Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Опрокидывающий момент (tilting moment, Mk) — главный параметр подбора опорно-поворотного устройства (ОПУ). Именно от его величины зависит выбор типа ОПУ (однорядный шариковый, двухрядный шариковый, трёхрядный роликовый), типоразмера, исполнения венца и схемы крепёжных болтов. В отличие от обычных подшипников качения, которые рассчитываются преимущественно на осевую и радиальную нагрузки, ОПУ воспринимают сочетание осевой, радиальной нагрузки и опрокидывающего момента одновременно — это особенность их рабочей геометрии. Корректный расчёт опрокидывающего момента с учётом несбалансированных нагрузок, ветровых и ударных факторов, противовесов, наклонных положений и циклической работы — обязательное условие безопасной эксплуатации в крановой, экскаваторной, ветроэнергетической, портовой и общепромышленной технике. Подход к расчёту регламентируется международными стандартами ISO 76:2006, ISO 281:2007, ISO 17956:2025, российскими ГОСТ 18854-2013, 18855-2013, серией ГОСТ 34018, отраслевыми нормами EN 13001 и FEM 1.001 для кранов, а также рекомендациями каталогов ведущих производителей ОПУ.
Опорно-поворотное устройство — крупногабаритный поворотный подшипник, передающий нагрузки от поворотной части машины на неповоротную (опорную) и одновременно обеспечивающий вращение поворотной части. Конструктивно ОПУ представляет собой два массивных стальных кольца (внутреннее и наружное) с дорожками качения и набором тел качения (шариков или роликов) между ними. Кольца имеют большие диаметры (от сотен миллиметров до нескольких метров) и крепятся к ответным конструкциям машины массивными высокопрочными болтами по периметру. Кольцо ОПУ может выполняться с зубчатым венцом (внутреннее или наружное зацепление) либо без зацепления.
Принципиальная особенность ОПУ — способность воспринимать опрокидывающий момент Mk одновременно с осевой нагрузкой Fa и радиальной нагрузкой Fr. Это достигается за счёт специальной геометрии дорожек качения и контакта тел качения (например, четыре точки контакта шарика с дорожками в single row four-point contact ball slewing bearing). Стандартные радиально-упорные подшипники не предназначены для самостоятельного восприятия опрокидывающего момента и для этого требуют разнесённой опорной схемы. ОПУ выполняет работу такой опорной схемы в едином узле, что радикально упрощает компоновку поворотной части машины.
Типичная рабочая скорость ОПУ — единицы оборотов в минуту, не более 10 об/мин в большинстве классических применений (строительная, подъёмно-транспортная, горнодобывающая техника). Это качание (swivelling) или медленное поворачивание (slow rotation), а не непрерывное быстрое вращение. По этой причине номинальный ресурс L10 по ISO 281 для ОПУ применяется не как абсолютное значение, а как сравнительный параметр при проектировании; в реальности большинство правильно подобранных ОПУ многократно превышают расчётный ресурс по этой методике, что прямо отмечено в технической документации Thyssenkrupp Rothe Erde.
Тип ОПУ определяется конструкцией рядов тел качения. От типа зависит соотношение между допустимыми осевой нагрузкой, радиальной нагрузкой и опрокидывающим моментом, а также жёсткость и точность поворота.
Для каждого типа производитель публикует диаграмму статической грузоподъёмности — кривую в координатах (Fa, Mk) для типового значения Fr. Точка фактической рабочей нагрузки должна находиться ниже этой кривой с заданным запасом по статическому коэффициенту безопасности fs.
На ОПУ действуют три основные внешние нагрузки. Технические каталоги Thyssenkrupp Rothe Erde, IMO, Kaydon, SKF, Schaeffler/INA, отечественных производителей используют единую систему обозначений.
Дополнительные параметры, используемые при расчёте:
Опрокидывающий момент Mk часто путают с осевой нагрузкой Fa, и подбор только по осевой нагрузке без учёта момента — типичная инженерная ошибка. Различия:
В двухрядной шариковой и трёхрядной роликовой конструкции опрокидывающий момент воспринимается за счёт пары: один ряд работает на сжатие, другой — на растяжение (отрыв). При этом эпюра контактного давления в наиболее нагруженной точке ряда может в разы превышать среднее значение от чистой осевой нагрузки. Поэтому даже при умеренной Fa крупный опрокидывающий момент способен полностью «выбрать» статическую грузоподъёмность ОПУ.
В реальных машинах опрокидывающий момент формируется как сумма нескольких составляющих, каждая из которых должна учитываться в расчёте.
Основной источник момента в подъёмно-транспортной технике. Для крана: Mгруз = Gгруз · R, где Gгруз — вес поднимаемого груза, R — горизонтальное расстояние (рабочий радиус) от центра вращения ОПУ до точки подвеса груза. Для экскаватора аналогично: масса грунта в ковше, помноженная на горизонтальное расстояние от центра ОПУ до режущей кромки.
Каждый элемент поворотной конструкции даёт собственный момент: Mi = Gi · Li, где Li — горизонтальное расстояние от центра ОПУ до центра тяжести элемента. Для длинных и тяжёлых стрел этот момент сопоставим с моментом от груза. Эти составляющие должны учитываться независимо от того, поднят ли груз: «холостой» момент собственной стрелы существует постоянно.
Противовес устанавливается на противоположной стороне от стрелы и создаёт момент, противоположный моменту от груза и стрелы: Mпротивовес = Gпротивовес · Lпротивовес. На крановых машинах правильный подбор противовеса позволяет существенно снизить расчётный опрокидывающий момент при максимальной нагрузке. Однако в режиме «холостого хода» (без груза при минимальном радиусе) противовес создаёт обратный момент, который тоже должен учитываться — этот момент имеет противоположный знак и может определять подбор ОПУ при некоторых конфигурациях. По рекомендациям отраслевых документов по устойчивости кранов, нагрузки на ОПУ могут быть максимальны не при наибольшем грузе, а при пустой стреле с полным противовесом на минимальном радиусе.
На больших площадях стрелы, кабины, груза действует горизонтальная сила от ветра. Эта сила приложена выше уровня ОПУ и создаёт дополнительный момент. Расчёт ведут для рабочего ветрового давления и нерабочего (штормового). По ГОСТ 33169-2022, ГОСТ 22827-2020 для кранов установлены критерии ветровых нагрузок рабочего и нерабочего состояния.
Возникают при разгоне и торможении поворота, при подъёме груза с рывком, при движении машины по неровностям, при ударе ковшом по препятствию. Учитываются через динамические коэффициенты или коэффициенты применения fA, fstat (см. ниже).
Если машина работает на наклонной площадке, составляющие веса поворотной части и груза разлагаются на нормальную (вдоль оси ОПУ) и боковую (горизонтальную) составляющие. Боковая составляющая увеличивает опрокидывающий момент и должна учитываться при расчёте предельного угла наклона эксплуатации.
В реальной эксплуатации редко достигается полная статическая балансировка нагрузок. Несбалансированными называют нагрузки, возникающие из-за асимметрии конструкции, неодновременной работы рабочих органов, локальных приложений силы.
Все составляющие нагрузок и моментов суммируются векторно. В упрощённом расчёте каталожного выбора ОПУ обычно работают с результирующим (наибольшим) опрокидывающим моментом Mk в наихудшей конфигурации, осевой нагрузкой Fa и радиальной нагрузкой Fr.
Подбор ОПУ выполняется в два этапа: статический расчёт (по статической грузоподъёмности) и динамический расчёт (по ресурсу). Для статического расчёта производитель публикует диаграмму статической грузоподъёмности в координатах (Fa, Mk) при заданных значениях Fr.
Если фактическая радиальная нагрузка не равна нулю, то непосредственно сравнивать (Fa, Mk) с кривой нельзя — сначала переводят (Fa, Fr, Mk) в эквивалентные значения (Fa', Mk'), которые уже сравнивают с кривой. По методике Thyssenkrupp Rothe Erde для серий KD 210 и KD 600 предусмотрены две формы пересчёта:
fstat — коэффициент применения, зависящий от характера эксплуатации. Аналогичные формулы пересчёта с собственными коэффициентами публикуют другие производители ОПУ — IMO, Kaydon, SKF, Schaeffler/INA, отечественные производители.
На диаграмме ОПУ изображаются как минимум три кривые:
ОПУ считается подходящим, если точка (Fa', Mk') расположена ниже всех трёх кривых одновременно. Превышение любой из кривых — основание для перехода к более тяжёлому типоразмеру, изменения класса болтов или иной серии ОПУ.
Коэффициент fs (статический коэффициент безопасности, иногда обозначается fstat, S0) — отношение базовой статической грузоподъёмности C0 к эквивалентной статической нагрузке P0. Применяется в виде:
В современной редакции стандарта ISO 17956:2025 «Rolling bearings — Method for calculating the effective static safety factor for universally loaded rolling bearings» введён расширенный расчёт эффективного статического коэффициента S0eff с учётом перекоса, рабочего зазора и распределения нагрузки внутри подшипника. Этот стандарт дополняет ISO 76:2006+Amd.1:2017, расширяя его применение для подшипников, нагруженных одновременно радиальной, осевой нагрузкой и моментом — в том числе для ОПУ.
Типовые минимальные значения fs для различных применений (по данным каталогов производителей ОПУ):
ОПУ крепится к опорным конструкциям машины массивными высокопрочными болтами по периметру. Под действием опрокидывающего момента болты с одной стороны кольца дополнительно растягиваются (момент стремится приподнять кольцо), с противоположной — нагружаются на сжатие через предварительный натяг. Расчёт болтов — отдельная критическая часть подбора ОПУ.
Кривая болтов на диаграмме ОПУ соответствует пределу несущей способности крепёжного соединения при выбранном классе прочности болтов. По методике Rothe Erde расчёт нагрузок для проверки болтов ведётся без статического коэффициента fstat — то есть берётся максимальная фактическая нагрузка, и она проверяется по кривой болтов. Это связано с тем, что для болтов разрушение носит более внезапный характер, и закладывать дополнительный коэффициент над уже существующим запасом прочности болта (по ГОСТ 1759.4-87 / ГОСТ Р ИСО 898-1-2011 / ISO 898-1:2013) нецелесообразно.
В Российской Федерации требования к крепёжным устройствам грузоподъёмных кранов с 1 января 2025 года регламентируются обновлёнными ГОСТ 34018.1-2024 «Краны грузоподъёмные. Крепёжные устройства для рабочего и нерабочего состояний. Часть 1. Основные принципы» и ГОСТ 34018.5-2024 «Краны грузоподъёмные. Крепёжные устройства для рабочего и нерабочего состояний. Часть 5. Краны мостовые и козловые». Для стреловых кранов действует ГОСТ 34018.4-2016 (Часть 4. Краны стреловые).
Типовая практика проверки болтов:
Помимо статической проверки, для ОПУ с интенсивной циклической работой выполняется расчёт ресурса по динамической грузоподъёмности. Методика регламентируется ISO 281:2007 и ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007). Принципиальная формула расчёта ресурса:
Для ОПУ с переменным спектром нагрузок и переменной скоростью применяется расчёт со средневзвешенной эквивалентной нагрузкой по нескольким режимам ED1, ED2, …, EDi (доли рабочего времени) и mean loads Fam, Mkm. По данным Rothe Erde расчёт ресурса при сложных спектрах нагрузок выполняется производителем на основании уточнённых исходных данных от заказчика. При оценке проектной долговечности дополнительно учитываются:
В отличие от подшипников высокоскоростных машин, для которых ресурс L10 рассчитывается строго, для ОПУ ресурс по ISO 281 используется как сравнительный параметр. Реальный отказ ОПУ происходит чаще всего не по усталостному выкрашиванию дорожек, а по постепенному возрастанию момента сопротивления вращению (износ, загрязнение смазки) или по отказу крепёжных болтов. Поэтому критерий «service life» производителя — это, как правило, момент достижения определённого уровня износа, при котором ОПУ перестаёт выполнять функцию.
Окончательный выбор ОПУ всегда согласовывается с производителем для критически важных применений (краны, экскаваторы, ветрогенераторы). Производитель обладает уточнёнными методиками расчёта, учитывающими специфику конкретной серии ОПУ.
Сводка действующих нормативных документов, применяемых при подборе ОПУ и расчёте опрокидывающего момента.
Раздел объединяет каталожные позиции и тематические статьи, дополняющие материал по расчёту и подбору ОПУ.
Потому что главная нагрузка на ОПУ — не сила тяжести груза, а опрокидывающий момент, который равен произведению силы на плечо. Один и тот же груз на расстоянии 5 метров от центра ОПУ и на расстоянии 15 метров создаёт разные опрокидывающие моменты: 5G и 15G соответственно. Подбор по массе без учёта плеча приводит к подбору ОПУ с заниженной несущей способностью. Кроме того, опрокидывающий момент создаётся не только грузом, но и собственным весом стрелы, кабины, противовеса, ветровой нагрузкой. Все эти составляющие учитываются векторно и суммируются.
Осевая нагрузка Fa направлена вдоль оси вращения ОПУ и распределяется по всем телам качения примерно равномерно (каждое тело принимает ≈ Fa/n). Опрокидывающий момент Mk создаёт неравномерное распределение: с одной стороны кольца тела качения дополнительно нагружаются, с противоположной — разгружаются и могут даже работать на отрыв. В критической точке кольца суммарная нагрузка может многократно превышать среднюю от Fa. Поэтому даже при умеренной осевой нагрузке существенный опрокидывающий момент способен полностью «выбрать» статическую грузоподъёмность ОПУ и привести к бринеллированию дорожек или разрыву крепёжных болтов.
Кривая статической грузоподъёмности — это график в координатах (Fa, Mk), на котором показана предельно допустимая комбинация осевой нагрузки и опрокидывающего момента для конкретной серии и типоразмера ОПУ. Кривая публикуется производителем в каталоге. Чтобы проверить выбор, рассчитывают эквивалентные нагрузки (Fa', Mk') с учётом радиальной составляющей и статического коэффициента fstat, и наносят полученную точку на диаграмму. Точка должна лежать НИЖЕ кривой статической грузоподъёмности дорожек качения, кривой болтов и кривой ресурса. Если точка выше любой из кривых — выбран неподходящий типоразмер либо неподходящий класс болтов; требуется переход на более тяжёлое исполнение.
Типовые значения по данным каталогов производителей ОПУ: краны общего назначения — 1,25; стреловые краны с переменным вылетом в нормальном режиме — 1,25…1,50; краны с ударными нагрузками или работающие на нестабильном грунте — 1,50…2,00; портальные краны — около 1,45; ветрогенераторы — 1,50; тяжёлые экскаваторы и карьерная техника — 1,50…2,00. Конкретное значение задаётся либо отраслевым нормативом (FEM 1.001, EN 13001, ГОСТ для соответствующего типа машины), либо производителем ОПУ. Использовать fs < 1,0 не допускается в любых обстоятельствах. При сомнениях принимают более высокое значение. С 2025 года расширенная методика расчёта эффективного статического коэффициента безопасности регламентирована ISO 17956:2025.
Нет, нельзя, особенно для трёхрядных роликовых ОПУ с отдельным радиальным рядом и для применений с ветровой нагрузкой, инерционными силами разгона-торможения поворота, эксцентричным приложением груза. В методике Rothe Erde и других производителей радиальная нагрузка учитывается через коэффициенты в формулах эквивалентных нагрузок: Fa' = (Fa + 5,046 · Fr) · fstat по комбинации I, либо Fa' = (1,225 · Fa + 2,676 · Fr) · fstat по комбинации II. Для трёхрядных роликовых ОПУ радиальная нагрузка не влияет на проверку нагрузочной кривой моментно-осевой пары, поскольку обслуживается отдельным радиальным рядом, но всё равно проверяется отдельно.
Ветровая нагрузка учитывается как горизонтальная сила, приложенная к поверхностям стрелы, кабины и груза. Её плечо относительно центра ОПУ создаёт дополнительный опрокидывающий момент. Расчёт ведут отдельно для рабочего ветра (нормальная эксплуатация) и нерабочего штормового ветра (когда кран не работает, но должен сохранить устойчивость). Нормативные значения ветровых давлений для рабочего и нерабочего состояний установлены в ГОСТ 33169-2022, ГОСТ 22827-2020, ГОСТ 13556-2016 для разных типов кранов. Ветровая нагрузка особенно критична для башенных и портальных кранов с большой парусностью.
Болты крепления проверяются по кривой болтов на диаграмме ОПУ — это отдельная кривая, ограничивающая допустимую комбинацию (Fa, Mk) по несущей способности крепёжного соединения. Расчёт ведётся без статического коэффициента fstat, то есть берётся максимальная фактическая нагрузка. Класс прочности болтов обычно 10.9 или 12.9 по ГОСТ 1759.4-87 / ГОСТ Р ИСО 898-1-2011 / ISO 898-1:2013. Момент затяжки выбирается по таблицам производителя ОПУ для конкретного диаметра и класса болта; контроль момента затяжки выполняется тарированным динамометрическим ключом или гидравлическим инструментом. С 1 января 2025 года в РФ требования к крепёжным устройствам грузоподъёмных кранов регламентируются ГОСТ 34018.1-2024 и ГОСТ 34018.5-2024.
Момент трения Mr (starting torque) — момент, необходимый для начала вращения ОПУ под рабочей нагрузкой. Он определяет требуемую мощность привода поворота и в существенной мере зависит от опрокидывающего момента. По методике Thyssenkrupp Rothe Erde: для шариковых ОПУ Mr = (µ/2) · (4,4 · Mk + Fa · DL + 2,2 · Fr · DL · 1,73) [кНм]; для роликовых: Mr = (µ/2) · (4,1 · Mk + Fa · DL + 2,05 · Fr · DL) [кНм]. Коэффициент трения µ зависит от типа ОПУ (для типа KD 210 Rothe Erde µ = 0,008 для типов 13, 21, µ = 0,006 для типа 110, µ = 0,004 для KD 320). Допускается флуктуация расчётного Mr в пределах ±25%. Знание Mr необходимо для выбора электродвигателя и редуктора привода поворота.
Типичная рабочая скорость ОПУ — единицы оборотов в минуту, обычно не более 10 об/мин. Это режим качания или медленного поворачивания, а не непрерывное быстрое вращение, как у шариковых и роликовых подшипников машин обычной частоты вращения. По этой причине номинальный ресурс L10 по ISO 281 для ОПУ применяется не как абсолютное значение, а как сравнительный параметр; реальный отказ обычно происходит по постепенному возрастанию момента сопротивления, износу дорожек, отказу крепёжных болтов, а не по классической усталостной деградации. Допустимая скорость работы для конкретного типоразмера указана в каталоге производителя.
Для общепромышленных стандартных применений и при условии, что точка нагрузки лежит существенно ниже всех кривых каталога (с большим запасом), допускается самостоятельный подбор по каталогу. Для критических применений — крановой и подъёмно-транспортной техники, экскаваторов, ветрогенераторов, машин с риском для людей при отказе — окончательный выбор всегда согласовывается с производителем ОПУ. Производитель обладает уточнёнными методиками, учитывающими специфику серии и применения, и может выполнить расчёт с переменным спектром нагрузок, ED-факторами и нестационарной нагрузкой. При оформлении гарантии производитель ОПУ обычно требует подтверждения корректности выбора согласованным расчётом.
Материал носит исключительно ознакомительный и образовательный характер. Изложенные сведения о методике расчёта опрокидывающего момента, эквивалентных нагрузках, статическом коэффициенте безопасности и проверке крепёжных болтов ОПУ основаны на действующих международных стандартах ISO, российских ГОСТах, отраслевых нормативах FEM, EN, а также технической документации ведущих производителей опорно-поворотных устройств.
Окончательный подбор ОПУ для конкретного применения, особенно в составе грузоподъёмных машин, экскаваторов, ветрогенераторов и иной техники, при отказе которой возможны угрозы для жизни и здоровья людей, имущественный или экологический ущерб, должен выполняться квалифицированными специалистами с использованием актуальной редакции каталога производителя и обязательным согласованием с инженерной службой производителя ОПУ. Расчёт спектров нагрузок, нестационарных режимов, болтового соединения с фактическими допусками и контролем затяжки выполняется по специализированным методикам, выходящим за рамки настоящей обзорной публикации.
Автор и издатель публикации не несут ответственности за прямые или косвенные убытки, ущерб, простой оборудования, травмы или иные последствия, возникшие вследствие использования материалов статьи без надлежащей профессиональной верификации. Указанные стандарты, документация производителей и иные справочные материалы являются собственностью соответствующих правообладателей и приведены исключительно как источники для самостоятельного изучения.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.