Содержание статьи
- 1. Введение: подшипниковые узлы экструдера
- 2. Конструкция подшипникового узла шнекового пресса
- 3. Упорные подшипники шнека экструдера
- 4. Радиальные подшипники вала экструдера
- 5. Осевые нагрузки при формовании керамических изделий
- 6. Расчет и подбор подшипников по усилию формования
- 7. Смазка подшипников экструдера
- 8. Техническое обслуживание и типичные неисправности
- 9. Вопросы и ответы
Введение: подшипниковые узлы экструдера
Ленточные шнековые прессы (экструдеры) являются основным формующим оборудованием на керамических заводах, производящих кирпич, керамические камни, черепицу и другие строительные изделия методом пластического формования. Подшипниковые узлы экструдера относятся к критически важным элементам конструкции, обеспечивающим надежную работу шнекового вала под действием значительных осевых и радиальных нагрузок.
При пластическом формовании керамических изделий глиняная масса влажностью 18-22% продавливается через мундштук пресса под действием вращающегося шнека. Этот процесс создает существенное сопротивление движению массы, которое воспринимается подшипниками вала в виде осевого усилия. Величина осевой нагрузки может достигать нескольких сотен килоньютонов, что требует применения специализированных упорных и радиально-упорных подшипников.
Корректный подбор подшипников с учетом фактических нагрузок, скоростей вращения и условий эксплуатации определяет ресурс работы экструдера и качество выпускаемой продукции. В данной статье рассмотрены конструктивные особенности подшипниковых узлов, методы расчета нагрузок и критерии подбора подшипников для экструдеров керамических заводов.
Конструкция подшипникового узла шнекового пресса
Опорный узел шнека ленточного пресса представляет собой комплексную конструкцию, включающую несколько типов подшипников, выполняющих различные функции. Типовая схема подшипникового узла экструдера включает радиальные подшипники для восприятия поперечных нагрузок от веса вала и шнека, а также упорные или радиально-упорные подшипники для восприятия осевого усилия формования. Согласно ГОСТ 6113-84 шнековые прессы для керамических изделий подразделяются на безвакуумные (тип I) с боковым давлением до 1,6 МПа и вакуумные (тип II) с давлением до 2,5 МПа.
Основные элементы подшипникового узла
Подшипниковый узел шнекового пресса состоит из следующих конструктивных элементов: опорного корпуса с посадочными гнездами, радиальных подшипников передней и задней опоры вала, упорного подшипника, воспринимающего осевую нагрузку, системы уплотнений для защиты подшипников от попадания абразивных частиц глины, системы смазки для обеспечения надлежащего смазывания.
| Элемент узла | Функция | Типичный тип подшипника |
|---|---|---|
| Передняя опора | Восприятие радиальной нагрузки со стороны шнека | Сферический роликовый двухрядный |
| Задняя опора | Восприятие радиальной нагрузки, фиксация вала | Цилиндрический роликовый или сферический роликовый |
| Упорный узел | Восприятие осевой нагрузки от формования | Сферический упорный роликовый или радиально-упорный конический |
Схемы расположения подшипников
В конструкциях экструдеров применяются различные схемы расположения подшипников. Наиболее распространена схема с фиксирующей и плавающей опорами. Фиксирующая опора, расположенная со стороны привода, воспринимает как радиальные, так и осевые нагрузки. Плавающая опора допускает осевое перемещение вала при температурных деформациях и воспринимает только радиальную нагрузку.
В тяжелонагруженных экструдерах с высоким усилием формования применяется схема с отдельным упорным подшипником. При этом радиальные подшипники обеих опор воспринимают только поперечные нагрузки, а специализированный упорный подшипник устанавливается для восприятия осевой силы.
Упорные подшипники шнека экструдера
Упорные подшипники в экструдерах керамических заводов работают в условиях значительных осевых нагрузок при относительно невысоких скоростях вращения. Согласно ГОСТ 6113-84 частота вращения шнекового вала находится в диапазоне, указанном для каждого типоразмера пресса (обычно 15-35 об/мин), что соответствует тихоходному режиму работы подшипников. Основные требования к упорным подшипникам: высокая статическая и динамическая грузоподъемность, способность работать под постоянной нагрузкой, устойчивость к абразивному загрязнению.
Типы упорных подшипников для экструдеров
Упорные роликовые подшипники с цилиндрическими роликами
Подшипники данного типа по ГОСТ 23526-79 применяются для восприятия высоких осевых нагрузок в тихоходных механизмах. Они состоят из двух колец с дорожками качения и комплекта цилиндрических роликов в сепараторе. Грузоподъемность определяется большой площадью контакта роликов с дорожками качения. Подшипники не воспринимают радиальных нагрузок и чувствительны к перекосам колец.
Сферические упорные роликовые подшипники
Сферические упорные подшипники по ГОСТ 9942-90 (соответствует ISO 104) сочетают высокую осевую грузоподъемность со способностью к самоустановке. Асимметричные бочкообразные ролики и сферическая дорожка качения позволяют компенсировать несоосность вала и корпуса до 2-3 градусов. Помимо основной осевой нагрузки, они способны воспринимать умеренные радиальные нагрузки (до 55% от осевой). Данный тип подшипников рекомендуется для экструдеров с длинными валами, подверженными прогибу.
Радиально-упорные конические роликовые подшипники
Конические роликовые подшипники по ГОСТ 333-79 применяются в схемах, где требуется одновременное восприятие радиальных и осевых нагрузок. При установке парами по О-образной или Х-образной схеме обеспечивается жесткая фиксация вала и распределение осевой нагрузки между двумя подшипниками. Угол контакта определяет соотношение воспринимаемых радиальных и осевых сил.
| Тип подшипника | Обозначение по ГОСТ | Осевая нагрузка | Радиальная нагрузка | Самоустановка |
|---|---|---|---|---|
| Упорный роликовый цилиндрический | 8000, 9000 (ГОСТ 23526-79) | Очень высокая | Не воспринимает | Нет |
| Сферический упорный роликовый | 9039000 (ГОСТ 9942-90) | Высокая | Умеренная (до 55%) | Да (до 3 градусов) |
| Конический роликовый | 7000, 27000, 67000 (ГОСТ 333-79) | Высокая | Высокая | Нет |
Радиальные подшипники вала экструдера
Радиальные подшипники в экструдере воспринимают поперечные нагрузки от веса шнекового вала и консольных сил, возникающих при неравномерном распределении глиняной массы в рабочей камере. Условия работы характеризуются низкими скоростями вращения, умеренными радиальными нагрузками и возможными ударными воздействиями при попадании в массу твердых включений.
Сферические роликовые подшипники
Сферические роликовые подшипники по ГОСТ 5721-75 являются наиболее распространенным типом радиальных подшипников в экструдерах. Конструкция с двумя рядами бочкообразных роликов и сферической дорожкой качения наружного кольца обеспечивает высокую радиальную грузоподъемность и способность к самоустановке. Для подшипников с симметричными роликами действует ГОСТ 24696-81.
Основные преимущества сферических роликовых подшипников: высокая радиальная грузоподъемность, способность воспринимать осевую нагрузку до 25% от неиспользованной радиальной, компенсация несоосности и прогиба вала до 2-3 градусов, устойчивость к ударным нагрузкам и вибрации.
Цилиндрические роликовые подшипники
Цилиндрические роликовые подшипники по ГОСТ 8328-2022 (ранее ГОСТ 8328-75) применяются в плавающих опорах экструдеров. Подшипники типа NU (без бортов на наружном кольце) или N (без бортов на внутреннем кольце) допускают осевое перемещение вала при температурных деформациях. Высокая радиальная грузоподъемность обеспечивается линейным контактом роликов с дорожками качения.
| Характеристика | Сферический роликовый | Цилиндрический роликовый |
|---|---|---|
| Радиальная грузоподъемность | Очень высокая | Очень высокая |
| Осевая грузоподъемность | До 25% от радиальной | Не воспринимает (тип NU, N) |
| Компенсация несоосности | До 2-3 градусов | Не допускает |
| Осевое перемещение вала | Ограничено | Свободное (тип NU, N) |
| Устойчивость к ударам | Высокая | Умеренная |
Осевые нагрузки при формовании керамических изделий
Осевая нагрузка на подшипники экструдера формируется под действием сопротивления глиняной массы продвижению через головку пресса и мундштук. Величина осевого усилия зависит от ряда технологических параметров: производительности пресса, реологических свойств формуемой массы, геометрии шнека и мундштука, степени вакуумирования. Согласно ГОСТ 6113-84 боковое давление в прессовой головке составляет до 1,6 МПа для безвакуумных прессов и до 2,5 МПа для вакуумных.
Механизм формирования осевой нагрузки
При вращении шнека глиняная масса перемещается от загрузочной зоны к формующей головке. По мере продвижения масса уплотняется, давление возрастает от атмосферного до максимального значения на выходе из последнего витка шнека. Профиль давления вдоль рабочей камеры имеет экспоненциальный характер в зоне уплотнения и постоянное значение в зоне проталкивания.
Осевое усилие на вал шнека складывается из двух составляющих: силы давления массы на торцевую поверхность шнека и осевой составляющей сил трения массы о винтовую поверхность витков. Результирующая осевая сила направлена от формующей головки к приводу и воспринимается упорным подшипником.
Факторы, влияющие на величину осевой нагрузки
| Фактор | Влияние на осевую нагрузку | Примечание |
|---|---|---|
| Давление формования | Прямая зависимость | До 1,6 МПа (тип I) или до 2,5 МПа (тип II) по ГОСТ 6113-84 |
| Диаметр шнека | Квадратичная зависимость | F ~ D2 |
| Влажность массы | Обратная зависимость | Оптимум 18-22% для пластического формования |
| Пластичность глины | Обратная зависимость | Тощие глины требуют большего давления |
| Площадь мундштука | Обратная зависимость | Меньшее сечение - выше давление |
| Степень вакуумирования | Прямая зависимость | Остаточное давление 8-13 кПа (вакуум 87-92 кПа) |
Пример: типичные значения осевых нагрузок
Для вакуумного экструдера с диаметром шнека 450 мм и давлением формования 2,0 МПа осевая нагрузка может составлять 250-350 кН. Для безвакуумного пресса с меньшим диаметром шнека 300 мм и давлением 1,5 МПа осевая нагрузка составляет 80-120 кН.
Расчет и подбор подшипников по усилию формования
Расчет подшипникового узла экструдера включает определение действующих нагрузок, выбор типа и размера подшипников, проверку долговечности. Методика расчета основывается на стандартных формулах теории подшипников качения по ГОСТ 18854-2013 (статическая грузоподъемность) и ГОСТ 18855-2013 (динамическая грузоподъемность и ресурс) с учетом специфики работы экструзионного оборудования.
Определение осевой нагрузки
Осевая сила на шнеке определяется по формуле, учитывающей давление формования и геометрию рабочих органов:
Fa = p * A * Kf
где:
Fa - осевая сила, Н
p - давление формования, Па
A - эффективная площадь, на которую действует давление, м2
Kf - коэффициент, учитывающий трение и геометрию шнека (1,2-1,5)
Эффективная площадь определяется как разность площадей наружного и внутреннего диаметров шнека:
A = (pi/4) * (D2 - d2)
где:
D - наружный диаметр шнека, м
d - диаметр вала (ступицы) шнека, м
Пример расчета осевой нагрузки
Исходные данные:
Наружный диаметр шнека D = 450 мм = 0,45 м
Диаметр вала d = 200 мм = 0,20 м
Давление формования p = 2,0 МПа = 2 000 000 Па
Коэффициент Kf = 1,3
Расчет:
A = (3,14/4) * (0,452 - 0,202) = 0,785 * (0,2025 - 0,04) = 0,128 м2
Fa = 2 000 000 * 0,128 * 1,3 = 332 800 Н = 332,8 кН
Результат:
Расчетная осевая нагрузка на подшипники составляет примерно 333 кН.
Выбор подшипника по грузоподъемности
Подбор подшипника осуществляется по условию обеспечения требуемой долговечности. Для упорных подшипников основным критерием является базовая динамическая грузоподъемность Ca (для осевой нагрузки) или статическая грузоподъемность C0a. В таблице приведены характеристики сферических упорных роликовых подшипников серии 294 по данным ведущих производителей (ISO):
Требуемая динамическая грузоподъемность:
Creq = Fa * (Lh * n * 60 / 106)1/p
где:
Lh - требуемая долговечность, часов
n - частота вращения, об/мин
p - показатель степени (10/3 для роликовых подшипников)
| Обозначение ISO / ГОСТ | d, мм | D, мм | H, мм | Ca, кН | C0a, кН |
|---|---|---|---|---|---|
| 29428 / 9039428 | 140 | 280 | 85 | 1410 | 4350 |
| 29430 / 9039430 | 150 | 300 | 90 | 1860 | 5100 |
| 29432 / 9039432 | 160 | 320 | 95 | 2040 | 5700 |
| 29436 / 9039436 | 180 | 360 | 109 | 2550 | 7350 |
| 29440 / 9039440 | 200 | 400 | 122 | 3250 | 9650 |
Смазка подшипников экструдера
Правильный выбор и применение смазочных материалов является определяющим фактором долговечности подшипников экструдера. Условия работы характеризуются низкими скоростями вращения, высокими нагрузками, умеренными температурами и риском загрязнения абразивными частицами глины.
Требования к смазочным материалам
Смазка для подшипников экструдеров керамических заводов должна обладать следующими свойствами: высокими противоизносными и противозадирными характеристиками (EP-свойства), хорошей механической стабильностью при длительном воздействии нагрузок, водостойкостью для защиты от конденсата, способностью работать в диапазоне температур от -30 до +120 градусов, совместимостью с материалами уплотнений.
Типы применяемых смазок
| Тип смазки | Загуститель | Диапазон температур, C | Область применения |
|---|---|---|---|
| Литол-24 (ГОСТ 21150-2017) | Литиевое мыло | -40...+120 | Радиальные подшипники, стандартные условия |
| Литиевая комплексная EP | Литиевый комплекс | -30...+150 | Упорные подшипники, повышенные нагрузки |
| Кальциевая сульфонатная | Сульфонат кальция | -30...+180 | Тяжелонагруженные узлы, влажная среда |
| Полимочевинная | Полимочевина | -40...+180 | Долгий срок службы, минимальное обслуживание |
Периодичность смазывания
Интервал повторного смазывания подшипников экструдера определяется условиями эксплуатации и типом смазки. Для тихоходных тяжелонагруженных подшипников рекомендуется регулярное пополнение смазки через централизованную систему или ручные масленки.
Ориентировочные интервалы смазывания: для упорных подшипников - каждые 150-250 часов работы, для радиальных подшипников - каждые 300-500 часов работы. При работе в условиях повышенной запыленности интервалы следует сократить вдвое.
Техническое обслуживание и типичные неисправности
Регулярное техническое обслуживание подшипниковых узлов экструдера обеспечивает их надежную работу и предотвращает аварийные остановки производства. Программа обслуживания включает контроль состояния, смазывание, замену изношенных элементов.
Контролируемые параметры
При эксплуатации подшипников экструдера следует контролировать следующие параметры: температуру подшипниковых узлов (норма не более 70-80 градусов выше температуры окружающей среды), уровень вибрации, состояние уплотнений, расход смазки, наличие посторонних шумов.
Типичные неисправности и их причины
| Неисправность | Возможные причины | Меры устранения |
|---|---|---|
| Повышенная температура | Недостаток или избыток смазки, перегрузка, износ | Проверить смазку, нагрузку, состояние подшипника |
| Повышенный шум | Износ тел качения, повреждение сепаратора, загрязнение | Заменить подшипник или промыть при загрязнении |
| Осевой люфт вала | Износ упорного подшипника, ослабление крепления | Заменить подшипник, подтянуть крепеж |
| Вибрация | Дисбаланс, износ подшипников, ослабление посадки | Проверить балансировку, заменить изношенные детали |
| Утечка смазки | Износ уплотнений, избыток смазки | Заменить уплотнения, скорректировать количество смазки |
Срок службы подшипников
Расчетный срок службы подшипников экструдера при правильном подборе и эксплуатации составляет 20 000-40 000 часов. Фактический ресурс зависит от условий работы, качества смазки и обслуживания. Признаками необходимости замены являются: увеличение радиального или осевого зазора выше допустимых значений, появление питтинга на дорожках качения, повреждение сепаратора, невозможность устранить повышенный нагрев или шум.
Часто задаваемые вопросы
Для экструдеров с высокой осевой нагрузкой рекомендуются сферические упорные роликовые подшипники серии 29000 по ГОСТ 9942-90. Они сочетают высокую осевую грузоподъемность со способностью к самоустановке, что компенсирует возможную несоосность и прогиб вала. При умеренных нагрузках и жестких требованиях к точности положения вала применяют конические роликовые подшипники в парной установке.
Интервал смазывания зависит от типа подшипника, нагрузки и условий работы. Для упорных подшипников экструдера рекомендуется пополнение смазки каждые 150-250 часов работы, для радиальных - каждые 300-500 часов. При работе в условиях повышенной запыленности интервалы следует сократить вдвое. Рекомендуется использовать централизованную систему смазки для обеспечения регулярной подачи смазочного материала.
Рабочая температура подшипников не должна превышать 70-80 градусов выше температуры окружающей среды. При использовании стандартных литиевых смазок типа Литол-24 (ГОСТ 21150-2017) максимальная температура не должна превышать 100-110 градусов. Превышение допустимой температуры свидетельствует о проблемах: перегрузке, недостатке или избытке смазки, износе подшипника.
Осевой люфт вала возникает из-за износа упорного подшипника, ослабления крепежных элементов или неправильной регулировки предварительного натяга. Для устранения необходимо проверить состояние упорного подшипника и при обнаружении износа заменить его. Также следует проверить затяжку гаек крепления и при необходимости отрегулировать осевой зазор в соответствии с рекомендациями производителя оборудования.
В вакуумных экструдерах применяются те же типы подшипников, что и в безвакуумных: сферические роликовые для радиальных опор и сферические упорные или конические роликовые для восприятия осевой нагрузки. Однако вакуумирование увеличивает плотность и вязкость формуемой массы, что приводит к росту давления формования (до 2,5 МПа по ГОСТ 6113-84) и осевой нагрузки. Поэтому для вакуумных прессов подбирают подшипники с более высокой грузоподъемностью.
Признаки необходимости замены подшипника: повышенный шум при работе (гул, скрежет, стук), увеличенная вибрация, повышенная температура узла, которая не снижается после смазывания, видимый износ или повреждения при визуальном осмотре, увеличенный осевой или радиальный зазор. При появлении любого из этих признаков необходимо провести диагностику и при подтверждении износа заменить подшипник.
Использование подшипников разных производителей в одном узле допустимо при условии соответствия их размеров стандартам ISO и характеристик требованиям конструкторской документации. Однако для парных установок (например, конических роликовых подшипников) рекомендуется использовать подшипники одного производителя и одной партии для обеспечения одинаковых характеристик и правильного распределения нагрузки.
Для тяжелонагруженных подшипников экструдеров рекомендуется применять подшипники с увеличенным радиальным зазором (группа C3 или C4 по ГОСТ 24810-2013). Это компенсирует уменьшение зазора при посадке с натягом на вал и тепловое расширение при работе. Конкретная группа зазора выбирается в зависимости от величины натяга, температурного режима и нагрузки.
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Представленная информация основана на общепринятых инженерных методах и справочных данных производителей подшипников. Автор не несет ответственности за любые последствия применения изложенных сведений без надлежащей инженерной проверки и адаптации к конкретным условиям эксплуатации.
Перед выбором и установкой подшипников необходимо провести детальный расчет с учетом фактических нагрузок, скоростей и условий работы конкретного оборудования. Рекомендуется консультация с производителями подшипников и оборудования для получения актуальных технических рекомендаций.
Источники
- ГОСТ 6113-84 Прессы шнековые горизонтальные для керамических изделий. Технические условия.
- ГОСТ 5721-75 Подшипники роликовые радиальные сферические двухрядные. Типы и основные размеры.
- ГОСТ 9942-90 Подшипники упорно-радиальные роликовые сферические одинарные. Технические условия.
- ГОСТ 333-79 Подшипники роликовые конические однорядные. Основные размеры.
- ГОСТ 23526-79 Подшипники роликовые упорные с цилиндрическими роликами одинарные. Типы и основные размеры.
- ГОСТ 8328-2022 Подшипники роликовые радиальные с короткими цилиндрическими роликами. Типы и основные размеры.
- ГОСТ 24696-81 Подшипники роликовые радиальные сферические двухрядные с симметричными роликами. Основные размеры.
- ГОСТ 18854-2013 Подшипники качения. Статическая грузоподъемность.
- ГОСТ 18855-2013 Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс.
- ГОСТ 24810-2013 Подшипники качения. Внутренние зазоры.
- ГОСТ 21150-2017 Смазки Литол-24. Технические условия.
- ISO 104:2015 Rolling bearings - Thrust bearings - Boundary dimensions, general plan.
- SKF Group. Rolling bearings catalogue. Technical information.
