カーボングラファイトブッシュクリアランス設計基準と公差管理ガイド

グラファイトブッシュのクリアランスに関する普遍的な表は存在しません。水の場合は軸径の0.0015～0.0025倍、油は0.001～0.002倍、ガスは0.002～0.003倍が出発点であり、最終決定値ではありません。狭すぎるとブッシュが焼き付き、広すぎると振動や騒音が発生します。カーボングラファイトの熱膨張率は鋼の1/3～1/2程度であるため、高温環境では別途クリアランスの検証が必要です。また、新品ブッシュは24～100時間の慣らし運転が必要です。本記事では媒体別の推奨値、許容差配分方法、検査技術を紹介します。

1. クリアランス設計の基本原則

1.1 クリアランスの役割

グラファイトブッシュと軸のクリアランスは主に以下の3つの役割を果たします：

• 潤滑油膜または流体動圧支持の形成
• 熱膨張差（異素材間）の補償
• 製造公差および摩耗余裕の吸収

1.2 クリアランスが小さすぎる場合のリスク

• 起動時に油膜形成前の乾式摩擦が発生し、ブッシュ焼損の原因となる
• 温度上昇に伴いクリアランスがさらに減少（軸の膨張がブッシュより大きい場合）
• 組立困難や軸の固着を招く

1.3 クリアランスが大きすぎる場合のリスク

• 油膜の荷重支持能力が低下し、振動が発生する
• 運転精度が低下し、ラジアル振れが増加する
• 媒体漏れが増加する（シール用ブッシュの場合）

2. 媒体別推奨クリアランス値

2.1 水媒体

水ポンプ用グラファイトブッシュの推奨クリアランス：

• 軸径50mm未満：0.075～0.125mm（クリアランス比0.0015～0.0025）
• 軸径50～100mm：0.10～0.25mm（クリアランス比0.002～0.0025）
• 軸径100～200mm：0.20～0.50mm（クリアランス比0.002～0.0025）

水は粘度が低いため、流体動圧油膜形成のために大きめのクリアランスが必要です。クリアランスが小さすぎると水膜の蒸発や乾摩擦のリスクがあります。

2.2 油媒体

油ポンプやギアボックス用の推奨クリアランス：

• 軸径50mm未満：0.05～0.10mm（クリアランス比0.001～0.002）
• 軸径50～100mm：0.075～0.20mm（クリアランス比0.0015～0.002）
• 軸径100～200mm：0.15～0.40mm（クリアランス比0.0015～0.002）

油は粘度が高く荷重支持能力が強いため、クリアランスを小さく設定できます。

2.3 ガス媒体

コンプレッサーやファン用の推奨クリアランス：

• 軸径50mm未満：0.10～0.15mm（クリアランス比0.002～0.003）
• 軸径50～100mm：0.15～0.30mm（クリアランス比0.003～0.003）
• 軸径100～200mm：0.30～0.60mm（クリアランス比0.003～0.003）

ガスは潤滑効果がないため、直接接触を避けるために大きめのクリアランスが必要です。カーボングラファイトの自己潤滑性がこれを補います。

3. クリアランスに及ぼす熱膨張の影響

3.1 材料の膨張係数の違い

• カーボングラファイト： (4-6)×10⁻⁶/℃
• 鋼（軸）： (11-13)×10⁻⁶/℃
• ステンレス鋼（軸）： (16-18)×10⁻⁶/℃
• 黄銅（軸）： (20-21)×10⁻⁶/℃

カーボングラファイトの膨張係数は金属軸よりもかなり低いため、温度上昇に伴いクリアランスは増加します。

3.2 高温時の検証

例：50 mm軸、200℃作動温度、鋼軸の場合

• 常温クリアランス：0.10 mm
• 軸の膨張：50 × 13×10⁻⁶ × 180 = 0.117 mm
• ブッシュ内径の膨張：50 × 5×10⁻⁶ × 180 = 0.045 mm
• 高温時クリアランス：0.10 + (0.117 - 0.045) = 0.172 mm

クリアランスは0.10 mmから0.172 mmへ72%増加し、設計段階で十分な考慮が必要です。

3.3 低温時の検証

低温環境（例：液体酸素ポンプ -183℃）では、軸の収縮がブッシュの収縮を上回り、クリアランスが減少します。軸の固着を防ぐために特別な検証が必要です。

4. 慣らし許容と公差配分

4.1 慣らし摩耗

新しいカーボングラファイトブッシュは24～100時間の慣らし運転が必要で、その間に内径が0.01～0.03 mm摩耗し、微細な凹凸が滑らかになって安定した作動面が形成されます。設計クリアランスには通常0.02～0.05 mmの慣らし許容を含めるべきです。

4.2 公差配分の原則

• ブッシュ内径：H7またはH8（基本穴）
• 軸径：k6またはh6（基本軸）
• 円筒度：≤0.005 mm
• 同心度：≤0.01 mm
• 表面粗さ：軸 Ra 0.4～0.8 μm、ブッシュ内径 Ra 0.8～1.6 μm

4.3 軸径の硬度

• 一般条件：HRC ≥ 45
• 高速重負荷：HRC ≥ 55
• 腐食環境：ステンレス鋼またはクロムメッキ、硬度 HV ≥ 800

5. クリアランス検査方法

5.1 測定工具

• 内側マイクロメーター（0.001 mm精度）：ブッシュ内径測定
• 外側マイクロメーター（0.001 mm精度）：軸径測定
• シックネスゲージ（0.02～0.5 mm）：粗いクリアランス測定
• ダイヤルゲージ：ラジアル振れ測定

5.2 測定手順

1.3断面（上部、中間、下部）で2方向の内径を測定

2.対応位置で軸径を測定

3.各位置でクリアランスを計算し、最小値を採用

4.円筒度と同心度を検証

5.3 オンライン監視

重要設備では渦電流変位センサーや光ファイバーセンサーによるオンラインクリアランス監視が可能です。クリアランスが初期値の1.5～2倍を超えた場合はブッシュ交換を検討します。

6. 代表的な適用例

6.1 遠心ポンプ用カーボングラファイトブッシュ

条件：水、60 mm軸、2950 rpm、80℃

• 設計クリアランス：0.12 mm（常温）
• 公差：ブッシュ内径 φ60H7 (+0.030/0)、軸径 φ60k6 (+0.021/+0.002)
• 慣らし許容：0.03 mm
• 高温検証：80℃でクリアランス0.04 mm増加、実測0.16 mmで許容範囲内

6.2 コンプレッサー用カーボングラファイトブッシュ

条件：空気、80 mm軸、6000 rpm、120℃

• 設計クリアランス：0.20 mm（常温）
• 公差：ブッシュ内径 φ80H8 (+0.046/0)、軸径 φ80h6 (0/-0.019)
• 慣らし許容：0.05 mm
• 高温検証：120℃でクリアランス0.08 mm増加、実測0.28 mmでガス媒体の要求を満たす

結論

グラファイトブッシュの適切なクリアランス設計と公差管理は、安定した機器運転と長寿命を確保するための重要な技術的要素です。科学的なクリアランス計算、厳格な公差配分、そして精密な検査を通じて、カーボングラファイトの優れた特性を最大限に活用できます。Huahao Sealing Co., Ltd.は、精密加工設備と充実した検査能力を備えており、カスタマイズされたグラファイトブッシュの設計および製造サービスを提供しています。詳細な選定のご相談は、当社の技術チームまでお問い合わせください。