Упорные роликовые подшипники: цилиндрические (811, 812, 893, 894) и сферические (292, 293, 294)

Упорные роликовые подшипники — это подшипники качения, специально спроектированные для восприятия осевой нагрузки, действующей вдоль оси вала. В отличие от шариковых упорных, ролики дают гораздо большую грузоподъёмность при тех же габаритах. Тип делится на два разных подтипа: цилиндрические упорные (серии 811, 812, 893, 894) — только осевая нагрузка, очень компактные по высоте; и сферические упорные (серии 292, 293, 294) — осевая плюс радиальная нагрузка до 55% от осевой, самоустанавливающиеся при перекосе вала до 3°. В этой статье — конструкция обоих подтипов, расшифровка обозначений, таблицы основных типоразмеров, монтаж и регулировка зазора. По ISO 104. Обзор всех типов подшипников — в справочнике по типам.

Два подтипа упорных роликовых подшипников

Главное, что нужно понимать о типе: «упорный роликовый» — это не один продукт, а две принципиально разных конструкции. Они объединяются термином только потому, что обе предназначены для осевой нагрузки. Различия в применении, конструкции и характеристиках настолько велики, что выбор между ними — это не нюанс, а фундаментальное решение конструктора.

Простой критерий выбора: если нагрузка чисто осевая и узел компактный — цилиндрические. Если есть радиальная составляющая или возможен перекос вала — сферические.

Часть 1. Цилиндрические упорные роликовые подшипники

Конструкция

Цилиндрический упорный роликовый подшипник состоит из трёх независимых частей:

• Валовая шайба (англ. shaft locating washer, обозначение WS) — плоская кольцевая шайба с дорожкой качения, центрируется по отверстию на валу.
• Корпусная шайба (англ. housing locating washer, обозначение GS) — плоская кольцевая шайба с дорожкой качения, центрируется по наружному диаметру в корпусе.
• Сборка роликов с сепаратором (обозначение K + номер серии) — цилиндрические ролики, расположенные радиально (как спицы колеса), удерживаемые сепаратором.

Все три части не закреплены друг с другом — подшипник разборный по своей природе, что упрощает монтаж в крупных узлах. Контактный угол — 90° (ролики катятся строго перпендикулярно оси вала).

Особенность роликов: у качественных подшипников цилиндрические ролики имеют профилированные концы (с лёгкой выпуклостью к торцам). Это смягчает контактную нагрузку на краях дорожек и предотвращает концентрацию напряжений, продлевая ресурс.

Особенности и ограничения

• Только осевая нагрузка. Любая радиальная составляющая разрушает подшипник за короткий срок. Если в узле есть радиальная нагрузка, нужно поставить отдельный радиальный подшипник (обычно игольчатый или цилиндрический роликовый).
• Перекос вала недопустим. Опорные поверхности на валу и в корпусе должны быть строго перпендикулярны оси вала и плоскими. Даже небольшой перекос вызывает концентрацию нагрузки на края роликов.
• Очень малая высота сечения. Это главное преимущество — общая высота подшипника T равна диаметру ролика плюс толщины шайб. Это идеально для узлов с ограниченным осевым пространством.
• Высокая радиальная жёсткость в сборке. Цилиндрические ролики дают большую площадь контакта с дорожкой — повышенная грузоподъёмность по сравнению с шариковыми упорными того же размера.
• Чувствительность к проскальзыванию. При недостаточной нагрузке (особенно на высоких оборотах) ролики могут проскальзывать по дорожкам, что вызывает шлифовку поверхности — поэтому есть требование минимальной осевой нагрузки.

Серии цилиндрических упорных

Расшифровка обозначений

Формат: префикс серии + код диаметра + суффикс сепаратора.

• Префикс серии: 811, 812, 893, 894 — для подшипника в сборе. K811, K812, K893, K894 — для отдельной сборки роликов.
• Код диаметра — две последние цифры по той же схеме, что у шариковых: 00 = 10 мм, 01 = 12 мм, 02 = 15 мм, 03 = 17 мм; 04 и далее = код × 5 мм.
• Суффикс сепаратора: TV — стеклоарм. полиамид (PA66), стандарт для малых и средних размеров. M — массивный латунный сепаратор, для больших размеров и тяжёлых условий. P5 — повышенный класс точности.

Примеры:

• 81106-TV — серия 811, d = 30 мм (код 06), полиамидный сепаратор. Размеры: d = 30, D = 47, T = 11 мм.
• 81212-TV — серия 812, d = 60 мм. Размеры: d = 60, D = 95, T = 26 мм. Cr = 172 кН.
• K81212-TV — только сборка роликов от того же подшипника.
• GS81212 — корпусная шайба, WS81212 — валовая шайба.
• 89412-TV — серия 894, d = 60 мм. Cr = 390 кН (более чем в 2 раза выше, чем у 81212).

Таблица размеров цилиндрических упорных — серия 811 (однорядная лёгкая)

В таблице: d — внутренний диаметр (вал), D — наружный диаметр, T — общая высота подшипника в сборе (мм). Ca — динамическая, C0a — статическая грузоподъёмность (кН). n lim — предельные обороты при масляной смазке (об/мин); для пластичной смазки — 25% от указанного значения.

Таблица размеров цилиндрических упорных — серия 812 (однорядная средняя)

Таблица размеров цилиндрических упорных — серии 893 и 894 (двухрядные)

Двухрядные подшипники имеют два ряда роликов в одном узле — это даёт примерно двукратную грузоподъёмность Ca при увеличении высоты T в 2-2,5 раза. Серия 893 — лёгкая, 894 — тяжёлая (большие наружный диаметр и грузоподъёмность).

Что значат столь высокие C0a: например, 89464-M держит статическую осевую нагрузку 19 900 кН — это около 2 000 тонн. Двухрядные тяжёлые упорные применяются в крупных гидравлических прессах, плавильном оборудовании, тяжёлых вертикальных опорах.

Часть 2. Сферические роликовые упорные подшипники

Конструкция

Сферический упорный роликовый подшипник имеет принципиально другую конструкцию:

• Валовая шайба (англ. shaft washer) — с конической дорожкой качения, насаживается на вал.
• Корпусная шайба (англ. housing washer) — со сферической (вогнутой, сегментом сферы) дорожкой качения, устанавливается в корпус.
• Бочкообразные ролики с асимметричным профилем — расположены под углом ~45° к оси вала. Сепаратор центрируется на втулке, фиксированной в отверстии валовой шайбы.

Сферическая дорожка корпусной шайбы — это ключевая особенность. Все ролики катятся по одной сферической поверхности, и центр сферы совпадает с осью вала. При наклоне вала сборка роликов с валовой шайбой поворачивается на сфере, а ориентация роликов относительно дорожек сохраняется. Это даёт самоустанавливающиеся свойства — перекос вала до 3° не нарушает работы подшипника.

Особенности и характеристики

• Осевая + радиальная нагрузка. Контактный угол 45° означает, что осевая составляющая нагрузки преобладает, но радиальная также воспринимается до 55% от осевой. Это уникальное свойство в классе упорных подшипников: один сферический упорный заменяет связку «упорный + радиальный».
• Самоустанавливающийся. Допускает перекос вала до 3° (3 угловых градуса) — это в десятки раз больше, чем у других прецизионных подшипников. Применяется в длинных тяжёлых валах с прогибом и в опорах с неточной соосностью.
• Очень высокая грузоподъёмность. При том же диаметре вала Cr примерно в 1,5-3 раза выше, чем у цилиндрических упорных. Сферические упорные стандартно выпускаются до d = 1600 мм с динамической грузоподъёмностью свыше 36 МН.
• Разборная конструкция. Все три части (валовая шайба, сборка роликов, корпусная шайба) разделяются — упрощает монтаж крупных подшипников в тяжёлой технике.
• SKF Explorer. Серии 293 и 294 в малых и средних размерах доступны в классе Explorer — улучшенная сталь, оптимизированная геометрия, увеличенная грузоподъёмность и ресурс. Маркируется добавлением буквы E (например, 29320 E) и надписью «SKF EXPLORER» на коробке.

Серии сферических упорных

Расшифровка обозначений

Формат: серия + код диаметра + суффиксы.

• Серия: 292, 293, 294 (или 29x для краткости).
• Код диаметра — две последние цифры по той же схеме, что у шариковых.
• Суффикс E — SKF Explorer (улучшенный класс точности и материала).
• Суффикс EM — Explorer + массивный латунный сепаратор.
• Суффикс EF — Explorer + массивный стальной сепаратор.
• VU029 — внутренний код, для парной установки без пружинной подгрузки с заданным осевым зазором.

Примеры:

• 29412 E — серия 294, d = 60 мм (код 12). Размеры: d = 60, D = 130, T = 42 мм. Cr = 390 кН.
• 29320 E — серия 293, d = 100 мм. Размеры: d = 100, D = 215, T = 67 мм. Cr = 980 кН. Explorer.
• 29420 E — серия 294, d = 100 мм. То же d, но шире и тяжелее: T = 67 мм у 293-й, а у 294-й Cr те же 980 кН, но C0r значительно выше за счёт массивности.
• 29456 EM — серия 294, d = 280 мм, Explorer, массивный латунный сепаратор. Cr = 4 900 кН.

Таблица размеров сферических упорных — серия 292 (особо лёгкая)

Серия 292 имеет минимальное сечение и подходит для применений с ограниченным осевым пространством. Серия покрывает d = 150-1180 мм. В таблице — основные типоразмеры.

Таблица размеров сферических упорных — серия 293 (средняя)

Таблица размеров сферических упорных — серия 294 (широкая тяжёлая)

Что значат эти числа: 294/1060 EF имеет статическую грузоподъёмность C0r = 156 МН — это около 15 900 тонн. Такие подшипники применяются в опорах огромных башенных кранов, ветроэнергоустановок и металлургического оборудования.

Монтаж и регулировка осевого зазора

Главная особенность упорных роликовых подшипников — у них нет собственного осевого зазора в собранном виде. Зазор формируется только при монтаже узла. Это требует внимательной процедуры сборки.

Регулировка зазора прокладками (shims)

Самый распространённый способ установки точного осевого зазора:

1. Сборка узла без прокладок. Подшипник устанавливается на вал и в корпус, затем вал нагружается номинальным осевым усилием. С помощью индикатора замеряется фактический осевой зазор узла (или фактическое расстояние между торцами).
2. Расчёт нужной толщины прокладок. Из замеренного фактического зазора вычитается требуемый зазор по руководству на машину (обычно 0,05-0,3 мм для большинства применений; преднатяг — отрицательная величина).
3. Подбор комплекта прокладок. Калиброванные стальные шайбы выпускаются толщиной 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 мм. Подбирается комбинация, дающая нужную суммарную толщину.
4. Финальная сборка с прокладками. Прокладки устанавливаются под одну из шайб подшипника (обычно корпусную), узел собирается окончательно, повторно проверяется фактический зазор.

Почему важна точность зазора:

• Слишком большой зазор → ролики проскальзывают на дорожках под небольшой нагрузкой (особенно на пуске и при вибрации), что вызывает шлифовку («smearing») поверхности качения и быстрое разрушение.
• Слишком малый или преднатяг → ролики работают с натягом, перегреваются, смазка деградирует. На высоких оборотах преднатяг особенно опасен.
• Тепловое расширение. При работе вал нагревается сильнее корпуса (часто на 20-40°C), и в face-to-face схеме это уменьшает зазор. Поэтому холодный зазор берётся с запасом на тепловое расширение.

Альтернативные способы регулировки

• Гайка вала с предзатяжкой по моменту. Применяется в крупных подшипниках. Гайка затягивается до заданного момента (по таблице производителя машины), обеспечивая нужный преднатяг.
• Пружинная подгрузка. Применяется на высоких оборотах и в случаях, когда нагрузка может падать ниже минимальной. Пружины (тарельчатые или цилиндрические) постоянно поджимают корпусную шайбу к роликам, обеспечивая минимальную нагрузку независимо от внешних сил.
• Гидравлическая регулировка. Для очень крупных подшипников (d > 400 мм) применяется метод впрыска масла (SKF Oil Injection): между валом и валовой шайбой подаётся масло под давлением, шайба перемещается в нужное положение, затем давление сбрасывается, и натяг сохраняется.

Минимальная нагрузка

Чтобы избежать проскальзывания роликов по дорожкам, упорный роликовый подшипник всегда должен быть нагружен хотя бы минимальной осевой нагрузкой:

F_{a min} = 0,0005 × C_0a + k_a × (n / 10⁸)² (для цилиндрических упорных)

где F_{a min} — минимальная осевая нагрузка (кН); C_0a — статическая грузоподъёмность (кН); n — обороты (об/мин); k_a — коэффициент серии: 1,4 для K811; 0,9 для K812; 0,7 для K893; 0,5 для K894.

Для сферических упорных требование аналогичное, и обычно сводится к примерно 0,02·C_0r при нормальных условиях. На высоких оборотах требование возрастает.

В большинстве вертикальных применений (когда вес самого вала или ротора давит на подшипник) минимальная нагрузка обеспечивается естественно. Если нагрузка может упасть ниже минимума (горизонтальные применения, вибрационные узлы, ускорения) — нужна пружинная подгрузка.

Расчёт эквивалентной нагрузки

Цилиндрические упорные

Цилиндрические упорные не воспринимают радиальную нагрузку. В формуле ресурса L₁₀ подставляется только осевая:

P = F_a

Сферические упорные

Для сферических упорных при F_r ≤ 0,55·F_a (то есть радиальная не превышает 55% от осевой):

P = F_a + 1,2·F_r (при влиянии радиала на распределение нагрузки)
или
P = 0,88·(F_a + 1,2·F_r) (при отсутствии влияния)

Если F_r > 0,55·F_a, нужны дополнительные расчёты — в этом случае радиальная составляющая слишком велика, и обычно ставится отдельный радиальный подшипник, а упорный воспринимает только осевую нагрузку.

Эквивалентная статическая нагрузка для сферических: P₀ = F_a + 2,7·F_r. Для статических применений (опоры мостов, краны в неподвижном положении) рекомендуемый коэффициент безопасности s₀ = C_0r/P₀ ≥ 4.

Краткие ответы на частые вопросы

Смотрите также:
→ Подшипники качения: типы и подбор — обзорная по всем типам
→ Упорные шариковые подшипники — для меньших осевых нагрузок
→ Конические роликовые подшипники — для совместной радиально-осевой нагрузки на наклонных дорожках
→ Двухрядные сферические шариковые — самоцентрирующиеся радиальные
→ Таблица допусков подшипников качения