Втулки скольжения: бронза, капролон, полиамид, фторопласт. Что выбрать

По каким параметрам сравнивают материалы втулок

Подшипник скольжения изнашивается от трения и греется от него же, поэтому материал оценивают тремя числами. Первое число, давление p, равно радиальной нагрузке, поделённой на проекцию втулки (диаметр на длину). Второе, скорость скольжения v, считают по окружности вала. Третье, произведение pv, показывает, сколько тепла выделяется на единице площади, и у пластика именно оно чаще всего ограничивает узел.

Справочные значения ниже взяты для работы в паре со стальным валом при комнатной температуре. Они даны как ориентир для первого выбора. Паспорт конкретной партии материала и каталог производителя втулок важнее любой таблицы, а для ответственного узла нужен испытательный образец.

Таблица допустимых режимов

Значения для бронз приведены по справочнику режимов в статье Вестника Полоцкого университета (2009). Цифры для капролона пересчитаны из американских единиц по таблицам Quadrant и Curbell: 3000 psi·fpm дают 0,105 МПа·м/с, 14 000 дают 0,49. Предельные 14 МПа и 2 м/с у этих производителей относятся к динамическим подшипникам из литого полиамида. Для металлофторопластовой ленты pv 1,5 МПа·м/с и диапазон температур от 73 до 553 К указаны в обзоре Рогова с соавторами. По железографиту использованы данные ГОСТ 26802-86.

Литьевой полиамид ПА6 из гранул слабее капролона, который получают анионной полимеризацией в форме. Капролон кристалличнее и прочнее, поэтому втулки скольжения серьёзной нагрузки делают из него. Сравнение с другими пластиками есть на страницах капролон или фторопласт, капролон или POM и текстолит или капролон.

Пример расчёта pv

Возьмём вал диаметром 40 мм, втулку длиной 40 мм, радиальную нагрузку 2000 Н и 100 об/мин.

При 300 об/мин скорость вырастет до 0,63 м/с, а pv до 0,79. Капролон со смазкой уже не справится, маслонаполненные марки тоже на пределе. Бронза остаётся в пределах нормы. Если температура вокруг узла выше 65 °C, предел по pv у полиамида снижается: Curbell для маслонаполненной марки приводит поправку 0,7 при 150 °F.

Бронза: какую брать и как ставить

Втулка бронзовая скольжения нужна там, где есть и нагрузка, и удары, и смазка. Две марки закрывают почти все задачи. БрАЖ9-4 твёрже (около 130 HB в испытаниях Полоцкого университета против 60 HB у БрОЦС5-5-5) и тяжелее изнашивается в парах с твёрдым валом, зато и сам вал она изнашивает быстрее. БрОЦС5-5-5 мягкая, хорошо прирабатывается и прощает небольшую несоосность, но на пути трения 6000 м её износ в тех же опытах оказался почти вдвое больше. Подробно марки сопоставляют на странице ЛС59-1 или БрАЖ9-4.

Диаметральный зазор между валом и бронзовой втулкой скольжения составляет 0,001–0,002 диаметра. Для вала 40 мм посадка H7/f7 даёт зазор от 0,025 до 0,075 мм, что укладывается в этот диапазон. Для быстроходных узлов с жидкостным трением берут H8/e8, там остаётся место для масляного клина.

Капролон и полиамид: зазор и рост размеров

Втулка из капролона ведёт себя иначе, чем металлическая, и главное отличие в зазоре. Полиамид сильнее расширяется от нагрева, набирает около 2,2 % воды в обычном цеху и до 6,5–7 % в воде, а при запрессовке сжимается внутрь. По методике Quadrant и Curbell диаметральный зазор складывается из трёх частей. Первая зависит от диаметра вала, вторая от толщины стенки и температуры, третья компенсирует усадку при запрессовке.

Для вала 40 мм, стенки 5 мм и корпуса 50 мм при 75 °F (24 °C) получается примерно так:

Получилось около 1 % диаметра вала, и это совпадает с ориентиром Boedeker и Quadrant. Для сравнения: у бронзы при H7/f7 те же 40 мм дают 0,025–0,075 мм. Если в воде капролоновая втулка работает постоянно, к зазору добавляют ещё поправку на набухание. У Curbell она составляет от 0,3 до 0,8 мм в зависимости от толщины стенки. Для такой среды проще взять POM или фторопласт, они почти не впитывают воду.

Точат капролон острым инструментом, как цветной металл, и к размеру подкрадываются: после снятия внутренних напряжений деталь «плывёт», а в СОЖ ещё и немного набухает. Отрезать заготовку болгаркой не стоит, потому что пластик плавится на кромке. Если узел греется, в нём всё равно ставят бронзу, а не капролон.

Графитонаполненный капролон и марки с дисульфидом молибдена снижают износ и трение: у марок Nylatron с твёрдой смазкой коэффициент трения 0,14–0,20. Всухую предел по pv у марок с MoS₂ почти такой же, как у обычного капролона, а маслонаполненные держат около 0,56 МПа·м/с. Это следует из таблиц Quadrant и Curbell.

Запрессовка втулки в корпус

Закрепляют втулку натягом, и от посадки зависит, не провернётся ли она вместе с валом. Бронзовые втулки в стальной корпус ставят по H7/p6 для тонкостенных и по H7/r6 для обычных. Для ⌀50 мм H7/r6 даёт натяг от 9 до 50 мкм. Запрессовка втулки идёт на прессе или струбцине, а не молотком: при перекосе на посадочной поверхности остаётся задир, и втулка садится неплотно. На торце втулки и на входе в корпус делают фаску, посадочные поверхности смазывают.

При запрессовке стенка сжимается, и внутренний диаметр уменьшается примерно на величину натяга. Поэтому отверстие под вал доводят в размер только после запрессовки: втулку разворачивают в сборе с корпусом под посадку H7 или H8. Если развернуть нельзя, диаметр на чертеже втулки увеличивают на усадку и подтверждают пробной запрессовкой на двух-трёх образцах. Допуски и отклонения под каждое поле сведены в справочнике допусков и посадок, а посчитать зазор быстро помогает калькулятор допусков и посадок.

У капролона правила те же, но числа другие. Натяг по таблице Curbell около 0,3 % диаметра корпуса, то есть примерно 0,15 мм для корпуса 50 мм. На такую же величину диаметр отверстия увеличивают заранее. Капролоновую втулку лучше стопорить стопорным кольцом или буртиком: при больших нагрузках и нагреве полиамид ползёт и выходит из корпуса.

Вал под втулку: сталь, твёрдость, шероховатость

Для пластиковых втулок Quadrant рекомендует шлифованный закалённый вал. Обычный покупной вал имеет твёрдость около 55 HRC, а 35 HRC считается нижней границей, при которой пара ещё работает. Шероховатость поверхности вала у производителя указана как 16 RMS (около Ra 0,4 мкм), 32 RMS (около Ra 0,8 мкм) тоже допустима. Нержавеющие валы нужны закаливаемых марок: AISI 303 и 304 в паре с пластиком быстро изнашиваются. Шероховатость самой пластиковой втулки не так важна, годится даже до 125 RMS.

Для бронзы единой нормы у меня нет, и здесь работает практика: вал из стали 45 или 40Х с закалкой ТВЧ до 45–55 HRC и шлифовкой до Ra 0,4–0,8 мкм. Мягкий вал без закалки быстро получает кольцевые риски, особенно в паре с БрАЖ9-4. Перевод между единицами твёрдости даёт справочник по твёрдости, а соответствие классов шероховатости — справочник по шероховатости. Как точат и шлифуют валы, описано в статье о валах и осях.

Типичные отказы втулок скольжения

Как заказать втулку по чертежу

В чертеже втулки укажите материал и марку, посадку наружного диаметра в корпус, посадку отверстия (или поле допуска после запрессовки и развёртки), шероховатость отверстия, наличие смазочных канавок и фасок. Для капролона добавьте условия работы: температуру, влажность и смазку, иначе зазор мастерская подберёт наугад. Втулки, фланцы и кольца точат на токарных станках с ЧПУ за один установ, и подробнее об этом написано в статье как делают втулки и фланцы. Какие размеры мастерская проверит на выходе, перечислено в статье про контроль качества.