Опорно-поворотные подшипники: типы, диаграммы нагрузки и подбор

Диаметр кольца — метр, масса — 91 кг, а скорость вращения составляет лишь долю оборота в минуту. Но число, от которого зависит, выдержит ли оно нагрузку, находится не в графе грузоподъёмности.

Это первый сюрприз при задании опорно-поворотного подшипника, а за ним следуют ещё три. Габаритные размеры не подчиняются никакому стандарту, поэтому взаимозаменяемость, на которую вы рассчитываете, основана на рыночной практике, а не на нормативном документе. Тип, который обычно считают менее грузоподъёмным, на самом деле выдерживает большую статическую нагрузку, чем предпочитаемая ему альтернатива. А значительная доля отказов связана не с самим подшипником, а со сварной конструкцией под ним. В этом руководстве разобраны шесть типов и диаграмма нагрузки, по которой действительно выбирают типоразмер. Затем рассмотрены две применяемые системы коэффициентов запаса, зубчатый венец и окружность крепёжных болтов, а также признаки, позволяющие отличить изношенное кольцо от неправильно установленного. Термины, связанные с грузоподъёмностью, подробно объяснены в нашем руководстве по динамической и статической грузоподъёмности.

Ключевые выводы

• Стандарта габаритных размеров нет. SKF прямо указывает, что габариты шариковых опорно-поворотных подшипников с четырёхточечным контактом и исполнений с перекрёстными роликами не соответствуют ни одному международному или национальному стандарту. При этом лёгкие и средние серии SKF по размерам взаимозаменяемы с продукцией конкурентов.
• Подбирайте по диаграмме, а не по одной характеристике. Для каждого опорно-поворотного подшипника приводится диаграмма предельной статической нагрузки с двумя кривыми: сплошной кривой грузоподъёмности дорожек качения и пунктирной кривой несущей способности болтового соединения. Рабочая точка должна находиться ниже обеих. Значения C и C₀ лишь помогают открыть нужную страницу каталога.
• Сначала умножьте нагрузку на коэффициент. SKF применяет коэффициент нагрузки от 1,15 для поворотных столов до 2 для уплотнителей и каруселей. Kaydon использует коэффициент условий эксплуатации от 1,00 до 1,50, зависящий от режима работы, а не от типа машины. Кроме того, у Kaydon есть правило, аналога которому у SKF нет: максимальная допустимая осевая нагрузка должна более чем втрое превышать наибольшую рабочую.
• Шариковое исполнение не слабее. При одинаковом среднем диаметре дорожки качения 1 094 мм SKF указывает для шарикового подшипника с четырёхточечным контактом C₀ = 2 710 кН, а для перекрёстно-роликового — 1 450 кН, при одинаковой массе. Роликовое исполнение обеспечивает жёсткость, точность вращения и нулевой зазор, но уступает по допустимой скорости.
• Опорная конструкция является частью подшипникового узла. Механическая обработка обязательна; требуемая шероховатость составляет Ra 3,2–6,3 мкм, а общая плоскостность ограничена значением (dₘ + 1000)/10000 мм. Толщина монтажного фланца должна составлять 0,03–0,05 × dₘ. Кольцо малого сечения принимает форму поверхности, к которой его прикручивают.
• Метки содержат монтажные указания. Красная метка и буква F обозначают мягкую зону — незакалённый участок, где начинается и заканчивается индукционная закалка. При сборке метки F двух колец располагают со смещением 180°.
• Износ измеряют, а не оценивают на глаз. Осевой зазор при опрокидывании фиксируют при монтаже, затем повторно проверяют через 2 000 часов работы или не реже одного раза в год.

Чем опорно-поворотный подшипник отличается от крупного шарикоподшипника?

Опорно-поворотный подшипник одновременно воспринимает осевую и радиальную нагрузку и опрокидывающий момент в любом направлении и заменяет собой целый поворотный узел, а не устанавливается внутри него. В этом состоит функциональное различие. Он одинаково хорошо работает как при повороте на ограниченный угол, то есть качательном движении, так и при непрерывном вращении (SKF).

Конструкция определяется этой задачей. Между внутренним и наружным кольцами находятся шарики или цилиндрические ролики, разделённые полиамидными проставками вместо цельного сепаратора. На одном из колец обычно нарезан зубчатый венец. В обоих кольцах предусмотрены гладкие или резьбовые отверстия под крепёжные болты. Закалены и точно отшлифованы только дорожки качения, поэтому остальная часть кольца, включая зубья венца, сохраняет состояние после улучшения. Встроенные уплотнения из бутадиен-нитрильного каучука удерживают смазку внутри и не пропускают загрязнения, а пресс-маслёнки позволяют пополнять смазку в эксплуатации.

На этапе проектирования важны два следствия. Большое отверстие и малая высота сечения упрощают компоновку вокруг подшипника, а ответные детали в большинстве случаев требуют лишь плоских механически обработанных поверхностей. Но из-за того же малого сечения собственная жёсткость кольца очень невелика относительно его диаметра. Поэтому каталог задаёт допуски не только для подшипника, но и для сварной опорной конструкции.

Диапазон размеров шире, чем у большинства семейств подшипников. SKF выпускает цельные кольца с наружным диаметром от 50 до 7 900 мм и составные кольца диаметром до 14 000 мм. Все опубликованные данные по грузоподъёмности относятся к опорным схемам, в которых нагрузка прижимает подшипник к конструкции. Для подвесных схем, где подшипник висит на креплении, требуется консультация инженеров по применению.

Какие шесть типов опорно-поворотных подшипников существуют?

Однорядные шариковые подшипники с четырёхточечным контактом и однорядные подшипники с перекрёстными цилиндрическими роликами охватывают подавляющее большинство узлов. Остальные четыре типа применяют, когда конкретные требования к жёсткости, грузоподъёмности или массе выходят за возможности двух основных исполнений.

Два пункта в этой таблице требуют особого предупреждения. Трёхрядные роликовые подшипники имеют наивысшую грузоподъёмность и одновременно предъявляют самые жёсткие требования к опоре. SKF отмечает их чувствительность к деформациям сопряжённых деталей, поэтому максимальный ресурс возможен только на исключительно жёсткой и точно изготовленной опорной конструкции. Покупка подшипника с наибольшей паспортной грузоподъёмностью теряет смысл, если прикрутить его к податливой раме. В металлургической серии NSK применяется та же трёхрядная схема при наружном диаметре от 1 до 6 м, с внутренним, наружным зубчатым венцом или без него (NSK).

Для подшипников с проволочными дорожками качения опубликованная оценка снижения массы со временем изменилась. В каталоге 2019 года однорядные подшипники этого типа названы на 70% легче сопоставимых цельностальных. На текущей странице skf.com указано на 60% легче (SKF). Обе цифры принадлежат SKF и относятся к одному сравнению, поэтому актуальной следует считать более новую страницу и при цитировании указывать дату, а не усреднять значения. На той же странице SKF заявляет для шариковой конструкции с восьмиточечным контактом увеличение грузоподъёмности на 80% относительно однорядного четырёхточечного шарикового подшипника того же размера. Это сравнение производителя, а не результат независимых измерений.

Шарики или перекрёстные ролики? Каталог расходится с общим мнением

При одинаковом среднем диаметре дорожки качения и одинаковой массе более высокую статическую осевую грузоподъёмность имеет шариковый опорно-поворотный подшипник с четырёхточечным контактом, а не перекрёстно-роликовый.

Это наглядно показывают четыре строки одного каталога, все для среднего диаметра дорожки качения 1 094 мм (SKF):

Одинаковый диаметр, одинаковое исполнение зубчатого венца, одинаковая масса с точностью до килограмма — при этом шариковый вариант имеет на 87% большую статическую осевую грузоподъёмность и на 9% большую динамическую. Эти проценты рассчитаны нами по двум строкам каталога и не являются опубликованными данными производителя.

Что же тогда даёт конструкция с перекрёстными роликами? SKF отвечает точно, и грузоподъёмности в этом списке нет. При предварительном натяге большая площадь контакта ролика с дорожкой обеспечивает высокую жёсткость и точность вращения, поэтому такой тип выбирают для узлов, где точное позиционирование является ключевым рабочим параметром. Его же следует задавать, когда необходимы нулевой рабочий зазор, предварительный натяг или постоянный момент сопротивления вращению.

Цена этих преимуществ складывается из четырёх пунктов.

• Скорость. Шариковые подшипники с четырёхточечным контактом создают меньше трения и поэтому допускают более высокую скорость. Средняя шариковая серия достигает окружной скорости 4 м/с, лёгкая — 2 м/с, тогда как для перекрёстно-роликового исполнения предел составляет 1,5 м/с в непрерывном режиме и 2 м/с кратковременно.
• Допуски опоры. Перекрёстно-роликовый подшипник требует более строгих допусков плоскостности и большей жёсткости опорной поверхности, чем шариковый четырёхточечный.
• Взаимозаменяемость по размерам. Лёгкие и средние серии шариковых четырёхточечных подшипников по габаритам взаимозаменяемы с продукцией конкурентов. Для перекрёстно-роликовых SKF заявляет взаимозаменяемость только до среднего диаметра дорожки качения 1 094 мм включительно.
• Допуск диаметра меняется в обратную сторону. Для незубчатого внутреннего или наружного диаметра перекрёстно-роликового подшипника во всех диапазонах размеров выдерживается ±1 мм. У шарикового четырёхточечного допуск составляет ±2,5 мм до 1 000 мм, ±3,5 мм до 2 000 мм и ±5 мм до 2 500 мм. Допуск общей высоты у обоих типов равен ±1 мм.

В собственной таблице выбора SKF перекрёстно-роликовый тип рекомендован для высокой точности вращения и не рекомендован для высоких скоростей, а лёгкая шариковая серия, напротив, не рекомендована для точного вращения. Практическое правило простое: выбирайте ролики, когда машине важно точно знать своё положение, и шарики — когда ей нужно двигаться и нести нагрузку.

Четыре точки контакта в первой конструкции дорожки образованы той же геометрией готической арки, которая описана в нашем руководстве по радиально-упорным шарикоподшипникам, только увеличенной до метрового диаметра.

Почему одного C₀ недостаточно для подбора опорно-поворотного подшипника

Опорно-поворотный подшипник выбирают нанесением точки на диаграмму, а не простым сравнением с одной паспортной величиной. Сведите нагрузки машины к одной результирующей осевой силе и одному результирующему опрокидывающему моменту. Умножьте оба значения на коэффициент применения, затем убедитесь, что точка лежит ниже обеих кривых диаграммы предельной статической нагрузки выбранного подшипника.

Сначала определяют расчётный случай нагружения. Для схемы на своём рисунке SKF задаёт пару уравнений. Осевая нагрузка равна Fₐ = Qₐ + G₁ + G₂ + G₃. Опрокидывающий момент равен Mₜ = Qₐ × L + Fᵣ × Hᵣ + G₃ × L₃ − G₁ × L₁ − G₂ × L₂. Здесь Qₐ — поднимаемый груз, члены G — составляющие веса, например противовеса, кабины и стрелы, а L и H — их плечи. Если рабочие радиусы меняются, в расчёт подставляют максимальные значения.

Затем два правила определяют, можно ли вообще пренебречь радиальной нагрузкой. Внешнюю радиальную силу допускается не учитывать, пока она не превышает 5% осевой нагрузки. Если она приложена не в плоскости подшипника, создаваемый ею опрокидывающий момент необходимо рассчитать и учесть. А если отношение Fᵣ/Fₐ превышает 0,6, SKF рекомендует обратиться к инженерам по применению, а не считывать значение с диаграммы. Общий подход к объединению двух составляющих силы в один расчётный случай рассмотрен в материале осевая и радиальная нагрузка.

После этого вводят множитель. Осевая нагрузка и опрокидывающий момент умножаются на один и тот же коэффициент нагрузки: Fₐᵣ = fL × Fₐ и Mₜᵣ = fL × Mₜ.

Диаграмма — последний этап, который часто упускают при сравнении поставщиков. Для каждого подшипника в таблицах продукции приведена диаграмма предельной статической нагрузки с двумя кривыми. Сплошная линия показывает грузоподъёмность дорожек качения — максимальную статическую нагрузку, которую подшипник выдерживает без неблагоприятного влияния на характер вращения. Пунктирная линия показывает несущую способность болтового соединения и относится к конкретному крепежу. Она предполагает опорную схему, указанное число болтов класса 10.9, крепящих данный подшипник, тонкий слой лёгкого масла на резьбе и каталожный момент затяжки. Точка пересечения расчётной осевой нагрузки и расчётного опрокидывающего момента должна находиться ниже обеих кривых.

Расчётный пример SKF достаточно короток, чтобы привести его полностью, и именно его ищет большинство читателей. Для мини-экскаватора требуется опорно-поворотный подшипник с внутренним зубчатым венцом. Осевая нагрузка Fₐ = 65 кН, внешняя радиальная нагрузка Fᵣ = 12 кН, опрокидывающий момент Mₜ = 120 кН·м. Отношение Fᵣ/Fₐ = 12/65 = 0,184 уверенно укладывается в предел 0,6, поэтому по этому критерию подходит любая серия. При fL = 1,33 для мини-экскаватора получаем Fₐᵣ = 1,33 × 65 = 87 кН и Mₜᵣ = 1,33 × 120 = 160 кН·м. По диаграмме проходят и RKS.062.20.1094, и RKS.162.14.1094. Если важна жёсткость, выбирайте перекрёстно-роликовый. В остальных случаях с задачей справится шариковый.

Обратите внимание, что именно определило результат. Значения 87 кН и 160 кН·м вообще не сравнивались с C₀. В нашем руководстве по динамической и статической грузоподъёмности подбор опорно-поворотного круга по C вместо C₀ назван первой распространённой ошибкой. Приведённые выше числа объясняют почему: у медленно вращающихся колец остаточные вмятины на дорожках появляются задолго до накопления усталостных повреждений. Статическая грузоподъёмность определяется ISO 76, динамическая — ISO 281, и обе указаны в таблицах продукции. Они служат фильтром для выбора кандидатов, а не окончательным критерием приёмки.

Коэффициент нагрузки SKF и коэффициент условий эксплуатации Kaydon — не одно и то же

Два крупных производителя публикуют методики выбора, в которых разные коэффициенты, полученные разными способами, применяются к разным величинам. При переносе конструкции с диаграммы одного поставщика на диаграмму другого незаметно меняется заложенный запас.

Таблица Kaydon разделяет режимы по характеру эксплуатации машины, а не по её названию. Для автокрана на пневмоколёсном ходу при обычных строительных работах принимают 1,00, для гусеничного — 1,10, для того же крана при постоянной работе с металлоломом или в порту — 1,25, а при лесозаготовках — 1,50. Для экскаваторов значение зависит от того, что ограничивает нагрузку: 1,25, если устойчивость против опрокидывания, и 1,50, если срабатывание предохранительного клапана гидросистемы. Для делительных и турникетных столов коэффициент составляет 1,00–1,50 в зависимости от частоты включений и ударов, а для рулевого механизма — 1,25 на пневматических шинах и 1,50 на сплошных (Kaydon).

Сравнение со списком SKF показывает, что различие реально, а не сводится к терминологии. SKF задаёт для автокранов постоянный коэффициент 1,5. Kaydon для той же машины допускает от 1,00 до 1,50 в зависимости от того, какие грузы она поднимает изо дня в день. Обе методики обоснованны, но используют разные модели. Если конструктор переносит коэффициент из одной методики в другую без нового расчёта, он применяет число, откалиброванное по другой диаграмме.

Различие в запасе по осевой нагрузке ещё существеннее. Kaydon требует, чтобы максимальная допустимая осевая нагрузка более чем втрое превышала наибольшую рабочую осевую силу независимо от момента в этом режиме. Это объясняется жёсткостью конструкции и распределением нагрузки. В методике SKF прямого аналога нет, поскольку часть той же проблемы учитывается кривой болтового соединения. Если вы выполнили расчёт по диаграмме SKF, а затем хотите предложить для того же режима деталь Kaydon, отдельно проверьте правило 3×.

Пределы скорости полезно привести к одинаковым единицам, поскольку два производителя используют разные системы и результат получается любопытным. Для нормального режима Kaydon ограничивает однорядные подшипники скоростью 500 фут/мин, а многорядные — 300 фут/мин. При пересчёте по 0,3048 м в футе это 2,54 м/с и 1,52 м/с. Значение Kaydon для многорядных подшипников с учётом округления совпадает с пределом SKF 1,5 м/с для перекрёстно-роликового исполнения, а для однорядных оно заметно ниже 4 м/с, допускаемых SKF для шарикового подшипника средней серии. По роликовым и многорядным конструкциям оценки почти совпадают, а по однорядным шариковым различаются примерно в 1,6 раза. Пересчёт выполнен нами; исходные значения принадлежат Kaydon.

Определение нормального режима у Kaydon само по себе служит полезным перечнем предварительных проверок. Предполагаются вертикальная ось вращения, сжимающая осевая нагрузка и опрокидывающий момент, а также радиальная нагрузка менее 10% осевой. Кроме того, подразумеваются качательное или периодическое вращение, рабочая температура в пределах от −20 °F до +140 °F (от −29 до +60 °C), правильный монтаж, периодическое смазывание и регулярная проверка натяжения болтов. При выходе за любое из этих условий опубликованной диаграммы уже недостаточно.

Что на самом деле ограничивает рабочую температуру

Предел задаёт не сталь колец, а полиамидные проставки, резиновые уплотнения и пластичная смазка. Для каталожной серии SKF опубликован диапазон от −25 до +70 °C.

Стандартная заправка — пластичная смазка на минеральном масле с литиевым загустителем и противозадирными присадками, консистенция NLGI 2. Вязкость базового масла составляет 200 мм²/с при 40 °C и 16 мм²/с при 100 °C. По «светофорной» концепции SKF область надёжного смазывания лежит между +30 и +110 °C — это более узкая и практически полезная характеристика, чем собственный температурный диапазон смазки. Влияние вязкости базового масла и химии присадок на выбор подробно рассмотрено в нашем руководстве по смазыванию подшипников.

Следует отдельно назвать одну температурную ловушку, которую легко заложить в конструкцию. Если наружное кольцо холоднее внутреннего, внутренний зазор уменьшается или предварительный натяг возрастает. SKF указывает это как основание для обращения к инженерам по применению; именно такой режим возникает, когда горячая ступица находится внутри кольца, а наружная поверхность охлаждается окружающим воздухом.

Практические правила смазывания коротки и необычно либеральны, поскольку эти подшипники вращаются медленно:

• Свободное пространство между кольцами можно заполнить смазкой полностью.
• Сразу после монтажа нагнетайте смазку, пока свежий материал не выйдет из-под уплотнений по всей окружности.
• Пополняйте смазку во время вращения подшипника, чтобы она распределялась равномерно.
• Подавайте смазку через четыре равномерно расположенные конические пресс-маслёнки по DIN 71412:1987, исполнение A: во внутреннем кольце для подшипников с наружным венцом и в наружном — для остальных.
• Интервал повторного смазывания определяют по диаграмме в зависимости от числа рабочих часов в неделю; она действительна при рабочей температуре 70 °C и качественной смазке. Грязь, влага и более высокая температура сокращают интервал.

Зубчатый венец смазывают отдельно; с завода он поставляется с консервационным покрытием, но без рабочей смазки. Смазочный материал должен иметь вязкость базового масла не менее 500 мм²/с при 40 °C, хорошую адгезию, высокую стойкость к вымыванию водой и выдерживать температуру не ниже +100 °C.

Встроенные уплотнения не заменяют внешнюю защиту. SKF прямо указывает, что они не предназначены для подшипников, работающих под воздействием воды, вакуума, большого количества абразивных загрязнений или радиации. В качестве вторичного уплотнения обычно применяют серийное V-образное кольцо большого диаметра или кожух из листовой стали, прикрученный к вращающейся либо неподвижной детали. Роль уплотнения как параметра спецификации в целом рассмотрена в материале закрытые и защищённые подшипники.

Зубчатый венец: почему зубья намеренно оставляют мягкими

Встроенный венец представляет собой цилиндрическую эвольвентную передачу с углом профиля 20°, и его не закаливают. SKF нарезает зубья по внутренней спецификации, близкой к 12-й степени точности ISO 1328-2, и задаёт две разные допустимые окружные силы вместо одной.

Именно эта пара характеристик заслуживает внимания. Номинальная сила Tf normal — окружная сила на зубе при нормальных рабочих нагрузках, рассчитанная по усталостному напряжению у основания зуба на 3 000 000 рабочих циклов. Tf max — максимально допустимая окружная сила, рассчитанная по условию излома у основания зуба. Обе величины публикуются для каждого обозначения и относятся к незакалённым венцам. Режим, в котором большую часть срока нагрузка ниже Tf normal и лишь изредка достигает Tf max, принципиально отличается от режима постоянной работы вблизи любого из пределов. Одно число не смогло бы описать оба случая.

Положение венца — конструктивное решение, а не вопрос предпочтения, и оно отражается в обозначении. В средней серии четырёхточечных шариковых подшипников SKF код 061 означает наружный венец, 062 — внутренний, 060 — отсутствие венца. Шестерня входит в зацепление на максимальном расстоянии от центра при наружном венце и на минимальном при внутреннем, что меняет плечо, воспринимаемое приводом.

Для бокового зазора опубликованы конкретные значения, включая неочевидный нижний предел.

После установки шестерни измеряйте зазор щупом у синей метки и буквы B, обозначающих место с наименьшим промежутком между зубьями по окружности. Больший зазор в других точках окружности является нормальным следствием допуска формы и не оказывает отрицательного влияния. А нулевой зазор — это неисправность, а не признак точности: по данным SKF, опыт эксплуатации показывает, что нулевой боковой зазор может вызвать перегрузку конструкции и существенно сократить ресурс зубчатого венца.

Твёрдость, которой лишён венец подшипника, обеспечивает ведущая шестерня. Обычно её закаливают и шлифуют; по ширине она должна выступать примерно на 5 мм с каждой стороны венца. Кроме того, требуется модификация вершины зуба величиной 0,01 × модуль, высотой 0,4–0,6 × модуль и радиусом 0,1–0,15 × модуль. Она предотвращает помехи в зацеплении у основания зуба более мягкого венца подшипника. Если модификации нет, приработка проявляется повышенным шумом, который SKF не считает по-настоящему опасным: скорость изнашивания постепенно снижается, а шум должен уменьшиться. Отличить такую приработку от реальной неисправности подшипника помогает наше руководство по шуму подшипников.

Такие зубья сохраняют состояние после улучшения, поэтому видимая на них поверхность получена механической обработкой, а не шлифованием.

Монтаж: опорная конструкция является частью подшипника

Собственная жёсткость опорно-поворотного подшипника невелика, поскольку его поперечное сечение мало относительно диаметра. Он принимает форму конструкции, к которой прикручен. Именно поэтому каталог задаёт допуски для работы изготовителя сварной рамы, причём они строже привычных для большинства сварочных производств.

Конструкция. Монтажный фланец должен поддерживать кольцо подшипника по всей площади бокового торца. Минимальная толщина составляет 0,05 × dₘ при среднем диаметре дорожки качения до 500 мм, 0,04 × dₘ от 500 до 1 000 мм и 0,03 × dₘ свыше 1 000 мм. Минимальная толщина стенки конструкции определяется как S₁ = 0,35 × S. Толстостенные цилиндрические конструкции с внутренним или наружным фланцем работают лучше тонкостенных сварных рам с рёбрами. Стенки нижней и верхней конструкций следует располагать по линии комплекта тел качения, чтобы путь передачи нагрузки оставался прямым.

Поверхность. Механическая обработка обязательна, шероховатость должна находиться в пределах Ra 3,2–6,3 мкм, а поверхности должны быть плоскими, без ржавчины, краски и заусенцев. Их также необходимо промыть и высушить; оставлять на них консервационный состав, масло или пластичную смазку нельзя. Соединение кольца с конструкцией работает за счёт трения, а смазка устраняет необходимое сцепление.

Плоскостность проверяют по трём отдельным критериям:

• Общее отклонение от плоскостности в окружном направлении ограничено значением tc = (dₘ + 1000)/10000 мм.
• Расстояние между точками измерения не должно превышать шаг крепёжных отверстий. Между двумя соседними точками отклонения в одном направлении не должны превышать 0,0002 × n, где n — расстояние между ними. Если направление уклона меняется, сумма двух отклонений не должна превышать 0,002 × n.
• Плоскостность в радиальном или поперечном направлении, то есть конусность по ширине опорной поверхности, ограничена значением tt = B/1000, где B — ширина этой поверхности.

Болтовое соединение — ещё один пункт, по которому методики двух производителей расходятся. SKF задаёт болты с шестигранной головкой по DIN EN ISO 4014:1999 класса прочности 10.9 по EN ISO 898 и минимальную длину стягиваемого пакета _L_K = 5 × G. Плоские шайбы под головкой и гайкой должны быть закалёнными либо улучшенными, а пружинные шайбы любого типа применять запрещено. Затяжку выполняют как минимум в два этапа точным динамометрическим ключом или гидравлическим натяжителем.

Kaydon допускает крепёж SAE J429 Grade 8 или ISO 898-1 Class 10.9. Натяжение выполняют в три этапа — до 30%, 80% и 100% окончательного расчётного усилия, заданного конструктором оборудования, крест-накрест. Производитель также предостерегает от тонких переходных плит под подшипником (Kaydon). Предельные значения плоскостности и деформации у Kaydon представлены графиками в зависимости от диаметра окружности крепёжных отверстий и диаметра шарика, а не формулами. Поэтому замкнутые выражения SKF полезно держать под рукой, даже если выбран подшипник другой марки.

На мягкой зоне стоит остановиться подробнее. Индукционной закалке подвергаются только дорожки качения, а у любого процесса индукционной закалки есть начало и конец. Между ними остаётся небольшой незакалённый участок, который SKF обозначает красной меткой и буквой F. По возможности он совпадает с отверстием, через которое загружают шарики или ролики и которое затем закрывают пробкой по контуру дорожки. При установке второй конструкции метка F свободного кольца должна находиться в 180° от метки закреплённого кольца. Обозначение не универсально: многие китайские производители и поставщики запчастей маркируют ту же зону буквой S. Функция одна, буквы разные; знакомый только с одной системой специалист может искать метку, которой на детали нет. Маркировка, содержащая реальные монтажные указания, встречается и у четырёхрядных цилиндрических роликоподшипников.

Монтаж завершают две приёмочные проверки. Поверните свободное кольцо и убедитесь, что момент вращения не имеет чрезмерных колебаний и тугих участков. Высокий абсолютный момент из-за предварительного натяга, пластичной смазки и трения уплотнений допустим; недопустима именно неравномерность, указывающая на овальность. Затем измерьте осевой зазор при опрокидывании по основной линии нагружения индикатором при заданном опрокидывающем моменте. Убедитесь, что радиальный зазор практически равен нулю в точке, смещённой на 180° от места измерения. Нанесите метки точек измерения на соседнюю деталь и занесите значение в монтажный акт. Это исходный уровень износа на весь срок службы машины, и восстановить его позднее невозможно.

Кольца со средним диаметром дорожки качения более 2 000 мм имеют чёрную метку и требуют дополнительной операции. Совместите чёрные метки, измерьте овальность в шести точках через 30° на центрирующих диаметрах и удерживайте её в пределах 0,5 мм при среднем диаметре дорожки от 2 000 до 3 000 мм. Форму исправляют небольшой упругой деформацией с помощью домкратов или звездообразного приспособления, а не ударным усилием.

Как отличить изношенное кольцо от неправильно установленного?

Сравните текущий осевой зазор при опрокидывании со значением, записанным при монтаже. Износ дорожек и осевой зазор увеличиваются вместе, поэтому тенденция изменения зазора и является мерой износа. Без исходной точки измерения как такового нет.

SKF предписывает проверку через 2 000 часов работы или не реже одного раза в год. Записывайте каждый результат и стройте график, чтобы тенденция стала видна до того, как появится ощутимый люфт.

Если измерить зазор на установленном узле невозможно, используют уменьшение высоты подшипника: ΔHw = Hs0 − Hs1, где Hs0 — высота после монтажа, а Hs1 — текущая высота. Каждый раз применяйте одну и ту же методику измерения. Допустимое уменьшение зависит от диаметра тела качения: 1 мм при диаметре 14 мм, 1,2 мм при 16 мм, 1,5 мм при 20 мм и 2,2 мм при 30 мм. В лёгкой серии шариковых подшипников с четырёхточечным контактом используются шарики 20 мм, поэтому типичным пределом является 1,5 мм, а размер тела качения можно прочитать из самого обозначения.

Болтовым соединениям следует уделять не меньше внимания, чем дорожкам качения, поскольку именно здесь фактически разрушается значительная доля опорно-поворотных узлов:

• Повторно затяните все крепёжные болты между третьей и двенадцатой неделей эксплуатации, затем перед пуском после длительного простоя, после 2 000 часов работы или не реже одного раза в год.
• Если болт потерял 20% и более заданного предварительного натяга, замените его вместе с двумя соседними.
• Если не менее 20% болтов одного кольца имеют натяг ниже 80% заданного, замените все болты этого кольца.
• Никогда не ослабляйте и не меняйте более одного болта одновременно; используйте тот же способ затяжки, инструмент и тип болта, что и при первоначальном монтаже.
• При замене подшипника всегда заменяйте болты.

При обычном техническом обслуживании уплотнения проверяют не реже одного раза в шесть месяцев, а при любых признаках повреждения очищают или заменяют. Убедитесь, что смазка присутствует по всей окружности уплотнительной кромки.

Неправильное хранение — реальный механизм отказа запасных частей. В заводской упаковке опорно-поворотный подшипник хранится около одного года, если относительная влажность ниже 60%, отсутствуют вибрации и значительные колебания температуры. Более длительный срок необходимо оговаривать при заказе, поскольку для него требуется другая упаковка. Храните кольцо горизонтально с опорой по всей площади бокового торца, никогда не ставьте его вертикально: вес колец и тел качения может вызвать остаточную деформацию. То же правило действует при перевозке; кольцо нельзя стропить за одну точку или один болт. Если повреждение уже произошло, классификация из нашего руководства по анализу отказов подшипников применима к дорожкам опорно-поворотного подшипника так же, как к любым другим.

Как читать обозначение, если стандарта габаритов нет

Поскольку стандарт не задаёт габаритные размеры опорно-поворотных подшипников, обозначение представляет собой собственный код производителя. Взаимозаменяемость существует лишь потому, что крупные компании пришли к одинаковым габаритам лёгких и средних серий, и прекращается сразу за их пределами.

Система SKF опубликована полностью и потому удобна как рабочий пример. RKS. означает опорно-поворотный подшипник SKF. Далее идёт серия: 2 — лёгкий шариковый с четырёхточечным контактом, 06 — средний шариковый с четырёхточечным контактом, 16 — средний с перекрёстными цилиндрическими роликами. Затем положение зубчатого венца: 1 — наружный, 2 — внутренний, 0 — без венца для средней серии и 3 — без венца для лёгкой. После него указывается размер тела качения: 20, 25 или 30 мм для шариков и 14, 16 или 20 мм для роликов. Последним идёт средний диаметр дорожки качения в миллиметрах. Таким образом, RKS.062.20.1094 — средний шариковый опорно-поворотный подшипник с четырёхточечным контактом, внутренним зубчатым венцом, шариками 20 мм и средним диаметром дорожки 1 094 мм. Для подшипников по индивидуальному заказу применяется другая схема, кодирующая диапазон наружного диаметра, тип и размер тела качения.

Практический вывод — перечень данных, которые должны быть в запросе. Одного наружного диаметра и окружности крепёжных отверстий для взаимозамены недостаточно.

В том же обсуждении следует учесть два факта о материалах, поскольку они меняются при определённом диаметре, а не по классу исполнения. До среднего диаметра дорожки 1 094 мм SKF изготавливает кольца из улучшенной стали C45E по EN 10083-2, а свыше этого значения — из стали 42CrMo4 по EN 10083-3, пригодной для индукционной закалки. Шарики и ролики изготавливаются из сквозно закалённой стали 100Cr6 по EN ISO 683-17. Индукционно закаливают только дорожки качения; кольца и зубья венца намеренно не затрагивают. Именно на эти редакции стандартов ссылается каталог SKF 2019 года, а некоторые из них с тех пор были пересмотрены, поэтому воспринимайте их как нормативные ссылки в спецификации производителя, а не как текущие издания стандартов.

Методика межбрендового сопоставления, то есть тот же подход для типов, габариты которых стандартизованы, рассмотрена в руководствах по взаимозаменяемости подшипников и чтению обозначений. Если вы идентифицируете установленное кольцо по фактическим размерам, начните с материала как измерить подшипник. География производства тоже важна: Лоянский кластер, описанный в нашем обзоре производителей подшипников, выпускает значительную долю китайских опорно-поворотных кругов.

ANDE не производит опорно-поворотные круги. Мы выпускаем шарикоподшипники с четырёхточечным контактом, в которых та же геометрия готической арки применяется при меньших диаметрах, с отверстием от 30 до 500 мм. При подборе аналогов и задании требований мы опираемся на те же данные о нагрузках и допусках, которые рассмотрены выше. Если ваши габариты входят в этот диапазон или вам нужно независимое мнение по выбору опорно-поворотного подшипника до выпуска чертежа, отправьте данные нашей инженерной команде.

Часто задаваемые вопросы

Что такое опорно-поворотный подшипник?

Это крупногабаритный подшипник качения, который одновременно и в любом направлении воспринимает осевую и радиальную нагрузку и опрокидывающий момент и крепится болтами непосредственно к расположенным над и под ним конструкциям. Он может поворачиваться на ограниченный угол или непрерывно вращаться, обычно с малой скоростью. Закалены только дорожки качения, а на одном кольце, как правило, выполнен зубчатый венец.

Поворотный подшипник и опорно-поворотный подшипник — это одно и то же?

В промышленной практике эти названия употребляют как синонимы наряду с терминами «опорно-поворотный круг» и «поворотное кольцо». Неоднозначность связана скорее с рынком, чем с терминологией. Поиск по словам «поворотный подшипник» также выдаёт бытовые поворотные пластины и фурнитуру Lazy Susan, для которых не указывают моментную грузоподъёмность и инженерные данные, рассматриваемые здесь.

Какие бывают опорно-поворотные подшипники?

Однорядные шариковые с четырёхточечным контактом, однорядные с перекрёстными цилиндрическими роликами, двухрядные шариковые с четырёхточечным контактом, двухрядные цилиндрические роликовые, трёхрядные роликовые и с проволочными дорожками качения. Первые два типа охватывают подавляющее большинство узлов. Трёхрядный тип имеет наивысшую грузоподъёмность, но сильнее всего чувствителен к деформации окружающей конструкции.

Как рассчитать грузоподъёмность опорно-поворотного подшипника?

Сведите нагрузки машины к одной результирующей осевой силе и одному результирующему опрокидывающему моменту, затем умножьте обе величины на коэффициент применения. Убедитесь, что полученная точка находится ниже кривых дорожек качения и болтового соединения на диаграмме предельной статической нагрузки данного подшипника. Коэффициенты SKF лежат в диапазоне от 1,15 до 2 в зависимости от типа машины. Одного значения C₀ недостаточно, поскольку ограничивающим элементом может оказаться окружность болтов.

Что означает метка S или F на опорно-поворотном подшипнике?

Она обозначает мягкую зону дорожки качения — незакалённый участок, где начинается и заканчивается индукционная закалка и где обычно находится закрытое пробкой отверстие загрузки тел качения. SKF ставит красную метку и букву F, многие другие поставщики — букву S. При монтаже мягкие зоны двух колец необходимо расположить со смещением 180°.

Какой износ считается чрезмерным?

Сравнивайте текущий осевой зазор при опрокидывании со значением, записанным при монтаже, выполняя проверку через 2 000 часов работы или не реже одного раза в год. Если зазор измерить невозможно, оценивайте уменьшение высоты подшипника с учётом диаметра тела качения: 1 мм при диаметре 14 мм, 1,5 мм при 20 мм и 2,2 мм при 30 мм.

Кратко

Опорно-поворотный подшипник — это конструктивный элемент машины с телами качения внутри, и задавать его следует соответственно. Большую часть решения определяют шесть пунктов:

• Стандарта габаритных размеров нет. Проверяйте габариты, зубчатый венец и расположение болтов, а не доверяйте одному названию серии, и помните, что заявленная взаимозаменяемость ограничена определённым диаметром.
• Критерий приёмки — диаграмма нагрузки. На ней две кривые, для дорожек качения и болтового соединения, а рабочая точка должна лежать ниже обеих. Значения грузоподъёмности помогают отобрать кандидатов, но не подтверждают окончательный выбор.
• Умножайте нагрузку до нанесения точки и учитывайте, из какой методики взят коэффициент. SKF привязывает его к типу машины, Kaydon — к режиму работы; кроме того, Kaydon требует трёхкратного запаса по осевой нагрузке, которого нет в методике SKF.
• Шариковый тип не слабее. При одинаковом диаметре и массе в приведённых выше строках каталога его статическая осевая грузоподъёмность оказалась на 87% выше. Перекрёстные ролики выбирают ради жёсткости и точности, расплачиваясь допустимой скоростью.
• Сварная конструкция входит в расчёт. Важны толщина фланца, Ra, три проверки плоскостности, класс болтов и предварительный натяг. Идеальный подшипник на податливой раме быстро превращается в изношенный.
• Зафиксируйте исходный зазор в первый день. Износ оценивают по тенденции, а первое измерение — единственное, которое невозможно выполнить позднее.

Отправьте осевую и радиальную нагрузку, опрокидывающий момент, угол поворота, скорость, рабочий цикл и диапазон температур нашей инженерной команде. Мы поможем выполнить подбор независимо от того, окажется ли выбранная деталь нашей продукцией.

Об авторе

Jeff Li пишет о подшипниковой технике и международных закупках для ANDE Bearing. Он напрямую работает с OEM-производителями и покупателями запасных частей в автомобилестроении, тяжёлой промышленности и возобновляемой энергетике. Связаться с ним можно через LinkedIn.