Подшипники микротоннельных машин

Введение

Подшипники микротоннельных проходческих машин представляют собой критически важные узлы, обеспечивающие надежную работу оборудования в экстремальных условиях подземного строительства. Микротоннельные щиты работают в водонасыщенных грунтах при высоких нагрузках, что предъявляет особые требования к подшипниковым узлам ротора режущей головки и главного привода. Правильный выбор и эксплуатация подшипников определяют производительность и долговечность всего проходческого комплекса.

Особенности микротоннельных проходческих машин

Микротоннелирование представляет собой бестраншейную технологию строительства коллекторов и трубопроводов диаметром от 0,6 до 3,5 метров. Проходческий микрощит продвигается домкратной станцией, разрабатывая грунт режущим инструментом при одновременном вращении или статическом воздействии.

Основные компоненты микротоннельной машины включают режущую головку с ротором, главный привод, систему грунтоудаления и защитный корпус щита. Режущая головка оснащается резцами или дисковыми инструментами в зависимости от типа разрабатываемого грунта.

Типы подшипников в микротоннельных машинах

В конструкции микротоннельных проходческих машин применяются несколько типов подшипников, каждый из которых выполняет специфические функции в зависимости от места установки и характера воспринимаемых нагрузок.

Конические роликовые подшипники

Конические роликовые подшипники являются основным типом для узлов ротора режущей головки благодаря способности одновременно воспринимать радиальные и осевые нагрузки. Конструкция с коническими роликами обеспечивает линейный контакт между телами качения и дорожками, что повышает грузоподъемность по сравнению с точечным контактом шариковых подшипников.

Для микротоннельных машин применяются конические роликовые подшипники серий 302, 313, 320, 322, 330 по ГОСТ 27365-2023. Установка подшипников производится парами по схеме враспор с регулировкой осевого зазора. Угол контакта 15-30 градусов определяет соотношение воспринимаемых радиальных и осевых нагрузок.

Радиально-упорные шариковые подшипники

Радиально-упорные шариковые подшипники по ГОСТ 831-75 применяются в узлах с ограниченным радиальным габаритом при умеренных нагрузках. Угол контакта 26 или 36 градусов обеспечивает восприятие комбинированной нагрузки. Установка дуплексом или триплексом в различных схемах позволяет воспринимать двустороннюю осевую нагрузку.

Преимуществом шариковых подшипников является меньшее трение при пуске и низких скоростях вращения. Недостаток – ограниченная грузоподъемность и чувствительность к ударным нагрузкам при работе в неоднородных грунтах.

Сферические роликовые подшипники

Двухрядные сферические роликовые подшипники с самоустанавливающейся конструкцией компенсируют угловые перекосы вала до 2-3 градусов. Применение в опорах валов редукторов компенсирует деформации корпуса и температурные расширения. Бочкообразная форма роликов снижает концентрацию напряжений на краях контакта.

Подшипники ротора режущей головки

Ротор режущей головки представляет собой наиболее нагруженный узел микротоннельной машины. Подшипниковая система ротора воспринимает радиальные усилия от взаимодействия резцов с грунтом, осевые нагрузки от давления забоя и крутящий момент привода. Конструкция опор должна обеспечивать минимальные радиальные и осевые зазоры для точного позиционирования режущего инструмента.

Конфигурация подшипниковых опор ротора

Передняя опора ротора, расположенная ближе к режущему инструменту, воспринимает основную радиальную нагрузку от взаимодействия с грунтом. Применяются четырехрядные конические роликовые подшипники или дублированные двухрядные конструкции с суммарной динамической грузоподъемностью не менее 2000 кН. Задняя опора работает при меньших нагрузках и может выполняться на базе двухрядных конических подшипников.

Расчет срока службы подшипников ротора

Расчетный ресурс подшипников ротора определяется по базовой динамической грузоподъемности с учетом фактических нагрузок и условий работы. Номинальный ресурс в часах рассчитывается по формуле в соответствии с ГОСТ 18855-2013:

Эквивалентная динамическая нагрузка учитывает радиальную и осевую составляющие с применением коэффициентов X и Y, зависящих от отношения осевой к радиальной нагрузке и угла контакта подшипника. Для конических роликовых подшипников коэффициенты определяются по таблицам ГОСТ 18855-2013.

Подшипники главного привода

Главный привод микротоннельной машины передает крутящий момент от гидравлических или электрических двигателей к ротору режущей головки через систему редукторов. Подшипники валов редукторов и выходного вала работают при высоких нагрузках и требуют точного позиционирования зубчатых передач.

Подшипники промежуточных валов

Валы промежуточных ступеней редуктора устанавливаются на радиально-упорные подшипники с углом контакта 26-36 градусов. Схема установки подшипников зависит от направления осевых усилий в зубчатом зацеплении. При консольном расположении шестерни применяется установка враспор с предварительным натягом для обеспечения жесткости системы.

Быстроходные ступени редуктора оснащаются прецизионными подшипниками класса точности 5 или 6 для снижения вибраций и шума. Тихоходные валы допускают применение подшипников нормального класса точности 0 при условии обеспечения требуемого уровня соосности.

Подшипники выходного вала

Выходной вал главного привода соединяется с ротором режущей головки через фланцевое или шлицевое соединение и передает полный крутящий момент механизма. Подшипниковая опора выходного вала выполняется на базе крупногабаритных конических роликовых подшипников серий 330-332 или специальных конструкций повышенной грузоподъемности.

Передняя опора выходного вала располагается внутри защищенного корпуса привода и работает в масляной ванне при температуре 40-60 градусов Цельсия. Задняя опора может находиться в зоне повышенного загрязнения и требует установки эффективных торцевых уплотнений. Зазор в подшипниках регулируется при монтаже с использованием регулировочных гаек и стопорных шайб.

Системы уплотнения подшипников

Надежность работы подшипников микротоннельных машин критически зависит от эффективности систем уплотнения, предотвращающих попадание воды и абразивных частиц в подшипниковый узел. Уплотнения должны работать при давлении грунтовых вод до 10 бар и обеспечивать герметичность в течение всего межремонтного периода.

Торцевые механические уплотнения

Торцевые механические уплотнения представляют собой наиболее эффективное решение для защиты подшипников ротора от проникновения воды и грунта. Уплотнение состоит из вращающегося кольца, закрепленного на валу, и неподвижного кольца в корпусе. Рабочие поверхности колец притерты с высокой точностью и поджимаются пружиной, создавая герметичный контакт.

Материалы пар трения подбираются с учетом абразивности среды и скорости вращения. Для условий микротоннелирования применяются пары карбид кремния-карбид кремния или карбид вольфрама-графит. Твердосплавные материалы обеспечивают износостойкость при попадании мелких частиц в зазор уплотнения. Двойные торцевые уплотнения с промежуточной камерой повышают надежность защиты критически важных узлов.

Лабиринтные уплотнения

Лабиринтные уплотнения создают систему последовательных зазоров переменного сечения, затрудняющих проникновение загрязнений к подшипнику. Многоступенчатые лабиринтные конструкции с 3-5 ступенями обеспечивают защиту при умеренном давлении воды до 3 бар. Центробежные камеры в составе лабиринта отбрасывают частицы грунта и воду под действием центробежной силы при вращении вала.

Комбинированные уплотнения сочетают лабиринтные ступени с манжетными элементами. Внешние лабиринтные секции задерживают крупные частицы и основной объем воды, манжетные уплотнения обеспечивают окончательную герметизацию. Такая схема снижает износ манжет и увеличивает общий ресурс системы уплотнения.

Манжетные уплотнения

Манжетные уплотнения из эластомерных материалов применяются в узлах с ограниченными габаритами и умеренными скоростями вращения. Для работы в водонасыщенных грунтах используются манжеты из нитрильного каучука с армированием тканью или металлическими пружинами. V-образные манжетные уплотнения устанавливаются пакетами по 2-4 штуки с промежуточными разделительными кольцами.

Защитные системы с барьерной жидкостью

Системы уплотнения с барьерной жидкостью создают избыточное давление чистой жидкости в камере между подшипником и внешней средой. Барьерная жидкость подается насосом под давлением на 0,5-1,0 бар выше давления грунтовых вод, предотвращая проникновение загрязнений. В качестве барьерной жидкости применяются специальные масла или водогликолевые растворы, совместимые с материалами уплотнений.

Материалы и технические требования

Подшипники микротоннельных машин изготавливаются из специальных подшипниковых сталей, обеспечивающих требуемую твердость рабочих поверхностей, вязкость сердцевины и сопротивление контактным нагрузкам. Основные требования к материалам и качеству подшипников регламентируются ГОСТ 520-2011 и специальными техническими условиями производителей.

Материалы колец и тел качения

Кольца и ролики подшипников изготавливаются из хромистых подшипниковых сталей марок ШХ15, ШХ15СГ с содержанием углерода 0,95-1,05 процента и хрома 1,3-1,65 процента. Термическая обработка обеспечивает твердость рабочих поверхностей 60-65 HRC при сохранении вязкости сердцевины. Такое сочетание свойств предотвращает выкрашивание поверхности при ударных нагрузках и обеспечивает высокую усталостную прочность.

Для особо тяжелых условий работы применяются легированные стали 18ХГТ, 20Х2Н4А с цементацией рабочих поверхностей. Науглероженный слой глубиной 1,5-3,0 мм обладает высокой твердостью 58-62 HRC, вязкая сердцевина поглощает ударные воздействия. Цементованные подшипники выдерживают ударные и знакопеременные нагрузки без образования трещин и выкрашивания.

Материалы сепараторов

Сепараторы подшипников обеспечивают равномерное распределение тел качения и предотвращают их контакт между собой. Для конических роликовых подшипников применяются штампованные стальные сепараторы из ленты толщиной 1,5-3,0 мм. Массивные латунные сепараторы используются в высоконагруженных узлах при умеренных скоростях вращения. Полиамидные сепараторы обладают низким коэффициентом трения и могут работать при недостаточной смазке.

Точность изготовления

Подшипники микротоннельных машин изготавливаются по классу точности 0 (нормальный) согласно ГОСТ 520-2011. Для валов редукторов и приводных механизмов применяются подшипники класса точности 6 с уменьшенными допусками на диаметры и биение колец. Прецизионные подшипники класса 5 используются в особо ответственных узлах с требованиями к точности позиционирования.

Смазка подшипников в водонасыщенных грунтах

Система смазки подшипников микротоннельных машин должна обеспечивать защиту от износа при одновременном предотвращении попадания смазочного материала в окружающую среду. Выбор типа смазки и способа ее подачи зависит от скорости вращения, нагрузки и условий герметизации узла.

Пластичные смазки

Пластичные смазки на основе литиевого мыла с противозадирными присадками применяются для подшипников ротора и тихоходных валов привода. Смазки класса NLGI 2-3 обладают оптимальной консистенцией для удержания в подшипниковом узле при давлении воды. Водостойкие пластичные смазки с загустителем из литиевого комплекса или полимочевины сохраняют работоспособность при попадании воды в узел.

Закладка пластичной смазки производится при монтаже с заполнением 30-50 процентов свободного объема подшипникового узла. Избыточное количество смазки вызывает повышенное тепловыделение от внутреннего трения. Период замены пластичной смазки составляет 500-1000 часов работы в зависимости от условий эксплуатации.

Жидкие масла

Циркуляционная система жидкой смазки применяется для подшипников редукторов и высоконагруженных опор. Масла для передач типа ТМ-5, ТАД-17И с вязкостью 150-320 квадратных миллиметров на секунду при 40 градусах Цельсия обеспечивают надежную масляную пленку между контактирующими поверхностями. Синтетические масла на основе полиальфаолефинов работают в широком температурном диапазоне от -40 до +150 градусов Цельсия.

Система циркуляционной смазки включает масляный насос, фильтр, теплообменник и контрольно-измерительные приборы. Производительность насоса обеспечивает 2-3 кратный обмен масла в подшипниковых узлах за час работы. Фильтры тонкой очистки с размером пор 10-25 мкм задерживают абразивные частицы и продукты износа.

Системы минимального количества смазки

Автоматические системы подачи минимального количества смазки периодически дозируют небольшие порции пластичной смазки в подшипниковые узлы. Программируемые лубрикаторы подают 0,5-2,0 кубических сантиметра смазки каждые 1-24 часа в зависимости от режима работы. Централизованная система смазки одновременно обслуживает все подшипниковые узлы машины от единого блока управления.

Обслуживание и диагностика

Регламентное обслуживание подшипников микротоннельных машин включает периодический контроль состояния, дозаправку смазки и при необходимости замену изношенных элементов. Своевременная диагностика позволяет выявить дефекты на ранней стадии и предотвратить аварийные отказы оборудования.

Контроль температуры

Температура подшипникового узла является основным диагностическим параметром. Нормальная рабочая температура подшипников не должна превышать 80 градусов Цельсия при температуре окружающей среды 20 градусов Цельсия. Превышение на 10-15 градусов указывает на недостаток смазки, загрязнение или начальную стадию износа. Резкое повышение температуры более чем на 20 градусов требует немедленной остановки машины и проверки узла.

Бесконтактные инфракрасные термометры позволяют измерять температуру корпуса подшипникового узла без остановки работы. Встроенные термодатчики типа Pt100 или термопары обеспечивают непрерывный мониторинг с выводом сигнала на панель оператора. Система аварийной сигнализации срабатывает при достижении предельной температуры 90-95 градусов Цельсия.

Вибродиагностика

Виброакустическая диагностика выявляет дефекты подшипников по изменению спектра вибрации. Появление высокочастотных составляющих на частотах 1000-10000 Гц указывает на износ дорожек качения или повреждение тел качения. Низкочастотная вибрация с частотой вращения ротора свидетельствует о дисбалансе или перекосе колец.

Портативные виброметры измеряют среднеквадратичное значение виброскорости и виброускорения в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Нормальный уровень виброскорости для подшипников ротора составляет 2-5 мм/с, превышение до 7-10 мм/с требует внеплановой проверки узла. Спектральный анализ вибрации позволяет точно локализовать источник дефекта.

Анализ смазочного материала

Периодический отбор проб смазки и масла для лабораторного анализа выявляет продукты износа и загрязнения. Содержание металлических частиц железа, хрома, алюминия указывает на интенсивность износа соответствующих деталей. Присутствие воды определяется визуально по помутнению масла или методом Карла Фишера.

Спектральный анализ масла определяет концентрацию металлов в масле с точностью до 1 мг/кг. Ферромагнитный датчик износа непрерывно контролирует накопление ферромагнитных частиц в циркулирующем масле. Превышение порогового значения 200-500 мг/кг железа требует внеплановой замены масла и проверки подшипников.

Замена подшипников

Плановая замена подшипников ротора проводится после 3000-5000 часов работы в зависимости от интенсивности эксплуатации и абразивности грунта. Демонтаж подшипников выполняется с применением съемников, исключающих повреждение посадочных поверхностей вала и корпуса. Нагрев до 80-100 градусов Цельсия облегчает посадку внутренних колец конических подшипников на вал.

Перед установкой новых подшипников проводится дефектоскопия посадочных мест на отсутствие трещин, задиров, коррозии. Неровности поверхности более 3,2 мкм устраняются шлифованием или полированием. Монтаж подшипников производится с контролем усилия запрессовки и момента затяжки крепежных элементов согласно технической документации.

Вопросы и ответы

Связанное оборудование

Надежная работа подшипниковых узлов микротоннельных машин обеспечивается комплексом сопутствующего оборудования и компонентов. Правильный подбор всех элементов системы критически важен для достижения проектных показателей долговечности и производительности проходческого комплекса.

Компания Inner Инжиниринг предлагает комплексные решения для оснащения микротоннельного оборудования качественными подшипниками и сопутствующими компонентами. Технические специалисты компании осуществляют подбор подшипников с учетом реальных условий эксплуатации, расчет ресурса и рекомендации по монтажу и обслуживанию.

Заключение

Подшипники микротоннельных проходческих машин работают в экстремальных условиях водонасыщенных грунтов при высоких нагрузках и требуют тщательного подбора, монтажа и обслуживания. Применение конических роликовых и радиально-упорных подшипников с эффективными системами уплотнения и смазки обеспечивает надежную работу ротора режущей головки и главного привода на протяжении всего межремонтного периода. Регулярная диагностика состояния подшипниковых узлов методами термометрии, вибрационного контроля и анализа смазочных материалов позволяет своевременно выявлять дефекты и предотвращать аварийные отказы оборудования.

Источники

1. ГОСТ 520-2011 – Подшипники качения. Общие технические условия
2. ГОСТ 27365-2023 – Подшипники качения. Подшипники конические однорядные. Классификация, указания по применению и эксплуатации
3. ГОСТ 831-75 – Подшипники шариковые радиально-упорные однорядные. Типы и основные размеры
4. ГОСТ 3325-85 – Подшипники качения. Поля допусков и технические требования к посадочным поверхностям валов и корпусов
5. ГОСТ 18855-2013 – Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный ресурс
6. ГОСТ 801-78 – Сталь подшипниковая. Технические условия
7. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. М.: Машиностроение
8. Решетов Д.Н. Детали машин: Учебник для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов. М.: Машиностроение
9. Техническая документация производителей подшипников SKF, FAG, NSK, Timken
10. Каталоги производителей микротоннельного оборудования Herrenknecht AG, Akkerman, Iseki