Упорный шариковый подшипник — это специализированный тип подшипника качения, предназначенный исключительно для восприятия осевых (упорных) нагрузок, действующих параллельно оси вращения. Его конструкция оптимизирована под высокие осевые усилия, но он не способен воспринимать сколько-нибудь значительные радиальные нагрузки. Попытка нагрузить его радиально приведет к быстрому выходу из строя.
Ключевые особенности конструкции:
- Кольца:
- Опорное кольцо (нижнее / основание): Имеет глубокую канавку (дорожку качения) для шариков. Монтируется в корпус (станину) и остается неподвижным относительно направления осевой нагрузки.
- Нажимное кольцо (верхнее): Имеет аналогичную канавку. Монтируется на вал и вращается вместе с ним. Принимает приложенную осевую нагрузку.
- Среднее кольцо (только для двухрядных): Используется в двухрядных подшипниках для разделения двух рядов шариков и восприятия осевой нагрузки в обоих направлениях.
- Шарики: Основной элемент качения — шарики, расположенные в один или два ряда в канавках между кольцами. Контакт с кольцами — точечный.
- Сепаратор (Клеть): Критически важный элемент. Удерживает шарики на равном расстоянии, предотвращает их соударение и обеспечивает равномерное распределение осевой нагрузки. В упорных подшипниках часто используются фасонные сепараторы (особенно латунные), которые охватывают шарики, обеспечивая их точное позиционирование и центрирование относительно оси. Материалы: штампованная сталь, механически обработанная латунь (чаще всего), полиамид.
- Отсутствие радиальных направляющих: Кольца не имеют бортиков или выступов, ограничивающих радиальное смещение. Это делает подшипник чрезвычайно чувствительным к радиальным силам и перекосам.
Типы исполнения:
- Однорядные (однонаправленные):
- Серия 5xxx (по ISO): (например, 51100, 51200, 51300 — возрастающий диаметр).
- Воспринимают осевую нагрузку только в одном направлении (обычно от нажимного кольца к опорному).
- Не могут воспринимать радиальные нагрузки.
- Требуют точной перпендикулярности монтажных поверхностей вала и корпуса.
- Для восприятия нагрузки в противоположном направлении или радиальных сил требуется установка дополнительных подшипников.
- Двухрядные (двунаправленные):
- Серия 52xxx (по ISO): (например, 52200, 52300).
- Имеют одно опорное кольцо, одно нажимное кольцо и одно среднее (плавающее) кольцо между двумя рядами шариков.
- Воспринимают осевые нагрузки в обоих направлениях.
- Обладают незначительной способностью к самоцентрированию за счет зазора между средним кольцом и корпусом/валом, что помогает компенсировать небольшие монтажные перекосы.
- Не могут воспринимать радиальные нагрузки.
Основные преимущества:
- Высокая осевая грузоподъемность: Способны выдерживать очень значительные осевые усилия благодаря точечному контакту шариков, работающему на сжатие вдоль оси.
- Компактность в осевом направлении: Однорядные модели особенно тонкие.
- Относительно низкое трение (для осевых нагрузок): По сравнению с упорными роликовыми подшипниками.
- Простота монтажа (однорядные): Простая установка между двумя параллельными поверхностями.
- Двунаправленность (двухрядные): Возможность воспринимать нагрузки в обоих направлениях одним подшипником.
Недостатки / Ограничения / Критически важные особенности:
- Нулевая радиальная грузоподъемность: Абсолютно не предназначены для восприятия радиальных нагрузок. Даже небольшая радиальная сила вызовет эксцентричное нагружение шариков, заклинивание и разрушение.
- Низкая максимальная скорость вращения: Значительно ниже, чем у радиальных или радиально-упорных шарикоподшипников. При высоких скоростях возникают центробежные силы, сдвигающие шарики от центра дорожки, и проблемы со смазкой сепаратора.
- Высокая чувствительность к перекосам (особенно однорядные): Оси вала и посадочного отверстия в корпусе должны быть строго параллельны, а монтажные поверхности — строго перпендикулярны оси. Малейший перекос вызывает неравномерное нагружение шариков и быстрый износ. Двухрядные чуть менее чувствительны.
- Обязательная жесткая осевая фиксация: Кольца должны быть надежно зафиксированы в осевом направлении относительно вала и корпуса (например, стопорными кольцами, крышками, гайками), чтобы предотвратить их смещение под нагрузкой.
- Требовательность к жесткости узла: Вал и корпус должны обладать высокой жесткостью, чтобы минимизировать прогибы, которые приведут к перекосу.
- Сложность смазки: Центробежные силы затрудняют подачу смазки к шарикам, особенно на высоких скоростях. Часто требуют принудительной циркуляционной смазки или специальных смазочных материалов.
Основные сферы применения (где преобладают осевые нагрузки):
- Вертикальные валы:
- Вертикальные центробежные насосы.
- Вертикальные электродвигатели.
- Редукторы с вертикальными валами.
- Подпятники: Узлы, воспринимающие осевую нагрузку вала, опирающегося на неподвижную поверхность (например, в турбинах, крупных редукторах).
- Поворотные устройства:
- Поворотные краны (стреловые, башенные).
- Поворотные платформы (экскаваторов, ветрогенераторов при наведении на ветер).
- Столы станков (фрезерных, расточных).
- Домкраты (винтовые и шарико-винтовые пары): Восприятие осевой нагрузки от поднимаемого груза.
- Сцепления и тормозные механизмы (где есть значительные осевые усилия).
- Узлы рулевого управления (некоторые типы).
Стандарты: Основные стандарты — ISO 104 (Размеры упорных шариковых подшипников), DIN 711, ГОСТ 6874-75 (Подшипники шариковые упорные однорядные) и ГОСТ 7392-75 (Подшипники шариковые упорные двухрядные).
Альтернативы:
- При очень высоких осевых нагрузках и низких/средних скоростях -> Упорные роликовые подшипники (цилиндрические, конические, сферические — например, серии 8xxx по ISO). Имеют значительно большую осевую грузоподъемность благодаря линейному контакту, но еще более низкие скорости и большие габариты.
- При комбинированных (радиальных + осевых) нагрузках -> Радиально-упорные шарикоподшипники или Конические роликоподшипники.
- При высоких скоростях и комбинированных нагрузках -> Радиально-упорные шарикоподшипники (устанавливаются парой).
В сущности: Упорный шариковый подшипник — это узкоспециализированное решение для чистых осевых нагрузок. Его выбирают, когда нужно эффективно передать значительное усилие вдоль оси вала, а радиальные нагрузки отсутствуют или воспринимаются отдельными радиальными подшипниками. Ключ к его долгой службе — строгая параллельность и перпендикулярность монтажных поверхностей, надежная осевая фиксация колец и абсолютное исключение радиальных нагрузок. Это «осевой трудяга», требующий аккуратного обращения.