Содержание
Введение
Упорные сферические роликовые подшипники представляют собой специализированные опоры вращения, предназначенные для восприятия значительных осевых нагрузок при одновременной компенсации угловых перекосов вала относительно корпуса. В технологическом оборудовании кирпичного производства эти подшипники играют критическую роль, обеспечивая надежную работу шнековых экструдеров при давлениях формования до 4 МПа.
Ведущие производители SKF и FAG выпускают упорные подшипники серий 29200 и 29300 с габаритными размерами согласно стандарту ISO 104:2015. Данные серии характеризуются высокой плотностью нагрузки, способностью к самоустановке и возможностью работы при температурах до 200 градусов Цельсия. Подшипники типа SKF 29320 и FAG 29324 получили широкое распространение на кирпичных заводах благодаря оптимальному соотношению грузоподъемности и габаритов.
Конструкция упорных сферических роликовых подшипников
Основные конструктивные элементы
Упорный сферический роликовый подшипник состоит из следующих компонентов: тугого кольца (вал-шайбы), свободного кольца (корпусной шайбы), асимметричных бочкообразных роликов и сепаратора. Разборная конструкция позволяет раздельный монтаж кольца с роликовой обоймой и свободного кольца, что существенно упрощает установку в узлах экструдера.
Свободное кольцо имеет сферическую дорожку качения, радиус которой превышает радиус роликов. Это обеспечивает возможность углового смещения тугого кольца относительно корпусного на величину до 3 градусов для серии 29400, до 2,5 градусов для серии 29300 и до 2 градусов для серии 29200 при нормальных нагрузках. Асимметричная форма роликов с логарифмическим профилем минимизирует кромочные напряжения при перекосах.
| Элемент конструкции | Материал | Функциональное назначение |
|---|---|---|
| Тугое кольцо | Хромистая сталь SAE 52100 | Установка на вал, передача осевого усилия |
| Свободное кольцо | Хромистая сталь SAE 52100 | Установка в корпус, сферическая дорожка качения |
| Ролики бочкообразные | Хромистая сталь с термообработкой | Передача нагрузки, компенсация перекосов |
| Сепаратор | Сталь штампованная или латунь | Фиксация роликов, предотвращение контакта |
Принцип работы и самоустановка
При приложении осевой нагрузки ролики перекатываются по сферической поверхности свободного кольца и плоской дорожке тугого кольца. Угол расположения роликов составляет приблизительно 45 градусов к плоскости колец, что позволяет одновременно воспринимать как осевую, так и радиальную составляющие нагрузки. Допустимая радиальная нагрузка составляет примерно 0,55 от величины осевой нагрузки.
Способность к самоустановке обусловлена сферическим контактом роликов с дорожкой свободного кольца. При возникновении углового перекоса вала ролики и сепаратор смещаются по сферической поверхности без возникновения критических кромочных напряжений. Модифицированный контакт роликов предотвращает концентрацию напряжений на краях дорожек качения.
Серии 29200 и 29300: технические характеристики
Обозначение и типоразмеры
Обозначение упорных сферических роликовых подшипников состоит из базового номера серии и двузначного числа, определяющего внутренний диаметр. Серия 29200 охватывает диаметры от 60 до 160 мм, серия 29300 от 100 до 540 мм. Суффикс E в обозначении (например, 29320 E или 29324 E) указывает на оптимизированную внутреннюю конструкцию с штампованным стальным сепаратором, рассчитанную на повышенные нагрузки.
Габаритные размеры подшипников стандартизированы в ISO 104:2015, что обеспечивает взаимозаменяемость изделий различных производителей. Подшипники изготавливаются с нормальным классом точности по ISO 199:1997. Производители SKF и FAG применяют дополнительную термостабилизацию до температуры 200 градусов Цельсия, что гарантирует сохранение размеров при эксплуатации в температурном диапазоне от минус 40 до плюс 200 градусов.
| Обозначение | d (мм) | D (мм) | B (мм) | C (кН) | C0 (кН) | Масса (кг) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 29220 E | 100 | 170 | 42 | 560 | 1400 | 4,2 |
| 29320 E | 100 | 170 | 42 | 670 | 1700 | 4,3 |
| 29322 E | 110 | 190 | 48 | 750 | 2078 | 7,5 |
| 29324 E | 120 | 210 | 54 | 850 | 2400 | 9,8 |
| 29326 E | 130 | 225 | 58 | 950 | 2800 | 12,5 |
Грузоподъемность и предельные скорости
Динамическая грузоподъемность C определяет нагрузку, при которой номинальный срок службы подшипника составляет один миллион оборотов. Статическая грузоподъемность C0 характеризует допустимую нагрузку при неподвижном подшипнике или очень низких скоростях. Для подшипников серии 29300 статическая грузоподъемность достигает значений до 500 кН и более, что соответствует требованиям эксплуатации в экструдерах кирпичных заводов.
Предельные частоты вращения для упорных сферических роликовых подшипников существенно ниже, чем для радиальных типов, вследствие большой контактной площади роликов. При смазке консистентной смазкой предельная частота для подшипника 29324 E составляет приблизительно 2100 оборотов в минуту, при масляной смазке до 2500 оборотов в минуту. В экструдерах кирпичного производства частота вращения шнека обычно не превышает 15 оборотов в минуту, что значительно ниже предельных значений.
Применение в экструдерах кирпичных заводов
Конструкция шнекового экструдера
Шнековый экструдер представляет собой формовочную машину, в которой глиняная масса продавливается через мундштук под давлением винта (шнека), вращающегося внутри цилиндрического корпуса. Основными элементами экструдера являются вал шнека с винтовой нарезкой, материальный цилиндр, привод через редуктор и опорные подшипниковые узлы. Шнек имеет коническую или ступенчатую форму для создания компрессии материала.
Вал шнека устанавливается консольно и закрепляется в подшипниковых опорах, рассчитанных на значительные осевые усилия. Задняя опора, воспринимающая основную осевую нагрузку от давления формования, выполняется на упорных сферических роликовых подшипниках. Передняя опора может содержать радиальные или радиально-упорные подшипники для восприятия радиальных нагрузок от массы шнека и динамических воздействий.
В экструдере производительностью 6 тонн в час с диаметром шнека 400 мм применяется задняя опора на двух упорных подшипниках 29324 E, установленных последовательно. Передняя опора выполнена на радиальном сферическом роликовом подшипнике 22320. Межосевое расстояние между опорами составляет 1200 мм, вылет шнека за переднюю опору 600 мм.
Режимы работы и нагружение
При работе экструдера глиняная масса с влажностью 17-20 процентов подается в загрузочную воронку, захватывается вращающимся шнеком, уплотняется и продвигается к формовочной головке. В зоне компрессии происходит сжатие массы с повышением давления до 3-4 МПа. Давление формования создает значительную осевую силу, действующую на вал шнека и передающуюся на упорные подшипники.
Частота вращения шнека в экструдерах кирпичного производства составляет 10-15 оборотов в минуту. Режим работы характеризуется постоянной осевой нагрузкой при низкой скорости вращения. Температура в зоне подшипников обычно не превышает 60-80 градусов вследствие удаления от нагретых зон экструдера. Важным фактором является наличие абразивных частиц глины, что требует надежного уплотнения подшипниковых узлов.
Осевые нагрузки и расчет
Определение осевой нагрузки
Осевая нагрузка на упорный подшипник в экструдере определяется давлением формования и площадью поперечного сечения формовочной головки. Осевая сила вычисляется как произведение давления P на эффективную площадь A: Fa = P × A. При давлении формования 3,5 МПа и площади сечения головки 0,12 квадратных метра осевая сила составит 420 кН.
Для подбора подшипника необходимо учитывать коэффициент запаса, учитывающий неравномерность загрузки, пусковые нагрузки и возможные перегрузки. Рекомендуемый коэффициент запаса для экструдеров составляет 1,5-2,0. Таким образом, расчетная нагрузка для выбора подшипника будет равна 420 × 1,5 = 630 кН, что соответствует статической грузоподъемности подшипника 29326 E.
Исходные данные:
Давление формования: P = 3,5 МПа
Диаметр формовочной головки: D = 400 мм
Эффективная площадь: A = 0,12 м²
Расчет:
Осевая сила: Fa = 3,5 × 0,12 = 0,42 МН = 420 кН
С коэффициентом запаса 1,5: Fa расч = 420 × 1,5 = 630 кН
Выбор подшипника:
Подшипник 29326 E: C0 = 2800 кН > 630 кН
Коэффициент безопасности: 2800 / 630 = 4,4
Проверка на долговечность
Расчет долговечности упорного подшипника выполняется по стандартной методике согласно ISO 281. Номинальная долговечность в часах определяется по формуле: L10h = (C / P)^3,33 × (10^6 / 60n), где C - динамическая грузоподъемность, P - эквивалентная динамическая нагрузка, n - частота вращения в оборотах в минуту.
Для упорных подшипников эквивалентная динамическая нагрузка рассчитывается с учетом как осевой, так и радиальной составляющих: P = Fa + 2,7 × Fr. В экструдерах радиальная нагрузка обычно невелика, поэтому P приблизительно равна Fa. При нагрузке 420 кН и частоте вращения 12 оборотов в минуту расчетная долговечность подшипника 29326 E превышает 100000 часов работы.
Системы смазки под давлением
Необходимость принудительной смазки
Упорные сферические роликовые подшипники в экструдерах работают при значительных нагрузках, что требует обеспечения надежной смазки для предотвращения граничного трения. При низких скоростях вращения, характерных для экструдеров, естественного распределения смазки недостаточно для формирования устойчивой масляной пленки. Применение централизованных систем смазки с подачей под давлением обеспечивает принудительную доставку смазочного материала в зону контакта.
Системы централизованной смазки включают масляный насос, распределители, трубопроводы и точки подачи смазки в подшипниковые узлы. Давление в системе обычно составляет 5-15 МПа, что обеспечивает проникновение смазки даже при высоких контактных давлениях в подшипниках. Автоматическое управление обеспечивает подачу смазки через заданные интервалы времени или по числу циклов работы оборудования.
| Параметр системы смазки | Значение | Примечание |
|---|---|---|
| Рабочее давление | 5-15 МПа | До 35 МПа в автоматических системах |
| Тип смазки | Масло И-20А, И-40А | Вязкость 20-40 мм²/с при 40°C |
| Интервал подачи | 15-30 минут | В зависимости от нагрузки |
| Расход на точку | 0,5-2 см³/цикл | Для подшипников d=100-150 мм |
| Температура масла | 40-60°C | Оптимальная для текучести |
Конструкция узла смазки
В подшипниковом узле экструдера предусматриваются каналы для подвода масла в зону между роликами и дорожками качения. Масло подается через радиальные отверстия в корпусе и распределяется по периметру подшипника. Избыток смазки отводится через дренажные каналы в масляный резервуар. Важным элементом является фильтрация масла для удаления абразивных частиц.
Контроль работы системы смазки осуществляется датчиками давления и расхода. Снижение давления ниже установленного уровня сигнализирует о засорении фильтров или утечках. Современные системы обеспечивают непрерывный мониторинг параметров и автоматическое отключение оборудования при критических отклонениях. Периодичность замены масла составляет 500-1000 часов работы в зависимости от условий эксплуатации.
Монтаж и эксплуатация
Подготовка к монтажу
Перед установкой упорных подшипников необходимо тщательно очистить все поверхности посадочных мест на валу и в корпусе от загрязнений и консервационной смазки. Проверяется соответствие размеров вала и корпуса допускам по ISO 286. Для подшипников с внутренним диаметром 100-150 мм рекомендуются посадки вала k6 или m6, корпуса H7 или H8. Поверхности должны иметь шероховатость не более Ra 1,6 мкм.
Монтаж подшипников выполняется в чистом помещении с применением съемников и оправок соответствующих размеров. Разборная конструкция позволяет установить свободное кольцо в корпус отдельно от обоймы с роликами. Тугое кольцо с обоймой надевается на вал и фиксируется осевым положением. Не допускается нагрев подшипников выше 120 градусов или применение ударных нагрузок при посадке.
Регулировка осевого зазора
После монтажа подшипников производится регулировка осевого зазора путем подбора толщины компенсационных шайб или регулировочных гаек. Для нормальных условий работы рекомендуется осевой зазор группы CN (нормальный). В экструдерах с постоянной осевой нагрузкой допускается уменьшенный зазор для повышения жесткости узла. Величина зазора контролируется индикатором часового типа с точностью 0,01 мм.
Проверка правильности монтажа включает контроль легкости вращения вала вручную, отсутствие заеданий и посторонних шумов. После заполнения системы смазки маслом выполняется обкатка на низких оборотах в течение 30-60 минут с контролем температуры подшипниковых узлов. Нормальная рабочая температура не должна превышать 80 градусов Цельсия.
Техническое обслуживание
Регламентное техническое обслуживание упорных подшипников в экструдерах включает ежедневный контроль температуры и вибрации, еженедельную проверку уровня масла и состояния фильтров, ежемесячную очистку системы смазки. Повышение температуры подшипникового узла выше нормы или появление необычных шумов требует немедленной остановки оборудования и диагностики.
Замена масла в системе смазки производится через 500-1000 часов работы с промывкой трубопроводов и фильтров. Периодически проверяется состояние уплотнений для предотвращения попадания абразивных частиц в подшипники. Ресурс упорных подшипников SKF и FAG в экструдерах кирпичных заводов при правильной эксплуатации и обслуживании составляет 30000-50000 часов работы, что соответствует 5-7 годам непрерывной эксплуатации.
Вопросы и ответы
Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный и образовательный характер. Информация предназначена для технических специалистов, инженеров и технологов, работающих в области производства строительных материалов. Автор не несет ответственности за любой прямой, косвенный или случайный ущерб, возникший в результате применения информации, изложенной в данном материале. Все расчеты, подбор оборудования и принятие технических решений должны выполняться квалифицированными специалистами с учетом конкретных условий эксплуатации и требований действующих нормативных документов.
ИСТОЧНИКИ:
- ISO 104 - Rolling bearings - Thrust bearings - Boundary dimensions, general plan
- ISO 199 - Rolling bearings - Thrust bearings - Tolerances
- ISO 281 - Rolling bearings - Dynamic load ratings and rating life
- ISO 492 - Rolling bearings - Radial bearings - Geometrical product specifications and tolerance values
- SKF Group - Thrust Bearings Technical Catalogue (2024)
- Schaeffler Technologies AG & Co. KG - FAG Rolling Bearings Catalogue (2024)
- DIN 728 - Упорные сферические роликоподшипники - Основные размеры
- ГОСТ 520-2011 - Подшипники качения. Подшипники роликовые упорные сферические однорядные
