Подшипники поворотной колонны манипулятора-перегружателя

Подшипники поворотной колонны манипулятора-перегружателя

Поворотная колонна — центральный силовой узел гидравлических манипуляторов-перегружателей (material handlers), таких как Sennebogen серий 8xx/9xx, Fuchs серий MHL/RHL и Liebherr серий LH. Через колонну на ходовую раму передаются совокупные нагрузки от стрелы, рукояти, рабочего оборудования (грейфер, магнит, ротатор) и поднимаемого материала. Долговечность подшипниковых опор колонны и состояние зубчатого зацепления вала-шестерни поворотного редуктора непосредственно определяют точность позиционирования оборудования, скорость рабочего цикла и общий ресурс машины.

В статье рассмотрена конструкция узла, типы применяемых подшипников, механизмы появления люфта при работающей стреле, износ вала-шестерни поворотного редуктора и технологическая последовательность замены.

Конструкция поворотной колонны манипулятора-перегружателя

Поворотная колонна манипулятора-перегружателя представляет собой жёсткую сварную или литую конструкцию из конструкционной стали (как правило, S355J2+N либо аналог по EN 10025-2), которая опирается на ходовую раму через крупногабаритный поворотный подшипник — опорно-поворотное устройство (ОПУ). Сверху на колонне устанавливается верхняя надстройка (uppercarriage) с кабиной, противовесом, силовой установкой и стрелой.

Основные функциональные элементы узла:

• ОПУ (slewing ring) — крупногабаритный подшипник качения с зубчатым венцом, обеспечивающий восприятие осевых, радиальных нагрузок и опрокидывающего момента;
• Поворотный редуктор (slewing drive) — планетарный редуктор с встроенным гидромотором, передающий крутящий момент через вал-шестерню на зубчатый венец ОПУ;
• Вал-шестерня (pinion shaft) — выходное звено редуктора, изготавливаемое из легированных цементируемых сталей типа 20ХН3А, 18ХГТ или 18CrNiMo7-6 (DIN EN 10084) с цементацией и закалкой зубьев до 58–62 HRC;
• Опорные подшипники вала-шестерни — пара конических роликовых подшипников или цилиндрический + упорный, воспринимающих реакции зацепления;
• Уплотнения и лабиринты — манжетные уплотнения (NBR/FKM) и лабиринтные защиты от пыли и абразива.

В тяжёлых перегружателях класса 40–100 т эксплуатационной массы (Sennebogen 830/850/870, Fuchs MHL340/MHL360/MHL380, Liebherr LH40/LH50/LH60) ОПУ выполняется, как правило, в виде трёхрядного роликового подшипника с зубчатым венцом внутреннего или наружного зацепления по конструкции, соответствующей рекомендациям производителей крупногабаритных подшипников (Rothe Erde, IMO, Kaydon, Liebherr Components).

Воспринимаемые нагрузки

На опорный узел колонны действуют следующие основные нагрузки:

• осевая (вертикальная) — вес верхней надстройки, стрелы, рукояти, рабочего органа и груза;
• радиальная — горизонтальные составляющие от подъёма и копания, инерция при разгоне/торможении поворота;
• опрокидывающий момент — основная расчётная нагрузка, определяющая выбор ОПУ; формируется вылетом стрелы и массой груза;
• динамические нагрузки — удары при сбросе материала, циклические нагрузки от грейфера.

Расчёт ОПУ ведётся по статической грузоподъёмности с применением диаграмм допустимых нагрузок производителя (load capacity charts), что соответствует методике, изложенной в технических каталогах Rothe Erde и стандартам ISO 76.

Опорный и конический подшипник поворотного редуктора

Помимо самого ОПУ, в системе поворота имеется отдельная подшипниковая опора вала-шестерни в корпусе планетарного редуктора. Эта опора испытывает значительные радиальные и осевые усилия, возникающие при зацеплении пиньона с зубчатым венцом ОПУ.

Типовая компоновка опор вала-шестерни

В большинстве конструкций поворотных редукторов (Bonfiglioli серии 7xx, Brevini SL/SM, Comer PG, Rexroth GFB/GFT, Liebherr SP) применяется следующая комбинация:

• Верхний (со стороны редуктора) подшипник — конический роликовый, воспринимающий осевую составляющую от наклона зубьев и часть радиальной нагрузки;
• Нижний (со стороны пиньона) подшипник — конический роликовый увеличенного типоразмера, воспринимающий основную радиальную нагрузку от зацепления, а также реакцию опрокидывающего момента на вал-шестерне.

Подшипники устанавливаются по О-образной схеме (face-to-face) или Х-образной (back-to-back) в зависимости от конструкции редуктора. О-схема применяется чаще, поскольку обеспечивает большее эффективное расстояние между точками опоры и лучше воспринимает опрокидывающий момент на консольно расположенном пиньоне.

Смазка

Картер поворотного редуктора заполняется трансмиссионным маслом класса вязкости ISO VG 220–320 (минеральное или синтетическое PAO/PAG) с пакетом EP-присадок, соответствующим спецификации DIN 51517-3 (CLP) или AGMA 9005-EO2. Замена масла регламентируется производителем (типично — после первых 250–500 ч обкатки, затем каждые 1000–2000 моточасов).

Таблица: подшипники под Sennebogen, Fuchs, Liebherr

Ниже приведены обобщённые типоразмерные группы подшипников, применяемые в опорных узлах вала-шестерни поворотных редукторов перегружателей. Конкретный артикул определяется по идентификационному номеру редуктора и серии машины — данные таблицы носят справочно-классификационный характер.

ОПУ как самостоятельный подшипниковый узел

Для самих опорно-поворотных устройств в материалах-хендлерах применяются преимущественно трёхрядные роликовые подшипники крупного типоразмера (диаметр от 1250 до 2500 мм и более), с внутренним или наружным зубчатым венцом. Конструкция и расчёт регламентируются стандартами производителей крупногабаритных подшипников и общими требованиями DIN ISO 76 (статическая грузоподъёмность) и ISO 281 (динамическая грузоподъёмность и расчёт ресурса).

Износ вала-шестерни поворотного редуктора

Вал-шестерня — один из наиболее нагруженных элементов поворотной группы. Зубья пиньона работают в режиме циклического контактного нагружения с относительным скольжением и качением, при этом передаваемый крутящий момент в тяжёлых перегружателях достигает 80–250 кН·м (после планетарной ступени) на одной точке зацепления с венцом ОПУ.

Основные виды повреждений зубьев пиньона

• Питтинг (усталостное выкрашивание) — наиболее распространённый вид износа цементированных зубьев; проявляется появлением мелких раковин на рабочей поверхности зуба ниже полюсной линии. Терминология и классификация повреждений зубчатых передач регламентируется ISO 10825-1:2022;
• Абразивный износ — следствие попадания пыли и абразива в зону зацепления при разрушении уплотнений ОПУ; ведёт к утонению зуба и увеличению бокового зазора;
• Заедание (скаффинг) — возникает при недостаточной вязкости смазки, перегреве или потере смазочного слоя; проявляется характерными бороздами вдоль направления скольжения;
• Поломка зуба — крайняя стадия, обычно по основанию зуба в зоне максимальных изгибных напряжений, инициируется усталостной трещиной или ударной перегрузкой;
• Сколы цементированного слоя — при превышении толщины эффективного слоя расчётных нагрузок.

Контроль состояния вала-шестерни

В соответствии с практикой эксплуатации тяжёлой подъёмно-транспортной техники применяются следующие методы контроля:

• визуально-оптический контроль зубьев через монтажные люки редуктора;
• измерение бокового зазора в зацеплении пиньон–венец ОПУ свинцовым оттиском или щупом;
• измерение толщины зуба штангензубомером по постоянной хорде;
• магнитопорошковый контроль (по ГОСТ Р ИСО 9934-1) после демонтажа — для выявления усталостных трещин у основания зубьев;
• анализ продуктов износа в масле редуктора (ферромагнитный осадок на магнитной пробке, спектральный анализ).

Люфт колонны при работающей стреле: диагностика

Появление ощутимого люфта поворотной колонны при подъёме/опускании стрелы или при остановке поворота — типовой эксплуатационный симптом, объединяющий несколько возможных первопричин. Корректная диагностика требует разделения вклада каждого узла.

Источники люфта

Методика измерения осевого биения ОПУ (tilt-test)

Методика проверки осевого биения опорно-поворотного устройства основана на рекомендациях производителей крупногабаритных подшипников и применяется при плановом техническом обслуживании:

1. Манипулятор устанавливается на ровной горизонтальной площадке;
2. Магнитный штатив с индикатором часового типа (цена деления 0,01 мм) закрепляется на ходовой раме, наконечник упирается в верхний фланец ОПУ (поворотную платформу);
3. Стрела устанавливается в положение максимального вылета без груза — фиксируется значение А1;
4. Стрела поднимается в положение минимального вылета — фиксируется значение А2;
5. Разность ΔA = |A1 − A2| сравнивается с предельным значением, указанным в инструкции производителя машины.

Технология замены подшипников

Замена ОПУ

Замена опорно-поворотного устройства — капитальная операция, требующая разделения машины на верхнюю и нижнюю части. Типовая последовательность:

1. Слив рабочей жидкости из гидросистемы поворота и центрального коллектора (swivel joint);
2. Демонтаж стрелы, противовеса (опционально, для снижения массы верхней части);
3. Маркировка и отсоединение гидролиний и электропроводки центрального коллектора;
4. Отворачивание крепёжных болтов ОПУ — обычно класса прочности 10.9 или 12.9 по ISO 898-1, момент затяжки задаётся производителем (типично 1500–4500 Н·м для болтов M24–M36);
5. Подъём и снятие верхней надстройки крановой техникой соответствующей грузоподъёмности;
6. Демонтаж старого ОПУ, очистка посадочных поверхностей, проверка плоскостности фланцев (допуск, как правило, 0,15–0,25 мм на 1000 мм диаметра);
7. Установка нового ОПУ с ориентацией «мягкой зоны» зубчатого венца (S-mark) в зону минимальной нагрузки — как правило, между ходовой и противоположным концом;
8. Затяжка болтов крест-накрест в 3–4 прохода с контролем момента;
9. Сборка машины, заполнение системы смазки ОПУ, обкатка.

Замена подшипников вала-шестерни поворотного редуктора

1. Демонтаж поворотного редуктора с верхней надстройки (после слива масла);
2. Разборка редуктора в чистом помещении с фиксацией позиций деталей;
3. Выпрессовка старых конических подшипников съёмником с упором на внутреннее кольцо;
4. Контроль посадочных поверхностей вала и корпуса (овальность, конусность — в пределах допусков, указанных в каталогах подшипников, обычно j6/k6 для вала и H7/J7 для корпуса);
5. Запрессовка новых подшипников с предварительным нагревом колец в индукционном нагревателе до 80–110 °C (не выше 120 °C во избежание потери твёрдости);
6. Регулировка осевого зазора/преднатяга прокладками или регулировочной гайкой по технологической карте редуктора;
7. Замена манжетных уплотнений, заполнение картера новым маслом соответствующей спецификации.

Связанные узлы и материалы

Для углублённого изучения смежных подшипниковых узлов поворотных механизмов и опорно-поворотных устройств — рекомендованные технические материалы:

• Опорно-поворотные устройства (ОПУ) — каталог крупногабаритных поворотных подшипников.
• ОПУ стандартные — типоразмерные ряды стандартных опорно-поворотных устройств.
• Опорно-поворотные устройства INNER — производственная линейка.
• ОПУ для автокранов — близкий по конструкции класс подшипников.
• Конические роликовые подшипники — для опор валов-шестерён поворотных редукторов.
• Подшипники в башенных кранах Liebherr, Potain и Comansa — смежные конструкции поворотных опор.
• Подшипники поворотных консольных кранов — родственные узлы поворотных колонн.
• Подшипники манипуляторов торкретирования — подшипниковые опоры манипуляторов другой отрасли.
• Подшипники поворотного отвала автогрейдера — поворотный узел с зубчатым венцом.
• Подшипники поворотных столов камнеобрабатывающих станков — прецизионные поворотные опоры.

Вопросы и ответы (FAQ)

Отказ от ответственности

Источники

• ISO 76:2006 — Rolling bearings. Static load ratings.
• ISO 281:2007 — Rolling bearings. Dynamic load ratings and rating life.
• ISO 355:2019 — Rolling bearings. Tapered roller bearings. Designation system.
• ISO 6336 (части 1–6) — Calculation of load capacity of spur and helical gears.
• ISO 10825-1:2022 — Gears. Wear and damage to gear teeth. Part 1: Nomenclature and characteristics.
• ISO/TR 10825-2:2022 — Gears. Wear and damage to gear teeth. Part 2: Supplementary information.
• ISO 898-1:2013 — Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel.
• DIN 51517-3 — Schmierstoffe. Schmieröle. CLP-Öle.
• EN 10025-2 — Hot rolled products of structural steels. Part 2: Technical delivery conditions for non-alloy structural steels.
• EN 10084 — Case hardening steels. Technical delivery conditions.
• ГОСТ 27365-87 — Подшипники роликовые конические однорядные повышенной грузоподъёмности. Основные размеры.
• ГОСТ 18855-2013 (ISO 281:2007) — Подшипники качения. Динамическая грузоподъёмность и номинальный ресурс.
• ГОСТ 21354-87 — Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчёт на прочность.
• ГОСТ 13755-2015 — Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Исходный контур.
• ГОСТ Р ИСО 9934-1-2011 — Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод. Часть 1. Основные требования.
• Технические каталоги и монтажные инструкции производителей крупногабаритных поворотных подшипников: Rothe Erde Slewing Bearings (thyssenkrupp rothe erde), IMO Slewing Ring Bearings Catalogue, Kaydon Bearings Engineering Manual, Liebherr Components Slewing Bearings Catalogue.
• Технические каталоги производителей конических роликовых подшипников: SKF General Catalogue, Schaeffler/FAG Rolling Bearings Catalogue, Timken Tapered Roller Bearing Catalog, NSK Rolling Bearings Catalogue.
• Техническая документация производителей поворотных редукторов и гидромоторов: Bonfiglioli (серия 7xx), Brevini (серии SL/SM/SH), Comer Industries (PG), Bosch Rexroth (GFB/GFT), Liebherr Components (SP).
• Иванов М. Н., Финогенов В. А. Детали машин. — М.: Высшая школа (учебник для технических вузов).
• Решетов Д. Н. Детали машин. — М.: Машиностроение.
• Перель Л. Я., Филатов А. А. Подшипники качения: расчёт, проектирование и обслуживание опор. Справочник. — М.: Машиностроение.
• Эксплуатационная и сервисная документация производителей перегружателей: SENNEBOGEN Maschinenfabrik GmbH, Terex Fuchs (Bad Schönborn), Liebherr-Hydraulikbagger GmbH.