Понимание принципа работы упорных подшипников
A опорный подшипник (также называемый осевым подшипником) — это специальный подшипник, предназначенный для восприятия нагрузок, действующих параллельно оси вала — осевых или упорных нагрузок — и для фиксации осевого положения ротор. В отличие от радиального подшипник скольжения, который воспринимает нагрузки, перпендикулярные валу, упорный подшипник имеет контактные поверхности, расположенные перпендикулярно оси вала, благодаря чему он способен противостоять силам, пытающимся сдвинуть вал в любом из осевых направлений. Вместе радиальный и упорный подшипники образуют полную роторно-подшипниковая система.
Опорные подшипники незаменимы везде, где действуют осевые силы — в насосах, компрессорах, турбинах, валах гребных винтов и вертикально установленном оборудовании. Выход из строя или недостаточная грузоподъемность опорного подшипника приводит к чрезмерному осевая вибрация, осевой зазор вала и потенциально катастрофические повреждения в случае соприкосновения ротора с неподвижными деталями.
1. Упорный подшипник и радиальный подшипник: в чём разница?
Наиболее чёткое понимание упорного подшипника достигается при его сравнении с радиальным подшипником, работающим в паре с ним. Оба типа определяются direction нагрузки, для восприятия которой они предназначены, а не размером или конструкцией.
- Радиальный подшипник (such as a подшипник скольжения) carries load perpendicular к валу — весом ротора и радиальными силами от дисбаланс. Его несущие поверхности цилиндрические и охватывают вал.
- Упорный подшипник carries load parallel к валу — осевое усилие вдоль оси центра. Его несущие поверхности — плоские (или профилированные) торцы, расположенные перпендикулярно валу и упирающиеся в буртик или заплечик ротора.
Типичная машина требует обоих типов: два радиальных подшипника фиксируют вал в поперечном направлении и воспринимают его вес, тогда как один упорный подшипник фиксирует осевое положение ротора и поглощает суммарное осевое усилие. В ряде конструкций оба вида нагрузки объединены — angular-contact или tapered-roller подшипник одновременно воспринимает радиальную и осевую нагрузки — однако в крупных турбомашинах упорный подшипник почти всегда является отдельным узлом, независимым от радиальных подшипников, поскольку осевые силы слишком велики для их совместного восприятия.
2. Типы упорных подшипников
Упорные подшипники делятся на два больших семейства: подшипники качения, передающие нагрузку через шарики или ролики, и подшипники с гидродинамической масляной плёнкой, на которой плавает ротор. Выбор между ними определяется прежде всего нагрузкой, частотой вращения и размером машины.
Подшипники скольжения с роликовым заполнением
Они передают осевую нагрузку с помощью шариков или роликов и широко используются в машинах общего назначения, работающих при умеренных нагрузках. Их состояние можно отслеживать с помощью тех же дефект подшипника типы подшипников, используемые в радиальных подшипниках.
- Подшипники скольжения: Шариковые элементы перемещаются между плоскими или рифлеными упорными шайбами. Умеренная грузоподъемность, средние и высокие скорости, хорошая точность осевого позиционирования. Используются в станках, автомобильных коробках передач и других системах с умеренными осевыми нагрузками.
- Цилиндрические упорные роликоподшипники: Ролики, расположенные между упорными шайбами, обеспечивают очень высокую грузоподъёмность за счёт линейного контакта, а не точечного, но только при низких и средних скоростях. Используются в тяжелой технике, вертикальных насосах и крюках кранов.
- Конические роликовые упорные подшипники: конические ролики обеспечивают истинное качение, оптимальное для совмещённых и высоких осевых нагрузок. Один подшипник воспринимает как радиальную, так и осевую нагрузку, а предварительный натяг регулируется посредством зазора. Широко применяется в ступицах колёс автомобилей, редукторах и узлах с комбинированной нагрузкой.
- Сферические роликовые упорные подшипники: бочкообразные ролики и профилированная дорожка качения воспринимают очень высокие осевые нагрузки, допуская при этом перекос вала — удобное решение для длинных, несколько прогибающихся валов в тяжёлой промышленности.
- Радиально-упорные шарикоподшипники: Контакт шариков расположен под углом, благодаря чему подшипник воспринимает как радиальную, так и осевую нагрузку; часто устанавливаются парами (спина к спине или лицевой стороной друг к другу). Подходят для работы на высоких скоростях; используются в шпинделях станков и высокоскоростных насосах.
Подшипники скольжения с жидкой смазкой
Эти подшипники поддерживают ротор на гидродинамической масляной плёнке и преобладают в крупных высокомощных машинах. Благодаря отсутствию контакта металл–металл при нормальной работе они обеспечивают практически неограниченный ресурс и отличное демпфирование, однако требуют постоянной подачи масла под давлением.
- Упорные подшипники с наклонными сегментами (часто называемые подшипниками Кингсбери или Мишеля по имени их изобретателей): несколько качающихся колодок каждая наклоняется, формируя сходящийся масляный клин, который поднимает упорный воротник над колодками. Мощность достигает мегаватт в крупных турбинах, частота вращения практически не ограничена (применяются при 30 000+ об/мин), а демпфирование превосходно. Применяются в паровых турбинах, газовых турбинах, крупных компрессорах и генераторах.
- Подшипники скольжения с фиксированными опорными поверхностями (коническими): неподвижные колодки с обработанным конусным скосом формируют масляный клин без каких-либо движущихся элементов. Высокая несущая способность, простота и надёжность при отсутствии подвижных деталей, хотя они менее устойчивы к реверсу нагрузки по сравнению с наклонными колодками. Применяются в вертикальных насосах и гидравлических турбинах.
3. Где применяются упорные подшипники: области применения
Любая машина, ротор которой испытывает суммарное осевое усилие, нуждается в упорном подшипнике для поглощения этого усилия и удержания ротора на месте. Наиболее распространённые применения:
- Центробежные насосы и компрессоры: повышение давления на каждом рабочем колесе создаёт значительную осевую силу, направленную в сторону всасывания, которую должен воспринимать упорный подшипник.
- Паровые, газовые и гидравлические турбины: рабочая среда оказывает осевое давление на ряды лопаток; упорный подшипник — как правило, наклонно-колодочного типа — удерживает ротор от этой силы и обеспечивает соблюдение минимальных зазоров в уплотнениях и на концах лопаток.
- Судовые движительные установки (упорные подшипники судов и катеров): тяга гребного винта передаётся на всё судно через гребной вал, а тяжёлый судовой упорный подшипник передаёт эту тягу от вала на корпус судна. Это одна из наиболее напряжённых областей применения упорных подшипников в машиностроении.
- Генераторы и электродвигатели: в вертикальных машинах упорный подшипник дополнительно несёт собственный вес ротора, а во всех машинах он воспринимает осевые магнитное притяжение.
- Коробки передач: косозубые и конические шестерни создают осевые реакции, которые должны поглощать упорные подшипники валов.
- Шпиндели металлорежущих станков, трансмиссии автомобилей и подъёмные краны: малогабаритные роликовые упорные подшипники фиксируют положение вала и воспринимают умеренные осевые нагрузки.
4. Упорные подшипники вертикальных валов
Вертикальные машины — вертикальные насосы, гидрогенераторы, крупные вертикальные электродвигатели — предъявляют особые требования к упорному подшипнику, поскольку он должен воспринимать не только технологическую осевую силу, но и полный статический вес вращающегося узла, который у крупного гидрогенератора может составлять сотни тонн. В горизонтальной машине этот вес несут радиальные подшипники; в вертикальной машине вес действует строго вдоль оси вала и полностью нагружает упорный подшипник.
По этой причине в вертикальных машинах почти всегда применяют крупный гидродинамический упорный подшипник — как правило, наклонно-колодочной конструкции — рассчитанный на суммарную нагрузку от веса и технологических сил и установленный в верхней или нижней части вала. Масляная плёнка подшипника и его система охлаждения должны быть рассчитаны на непрерывную работу при полной нагрузке, а его temperature и осевое положение относятся к наиболее тщательно контролируемым параметрам всей машины, поскольку отказ упорного подшипника вертикального вала приводит к падению ротора на статор без какой-либо возможности восстановления.
5. Источники осевой нагрузки
В разделе «Насосы и компрессоры»
- Гидравлическая тяга рабочего колеса: Перепад давления по обе стороны рабочего колеса создает чистую осевую силу, одну из основных гидравлические силы in a pump.
- Величина: это может обойтись в тысячи фунтов даже в случае насоса средних размеров.
- Направление: как правило, в сторону всасывания.
- Балансировка: Отводящие отверстия, задние лопасти или противоположно расположенные рабочие колеса снижают чистую тягу
В разделе «Турбины»
- Поток пара или газа создает осевое давление на лопатки — часть аэродинамические силы действующая на ротор.
- Величина тяги увеличивается с ростом мощности.
- При запуске или при изменении нагрузки он может изменить направление вращения.
- Для компенсации этого используются фиктивные поршни или уравновешивающие поршни.
В коробках передач
- Винтовые зубчатые колеса создают осевую тягу, пропорциональную передаваемому крутящему моменту.
- Конические зубчатые колеса создают компоненты осевой силы.
- Направление тяги зависит от направления зацепления (направления угла наклона винтовой линии).
Другие источники
- Магнитное притяжение: в электродвигателях, магнитный дисбаланс вызывает осевые силы.
- Пропеллеры и вентиляторы: аэродинамическая тяга, создаваемая ускорением рабочей жидкости.
- Belt drives: Наклонные ремни создают компоненты осевой силы.
- Несоосность: угловой Перекос в муфтах возникают колебательные осевые силы.
6. Неисправности упорных подшипников и их диагностика
Распространенные причины отказов
- Перегрузка: тяга превышает номинальную грузоподъёмность подшипника — зачастую из-за технологического сбоя или износа устройства разгрузки, вследствие чего суммарная осевая сила превышает расчётное значение.
- Недостаточная смазка: недостаточный расход масла или смазочного материала приводит к обеднению контакта, разрушению масляной плёнки и контакту рабочих поверхностей.
- Загрязнение: частицы в масле царапают и повреждают упорные поверхности.
- Износ и усталость: ухудшение состояния поверхности вследствие абразивного воздействия или циклических нагрузок, начиная от образование ямок through to отслоение баббита или дорожки качения.
- Несоосность: упорный буртик, не перпендикулярный оси вала, нагружает колодки неравномерно и вызывает перегрев одной стороны.
- Электрическая эрозия: токи, проходящие через масляную плёнку вала, образуют каверны на поверхностях подшипника — всё более распространённая проблема на машинах с преобразователями частоты.
- Перегрев: конечный результат большинства перечисленных причин — чрезмерное трение или недостаточное охлаждение, размягчающее баббит и вызывающее задир колодок.
Возможность расчета запаса прочности с учетом этих режимов можно проверить количественно. Когда подшипник испытывает как радиальную, так и осевую нагрузку, Калькулятор динамической нагрузки, эквивалентной нагрузке на подшипник объединяет их в одно значение, Калькулятор статического коэффициента безопасности защищает от образования вмятин при осевом усилии в состоянии покоя, а также Калькулятор срока службы подшипника L10 оценивает предполагаемый срок службы.
Симптомы вибрации и осевых измерений
- Высокая осевая вибрация: основной индикатор неисправности упорного подшипника, наиболее наглядно проявляющийся в по оси а не радиальную нагрузку.
- Смещение осевого положения в сторону увеличения: на машинах с гидродинамическим подшипником смещение вала к предельному положению по мере износа колодок является непосредственной мерой износа подшипника.
- Низкочастотные колебания: вал, свободно перемещающийся в осевом направлении в пределах зазора.
- Влияние: при избыточном осевом зазоре вал ударяется об упоры, порождая острые пики в вибрация сигнал.
- Измерение: осевой бесконтактные датчики или акселерометры выявить эти признаки.
Другие показатели
- Повышение температуры: перегрев упорного подшипника — нередко самый первый симптом на подшипнике с гидродинамической плёнкой.
- Шум: необычные звуки в районе опорного подшипника.
- Axial play: измеримое перемещение вала в осевом направлении.
- Качество масла: появление металлических частиц в смазочном материале.
7. Оценка состояния упорного подшипника в полевых условиях
На смонтированных агрегатах состояние упорного подшипника оценивается по результатам измерений осевого перемещения, проводимых непосредственно на месте установки, а не на испытательном стенде. Переносной двухканальный анализатор, такой как Балансет-1А позволяет инженеру зарегистрировать амплитуду осевой вибрации и фаза на упорном конце, сопоставить её с радиальными показаниями и отделить действительное повреждение упорного подшипника от осевой вибрации, которую Перекос или изогнутый вал также может генерировать — всё это без остановки производства для разборки. Поскольку тот же прибор фиксирует общую вибрация картину и способен выполнить балансировку ротора в собственных подшипниках после того, как дисбаланс подтверждено, он увязывает показание упорного подшипника с общим состоянием машины.
8. Мониторинг и техническое обслуживание
Ключевые параметры мониторинга
- Осевая вибрация: измеряемых непрерывно или по периодическому маршруту в рамках мониторинг вибрации программа.
- Осевое положение: бесконтактные датчики, отслеживающие осевое положение вала относительно упорного подшипника.
- Температура опорного подшипника: Контроль RTD или термопар часто является самым ранним сигналом неисправности (см. температурные датчики).
- Расход и давление масла: для упорных подшипников с жидкостной плёнкой прекращение подачи масла является немедленным аварийным состоянием.
Методы технического обслуживания
- Убедитесь в достаточной смазке упорного подшипника и надлежащей подаче масла.
- При капитальном ремонте проверяйте осевые зазоры.
- Проверьте упорные поверхности на наличие носить or damage.
- По возможности измеряйте фактические тяговые нагрузки с помощью тензодатчиков или весоизмерительных датчиков.
- Отслеживайте в динамике данные по температуре и вибрации и подтверждайте выводы с помощью детального анализ вибраций, в рамках мониторинг состояния программа.
Опорные подшипники зачастую не получают столько внимания, сколько радиальные подшипники, однако они играют решающую роль в обеспечении осевого положения и восприятии осевой нагрузки во вращающихся механизмах. Понимание существующих типов подшипников, источников осевой нагрузки и видов отказов позволяет правильно подобрать подшипники, обеспечить их эффективный мониторинг и своевременное техническое обслуживание, что позволяет предотвратить такие отказы, которые приводят к соприкосновению ротора со статором и выходу оборудования из строя.
9. Часто задаваемые вопросы
Какую функцию выполняет упорный подшипник?
Упорный подшипник воспринимает осевую нагрузку — усилие, действующее вдоль оси вала, — и фиксирует осевое положение ротора. Он поглощает результирующее осевое усилие, создаваемое рабочим процессом (тяга рабочего колеса, лопастей, гребного винта), и не даёт валу смещаться в сторону неподвижных деталей.
В чём разница между упорным и радиальным подшипником?
Направление нагрузки. Радиальный подшипник воспринимает нагрузку, перпендикулярную оси вала (вес ротора и боковые усилия); упорный подшипник — нагрузку, параллельную оси вала (осевое усилие). В большинстве машин применяются оба типа, а некоторые подшипники комбинированного нагружения — радиально-упорные шариковые или конические роликовые — одновременно выполняют обе функции.
Каковы основные типы упорных подшипников?
Два семейства. Подшипники качения — шариковые, цилиндрические роликовые, конические роликовые, сферические роликовые и радиально-упорные — подходят для умеренных нагрузок и общего машиностроения. Подшипники с жидкостной плёнкой — с качающимися вкладышами (Кингсбери) и с фиксированными клиновыми секторами — удерживают ротор на масляной плёнке и рассчитаны на очень высокие нагрузки в крупных турбинах, компрессорах и вертикальных машинах.
Почему для вертикальных машин требуется специальный упорный подшипник?
На вертикальном валу упорный подшипник воспринимает не только технологическое осевое усилие, но и полный статический вес ротора, действующий строго вдоль оси вала. Именно поэтому в вертикальных насосах и гидрогенераторах применяются крупные упорные подшипники с жидкостной плёнкой, рассчитанные на суммарную нагрузку.
Как обнаруживается неисправность упорного подшипника?
Наиболее явные признаки — рост осевой вибрации, отклонение измеренного осевого положения вала и повышение температуры подшипника. Показания осевых датчиков перемещения, акселерометров и датчиков температуры отслеживаются в динамике, а портативный анализатор позволяет подтвердить диагноз на работающей машине.
Что приводит к выходу упорных подшипников из строя?
Перегрузка сверх номинальной грузоподъёмности, нарушение смазки, загрязнение масла, усталостное разрушение поверхности (питтинг и выкрашивание), перекос упорного диска, а также электрическая эрозия от токов через вал. Конечной общей причиной, как правило, является перегрев, приводящий к задиру подшипника.
