Закрытые шарнирные подшипники

Закрытые шарнирные подшипники: конструкция, материалы, применение и выбор

Закрытые шарнирные подшипники (также известные как сферические подшипники скольжения, шарнирные втулки или подшипники сферические закрытые) представляют собой тип подшипника скольжения, предназначенного для восприятия значительных радиальных, осевых и комбинированных нагрузок при одновременной компенсации углового смещения валов. Конструктивно они состоят из сферического внутреннего кольца (пальца), наружного кольца с внутренней сферической поверхностью и, в закрытом исполнении, интегрированного защитного кожуха. Данная статья детально рассматривает их устройство, ключевые характеристики, области применения в электроэнергетике и смежных отраслях, а также методологию выбора и монтажа.

Конструктивные особенности и принцип действия

Закрытый шарнирный подшипник представляет собой герметичный узел. Его основными компонентами являются:

• Наружное кольцо (корпус): Изготавливается, как правило, из стали, имеет внутреннюю сферическую поверхность и часто снабжено монтажными отверстиями (резьбовыми или гладкими) для крепления.
• Внутреннее кольцо (палец): Имеет наружную сферическую поверхность, контактирующую с корпусом. Внутренняя часть может быть цилиндрической, конической или резьбовой для посадки на вал.
• Рабочий слой (вкладыш): Нанесен на внутреннюю сферическую поверхность наружного кольца. Выполняется из материалов с низким коэффициентом трения: полимерных композитов (PTFE/телемон, PTFE/стекловолокно), бронзы с твердым покрытием или спеченных материалов.
• Защитный кожух (чехол): Изготовлен из эластомера (нитрил, хлоропрен) или металла. Обеспечивает полную герметизацию рабочего пространства, исключая попадание абразивных частиц и вымывание смазки. Смазка закладывается на весь срок службы подшипника.

Принцип работы основан на скольжении сферических поверхностей внутреннего кольца и рабочего слоя наружного кольца. Сферическая геометрия позволяет внутреннему кольцу свободно поворачиваться внутри наружного, компенсируя угловое смещение (обычно до ±10°-15°) без потери несущей способности. Закрытая конструкция делает узел необслуживаемым.

Классификация и материалы

Классификация закрытых шарнирных подшипников осуществляется по нескольким ключевым параметрам.

По типу рабочего слоя и материалу:

• Полимерные (PTFE-композит): Наиболее распространенный тип. Рабочий слой на основе политетрафторэтилена (PTFE) с наполнителями (стекловолокно, бронза, углерод). Обладают очень низким коэффициентом трения, не требуют смазки, коррозионно-стойкие. Подходят для средних нагрузок и скоростей.
• Бронзовые (с покрытием): Наружное кольцо из бронзы с гальваническим покрытием (чаще всего олово). Требуют смазки, заложенной под кожух. Отличаются высокой удельной нагрузочной способностью и стойкостью к ударным нагрузкам.
• Спеченные (металлокерамика): Изготавливаются методом порошковой металлургии. Имеют микропористую структуру, пропитанную смазкой. Обладают высокой износостойкостью и способностью к самосмазыванию при дефиците смазки.

По типу монтажного исполнения:

• С резьбовым хвостовиком (внутреннее кольцо с резьбой).
• С гладким цилиндрическим отверстием.
• С проушиной (вилочное исполнение).
• Фланцевые.

Технические характеристики и таблицы нагрузок

Основные параметры, определяющие выбор подшипника:

• Статическая грузоподъемность (C0): Допустимая нагрузка, при которой пластическая деформация в наиболее нагруженной точке контакта не превышает 0.01% от диаметра сферы. Критична для статичных или медленно перемещающихся узлов.
• Динамическая грузоподъемность (C): Нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение 100 км хода (или 1 млн. циклов) с вероятностью безотказной работы 90%. Важна для циклически нагруженных соединений.
• Допустимый угол перекоса (α): Максимальный угол отклонения оси внутреннего кольца от оси наружного.
• Рабочий температурный диапазон: Зависит от материалов кожуха и рабочего слоя.

Пример сравнительных характеристик подшипников разных типов (усредненные данные для типоразмера 20 мм)

Тип рабочего слоя	Статическая нагрузка C0, кН	Динамическая нагрузка C, кН	Коэф. трения	Темп. диапазон, °C	Стойкость к среде
PTFE/стекловолокно (закрытый)	70	45	0.03 — 0.08	-40 до +120	Высокая (кроме щелочей)
Бронза с оловянным покрытием (закрытый)	110	65	0.06 — 0.12*	-20 до +150	Средняя (требуется защита от агрессивных сред)
Спеченная бронза, пропитанная (закрытый)	85	50	0.05 — 0.10*	-30 до +180	Средняя

• При наличии смазки в кожухе.

Применение в электроэнергетике и смежных отраслях

Закрытые шарнирные подшипники нашли широкое применение благодаря своей надежности и необслуживаемости.

• Изоляторы и токопроводы: В шарнирных соединениях гибких токопроводов, системах компенсации температурного расширения шинных мостов, подвижных контактах. Коррозионная стойкость и диэлектрические свойства кожуха важны здесь.
• Приводы коммутационной аппаратуры: В механизмах привода разъединителей, выключателей нагрузки, силовых выключателей. Обеспечивают точную передачу усилия и компенсацию монтажных перекосов.
• Ветроэнергетика: В системах изменения угла атаки лопастей (пит-механизмах), поворотных механизмах гондол. Работают в условиях вибрации, знакопеременных нагрузок и низких температур.
• Гидро- и теплоэнергетика: В системах управления затворами, заслонками, регуляторами турбин. Устойчивость к влаге и способность работать при низких скоростях скольжения критичны.
• Распределительные устройства (РУ): В механических связях и тягах систем блокировки и управления.

Критерии выбора и монтаж

Выбор закрытого шарнирного подшипника осуществляется на основе анализа следующих условий эксплуатации:

1. Характер и величина нагрузки: Определяют необходимую статическую (C0) и динамическую (C) грузоподъемность. Необходим запас не менее 20-30%.
2. Угол перекоса и частота колебаний: Подбирается модель с допустимым углом больше расчетного. Высокочастотные малые колебания наиболее опасны для износа.
3. Скорость скольжения: Большинство закрытых подшипников рассчитаны на малые и средние скорости (до 0.1 м/с). Для высоких скоростей требуются специальные решения.
4. Температура и окружающая среда: Определяют материал кожуха (стандартный NBR, морозостойкий, маслостойкий) и рабочего слоя.
5. Требования к необслуживаемости: Закрытые подшипники с PTFE-слоем не требуют смазки в течение всего срока службы.

Монтаж: При установке запрещается нарушение целостности защитного кожуха. Запрещается сварка или нагрев подшипника. Ось вращения должна совпадать с рабочей зоной подшипника. Необходимо обеспечить свободный ход для компенсации углового смещения, исключив его принудительный перекос сверх паспортного значения.

Преимущества и недостатки по сравнению с открытыми подшипниками и шарикоподшипниками

Преимущества:

• Полная защита от загрязнений и утечки смазки.
• Длительный срок службы без обслуживания.
• Высокая стойкость к коррозии (при использовании полимерных материалов и нержавеющих сталей).
• Способность компенсировать значительные угловые перекосы.
• Хорошее демпфирование вибраций и бесшумность работы.

Недостатки:

• Ограниченная скорость скольжения из-за нагрева в закрытом объеме.
• Как правило, более высокая стоимость по сравнению с открытыми аналогами.
• Сложность контроля состояния рабочего слоя без вскрытия.
• Ограниченный температурный диапазон, определяемый материалом кожуха.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем закрытый шарнирный подшипник принципиально отличается от открытого?

Закрытый подшипник имеет герметичный эластомерный или металлический кожух, защищающий трущуюся пару от внешней среды и удерживающий смазку. Открытый подшипник требует регулярного внешнего смазывания и подвержен загрязнению абразивами.

Можно ли повторно смазать закрытый шарнирный подшипник?

Нет, стандартные закрытые подшипники не предназначены для повторной смазки. Смазка закладывается на весь расчетный срок службы. Попытка ввести смазку через кожух приведет к его повреждению и нарушению герметичности.

Какой материал рабочего слоя выбрать для работы в морской атмосфере?

Для агрессивных сред, включая морскую атмосферу, оптимальны подшипники с рабочим слоем из PTFE-композита и кожухом из стойкого к озону и соленой воде эластомера (например, хлоропрен). Корпусные детали должны быть из нержавеющей стали (например, AISI 316).

Что происходит при превышении допустимого угла перекоса?

При превышении паспортного угла перекоса край внутреннего кольца начинает контактировать с краем наружного кольца или кожухом, вызывая концентрацию напряжений, резкий рост трения, нагрев и ускоренный износ. Это может привести к заклиниванию или разрушению кожуха.

Как рассчитать срок службы закрытого шарнирного подшипника?

Срок службы в километрах хода (L) для условий смазывания материалом PTFE-слоя можно ориентировочно оценить по динамической нагрузке: L = (C / P)³

• 100 км, где C – динамическая грузоподъемность, P – эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник. Однако на практике решающее влияние оказывают факторы среды, температура и наличие колебаний малой амплитуды (фреттинг-коррозия).

Допустимо ли использование закрытых шарнирных подшипников в качестве опор вращения с непрерывным движением?

Их применение для непрерывного вращения не является основным и ограничено низкими скоростями (обычно не более 10-20 об/мин). Для таких задач следует рассматривать подшипники качения или специальные подшипники скольжения для вращательного движения.

Как правильно хранить закрытые шарнирные подшипники до монтажа?

Подшипники должны храниться в оригинальной упаковке в сухом помещении при температуре от +5°C до +25°C, вдали от прямых солнечных лучей, источников озона (трансформаторы, мощные электродвигатели) и химикатов. Не допускается их подвешивание за внутреннее кольцо на длительный срок.