Таблицы нагрузок и характеристик опорно-поворотных устройств (ОПУ)

Таблица нагрузочной способности опорно-поворотных устройств

Ниже представлены значения максимальных осевых, радиальных нагрузок и опрокидывающих моментов для различных типоразмеров опорно-поворотных устройств. Данные приведены для основных серий ОПУ и могут варьироваться в зависимости от производителя.

Серия ОПУ	Внешний диаметр (мм)	Максимальная осевая нагрузка (кН)	Максимальная радиальная нагрузка (кН)	Максимальный опрокидывающий момент (кНм)
EB1/ZB1 (однорядные шариковые)	500	250	80	30
EB1/ZB1 (однорядные шариковые)	800	430	140	78
EB1/ZB1 (однорядные шариковые)	1200	890	290	210
EB2 (двухрядные шариковые)	800	650	260	160
EB2 (двухрядные шариковые)	1200	1200	480	450
EB2 (двухрядные шариковые)	1600	1850	740	950
NR1 (роликовые)	800	850	340	220
NR1 (роликовые)	1200	1500	600	610
NR1 (роликовые)	1600	2400	960	1280
SG (трехрядные роликовые)	1200	3200	1600	1800
SG (трехрядные роликовые)	2000	6800	3400	7500
Прецизионные с перекрестными роликами	400	180	90	18
Прецизионные с перекрестными роликами	800	580	290	140

Таблица моментов сопротивления опорно-поворотных устройств

В данной таблице представлены значения моментов сопротивления вращению для различных опорно-поворотных устройств в зависимости от типа, нагрузки и скорости вращения. Момент сопротивления вращению является важной характеристикой при подборе привода для ОПУ.

Тип ОПУ	Диаметр (мм)	Осевая нагрузка (кН)	Момент сопротивления без нагрузки (Нм)	Момент сопротивления под нагрузкой (Нм)	Коэффициент трения
Шариковое однорядное	500	100	15	120	0.004-0.006
Шариковое однорядное	800	200	35	290	0.004-0.006
Шариковое однорядное	1200	400	80	680	0.004-0.006
Шариковое двухрядное	800	300	60	450	0.005-0.007
Шариковое двухрядное	1200	600	120	1050	0.005-0.007
Роликовое	800	400	100	680	0.006-0.009
Роликовое	1200	800	200	1580	0.006-0.009
Роликовое	1600	1200	350	2850	0.006-0.009
С червячным приводом	800	400	180	850	0.008-0.012
С червячным приводом	1200	800	320	1950	0.008-0.012
Прецизионное	500	150	12	140	0.003-0.005
Прецизионное	800	300	25	320	0.003-0.005

Полное оглавление статьи

1. Введение в опорно-поворотные устройства

1.1. Определение и назначение

Опорно-поворотное устройство (ОПУ) представляет собой крупногабаритный подшипник качения, сочетающий функции опорного и упорного подшипников. ОПУ обеспечивает возможность вращения верхней части конструкции относительно нижней, одновременно воспринимая комбинированные нагрузки: осевые, радиальные и опрокидывающие моменты. Основное назначение ОПУ — обеспечить плавное вращение с минимальным трением при одновременном восприятии значительных нагрузок.

1.2. Значение в современной технике

Опорно-поворотные устройства играют критически важную роль во многих отраслях промышленности. Без них было бы невозможно функционирование большинства современных кранов, экскаваторов, буровых установок, ветрогенераторов и множества других машин и механизмов, где требуется обеспечить вращение конструкций под нагрузкой. ОПУ являются ответственными узлами, от надежности которых зависит безопасность и эффективность работы всей машины.

2. Типы опорно-поворотных устройств

2.1. Однорядные ОПУ

Однорядные опорно-поворотные устройства имеют один ряд шариков или роликов между внутренним и наружным кольцами. Такие ОПУ серий EB1, ZB1, NBL обычно применяются в конструкциях с относительно небольшими нагрузками. Основными преимуществами однорядных ОПУ являются более низкая стоимость и меньшая высота конструкции по сравнению с многорядными аналогами. Однако они имеют ограничения по воспринимаемым нагрузкам и опрокидывающим моментам.

2.2. Двухрядные ОПУ

Двухрядные опорно-поворотные устройства (серии EB2, NB1) оснащены двумя рядами элементов качения, что существенно повышает их грузоподъемность и способность воспринимать опрокидывающие моменты. Такие ОПУ получили широкое распространение в автокранах, экскаваторах и другой строительной технике среднего класса. Дополнительный ряд элементов качения обеспечивает более высокую жесткость конструкции и повышенный срок службы.

2.3. Трехрядные ОПУ

Трехрядные опорно-поворотные устройства (серия SG) представляют собой наиболее мощные конструкции, способные воспринимать экстремальные нагрузки и моменты. Они применяются в тяжелой технике — карьерных экскаваторах, мощных кранах, буровых установках. Конструктивно имеют три ряда роликовых элементов качения, что обеспечивает максимальную грузоподъемность и жесткость.

2.4. Шариковые ОПУ

Шариковые опорно-поворотные устройства используют шарики в качестве элементов качения. Они обеспечивают меньшее трение при вращении, что особенно важно для механизмов с высокими требованиями к плавности хода и при частых вращениях. Шариковые ОПУ имеют меньший момент сопротивления вращению и обычно применяются в конструкциях с умеренными нагрузками и требованиями к высокой точности поворота.

2.5. Роликовые ОПУ

Роликовые опорно-поворотные устройства используют цилиндрические, конические или сферические ролики. Благодаря большей площади контакта роликов с дорожками качения, такие ОПУ способны воспринимать значительно более высокие нагрузки по сравнению с шариковыми аналогами. Роликовые ОПУ серий NR1, NB1 применяются в механизмах с высокими нагрузками, однако имеют несколько больший момент сопротивления вращению.

2.6. Прецизионные ОПУ

Прецизионные опорно-поворотные устройства предназначены для применений, требующих высокой точности позиционирования. Они используются в станкостроении, медицинском оборудовании, радиолокационных установках. Отличительной особенностью прецизионных ОПУ является высокая точность изготовления всех компонентов, минимальные зазоры, специальная конструкция с перекрестными роликами, обеспечивающая высокую жесткость и точность вращения.

3. Конструкция и компоненты ОПУ

3.1. Кольца (внутреннее и внешнее)

Основу опорно-поворотного устройства составляют два кольца: внутреннее и внешнее. Они изготавливаются из высококачественных легированных сталей с последующей термообработкой для достижения необходимой твердости. На одном или обоих кольцах выполняются дорожки качения. В зависимости от конструкции, внутреннее кольцо может быть выполнено с зубчатым венцом для передачи крутящего момента от привода поворота. Кольца ОПУ обычно имеют фланцевую конструкцию с отверстиями для крепления к поворотной и неподвижной частям машины.

3.2. Элементы качения

Элементы качения — ключевые компоненты ОПУ, определяющие его нагрузочную способность и характеристики трения. В качестве элементов качения используются шарики или ролики. Шарики обеспечивают меньшее трение и более высокую скорость вращения, в то время как ролики способны выдерживать большие нагрузки. Элементы качения изготавливаются из высококачественных подшипниковых сталей с высокой твердостью поверхности (обычно 58-64 HRC) и высокой точностью геометрических размеров.

3.3. Уплотнения

Система уплотнений ОПУ предназначена для защиты элементов качения и дорожек от попадания пыли, влаги и других загрязнений, а также для удержания смазки внутри подшипника. Современные ОПУ оснащаются многоступенчатыми системами уплотнений, включающими контактные и лабиринтные уплотнения. Материалы уплотнений выбираются в зависимости от условий эксплуатации и могут включать различные полимеры, резину, фторопласт и другие материалы, устойчивые к воздействию агрессивных сред и экстремальных температур.

3.4. Система смазки

Правильная смазка является критически важным фактором для надежной работы и долговечности ОПУ. Современные опорно-поворотные устройства оснащаются системой смазочных каналов и ниппелей, обеспечивающих доступ смазки к элементам качения и дорожкам. В зависимости от типа ОПУ и условий эксплуатации могут применяться различные смазочные материалы: от литиевых и комплексных пластичных смазок до специализированных составов для экстремальных условий эксплуатации.

3.5. Зубчатое зацепление

Многие типы ОПУ оснащаются зубчатым венцом, расположенным на внутреннем или внешнем кольце. Зубчатый венец вместе с шестерней привода образует механизм поворота. Наиболее распространены ОПУ с внешним и внутренним зацеплением. Зубья могут быть прямыми или косыми. Для повышения износостойкости зубчатого венца применяется поверхностная или объемная закалка. В ответственных конструкциях зубья могут подвергаться шлифовке для повышения точности зацепления.

4. Нагрузочная способность ОПУ

4.1. Осевая нагрузка

Осевая нагрузка — это сила, действующая вдоль оси вращения ОПУ. Она создается весом поворотной части конструкции и полезной нагрузкой. Способность ОПУ воспринимать осевую нагрузку зависит от типа и размера элементов качения, их количества, а также от геометрии дорожек качения. Для большинства применений осевая нагрузка является основной, и ее величина может достигать нескольких тысяч килоньютонов для крупногабаритных ОПУ в тяжелой технике.

4.2. Радиальная нагрузка

Радиальная нагрузка действует перпендикулярно оси вращения ОПУ. Она возникает при ускорении, торможении и движении техники по неровной поверхности. Способность ОПУ воспринимать радиальные нагрузки обычно составляет 30-50% от осевой нагрузочной способности. Двухрядные и трехрядные ОПУ имеют значительно более высокую радиальную нагрузочную способность по сравнению с однорядными аналогами.

4.3. Опрокидывающий момент

Опрокидывающий момент возникает при работе техники с вылетом стрелы или при воздействии боковых сил. Это наиболее критичный параметр для большинства применений ОПУ. Способность ОПУ воспринимать опрокидывающий момент зависит от диаметра установки элементов качения, их типа и количества, а также от расстояния между рядами элементов в многорядных конструкциях. Для увеличения сопротивления опрокидывающему моменту применяются двух- и трехрядные конструкции ОПУ.

4.4. Расчет нагрузок

Расчет действующих на ОПУ нагрузок требует учета множества факторов, включая статические нагрузки от веса конструкции, динамические нагрузки при работе и экстремальные нагрузки при аварийных ситуациях. Для корректного расчета необходимо определить все возможные комбинации нагрузок, возникающие при эксплуатации. Современные методики расчета используют метод конечных элементов для моделирования поведения ОПУ под нагрузкой и определения напряжений в критических точках конструкции.

Эквивалентная нагрузка на ОПУ может быть рассчитана по формуле:

P_экв = X·F_r + Y·F_a + Z·M

где P_экв — эквивалентная нагрузка, F_r — радиальная нагрузка, F_a — осевая нагрузка, M — опрокидывающий момент, X, Y, Z — коэффициенты, зависящие от типа ОПУ.

5. Моменты сопротивления ОПУ

5.1. Факторы, влияющие на момент сопротивления

Момент сопротивления вращению — это крутящий момент, необходимый для вращения ОПУ. Он зависит от множества факторов, включая:

• Тип и размер элементов качения (шарики или ролики)
• Величину действующих на ОПУ нагрузок
• Диаметр ОПУ
• Качество и количество смазки
• Состояние дорожек качения и элементов качения
• Эффективность уплотнений
• Температуру окружающей среды

Шариковые ОПУ обычно имеют меньший момент сопротивления по сравнению с роликовыми аналогами такого же размера. Увеличение нагрузки на ОПУ приводит к увеличению момента сопротивления.

5.2. Расчет момента сопротивления

Полный момент сопротивления вращению ОПУ может быть представлен как сумма нескольких компонентов:

M_f = M₀ + M₁ + M₂

где M_f — полный момент сопротивления, M₀ — момент сопротивления ненагруженного ОПУ, зависящий от внутреннего трения, M₁ — составляющая, зависящая от осевой нагрузки, M₂ — составляющая, зависящая от опрокидывающего момента.

Для приближенного расчета можно использовать формулу:

M_f = μ·F_a·D_m/2 + μ_m·M

где μ — коэффициент трения, F_a — осевая нагрузка, D_m — средний диаметр ОПУ, μ_m — коэффициент влияния опрокидывающего момента, M — опрокидывающий момент.

5.3. Выбор привода на основе момента сопротивления

Выбор привода для ОПУ основывается на расчете необходимого крутящего момента с учетом момента сопротивления и требуемых динамических характеристик. Требуемый крутящий момент привода должен быть в 1.5-2 раза выше расчетного момента сопротивления для обеспечения надежного пуска и работы в различных условиях. Для ОПУ с зубчатым венцом чаще всего применяются электромеханические приводы с редуктором или гидравлические приводы. Для высокоточных применений могут использоваться прямые приводы на основе крупногабаритных моментных двигателей.

6. Применение в различных отраслях

6.1. Автокраны и грузоподъемное оборудование

В автокранах и другом грузоподъемном оборудовании ОПУ обеспечивает вращение поворотной части крана вместе с грузом. Специфика применения ОПУ в кранах заключается в необходимости воспринимать значительные опрокидывающие моменты, возникающие при работе с вылетом стрелы. Для автокранов чаще всего применяются двухрядные шариковые или роликовые ОПУ с внешним зубчатым венцом. Диаметр ОПУ для автокранов варьируется от 800 до 2000 мм в зависимости от грузоподъемности крана.

6.2. Экскаваторы и строительная техника

В экскаваторах ОПУ обеспечивает вращение поворотной платформы относительно ходовой части. Характерной особенностью работы ОПУ в экскаваторах являются ударные нагрузки и вибрации, возникающие при копании. Для экскаваторов применяются роликовые ОПУ повышенной прочности, часто с усиленными уплотнениями для работы в условиях повышенной запыленности и загрязнения. Крупные карьерные экскаваторы оснащаются трехрядными роликовыми ОПУ диаметром до 5 метров.

6.3. Ветрогенераторы

В ветрогенераторах ОПУ обеспечивает точное позиционирование гондолы с ротором относительно направления ветра. Особенностью применения ОПУ в ветровых турбинах является необходимость длительной работы в тяжелых погодных условиях, воздействие вибраций и переменных нагрузок от ветровых порывов. Для ветрогенераторов применяются специализированные крупногабаритные роликовые ОПУ с высокоэффективными системами уплотнений и специальными смазками, сохраняющими работоспособность в широком диапазоне температур.

6.4. Промышленные поворотные платформы

В промышленности ОПУ применяются в различном оборудовании: поворотных столах станков, манипуляторах, роботах, конвейерных системах и другом оборудовании. Для таких применений характерны требования к высокой точности позиционирования, низкому моменту сопротивления и высокой долговечности. В зависимости от конкретного применения могут использоваться как шариковые, так и роликовые ОПУ, часто в прецизионном исполнении с высокой точностью изготовления всех компонентов.

7. Критерии выбора и рекомендации по обслуживанию

7.1. Критерии выбора ОПУ

При выборе опорно-поворотного устройства необходимо учитывать множество факторов:

• Характер и величину действующих нагрузок (осевые, радиальные, опрокидывающий момент)
• Требуемую точность позиционирования
• Частоту и скорость вращения
• Условия эксплуатации (температура, влажность, запыленность)
• Требования к долговечности
• Габаритные ограничения
• Способ привода (наличие или отсутствие зубчатого венца)

На основе этих критериев определяется тип ОПУ (шариковое или роликовое), количество рядов элементов качения, диаметр и другие параметры. Для ответственных применений рекомендуется проводить детальный расчет на прочность и долговечность.

7.2. Монтаж и установка

Правильный монтаж ОПУ играет ключевую роль в обеспечении его надежной работы и долговечности. При монтаже необходимо обеспечить:

• Плоскостность и чистоту монтажных поверхностей
• Равномерное распределение нагрузки по всей поверхности ОПУ
• Правильный момент затяжки крепежных болтов
• Равномерность зазора между зубьями при наличии зубчатого венца

Для крупногабаритных ОПУ рекомендуется использовать специальное монтажное оборудование и приспособления. После монтажа необходимо проверить плавность вращения ОПУ и равномерность распределения контактных напряжений в элементах качения.

7.3. Техническое обслуживание

Регулярное техническое обслуживание является необходимым условием для обеспечения надежной работы ОПУ. Основные мероприятия по техническому обслуживанию включают:

• Периодическую смазку ОПУ в соответствии с рекомендациями производителя
• Проверку состояния уплотнений и их своевременную замену
• Проверку момента затяжки крепежных болтов
• Проверку зазоров в зубчатом зацеплении (при наличии зубчатого венца)
• Периодический осмотр на предмет коррозии, износа и других повреждений

Периодичность обслуживания зависит от условий эксплуатации и интенсивности использования ОПУ. Для ответственных применений рекомендуется вести журнал технического обслуживания.

7.4. Диагностика состояния ОПУ

Современные методы диагностики позволяют оценить техническое состояние ОПУ без его демонтажа. Основные методы диагностики включают:

• Измерение момента сопротивления вращению
• Измерение осевого и радиального зазора
• Вибрационную диагностику
• Акустическую диагностику
• Анализ смазочного материала на содержание продуктов износа

Регулярная диагностика позволяет своевременно выявить начинающиеся повреждения и предотвратить аварийный выход из строя ОПУ. Для ответственных применений рекомендуется использовать системы непрерывного мониторинга состояния ОПУ.

В компании INNER представлен широкий ассортимент опорно-поворотных устройств различных типов и модификаций для различных областей применения. Наши специалисты готовы помочь вам с выбором оптимального ОПУ для ваших задач с учетом всех технических требований и особенностей эксплуатации.