Розуміння опорних підшипників
A опорний підшипник (також званий упорним підшипником) - це спеціалізований підшипник, призначений для сприйняття навантажень, що діють паралельно осі вала - осьових або упорних навантажень - і для контролю осьового положення вузла. ротор. На відміну від радіального підшипник ковзання, На відміну від радіального підшипника, який сприймає навантаження перпендикулярно до валу, упорний підшипник має контактні поверхні, перпендикулярні до осі валу, тому він може протистояти силам, які намагаються проштовхнути вал в обох осьових напрямках. Разом радіальний і упорний підшипники визначають повний система ротор-підшипник.
Упорні підшипники необхідні скрізь, де присутні осьові сили - в насосах, компресорах, турбінах, гребних валах і вертикально орієнтованому обладнанні. Відмова або недостатня потужність упорного підшипника призводить до надмірного осьова вібрація, торцевого люфту валу та потенційно катастрофічних пошкоджень при контакті ротора зі стаціонарними компонентами.
1. Упорний підшипник і радіальний підшипник: у чому різниця?
Найкраще зрозуміти упорний підшипник можна, порівнявши його з радіальним підшипником, поряд з яким він працює. Обидва визначаються direction навантаження, яке вони призначені сприймати, а не своїми розмірами чи конструкцією.
- Радіальний підшипник (such as a підшипник ковзання) carries load perpendicular до вала — вага ротора та будь-які радіальні сили від дисбаланс. Його несучі поверхні циліндричні та охоплюють вал.
- Упорний підшипник carries load parallel до вала — осьовий поштовх вздовж осі обертання. Його несучі поверхні — плоскі (або фасонні) торці, розташовані під прямим кутом до вала та спираються на буртик або уступ на роторі.
Типова машина потребує обох типів підшипників: два радіальні підшипники фіксують вал у поперечному напрямку та підтримують його масу, тоді як один упорний підшипник фіксує осьове положення ротора’ та сприймає сумарне осьове зусилля. Деякі конструкції поєднують обидві функції — angular-contact або tapered-roller підшипник одночасно сприймає радіальне та осьове навантаження — проте у великих турбомашинах упорний підшипник майже завжди є окремим вузлом, незалежним від радіальних підшипників, оскільки осьові зусилля надто великі для суміщення.
2. Типи упорних підшипників
Упорні підшипники поділяються на дві широкі групи: підшипники кочення, що передають навантаження через кульки або ролики, та підшипники з рідинною плівкою, у яких ротор плаває на тонкому шарі мастила під тиском. Вибір між ними визначається переважно навантаженням, швидкістю обертання та розмірами машини.
Упорні підшипники кочення
Вони передають зусилля через кульки або ролики і є поширеними в машинах загального призначення з помірним навантаженням. Їх стан можна відстежувати за допомогою тих же дефект тіл кочення сигнатури, що використовуються для радіальних підшипників.
- Кулькові упорні підшипники: кулькові елементи проходять між плоскими або рифленими упорними шайбами. Помірна вантажопідйомність, середня та висока швидкість, хороша точність осьового позиціонування. Використовуються у верстатах, автомобільних трансмісіях та інших пристроях з помірним зусиллям.
- Циліндричні роликові упорні підшипники: Ролики між упорними шайбами забезпечують дуже високу продуктивність завдяки лінійному, а не точковому контакту, але тільки на низьких і середніх швидкостях. Використовуються у важкій техніці, вертикальних насосах і кранових гаках.
- Конічні роликові упорні підшипники: конічні ролики забезпечують справжнє кочення, що підходить для комбінованих і великих осьових навантажень. Один підшипник сприймає як радіальне, так і осьове навантаження, а попереднє натягнення регулюється за допомогою регулювання відстані. Широко застосовуються в маточинах коліс автомобілів, редукторах і ситуаціях з комбінованим навантаженням.
- Сферичні роликові упорні підшипники: бочкоподібні ролики та зігнута доріжка кочення сприймають дуже великі осьові навантаження, допускаючи при цьому перекіс вала — що корисно на довгих, злегка прогнутих валах у важкій промисловості.
- Кулькові радіально-упорні підшипники: Кульковий контакт встановлений під кутом, тому підшипник сприймає як радіальне, так і осьове навантаження, часто встановлюється попарно (спина до спини або лицем до лиця). Високошвидкісні; використовуються у шпинделях верстатів і високошвидкісних насосах.
Рідкоплівкові опорні підшипники
Ці підшипники утримують ротор на гідродинамічній масляній плівці та застосовуються переважно у великих потужних машинах. Завдяки відсутності контакту метал-метал у нормальному режимі роботи вони забезпечують практично необмежений ресурс і відмінне демпфування — ціною постійного подання мастила під тиском.
- Упорні підшипники з похилими колодками (часто звані підшипниками Кінгсбері або Мішеля на честь їхніх винахідників): кілька поворотних колодок кожна нахиляється, утворюючи збіжний масляний клин, який піднімає упорний гребінь над колодками. Потужність досягає мегаватів у великих турбінах, швидкість обертання практично необмежена (використовуються до 30 000+ об/хв), а демпфування відмінне. Застосовуються в парових турбінах, газових турбінах, великих компресорах і генераторах.
- Упорні підшипники з фіксованою посадкою (конічні): нерухомі колодки з обробленим конічним пандусом створюють масляний клин без будь-яких рухомих елементів кріплення. Висока несуча здатність, проста та надійна конструкція без рухомих частин, хоча менш стійка до реверсування навантаження, ніж поворотні колодки. Застосовуються у вертикальних насосах і гідравлічних турбінах.
3. Де застосовуються упорні підшипники: сфери використання
Будь-яка машина, ротор якої зазнає результуючого поштовху вздовж осі, потребує упорного підшипника для поглинання цього зусилля та утримання ротора на місці. Найпоширеніші сфери застосування:
- Відцентрові насоси та компресори: підвищення тиску на кожному робочому колесі створює значну осьову силу, спрямовану до сторони всмоктування, яку повинен сприймати упорний підшипник.
- Парові, газові та гідравлічні турбіни: робоча рідина чинить осьовий тиск на ряди лопаток; упорний підшипник — зазвичай тилтинг-падового типу — утримує ротор від цієї сили та від ретельно встановлених зазорів ущільнень і кінців лопаток.
- Морське пропульсивне устаткування (упорні підшипники суден і катерів): тяга гвинта рухає увесь корабель уперед через гребний вал, а важконавантажений морський упорний підшипник передає цю тягу від вала на корпус судна. Це одне з найвимогливіших застосувань упорних підшипників у машинобудуванні.
- Генератори та електродвигуни: у вертикальних машинах упорний підшипник додатково несе власну вагу ротора, а в усіх машинах він сприймає осьове магнітне тяжіння.
- Коробки передач: косозубі та конічні зубчасті передачі генерують осьові реакції, які мають поглинати упорні підшипники вала.
- Шпинделі металорізальних верстатів, автомобільні трансмісії та крани: менші роликові упорні підшипники фіксують вал і сприймають помірні осьові навантаження.
4. Упорні підшипники для вертикальних валів
Вертикальні машини — вертикальні насоси, гідрогенератори, великі вертикальні електродвигуни — висувають особливі вимоги до упорного підшипника, оскільки він повинен сприймати не лише технологічну осьову силу, а й всю статичну вагу обертового вузла, яка у великого гідрогенератора може становити сотні тонн. У горизонтальній машині радіальні підшипники несуть цю вагу; у вертикальній машині вага діє прямо вздовж осі вала і повністю лягає на упорний підшипник.
З цієї причини у вертикальних машинах майже завжди застосовується великий гідродинамічний упорний підшипник — як правило, тилтинг-падової конструкції — розрахований на сукупне навантаження від ваги та технологічних сил і встановлений у верхній або нижній частині вала. Масляна плівка підшипника та система охолодження повинні бути розраховані на тривалу роботу під повним навантаженням, а його temperature і осьове положення належать до параметрів, за якими на всій машині ведеться найретельніший контроль, оскільки відмова упорного підшипника вертикального вала призводить до падіння ротора на статор без можливості відновлення.
5. Джерела осьового навантаження
У насосах та компресорах
- Робоче колесо з гідравлічною тягою: перепад тиску на робочому колесі створює чисту осьову силу, одну з основних гідравлічні сили в насосі.
- Величина: це може сягати тисяч фунтів навіть у насосі середнього розміру.
- Напрямок: як правило, у бік всмоктування.
- Балансування: Балансувальні отвори, зворотні лопаті або протилежні робочі колеса зменшують чисту тягу
У турбінах
- Потік пари або газу створює осьовий тиск на лопаті - частину аеродинамічні сили що діє на ротор.
- Величина тяги зростає зі збільшенням вихідної потужності.
- Може змінити напрямок під час запуску або зміни навантаження
- Для протидії цьому використовуються манекени або балансирні поршні.
У коробках передач
- Косозубі шестерні створюють осьову тягу, пропорційну переданому крутному моменту.
- Конічні шестерні створюють осьові компоненти сили.
- Напрямок тяги залежить від стрілки шестерні (напрямок кута спіралі).
Інші джерела
- Магнітне тяжіння: в електродвигунах, магнітний дисбаланс створює осьові сили.
- Пропелери та вентилятори: аеродинамічна тяга від прискорення робочої рідини.
- Ремінні передачі: кутові паси створюють осьові складові сили.
- Нерівність: незграбний невідповідність в муфтах створює коливальні осьові зусилля.
6. Несправності упорних підшипників та їх діагностика
Поширені типи несправностей
- Перевантаження: тяга перевищує номінальну вантажопідйомність підшипника — найчастіше через технологічне порушення або знос балансувального пристрою, що дозволяє результуючій осьовій силі перевищити розрахункове значення.
- Недостатнє змащення: недостатня подача масла або мастила позбавляє контакт мастильного матеріалу, що призводить до руйнування масляної плівки та контакту поверхонь.
- Забруднення: частинки в маслі дряпають і пошкоджують робочі поверхні упорного підшипника.
- Знос і втома: поверхневе руйнування внаслідок абразивного зношення або циклічного навантаження, що варіюється від точкова ямка до викришування бабіту або доріжки кочення.
- Нерівність: упорний комір, не перпендикулярний до валу, нерівномірно навантажує колодки і перегріває один бік.
- Електрична ерозія: струми валу, що проходять крізь масляну плівку, утворюють раковини на поверхнях підшипника — це дедалі актуальніша проблема на машинах із частотними перетворювачами.
- Перегрів: кінцевий результат більшості наведених вище причин — надмірне тертя або недостатнє охолодження, що розм'якшує бабіт і зношує колодки.
Допустимий розмір для цих режимів можна перевірити кількісно. Коли підшипник відчуває як радіальне, так і осьове навантаження, то калькулятор еквівалентного динамічного навантаження на підшипник об'єднує їх в одне значення, яке називається калькулятор статичного коефіцієнта запасу міцності захищає від викришування під час зупинки тяги, а Калькулятор терміну служби підшипника L10 прогнозує очікуваний термін служби.
Симптоми вібрації та осьових вимірювань
- Висока осьова вібрація: основний індикатор несправності упорного підшипника, який найкраще виявляється у осьовий напрямок а не радіального.
- Зростання осьового зсуву: на машинах із рідинним мащенням зміщення валу у бік граничного положення в міру зносу колодок є прямою мірою втрати несучої здатності підшипника.
- Низькочастотні коливання: вал плаває в осьовому напрямку в межах свого зазору.
- Вплив: якщо осьовий зазор надмірний, вал ударяється об упори, утворюючи різкі піки у вібрація сигнал.
- Вимірювання: осьовий зонди наближення або акселерометри виявити ці симптоми.
Інші показники
- Підвищення температури: перегрів упорного підшипника під час роботи — нерідко перший симптом на підшипнику з рідинним мащенням.
- Шум: незвичні звуки з місця розташування підшипника тяги.
- Осьовий люфт: вимірюване переміщення валу в осьовому напрямку.
- Якість нафти: металеві частинки, що з'являються в мастилі.
7. Оцінювання стану упорного підшипника в польових умовах
На зібраних машинах стан упорних підшипників оцінюється на основі осьових вимірювань, проведених на місці, а не на випробувальному стенді. Портативний двоканальний аналізатор, такий як Балансет-1а дає змогу інженеру реєструвати амплітуду осьової вібрації та фаза на боці упорного підшипника, порівнювати її з радіальними показаннями та відрізняти справжнє пошкодження упорного підшипника від осьової вібрації, яку невідповідність або зігнутий вал також можуть спричиняти — і все це без зупинки виробництва для розбирання. Оскільки той самий прилад фіксує загальну вібрація картину і може виконати балансування ротора у власних підшипниках після того, як дисбаланс підтверджено, він пов'язує показання упорного підшипника із загальним технічним станом машини.
8. Моніторинг і технічне обслуговування
Критичні параметри моніторингу
- Осьова вібрація: вимірюється безперервно або за плановими маршрутами в рамках моніторинг вібрації програму.
- Осьове положення: датчики наближення, що відстежують осьове положення валу відносно упорного підшипника.
- Температура упорного підшипника: Моніторинг RTD або термопар, часто є найбільш раннім попередженням про лихо (див. датчики температури).
- Потік і тиск масла: для підшипників ковзання упорного типу (рідинне тертя), припинення подачі мастила є негайною аварійною ситуацією.
Практика технічного обслуговування
- Перевірте достатність змащення та подачі масла до упорного підшипника.
- Перевіряйте осьові зазори під час капітальних ремонтів.
- Перевірте упорні поверхні на наявність носити або пошкодження.
- Виміряйте фактичне тягове навантаження, де це можливо, за допомогою тензорезисторів або тензодатчиків.
- Відстежуйте тенденції зміни температури та вібрації, і підтвердіть результати детальним аналіз вібрації, як частина моніторинг стану програму.
Упорним підшипникам часто приділяють менше уваги, ніж радіальним, проте вони є критично важливими для контролю осьового положення та сприйняття осьового навантаження в обертових механізмах. Розуміння існуючих типів, джерел тяги та режимів виходу з ладу дозволяє правильно вибрати підшипник, ефективно контролювати його стан та своєчасно проводити технічне обслуговування, запобігаючи виходу з ладу, який закінчується контактом ротора зі статором та руйнуванням машини.
9. Часті запитання
Яку функцію виконує упорний підшипник?
Упорний підшипник сприймає осьове навантаження — силу, що діє паралельно до валу, — і фіксує осьове положення ротора. Він поглинає результуюче осьове зусилля, що виникає в процесі роботи (тяга робочого колеса, лопатей, гвинта), і запобігає зміщенню валу у бік нерухомих деталей.
У чому різниця між упорним і радіальним підшипником?
Напрямок навантаження. Радіальний підшипник сприймає навантаження, перпендикулярне до валу (вага ротора та бічні сили); упорний підшипник — навантаження, паралельне до валу (осьовий натиск). У більшості машин використовуються обидва типи, а деякі комбіновані конструкції, наприклад радіально-упорні кулькові або конічні роликові підшипники, виконують обидві функції одночасно.
Які основні типи упорних підшипників?
Два сімейства. Підшипники кочення — кулькові, циліндричні роликові, конічні роликові, сферичні роликові та радіально-упорні — підходять для помірних навантажень і загальнопромислового обладнання. Підшипники ковзання (рідинного тертя) — із хитними колодками (типу Кінгсбері) та з нерухомими конічними колодками — утримують ротор на масляній плівці та витримують дуже високі навантаження у великих турбінах, компресорах і вертикальних машинах.
Чому для вертикальних машин потрібен спеціальний упорний підшипник?
На вертикальному валу упорний підшипник сприймає не лише технологічне осьове зусилля, а й повну статичну вагу ротора, яка діє вертикально вниз по осі валу. Саме тому у вертикальних насосах і гідрогенераторах застосовуються великі упорні підшипники ковзання, розраховані на комбіноване навантаження.
Як виявити несправний упорний підшипник?
Найбільш характерними ознаками є зростання осьової вібрації, зміщення виміряного осьового положення валу та підвищення температури підшипника. Дані осьових безконтактних датчиків переміщення, акселерометрів і датчиків температури відстежуються в часі, а портативний аналізатор вібрації дозволяє підтвердити діагноз на машині, що працює.
Що спричиняє відмову упорних підшипників?
Перевантаження понад допустиму вантажопідйомність, відмова системи змащення, забруднення масла, контактна втома поверхні (пітинг і лущення), неспіввісність упорного гребеня, а також електроерозія від струмів через вал. Перегрів зазвичай є загальним кінцевим проявом, що призводить до виплавлення підшипника.
