Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Опорно-поворотное устройство (ОПУ) выполняет три задачи одновременно: воспринимает осевую нагрузку (вес платформы и груза), радиальную нагрузку (горизонтальные силы) и опрокидывающий момент (от смещения центра тяжести и вылета стрелы). Число рядов тел качения — главный конструктивный признак, определяющий, как именно ОПУ распределяет эти нагрузки и какую их величину выдерживает при заданном диаметре. Выбор однорядного, двухрядного или трёхрядного исполнения — первое инженерное решение при проектировании поворотного узла. Ошибка приводит либо к избыточной массе и стоимости узла, либо к преждевременному разрушению дорожек качения и потере точности позиционирования. В статье разобраны конструктивные различия между однорядными, двухрядными и трёхрядными ОПУ, их нагрузочные характеристики, требования к статическому коэффициенту безопасности по методикам Rothe Erde (thyssenkrupp), применения в тяжёлой технике и алгоритм выбора числа рядов в зависимости от типа и величины нагрузки.
Для понимания различий между конструкциями ОПУ необходимо чётко разделять три составляющие нагрузки, действующие на поворотный узел.
В реальной эксплуатации все три нагрузки действуют одновременно. Их сочетание определяет требования к ОПУ, и каждое конструктивное исполнение распределяет эти составляющие по-разному. Чем выше доля опрокидывающего момента в общем балансе нагрузок, тем строже требования к числу рядов и геометрии дорожек качения.
Однорядное шариковое ОПУ с четырёхточечным контактом (single-row four-point contact ball) — самая массовая конструкция ОПУ в промышленности. Между двумя кольцами располагается один ряд стальных шариков, контактирующих с дорожками качения в четырёх точках под углом 45° к плоскости вращения.
Каждый шарик одновременно контактирует с обеими дорожками в четырёх точках под углами ±45°. Это даёт возможность одному ряду шариков воспринимать одновременно:
Геометрия четырёхточечного контакта компактна — высота кольца составляет 40–60 % от высоты эквивалентного по моменту двухрядного или роликового исполнения, что критично для мобильной техники с ограничениями габаритов и центра тяжести.
Однорядное роликовое ОПУ с перекрёстными роликами (single-row crossed roller, перекрёстно-роликовое) — конструкция с цилиндрическими роликами, установленными между кольцами в шахматном порядке под углами ±90° друг к другу.
Поскольку оси соседних роликов взаимно перпендикулярны, каждый ролик воспринимает либо составляющую осевой нагрузки одного направления, либо радиальную нагрузку, в зависимости от своей ориентации. По сравнению с шариковыми, роликовая конструкция обеспечивает:
Перекрёстно-роликовые ОПУ применяются там, где приоритет — высокая жёсткость и точность вращения: промышленные роботы и манипуляторы, поворотные столы координатно-расточных и обрабатывающих центров, конвейерная техника с прецизионным позиционированием, поворотные части тоннелепроходческих машин, антенно-фидерные системы.
Двухрядные ОПУ содержат два ряда тел качения в одном корпусе. Применяются две основные схемы.
В этой конструкции два ряда шариков имеют разные диаметры:
Разделение функций между рядами позволяет повысить общую нагрузочную способность по сравнению с однорядным шариковым исполнением того же диаметра. При этом высота кольца возрастает на 30–60 %.
Два независимых ряда цилиндрических роликов в двух раздельных дорожках качения. Воспринимает значительные осевые нагрузки в обоих направлениях и существенный опрокидывающий момент. Применяется в крупной мобильной и стационарной технике, где требования к нагрузочной способности превышают возможности шариковых конструкций при сопоставимых габаритах.
Трёхрядное роликовое ОПУ (three-row roller bearing) — конструкция для предельных нагрузок, в которой три независимых ряда роликов разделяют функции восприятия нагрузок разных направлений.
В отличие от других типов ОПУ, где один ряд тел качения воспринимает все три составляющие нагрузки одновременно (распределяя силы по углу контакта), трёхрядное исполнение разделяет нагрузки по отдельным рядам. Это даёт два важных следствия:
Высота трёхрядного ОПУ существенно больше, чем у однорядного при том же диаметре дорожки: типичные пропорции — высота 30–40 % от диаметра, против 8–15 % для однорядного шарикового. Масса возрастает в 3–5 раз. Это компромисс, оправданный только в применениях с экстремальными нагрузками.
По данным Rothe Erde, трёхрядные роликовые ОПУ устанавливаются в следующих узлах:
Сводная характеристика типов ОПУ по основным параметрам:
На практике выбор числа рядов начинается с определения характера и величины нагрузок и проходит по следующему алгоритму.
По методике Rothe Erde, типовые значения коэффициента fstat для разных применений (приведены в таблице ниже).
Рассчитанные нагрузки наносятся на нагрузочную кривую (диаграмму) выбранной серии в координатах «осевая нагрузка — опрокидывающий момент». Рабочая точка должна оставаться внутри допустимой области с учётом коэффициента безопасности. Если точка выходит за пределы — переход к следующему типоразмеру или к более тяжёлому исполнению (большее число рядов).
Статический коэффициент безопасности fstat определяет запас по статической несущей способности ОПУ относительно расчётных нагрузок. По методике Rothe Erde, его значение зависит от характера применения и величины ударных нагрузок:
Карта типичных применений по числу рядов:
Исходные данные. Карьерный гидравлический экскаватор средней грузоподъёмности; рабочее оборудование стрела + рукоять + ковш 1,2 м³. Параметры:
Шаг 1. Расчёт эквивалентной осевой нагрузки. С учётом опрокидывающего момента эквивалентная осевая нагрузка определяется по формулам производителя ОПУ. Для типовой формулы при диаметре дорожки DL ≈ 1,5 м и приведении момента к осевой нагрузке:
Fa.экв = Fa + 4 · Mk / DL = 350 + 4 · 950 / 1,5 = 350 + 2 533 = 2 883 кН.
Шаг 2. Определение требуемого fstat. Гидравлический экскаватор с ковшом 1,2 м³ относится к категории fstat = 1,25 по методике Rothe Erde.
Шаг 3. Выбор типа ОПУ. Эквивалентная нагрузка 2 883 кН и характер работы (ударные нагрузки, длительный цикл) указывают на необходимость двухрядного или роликового исполнения. Однорядное шариковое 4-точечное в этом применении недостаточно по запасу по контактным напряжениям. Подходящие варианты:
В практике для экскаваторов этого класса применяются двухрядные роликовые либо однорядные ОПУ специальной серии (например, серия KD 320 Rothe Erde, специально разработанная для гидравлических экскаваторов с ковшом до 1,5 м³).
Шаг 4. Проверка по нагрузочной кривой. Рабочая точка с координатами (Fa = 350 кН; Mk = 950 кН·м) наносится на нагрузочную диаграмму выбранного типоразмера. С учётом коэффициента fstat = 1,25 расчётные значения умножаются на 1,25 (то есть проверяется точка 437,5 кН и 1 187,5 кН·м), и она должна оставаться внутри допустимой области нагрузочной кривой.
Распространённые ошибки в практике подбора, ведущие к преждевременному выходу ОПУ из строя:
Тема выбора числа рядов тесно связана с расчётом нагрузок, креплением ОПУ и долговечностью. Ниже подобраны материалы и каталожные позиции, дополняющие настоящую публикацию.
Только при условии, что новый двухрядный типоразмер имеет нагрузочную способность не ниже прежнего трёхрядного. Двухрядное и трёхрядное исполнения принципиально различаются по способу распределения нагрузки: в двухрядном осевая и моментная нагрузки делятся между двумя рядами, в трёхрядном — три ряда работают независимо. В тяжёлых применениях (экскаваторы свыше 1,5 м³, разливочные стенды, тоннелепроходческие машины) производители прямо рекомендуют только трёхрядное исполнение из-за резервирования по направлениям нагрузки и более высокого коэффициента статической безопасности.
Шариковое 4-точечное ОПУ работает по принципу точечного контакта шарика с дорожкой — малая площадь контакта, ограничение по контактным напряжениям, чувствительность к ударным нагрузкам. Перекрёстно-роликовое — по принципу линейного контакта цилиндрического ролика с дорожкой — большая площадь контакта, выше нагрузочная способность по радиальной составляющей, выше жёсткость. При одинаковом диаметре дорожки роликовое ОПУ обычно выдерживает заметно большую радиальную нагрузку и обеспечивает меньшую упругую деформацию под нагрузкой. Шариковое предпочтительно по простоте конструкции и более широкому диапазону рабочих скоростей.
Безусловные критерии для трёхрядного исполнения по практике Rothe Erde: гидравлические экскаваторы с ковшом свыше 1,5 м³, разливочные стенды сталеплавильного производства, тоннелепроходческие машины, главные подшипники крупных морских и портовых кранов с большим вылетом, поворотные узлы крупных карьерных экскаваторов, режущие головки бурового оборудования. Общий признак — высокие нагрузки во всех трёх направлениях одновременно (осевая, радиальная, опрокидывающий момент) при длительных циклах и часто ударном характере нагружения. Применение однорядного или двухрядного исполнения в этих задачах ведёт к ресурсу в разы ниже расчётного.
Нагрузочная кривая (load chart, статическая диаграмма) — это график в координатах «осевая нагрузка — опрокидывающий момент», на котором показаны границы допустимой работы каждого типоразмера ОПУ. По горизонтали — опрокидывающий момент в кН·м, по вертикали — осевая нагрузка в кН. Каждый типоразмер представлен своей кривой, отделяющей допустимую область (под кривой) от недопустимой (над кривой). Для выбора типоразмера расчётные значения Fa и Mk с применением статического коэффициента безопасности наносятся на диаграмму; точка должна лежать в допустимой области. Если выходит за пределы — рассматривается следующий типоразмер или другой тип ОПУ.
Однорядное шариковое 4-точечное ОПУ эффективно работает при радиальной нагрузке до 30–40 % от полной эквивалентной нагрузки. При большей радиальной составляющей четырёхточечная геометрия теряет эффективность: контактные точки на шарике смещаются и фактически переходят в двухточечный режим, что снижает несущую способность. В таких случаях рассматриваются: перекрёстно-роликовое ОПУ (линейный контакт, большая радиальная способность), двухрядные конструкции, либо специализированные исполнения с раздельными радиальными дорожками.
Да, но с дополнительными требованиями. При вертикальной оси вращения (типовое применение) осевая нагрузка совпадает с весом платформы. При горизонтальной оси — например, для поворотных частей башенных стрел или поворотных секций оборудования — вес платформы становится радиальной нагрузкой, и доля радиальной составляющей в общем балансе резко возрастает. Это часто требует перехода с однорядного шарикового на роликовое или двухрядное исполнение даже при тех же абсолютных значениях нагрузок. Также меняется схема смазывания: при горизонтальной оси требуются специальные уплотнения и более частые интервалы смазки, поскольку гравитация работает против равномерного распределения смазочного материала по дорожкам.
Rothe Erde применяет внутреннюю систему обозначения серий. KD — стандартная серия (Kataloggruppe). Цифра обозначает класс серии по нагрузочной способности и типоразмерному ряду: KD 210 — облегчённая шариковая серия для типовых применений; KD 320 — усиленная для гидравлических экскаваторов и аналогичной техники; KD 600 — тяжёлая серия. Дополнительные обозначения в номере чертежа кодируют тип подшипника (шариковый, роликовый, профильный), число рядов (однорядный, двухрядный, трёхрядный), тип зубчатого зацепления (внутреннее, наружное, без зубьев) и диаметр дорожки качения. Например, 6 — однорядный, 2 — двухрядное комбинированное, 9 — трёхрядный. Точное декодирование обозначения приведено в каталоге производителя.
При отсутствии прямой рекомендации для конкретного применения используется ближайший аналог по характеру работы из таблицы производителя. Базовое правило: 1,00 — для применений без ударных нагрузок и длительных простоев под нагрузкой (мостовые краны, отвалообразователи); 1,10–1,25 — для применений с регулярными ударными нагрузками и средней долей опрокидывающего момента (экскаваторы малых классов, палубные краны); 1,45 — для тяжёлых ударных применений с длительными циклами (тяжёлые экскаваторы, разливочные стенды). При сомнении выбирается большее значение коэффициента; занижение fstat сокращает ресурс и повышает риск аварийного разрушения дорожек.
Да, число рядов и тип тел качения существенно влияют на момент сопротивления вращению (пусковой и в установившемся режиме). Однорядное шариковое ОПУ имеет минимальный момент сопротивления, так как точечный контакт даёт малую площадь трения. Перекрёстно-роликовое — больший момент за счёт линейного контакта и упругой деформации в зоне контакта. Многорядные роликовые конструкции имеют ещё больший момент сопротивления: три ряда роликов с линейными контактами требуют больших усилий для вращения. Этот фактор учитывается при выборе мощности приводного редуктора. У производителей моменты сопротивления указаны в каталогах для каждого типоразмера в зависимости от рабочей нагрузки и температуры.
Это конструктивная схема, применяемая в особо тяжёлых случаях: вместо одного крупного многорядного ОПУ ставят два или несколько меньших, разделяющих функции восприятия нагрузок. Например, одно ОПУ воспринимает осевую нагрузку, второе — радиальную и моментную; либо два ОПУ работают параллельно на одной оси для увеличения суммарной нагрузочной способности. Такая компоновка применяется в карьерных и портовых кранах исключительной грузоподъёмности, плавучих стрелах, специализированном технологическом оборудовании. Расчёт распределения нагрузок между несколькими ОПУ требует анализа жёсткости поддерживающей конструкции и согласования с производителем.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.