Как выбрать российские подшипники промышленных вентиляторов? Рекомендации по термическому расширению, аксиальному расположению и конфигурации фиксированных/плавающих концов 

Для российских инженеров по эксплуатации промышленного оборудования, производителей и покупателей ветряных турбин. В этой статье не перечисляются модели подшипников, но она начинается с наиболее распространенных явлений отказа промышленных вентиляторов, уделяя особое внимание повышению температуры, тепловому расширению вала, осевому расположению и конфигурации фиксированного/плавающего конца, чтобы установить набор непосредственно применимых процессов выбора и устранения неисправностей, которые помогут вам определить, почему подшипники перегреваются, вибрируют и издают ненормальный шум, а также как продлить срок службы подшипников за счет правильной конфигурации опор.

1. Почему подшипники промышленных вентиляторов перегреваются или преждевременно выходят из строя?

Самое распространенное недоразумение на месте – это торопиться с заменой подшипника на ту же модель, как только возникла проблема. Однако многие повышения температуры и ранние отказы связаны не с самим подшипником, а с тепловым расширением системы вала, ограничениями при установке и конфигурацией опор.

1.1 Четыре распространенных типа проблем с подшипниками промышленных вентиляторов

• Перегрев подшипника: Температура подшипника продолжает расти или значительно превышает нормальную рабочую температуру и допустимый диапазон, указанный производителем. Изменение цвета смазки, утечка и другие явления могут быть использованы в качестве вспомогательного основания для вынесения суждения. Прибор для измерения температуры следует использовать и оценивать на основе требований к оборудованию. Не рекомендуется использовать прикосновение руки в качестве эталона температуры.
• Ненормальная вибрация: Повышенная рабочая вибрация может быть вызвана несбалансированным рабочим колесом, плохой центровкой муфты, ослаблением опор или повреждением дорожки качения подшипника.
• Аномальный шум: Периодически слышны «булькающие» и «шуршащие» звуки или удары тел качения. Разные скорости вращения и разные слуховые ощущения.
• ранний отказ: Отслоилась дорожка качения, сломался сепаратор, изношена (ползет) сопрягаемая поверхность или нарушена смазка, а срок службы намного ниже расчетного.

Здесь необходимо провести границу: ни одно из этих четырех явлений не является исключительным симптомом проблем с тепловым расширением. Просто по «высокой температуре» или «большой вибрации» нельзя напрямую сделать вывод о неправильной конфигурации подшипника — повышение температуры может быть связано с недостаточной смазкой, чрезмерной нагрузкой, а вибрация может быть от центровки или балансировки. Только рассматривая тепловое расширение как звено в цепочке исследования, а не как единственный ответ, мы сможем избежать ошибочного диагноза.

1.2 Как тепловое расширение «подталкивает» подшипники к выходу из строя

Разверните в соответствии с фактической последовательностью работы вентилятора:

• После запуска вентилятора температура вала, гнезд подшипников и окружающих конструкций повышается. Каждая деталь имеет разную скорость нагрева, коэффициент линейного расширения материала и геометрический размер, а также различное тепловое смещение.
• Относительное смещение происходит между валом и гнездом подшипника, а также между валом и торцевой крышкой. Температура вала обычно выше, чем температура посадочного места подшипника, а расстояние между опорами велико, поэтому термическое удлинение вала является значительным.
• Если плавающий конец не может должным образом компенсировать это осевое смещение (например, он блокируется торцевой крышкой, заплечиком или проставкой), осевое смещение преобразуется в дополнительную осевую нагрузку внутри подшипника.
• Дополнительная осевая нагрузка накладывается на аэродинамическую тягу, а повышение температуры, трение и вибрация усугубляют друг друга, вызывая преждевременное повреждение подшипников и связанных с ними деталей.

1.3 Сценарии применения вентиляторов, требующие особого внимания

Разные приложения имеют разные приоритеты при выборе модели:

Для высокотемпературных вентиляторов воздушного потока (таких как вытяжные вентиляторы котлов и вентиляторы дымовых газов) необходимо подтвердить две дополнительные вещи: расположены ли подшипники вне канала воздушного потока и будет ли тепло, передаваемое от вала и рабочего колеса, выталкивать температуру подшипника за пределы допустимого диапазона. Чем ближе подшипник расположен к источнику тепла, тем больше проблем теплового расширения и проблем со смазкой перекрываются, и тем больше невозможно сохранить конфигурацию.

2. Какие параметры необходимо подтвердить перед выбором?

Многие ошибки выбора вызваны не неправильными методами выбора, а неполным вводом параметров. В этом разделе представлен список коллекций, который инженеры по техническому обслуживанию и отделу снабжения могут напрямую сравнивать.

2.1 Сбор основных данных о вентиляторах и валах

Дополнительные сведения, которые нельзя пропустить: направление и величина нагрузки, материал вала, материал гнезда подшипника, частота запуска, рабочий цикл, история отказов подшипников ветряной турбины и полный номер модели существующих подшипников (включая суффикс). Суффиксы в полном номере модели (зазор, клетка, тип уплотнения) часто являются ключевыми подсказками.

2.2 Определите, находится ли вентилятор в «постоянных рабочих условиях» или «изменяющихся рабочих условиях».

Один и тот же комплект подшипников имеет совершенно разные фактические условия работы при разных скоростях, температурах и нагрузках. Давайте сначала определим, к какому типу вентиляторов относится данный вентилятор:

• Вентилятор непрерывной работы с постоянной скоростью и стабильной температурой: Условия работы относительно стабильны, поэтому выбор следует ориентировать в основном на номинальный балл.
• Вентилятор с частым запуском и остановкой или регулированием скорости с переменной частотой.: Скорость вращения и температура постоянно меняются, поэтому особое внимание следует уделять смазке и зазору в диапазоне изменения скорости.
• Вентилятор, в котором температура горячего газа меняется в зависимости от процесса: Температура вала сильно колеблется, поэтому величина теплового расширения и плавающий ход должны рассчитываться в соответствии с верхним пределом рабочего состояния.
• Оборудование, которое запускается при низкой температуре наружного воздуха и после работы имеет значительно более высокую температуру.: Вязкость смазки высока на этапе запуска, что затрудняет пополнение смазки. Ось после эксплуатации значительно выдвигается, и приходится обрабатывать оба конца.

Решение на этом этапе определяет направление всех последующих расчетов и конфигураций, а также выбор зазора и смазки.

2.3 Определите исходную конструкцию опоры подшипника

Во время проверки на месте подтвердите и запишите каждую позицию: модели подшипников, используемые на ведущей и неведущей стороне; какие конструкции используются для расположения внутреннего и наружного колец подшипника; какой конец допускает осевое смещение; достигается ли плавающее смещение внутри подшипника или за счет скольжения между кольцом подшипника и седлом подшипника; конструкция торцевой крышки посадочного места подшипника, буртика, контргайки и распорной втулки; оригинальная схема установки и осевое положение перед разборкой.

Здесь следует подчеркнуть распространенное заблуждение: не делайте выводов, основанных на том, что «ведущий конец — это неподвижный конец». Единственной основой для оценки фиксированного конца и плавающего конца является путь осевого позиционирования и фактическая структурная схема, а не вопрос «какой конец имеет муфту». Вполне возможно, что приводной конец одного и того же вентилятора будет выполнен в виде плавающего конца. Сфотографировать, разметить и измерить осевое положение перед разборкой машины гораздо надежнее, чем потом гадать о конструкции.

3. Как тепловое расширение влияет на выбор подшипников промышленных вентиляторов?

Давайте сначала поговорим о принципах, затем приведем примеры расчетов и, наконец, перейдем к суждению о вине.

3.1 Связь между температурой вала и осевым удлинением

Металлический вал при нагревании растягивается по длине. Для промышленных вентиляторов с большим расстоянием между опорами, большим повышением температуры вала или значительными перепадами температуры это растяжение напрямую влияет на осевое положение и внутреннюю нагрузку подшипника. Используйте формулу линейного расширения, чтобы оценить:

• : изменение длины вала, мм;
• :Коэффициент линейного расширения материала вала, 1/°C;
• : расчетная длина (обычно принимается за межосевое расстояние между двумя опорами), мм;
• : Изменение температуры оси относительно исходного состояния, °С.

3.2 Пример практического расчета: оценка осевого термического удлинения вала

Ниже приведен гипотетический пример расчета, демонстрирующий метод, который не отражает фактические измеренные данные какой-либо реальной ветряной турбины.

известные условия:

• ;
• Материал вала: сталь;
• Коэффициент линейного расширения:
• Температура вала повышается относительно исходного состояния:.

вычислить:

То есть, при этом упрощающем допущении, свободное тепловое удлинение вала в пределах расстояния между опорами составляет примерно 0,72 мм.

Высказанные предположения: В этом примере предполагается, что вал нагревается на 60°C равномерно в пределах расчетной длины 1000 мм и что коэффициент линейного расширения материала остается неизменным. В реальной инженерии относительное смещение системы вала должно рассчитываться на основе фиксированного конечного положения, распределения осевой температуры и теплового смещения гнезда подшипника и связанных с ним конструкций, а затем должен быть определен требуемый ход компенсации.

Правильно использовать это число важнее, чем его вычислить:

• 0,72 мм — это свободное удлинение вала, а не конечное значение необходимого хода плавающего конца.
• Необходимо различать удлинение вала, тепловую деформацию гнезда подшипника и относительное смещение между ними: плавающий конец действительно должен поглощать относительное смещение, а не абсолютное удлинение вала.
• Также учитывайте распределение температуры вала (температура в середине вала может быть выше, чем на обоих концах), положение неподвижного конца, производственные допуски, ошибки сборки и конструктивные ограничения.
• Доступное смещение плавающего конца должно покрывать расчетное относительное смещение, оставляя запас, подлежащий инженерной оценке. Осевое термическое удлинение проходит через всю систему валов, а сами торцевые крышки, уплотнения и седла подшипников должны быть учтены в расчете.

3.3 Почему просто посмотреть на температуру посадочного места подшипника недостаточно

Температура посадочного места подшипника не равна температуре вала. Именно здесь оценки теплового удлинения, скорее всего, окажутся ошибочными.

Следует различать и фиксировать отдельно: температуру вала вблизи внутреннего кольца подшипника; температура наружного кольца и седла подшипника; температура воздушного потока вентилятора или технологической среды; температура окружающей среды; и изменения температуры на каждом этапе запуска, стабильной работы и охлаждения при выключении.

Если вы используете значение измерения температуры посадочного места подшипника только для оценки теплового удлинения вала, это может привести к недооценке или переоценке фактического относительного смещения. Температуру вала следует измерять напрямую, насколько это возможно (например, измерение температуры на заплечике вала), или инженерные оценки следует делать на основе технологической теплопередачи, а не использовать температуру корпуса для составления числа.

3.4 Что произойдет, если тепловое расширение не компенсируется

Если плавающий конец ограничен торцевой крышкой или заплечиком и осевое смещение невозможно устранить, оно преобразуется в дополнительную осевую нагрузку, которая увеличивает повышение температуры, трение и вибрацию и приводит к преждевременному повреждению подшипников и сопрягаемых поверхностей.

Следует также остерегаться рисков с другой стороны: если плавающий конец закреплен неплотно и «перемещается», кольцо подшипника будет ползать, сопрягаемая поверхность будет изнашиваться или вибрация увеличится. Следовательно, плавающий конец должен не только иметь возможность перемещаться в осевом направлении, но также должен поддерживать достаточную радиальную поддержку и правильную посадку – «ослабленное» означает ослабление механизма осевого смещения, а не ослабление радиальной посадки.

4. Как следует настроить фиксированный и плавающий конец?

4.1 Что такое фиксированный конец?

Подшипник с фиксированным концом имеет четыре обязанности:

• радиальная нагрузка на опорный вал;
• Ограничить осевое перемещение вала относительно посадочного места подшипника;
• Нести осевую нагрузку в указанном направлении в соответствии с фактической конструкцией;
• Обеспечьте четкую ориентировку осевого позиционирования для всей системы валов.

Фиксированный конец обычно удерживается в осевом направлении буртиком, контргайкой, торцевой крышкой или другой позиционирующей конструкцией. Конкретная используемая конструкция зависит от типа подшипника и конструкции посадочного места подшипника и не может быть отделена от этих двух пустых слов.

4.2 Что такое плавающий конец?

Плавающий конец в основном отвечает за радиальную поддержку, в то же время допуская требуемое конструкцией осевое относительное смещение между валом и гнездом подшипника. Сосредоточьтесь на различении двух вариантов реализации:

Вариант А: Осевое смещение реализуется внутри подшипника.

Примеры включают цилиндрические роликоподшипники и конструкции соответствующей конструкции типа NU или N с соответствующей способностью внутреннего смещения. Наружное кольцо цилиндрического роликоподшипника типа NU имеет два борта, а внутреннее кольцо не имеет бортов. Роликовый узел может подвергаться осевому смещению относительно внутреннего кольца, поэтому этот тип конструкции часто используется на нефиксирующемся конце, допускающем осевое смещение. Конкретный допустимый диапазон смещения, ограничения по нагрузке и скорости должны быть указаны производителем.

Вариант Б: Осевое смещение реализуется между кольцом подшипника и ответным седлом.

Определенные конфигурации радиальных шарикоподшипников или сферических роликоподшипников обеспечивают плавучесть благодаря правильной посадке кольца и конструкции корпуса. В это время необходимо проверить поверхность скольжения, доступный ход и соответствие требованиям, а наружное кольцо нельзя просто ослабить.

Основное различие между двумя решениями заключается всего в одном предложении: происходит ли осевое смещение внутри подшипника или между кольцом подшипника, валом и седлом подшипника. Только поняв это, можно судить, следует ли проверять сам подшипник или посадку и посадочное место подшипника.

4.3 Распространенные конфигурации подшипников промышленных вентиляторов

Принцип, которого необходимо придерживаться: не все вентиляторы механически настроены одинаково. Решение зависит от жесткости вала, величины осевой нагрузки, конструкции подшипника и конструктивных требований производителя оборудования.

4.4 Что происходит, когда оба конца случайно зажаты

Проиллюстрируем примером сценария устранения неполадок:

После замены подшипника температура вытяжного вентилятора продолжала расти. Проверка показала, что осевое перемещение подшипников на обоих концах было ограничено торцевыми крышками и заплечиками, а в конструкции не было другого механизма компенсации термического удлинения. Вал не может удлиниться после нагрева, а дополнительные осевые нагрузки давят на подшипники, вызывая повышение температуры и вибрацию.

Стандартная последовательность проверок:

1. Выключите машину и изолируйте электроэнергию в соответствии с правилами безопасности оборудования;
2. Проверьте структуру осевого позиционирования подшипников на обоих концах по оригинальным чертежам;
3. Проверьте, не ограничен ли плавающий конец торцевыми крышками, уплотнениями, прокладками или другими деталями;
4. Проверьте сопрягаемую поверхность кольца подшипника на наличие признаков проскальзывания, износа или заедания;
5. Рассчитайте ожидаемое относительное тепловое смещение и проверьте допустимое перемещение конструкции;
6. Соберите заново в соответствии со спецификациями производителя и запишите температуру, вибрацию и осевое смещение после испытательного запуска.

Ценность здесь в том, что речь идет не просто о замене подшипников, а сначала выяснении, какая деталь блокирует осевое смещение, а затем целенаправленном ремонте.

5. Какой подшипник следует выбирать для различных условий работы?

Сочетайте тепловое расширение, конфигурацию опоры и фактический тип подшипника, чтобы ответить на вопрос о покупке «какой тип использовать?»

5.1 Радиальные шарикоподшипники: распространенный выбор для вентиляторов общего назначения

• Подходит для применений с преимущественно радиальной нагрузкой, требованиями к высокой скорости и осевой нагрузкой в ​​пределах допустимого диапазона;
• Характеристики трения и скоростные характеристики должны быть всесторонне оценены в сочетании с размером, нагрузкой, смазкой и уплотнением;
• Для одного и того же вентилятора подбор шариков с глубокими канавками под разные скорости и нагрузки может отличаться на одну размерную серию, и модель не может быть определена исключительно на основании мощности вентилятора или диаметра вала;
• Если он используется в качестве позиционирующего конца, необходимо подтвердить, что его осевая несущая способность соответствует фактической осевой нагрузке, и нельзя игнорировать аэродинамическую тягу.

5.2 Цилиндрические роликоподшипники: выдерживают более высокие радиальные нагрузки.

• Подходит для условий работы с высокой радиальной нагрузкой и большой радиальной несущей способностью;
• Конструкции типа НУ и Н часто используются для непозиционируемых опор (плавающих концов), допускающих осевое смещение;
• NU, NJ и NUP имеют разные возможности осевого позиционирования, поэтому всю серию цилиндрических роликов нельзя рассматривать как «все одинаковые»:
• Тип НУ: внутреннее кольцо не имеет ребер, выдерживает осевое смещение и часто используется для плавающих концов;
• Тип Нью-Джерси: Внутреннее кольцо имеет одно боковое ребро, которое может воспринимать осевую нагрузку в одном направлении и играет роль частичного позиционирования;
• Тип НУП: Внутреннее кольцо имеет двойные боковые ребра и стопорные кольца, которые выдерживают осевые нагрузки в обоих направлениях и выполняют функцию фиксированного конца.
• При выборе проверьте скорость, внутренний зазор, смазку и допустимое осевое смещение.

5.3 Сферические роликоподшипники: большие вентиляторы для тяжелых условий эксплуатации

• Подходит для более тяжелых радиальных нагрузок;
• Он имеет возможность компенсировать определенную степень смещения оси и отклонения вала;
• Обычно встречается в больших промышленных вентиляторах и тяжелых опорных конструкциях;
• Если используется на нефиксирующем конце, Механизм осевого смещения, метод установки, доступный ход и условия нагрузки должны быть проверены в соответствии с конкретной конструкцией, а также должны соблюдаться требования производителя к установке.

5.4 Радиально-упорные шарикоподшипники: комбинированная нагрузка и осевая жесткость

• Подходит для применений, в которых необходимо выдерживать комбинированные нагрузки и иметь четкое направление и величину осевой нагрузки;
• Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники необходимо оценивать на основе угла контакта, метода сопряжения и направления установки – угол контакта определяет осевую несущую способность и осевую жесткость;
• Для конструкций, чувствительных к предварительной нагрузке, осевой жесткости и повышению температуры, конфигурация должна определяться требованиями к конструкции оборудования, а не основываться на опыте.

5.5 Сравнительная таблица типов подшипников

Это всего лишь предварительное направление отбора, а не типовая рекомендация, которую можно приобрести напрямую без расчета. Для окончательного выбора необходимо также проверить данные производителя подшипника о нагрузке, скорости, сроке службы, зазоре и установке в соответствии с формулой срока службы ISO 281.

6. Как посадка, допуски, внутренний зазор и смазка влияют на надежность?

Даже если тип подшипника и конфигурация опоры правильные, все равно может произойти преждевременный выход из строя, если посадка, зазор или смазка не подходят.

6.1 Как выбрать посадку подшипника

• Посадка внутреннего кольца на вал, посадка наружного кольца на посадочное отверстие подшипника;
• При выборе посадки необходимо всесторонне учитывать такие факторы, как состояние движения наконечника относительно нагрузки, размер нагрузки, воздействие, размер подшипника, материал и рабочая температура. Кольца, подвергающиеся вращающимся нагрузкам, обычно требуют более надежной посадки, чтобы снизить риск проскальзывания, но точную величину натяга или зазора следует определять на основе рекомендаций производителя подшипника. При использовании скользящей посадки для достижения осевого плавания также необходимо проверить возможность осевого перемещения, устойчивость радиальной опоры и требования к предотвращению ползучести;
• Влияние деформации седла подшипника, коррозии или загрязнения на плавучесть.

6.2 Когда учитывать зазор C3 или C4

Взаимосвязь между радиальным внутренним зазором и рабочим состоянием:

• Нарушение установки приведет к уменьшению радиального внутреннего зазора;
• При наличии разницы температур между внутренним и наружным кольцами рабочий зазор будет продолжать изменяться (внутреннее кольцо обычно нагревается сильнее и расширяется сильнее, еще больше уменьшая зазор);
• Более высокие классы начального зазора, такие как C3 и C4, могут использоваться в определенных рабочих условиях, но C3 не обязательно означает высокие температуры;
• Чрезмерный остаточный рабочий зазор также может отрицательно повлиять на вибрацию, распределение нагрузки и точность работы.

Возьмем, к примеру, высокотемпературные вентиляторы: зазор подшипника необходимо оценивать наряду с посадкой, температурой, нагрузкой и смазкой. Распространенным отклонением является регулировка зазора только без учета посадки и разницы температур.

6.3 Смазка консистентной или масляной смазкой

Дополнение для российских применений: Обратите внимание на проблемы низкотемпературной смазки при запуске двигателя на открытом воздухе зимой, но смазку нельзя рекомендовать только на основании самой низкой температуры окружающей среды. Также необходимо учитывать фактическую температуру подшипника, вязкость базового масла, консистенцию (класс NLGI) и требования производителя оборудования. При низких температурах вязкость смазки увеличивается, а текучесть становится плохой, что затрудняет пополнение смазки. Когда температура вала повышается после работы, смазка должна быть способна нормально смазывать при рабочей температуре. Вы должны позаботиться об обоих концах.

7. Практический пример: устранение неполадок, связанных с аномальным повышением температуры подшипников промышленного вентилятора.

7.1 Начальные симптомы

В промышленном вытяжном вентиляторе произошли следующие явления:

• Запускается нормально при запуске;
• По мере повышения температуры вала температура подшипников постепенно увеличивается;
• Аномальная вибрация возникает после стабильной работы в течение определенного периода времени;
• После замены такого же подшипника проблема повторилась.

«Заменять подшипник на ту же модель бесполезно», именно эта подсказка указывает на проблему с настройкой и установкой, а не на сам подшипник.

7.2 Пошаговый процесс устранения неполадок

1. Проверьте смазку. Проверьте тип, количество, загрязненность и состояние подачи масла, чтобы исключить недостаточную смазку или перелив.
2. Проверьте механическое состояние. Проверьте дисбаланс рабочего колеса, натяжение ремня, соосность муфты, прогиб вала и ослабление креплений.
3. Проверьте осевое позиционирование. Проверьте конструкцию фиксированного конца, плавающего конца и торцевой крышки, чтобы убедиться, что путь осевого смещения не ограничен.
4. Рассчитать тепловое удлинение. Осевое удлинение оценивается на основе материала вала, эффективной длины и изменений температуры вала, а также оценивается относительное тепловое смещение корпуса подшипника.
5. Проверьте соответствие и играйте. Проверьте вал, допуски корпуса, остаточный зазор после установки и фактическую подвижность плавающего конца.
6. Пробный запуск и проверка. Запишите температуру, вибрацию, скорость вращения и осевое смещение при тех же или сопоставимых рабочих условиях, чтобы определить, действительно ли изменения решают проблему.

7.3 Что следует записать после исправления?

Заключение дела: Сначала определите, связана ли проблема с корпусом подшипника, смазкой, механическим состоянием или ограничениями системы вала и конфигурацией установки, а затем используйте ту же точку измерения и тот же метод измерения для записи данных до и после замены, чтобы оценить, действительно ли изменение эффективно.

8. Контрольный список выбора подшипников промышленного вентилятора

Его можно напрямую сохранить и отправить в отдел технического обслуживания или в отдел закупок, а элементы можно проверять один за другим:

• Подтвердите исходную модель подшипника, размер и модель оборудования.
• Подтвердите скорость вращения, радиальную нагрузку и осевую нагрузку.
• Запишите температуру вала, корпуса подшипника и окружающей среды.
• Измерьте межосевое расстояние между двумя опорами подшипников и оцените тепловое удлинение.
• Определить фактическую структуру фиксированных и плавающих концов.
• Проверьте режим смещения и доступный ход плавающего конца.
• Проверьте посадку подшипника, зазор и требования к смазке.
• Подтвердите наличие пыли, влаги, низкой температуры и условий уплотнения.
• Проверьте номинальный срок службы, скорость и требования к установке.
• Сохранение данных о температуре испытательного запуска, вибрации и смещении.

Резюме: Три принципа

1. При выборе подшипника также необходимо учитывать нагрузку, скорость, температуру, смазку и срок службы.Если вы посмотрите на какой-то отдельный предмет в одиночку, вы его пропустите.
2. Неподвижный конец отвечает за осевое позиционирование, а плавающий конец отвечает за компенсацию осевого относительного смещения, требуемого конструкцией.Конкретная структура должна соответствовать фактическим условиям работы и подтверждаться индивидуально.
3. Для вентиляторов с периодическим повышением температуры или проблемами с вибрацией приоритет следует отдавать устранению системных причин, а не простой замене подшипников того же типа.Тепловое расширение, осевое ограничение и конфигурация крепления часто являются основными причинами.