками неисправности могут служить: рост температуры отдельных сегментов или общего перепада, повышенная вибрация, падение давления масла, появление продуктов износа в масле (контроль по анализу феррографии или спектрометрии). Плановый ремонт включает визуальный осмотр, измерение толщины баббитового слоя ультразвуковым толщиномером, проверку геометрии диска.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально отличается упорный подшипник скольжения от упорного качения?
Подшипник скольжения работает на принципе гидродинамической или гидростатической смазки, где вал «плавает» на масляной пленке. Он имеет большую площадь контакта, лучше демпфирует вибрации, может работать при экстремальных нагрузках и скоростях, но требует сложной системы принудительной смазки. Подшипник качения использует тела качения (шарики, ролики), имеет меньшие потери на трение при пуске, но меньшую нагрузочную способность при больших габаритах и более чувствителен к ударным нагрузкам.
Почему в мощных гидрогенераторах применяют именно сегментные подшипники Кингсбери?
Конструкция с самоустанавливающимися сегментами автоматически обеспечивает оптимальный угол наклона для формирования масляного клина при любом режиме нагрузки и направления вращения (реверс). Это гарантирует стабильную гидродинамическую смазку, равномерное распределение нагрузки между сегментами, высокую надежность и долговечность, что критически важно для ответственных энергоагрегатов.
Как выбирается марка масла для системы смазки упорного подшипника?
Выбор основан на вязкостно-температурных характеристиках. Основной критерий — достаточная вязкость при рабочей температуре для создания несущего слоя, но не чрезмерная, чтобы избежать больших потерь на трение. Для турбин и гидрогенераторов обычно применяются индустриальные масла типа Тп-22, Тп-30, Тп-46 (по ГОСТ) или ISO VG 32, 46, 68. Решающее значение имеют рекомендации производителя агрегата и результаты эксплуатационных испытаний.
Каковы основные причины выхода из строя упорных подшипников скольжения?
Что такое «гидростатический подпор» и когда он необходим?
Гидростатический подпор — это принудительная подача масла под высоким давлением (до 35 МПа и более) в масляный слой подшипника от внешнего насоса перед пуском и остановом агрегата, а также на низких оборотах. Он необходим для предотвращения контакта металлических поверхностей в моменты, когда гидродинамическое давление из-за низкой скорости вращения еще не возникло или уже пропало. Обязателен для крупных турбогенераторов и гидроагрегатов.
Заключение
Упорные подшипники скольжения представляют собой высокотехнологичные узлы, отказоустойчивость которых определяет надежность всего энергоагрегата. Их эффективная работа достигается за счет оптимального сочетания точного инженерного расчета, правильного выбора материалов, наличия сложной системы принудительной циркуляционной смазки и квалифицированного технического обслуживания. Постоянный мониторинг температур, давления, чистоты масла и вибрации позволяет прогнозировать состояние подшипника и предотвращать серьезные аварии. Развитие материаловедения (новые композиты, износостойкие покрытия) и систем диагностики (онлайн-анализ частиц износа, цифровые двойники) продолжает повышать ресурс и эксплуатационные характеристики этих критически важных элементов энергетического оборудования.