Упорные роликовые цилиндрические подшипники: конструкция, применение и технические аспекты
Упорные роликовые цилиндрические подшипники (обозначаемые по ISO как тип 811, 812 и т.д.) представляют собой отдельный класс подшипников качения, предназначенных исключительно для восприятия односторонних или двусторонних осевых нагрузок. Их основная функция – поддержка и центрирование валов, вращающихся с высокой скоростью, при значительных осевых усилиях, где шариковые упорные подшипники уже неэффективны. Конструктивной особенностью является использование в качестве тел качения цилиндрических роликов, что обеспечивает высокую грузоподъемность и жесткость в осевом направлении при сравнительно небольших габаритных размерах.
Конструктивные особенности и типы
Базовый комплект упорного роликового цилиндрического подшипника состоит из трех основных компонентов: оси качения (вальца) в виде плоского кольца, комплекта цилиндрических роликов и сепаратора, удерживающего ролики. В отличие от радиальных подшипников, здесь дорожки качения выполнены на плоских поверхностях колец. Подшипники данного типа не способны воспринимать радиальную нагрузку; ее необходимо нести отдельно установленными радиальными подшипниками.
- Односторонние подшипники (серия 811, 871, 872): Воспринимают осевую нагрузку только в одном направлении. Состоят из двух колец (осевого вала и корпуса) и комплекта роликов с сепаратором. Требуют точной установки относительно опорных поверхностей.
- Двусторонние подшипники (серия 812, 873, 874): Воспринимают осевые нагрузки в обоих направлениях. Включают одно осевое кольцо, два корпусных кольца и два комплекта роликов с сепараторами. Обеспечивают фиксацию вала в осевом направлении.
- Подшипники с фланцевым корпусным кольцом: Предназначены для упрощения монтажа в корпусах, где осевое крепление стандартными методами затруднено. Фланец позволяет фиксировать подшипник винтами.
- Вертикальные гидрогенераторы и двигатели: Для восприятия веса вращающихся частей (ротора) и гидравлических осевых усилий на турбину.
- Опора поворотного устройства кранового оборудования (краны-балки, козловые краны): Восприятие осевых нагрузок от наклона колонны.
- Шпиндели тяжелых станков и прессов: Обеспечение высокой осевой жесткости.
- Редукторы червячного типа: Установка на червячный вал для фиксации его осевого положения.
- Оборудование для нефтегазовой отрасли (буровые установки): Работа в условиях ударных и вибрационных нагрузок.
- Неправильный монтаж: Перекос колец, попадание загрязнений, повреждение при запрессовке.
- Отсутствие или деградация смазки: Приводит к задирам, схватыванию и прогрессирующему выкрашиванию рабочих поверхностей.
- Превышение расчетной нагрузки: Особенно ударного характера.
- Прохождение радиальной нагрузки: Конструкция не рассчитана на радиальные усилия, что вызывает краевые нагрузки на ролики и кольца.
- Электрическое эрозирование: При прохождении токов утечки через подшипниковый узел.
Материалы и условия работы
Кольца и ролики изготавливаются из подшипниковых сталей марок ШХ15, ШХ15СГ или их зарубежных аналогов (100Cr6, 52100), подвергающихся объемной закалке до высокой твердости (60-66 HRC). Для работы в агрессивных средах или при повышенных температурах применяются стали 95Х18 (коррозионно-стойкая) или стали с добавлением молибдена и ванадия для термостойкости. Сепараторы могут быть штампованными из стального листа (малонагруженные высокоскоростные узлы) или механически обработанными из латуни, текстолита, а в современных исполнениях – из полиамида, армированного стекловолокном (PA66-GF25).
Области применения в энергетике и смежных отраслях
Данный тип подшипников нашел широкое применение в ответственных узлах энергетического оборудования, где присутствуют значительные осевые усилия:
Таблица сравнительных характеристик серий упорных роликовых подшипников
| Серия (пример) | Тип | Особенности конструкции | Предельная частота вращения | Типовое применение |
|---|---|---|---|---|
| 81100 (51100) | Односторонний | Низкая высота, стандартная ширина колец | Средняя | Редукторы, насосы |
| 81200 (52200) | Двусторонний | Два комплекта роликов, одно общее осевое кольцо | Средняя | Вертикальные валы, шпиндели |
| 89300 (54300) | Упорный сферический роликовый* | Самоустанавливающийся, компенсирует перекосы | Ниже средней | Тяжелонагруженные узлы с misalignment |
| 87400 (58400) | Двусторонний, повышенной грузоподъемности | Увеличенная высота роликов и колец | Низкая | Крановое оборудование, шлюзовые затворы |
*Для сравнения показан другой тип упорного подшипника.
Монтаж, смазка и техническое обслуживание
Правильный монтаж критически важен для работы упорных роликовых подшипников. Посадочные поверхности вала и корпуса должны быть строго перпендикулярны оси вращения и иметь высокую чистоту обработки. Осевое кольцо устанавливается с натягом на вал, корпусное кольцо – в корпус обычно с небольшим зазором. Необходимо обеспечить точную соосность колец. Для смазки применяются преимущественно пластичные смазки (литиевые, комплексные) для тяжелонагруженных узлов, а также циркуляционное или струйное маслоснабжение в высокоскоростных применениях (гидрогенераторы). Контроль температуры и вибрации является основным методом диагностики состояния подшипникового узла в процессе эксплуатации. Признаком неисправности может быть рост осевого люфта, повышенный шум, вибрация на осевой частоте.
Расчет и подбор подшипников
Основным критерием при выборе является динамическая грузоподъемность (Ca), указанная в каталогах. Расчет ведется на эквивалентную динамическую осевую нагрузку Pa по формуле: Pa = X Fr + Y Fa. Однако для чистых упорных подшипников, не воспринимающих радиальную нагрузку (Fr = 0), формула упрощается до Pa = Fa. Далее расчетный ресурс в миллионах оборотов определяется: L10 = (Ca / Pa)p, где для роликовых подшипников p = 10/3. Необходимо также проверять подшипник по статической грузоподъемности C0a при наличии значительных ударных нагрузок или при очень низкой частоте вращения.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем упорный роликовый цилиндрический подшипник принципиально отличается от радиально-упорного?
Упорный роликовый цилиндрический подшипник предназначен исключительно для восприятия осевых нагрузок, его дорожки качения расположены на плоских торцевых поверхностях колец. Радиально-упорный подшипник (шариковый или роликовый конический) способен воспринимать комбинированную нагрузку – как радиальную, так и осевую, благодаря наклонному расположению дорожек качения. Это разные конструктивные решения для разных кинематических схем.
Можно ли использовать два односторонних подшипника вместо одного двустороннего?
Да, такая схема (установка двух односторонних подшипников «спина к спине» или «лицом к лицу») часто применяется для восприятия двусторонних осевых нагрузок. Однако она требует более сложной настройки осевого зазора (преднатяга) и занимает больше места в осевом направлении. Готовый двусторонний подшипник обеспечивает более компактную и технологичную конструкцию.
Как компенсировать перекос вала или неточность монтажа в узле с таким подшипником?
Стандартные упорные роликовые цилиндрические подшипники не являются самоустанавливающимися и критичны к перекосам. Для компенсации misalignment необходимо либо обеспечивать высокую точность изготовления и монтажа посадочных поверхностей, либо применять в паре с ними сферические радиальные подшипники, либо использовать другой тип – упорные сферические роликовые подшипники (серия 29300, 29400), которые способны компенсировать значительные угловые отклонения.
Каковы основные причины преждевременного выхода из строя этих подшипников?
Какие существуют современные тенденции в разработке этих подшипников?
Основные направления развития включают: оптимизацию геометрии роликов и контактных поверхностей для снижения контактных напряжений и шума; применение новых сталей и термообработок (например, сквозной закалки) для увеличения усталостной прочности; использование сепараторов из высокопрочных полимерных композитов, позволяющих снизить вес, улучшить смазывание и демпфирование; разработка специальных исполнений для работы в экстремальных условиях (высокий вакуум, криогенные температуры, агрессивные среды).
Заключение
Упорные роликовые цилиндрические подшипники являются незаменимым конструктивным элементом в тяжелонагруженных узлах энергетического и промышленного оборудования, где требуются высокая осевая грузоподъемность и жесткость. Их корректный подбор, основанный на расчете динамической и статической грузоподъемности, точный монтаж и организация надежной системы смазки являются определяющими факторами для обеспечения длительного и безотказного ресурса работы всего агрегата. Понимание их конструктивных особенностей и условий применения позволяет инженерам оптимально решать задачи осевого фиксирования и нагружения валов в ответственных установках.