Могут ли упорные шарикоподшипники воспринимать радиальные нагрузки на вертикальных валах?

Нет. Стандартные упорные шарикоподшипники предназначены для восприятия осевых, а не радиальных нагрузок. Установка такого подшипника на вертикальный вал не меняет этого ограничения. Он может поддерживать вес вала и закрепленных на нем компонентов, однако для восприятия боковых сил требуется отдельный радиальный подшипник или подшипниковая схема, рассчитанная на комбинированную нагрузку.

Это различие важно, поскольку вертикальный вал может казаться простым случаем применения упорного подшипника, хотя на него действуют значительные боковые силы. Хороший пример — вертикальный смеситель с ременным приводом: сила тяжести действует вниз вдоль вала, а натяжение ремня тянет его вбок. Обе нагрузки действуют одновременно, но передаваться они должны по разным силовым путям через подшипниковый узел.

Поэтому важно спрашивать не только о том, способен ли упорный подшипник удерживать вал. Нужно выяснить, может ли вся опорная схема воспринимать все рабочие силы, не возлагая на один подшипник задачу, для которой его конструкция не предназначена.

Вертикальное положение описывает ориентацию, но не полную картину нагрузок

Осевая сила действует параллельно оси вала. Радиальная сила действует перпендикулярно ей. На вертикальном валу вес расположенного по центру ротора обычно создает осевую нагрузку. Однако ориентация вала мало что говорит о силах от ремней, реакциях зубчатых передач, гидравлических силах, реакциях муфты или дисбалансе ротора.

Рассмотрим вертикальный насос. Вращающийся узел имеет собственный вес, но рабочее колесо также может создавать гидравлическую осевую силу, а при определенных условиях возникают и радиальные силы. В зависимости от конструкции насоса и режима работы результирующая осевая сила может увеличиваться, уменьшаться или менять направление. Выбор подшипника только по весу узла не учитывает значительную часть фактической нагрузки.

Шкив, установленный консольно, создает дополнительное осложнение. Его боковая сила вызывает не только реакции в подшипниках, но и изгибающий момент. На величину этих реакций влияют расстояние от шкива до ближайшей опоры и расстояние между подшипниками. Умеренная внешняя боковая сила не обязательно означает умеренную нагрузку на каждый подшипник.

Перед выбором подшипников изобразите вал, расположение опор и приложенные силы. Учтите пуск, остановку и возможные нештатные режимы. Такая простая схема часто сразу показывает, почему решение только с упорным подшипником неполноценно.

Почему упорные шарикоподшипники не могут выполнять функцию радиальных направляющих

Обычный односторонний упорный шарикоподшипник состоит из тугого кольца, свободного кольца и сепараторного узла с шариками между ними. Дорожки качения расположены так, чтобы передавать силу в осевом направлении от одного кольца через шарики к другому.

Эта конструкция принципиально отличается от конструкции радиального шарикоподшипника, дорожки качения которого воспринимают радиальную нагрузку вокруг вала. Сепаратор упорного подшипника удерживает шарики на расстоянии друг от друга и направляет их; он не заменяет радиальную опору вала. Также нельзя считать допустимым путем передачи боковой нагрузки контакт между отверстием кольца и расположенным рядом компонентом.

Если упорный подшипник заставить ограничивать боковое перемещение, в узле могут возникнуть смещенный контакт, трение, неравномерное распределение нагрузки и повреждение сепаратора. Что именно выйдет из строя первым, зависит от посадок, зазоров, скорости и окружающей конструкции. Отсутствие немедленной поломки не означает, что такая схема подходит для применения.

Для стандартных упорных шарикоподшипников не существует универсального процента «допустимой небольшой радиальной нагрузки». Не используйте часть номинальной осевой грузоподъемности в качестве допустимой радиальной нагрузки. Если в документации конкретного производителя прямо не указано иное, при проектировании следует считать, что подшипник не обладает радиальной грузоподъемностью.

Сферическая опорная шайба этого правила не меняет. В подходящих конструкциях она может компенсировать некоторое начальное перекосное положение. Однако она не превращает упорный шарикоподшипник в подшипник для комбинированных нагрузок или направляющую, рассчитанную на значительный прогиб вала.

В работоспособной схеме для вертикального вала силовые пути разделены

Если нагрузки и скорости соответствуют условиям применения, отдельный упорный подшипник может воспринимать осевую силу, а радиальные подшипники — направлять вал. В этом случае назначение упорного подшипника четко определено: передавать осевую силу вала на буртик корпуса или другую правильно спроектированную опору.

Радиальные подшипники контролируют боковое положение и воспринимают реакции от внешних сил и изгибающих моментов. Их количество и расстояние между ними зависят от жесткости вала, наличия консольно установленных компонентов, требований к соосности и рабочей скорости. Один радиальный подшипник, установленный рядом с упорным, не обязательно образует полноценную опорную схему для длинного вала.

Менее очевидная задача — контролировать осевое положение. Если несколько подшипников непреднамеренно зажаты так, что каждый фиксирует вал в осевом направлении, тепловое расширение может создать внутренние нагрузки, не учтенные в расчетах. Конструкция должна определять, какой подшипниковый узел фиксирует вал и где компенсируются необходимые перемещения или расширение.

Этому следует уделить особое внимание, если для радиального направления используются радиальные шарикоподшипники с глубокими дорожками качения, поскольку они также могут воспринимать осевую нагрузку. Без продуманного выбора буртиков, посадок и зазоров они могут начать воспринимать осевую силу, предназначенную для отдельного упорного подшипника. Распределение нагрузки нужно проектировать, а не оставлять на усмотрение монтажных допусков.

Что делать, если направление осевой нагрузки меняется?

Односторонний упорный шарикоподшипник воспринимает осевую нагрузку только в одном направлении. В обычном режиме сила тяжести может поддерживать его под нагрузкой, однако направленная вверх сила процесса может уменьшить эту нагрузку или приподнять вращающийся узел над предусмотренной опорой.

Двусторонний упорный шарикоподшипник может воспринимать осевую нагрузку в обоих направлениях, но радиальной грузоподъемности он по-прежнему не обеспечивает. Изменение направления осевой нагрузки меняет требования к осевой опоре, но не отменяет необходимости радиального направления. Осевой зазор, минимальную нагрузку и предусмотренные меры по созданию предварительного натяга следует проверять по документации на выбранный подшипник.

Когда подшипники для комбинированных нагрузок предпочтительнее

Разделение радиальной и осевой опоры полезно, но не всегда дает самую простую или жесткую конструкцию. Если обе нагрузки значительны, более прямым решением может стать схема с радиально-упорными шарикоподшипниками или коническими роликоподшипниками.

Радиально-упорные шарикоподшипники воспринимают комбинированные радиальные и осевые нагрузки. Угол контакта, схема установки и предварительный натяг влияют на способность воспринимать осевую нагрузку, жесткость и допустимую скорость. Как правило, один подшипник воспринимает осевую нагрузку в одном направлении; правильно подобранная пара может работать при изменении направления осевой нагрузки и сопротивляться опрокидывающему моменту.

Конические роликоподшипники также воспринимают комбинированные нагрузки и могут подойти для применений, где необходимы значительная грузоподъемность и жесткость. Однако они требуют тщательной регулировки и смазывания, поэтому их не следует считать универсальной заменой схемам с шарикоподшипниками для высоких скоростей.

Радиальные шарикоподшипники с глубокими дорожками качения могут быть достаточны, если преобладает радиальная нагрузка, а осевая остается в пределах, установленных для конкретного подшипника. Каталожная позиция6317-2Z/P6CMV2 — один из вариантов, который можно рассмотреть при выборе, а не рекомендация для любого вертикального вала. Прежде чем указывать этот подшипник, проверьте его грузоподъемность, предельную скорость, внутренний зазор, требования к смазыванию и пригодность для фактической схемы монтажа.

Выбор должен соответствовать условиям нагружения. Замена упорного подшипника на более крупный упорный подшипник не решает проблему радиальной опоры.

Что нужно проверить помимо грузоподъемности

Даже если радиальные нагрузки воспринимаются другими подшипниками, для установки упорного подшипника на вертикальном валу недостаточно одной только номинальной грузоподъемности по каталогу. Надежность схемы может зависеть от нескольких практических факторов:

• Минимальная осевая нагрузка: Для правильного контакта тел качения упорным шарикоподшипникам, как правило, требуется достаточная осевая нагрузка. Одного веса вала может быть недостаточно для выполнения требований производителя на заданной скорости, особенно если силы процесса частично компенсируют вес.
• Опора колец и соосность: Опорные поверхности должны обладать достаточной жесткостью, плоскостностью и перпендикулярностью. Деформированная опора может вызвать неравномерное распределение нагрузки, даже если номинальная осевая нагрузка допустима.
• Подача смазки: В вертикальных узлах необходимо отдельно предусмотреть распределение и отвод смазки. Убедитесь, что выбранная система подачи пластичной смазки или масла обеспечивает ее поступление в зоны контакта без чрезмерного перемешивания.
• Скорость и температура: Проверьте ограничения для конкретного подшипника, сепаратора, смазочного материала и условий охлаждения. Удовлетворительная проверка статической нагрузки сама по себе не подтверждает пригодность для высокой скорости.
• Монтаж и фиксация: Соблюдайте требования чертежа и инструкции по монтажу: правильно ориентируйте кольца, выбирайте посадки и буртики, фиксируйте вал. Учитывайте также, что происходит при снятии нагрузки с упорного подшипника.

Если в существующей машине наблюдаются перегрев, шум или повторяющиеся повреждения сепаратора, не следует считать, что проблема решится увеличением осевой грузоподъемности. Прежде чем менять размер подшипника, проверьте, нет ли непредусмотренного радиального ограничения, прогиба вала, недостаточной минимальной нагрузки или проблем со смазыванием. Характер повреждений нужно оценивать вместе с историей эксплуатации.

Какие данные нужно собрать перед выбором подшипника

Для выбора полезно подготовить данные об ориентации и скорости вала, осевых нагрузках в обоих направлениях, радиальных силах и местах их приложения, расстоянии между подшипниками, режиме работы, температуре, способе смазывания и доступном монтажном пространстве. По возможности приложите чертеж вала и корпуса. Формулировки «вертикальный вал, тяжелый ротор» недостаточно, чтобы определить надежную опорную схему.

Компания Shandong Huamai Power Technology Co., Ltd., расположенная в Линьцине, Ляочэне, провинция Шаньдун, производит упорные, радиальные шарикоподшипники с глубокими дорожками качения, радиально-упорные и роликовые подшипники, а также нестандартные изделия по индивидуальным требованиям. Такой ассортимент позволяет при выборе рассматривать раздельную опору или опору для комбинированных нагрузок, а не ограничиваться одним типом подшипника. Изготовление по индивидуальным размерам может помочь решить ограничения по компоновке, но не отменяет необходимости определить правильный путь передачи нагрузки.

Для любого вертикального вала решающая проверка проста: определите, какой компонент воспринимает каждую радиальную силу. Если это упорный шарикоподшипник, его сепаратор или случайный контакт с кольцом, опорную схему необходимо пересмотреть до того, как расчеты срока службы подшипника станут осмысленными.