흑연 부싱 간극 설계 기준 및 공차 관리 가이드

그래파이트 부싱의 보편적인 간극 표는 없습니다. 수용 시 0.0015–0.0025 × 샤프트 직경, 유체용 0.001–0.002×, 가스용 0.002–0.003×는 출발점일 뿐 최종 해답이 아닙니다. 너무 좁으면 부싱이 걸려 타버리고, 너무 넓으면 진동과 소음이 발생합니다. 카본 그라파이트의 열팽창률은 강철의 1/3~1/2 수준이며, 고온 운전 시 별도 간극 확인이 필요합니다. 신규 부싱은 24~100시간의 초기 운전 기간이 요구됩니다. 본 글에서는 매체별 권장값, 공차 배분 방법 및 검사 기법을 제시합니다.

1. 간극 설계의 기본 원칙

1.1 간극의 기능

그래파이트 부싱과 샤프트 사이 간극은 다음 세 가지 주요 기능을 수행합니다:

• 윤활유막 형성 또는 유체역학적 하중 지지
• 열팽창 차이(재료 간 차이) 보상
• 제조 공차 및 마모 여유 확보

1.2 간극이 너무 작을 때 위험성

• 시동 시 윤활유막 형성 전 건마찰 발생, 부싱 소손 위험
• 온도 상승 시(샤프트가 부싱보다 더 팽창하면) 간극 추가 감소
• 조립 난이도 증가 및 샤프트 걸림 현상

1.3 간극이 너무 클 때 위험성

• 윤활유막 하중 지지력 감소로 진동 발생
• 운전 정밀도 저하 및 반경 편차 증가
• 매체 누설 증가(씰 부싱의 경우)

2. 매체별 권장 간극 값

2.1 수용 매체

수용 펌프용 그래파이트 부싱 권장 간극:

• 샤프트 직경 <50 mm: 0.075-0.125 mm (간극 비율 0.0015-0.0025)
• 샤프트 직경 50-100 mm: 0.10-0.25 mm (간극 비율 0.002-0.0025)
• 샤프트 직경 100-200 mm: 0.20-0.50 mm (간극 비율 0.002-0.0025)

수용 매체는 점도가 낮아 유체역학적 윤활막 형성을 위해 더 큰 간극이 필요합니다. 간극이 너무 작으면 수막이 기화되어 건마찰이 발생할 위험이 있습니다.

2.2 유체 매체

유체 펌프 및 기어박스용 권장 간극:

• 샤프트 직경 <50 mm: 0.05-0.10 mm (간극 비율 0.001-0.002)
• 샤프트 직경 50-100 mm: 0.075-0.20 mm (간극 비율 0.0015-0.002)
• 샤프트 직경 100-200 mm: 0.15-0.40 mm (간극 비율 0.0015-0.002)

유체는 점도가 높아 강한 하중 지지력을 제공하므로 간극을 줄일 수 있습니다.

2.3 가스 매체

압축기 및 팬용 권장 간극:

• 샤프트 직경 <50 mm: 0.10-0.15 mm (간극 비율 0.002-0.003)
• 샤프트 직경 50-100 mm: 0.15-0.30 mm (간극 비율 0.003-0.003)
• 샤프트 직경 100-200 mm: 0.30-0.60 mm (간극 비율 0.003-0.003)

가스는 윤활 효과가 없어 직접 접촉을 피하기 위해 더 큰 간극이 필요합니다. 카본 그라파이트의 자기 윤활성이 이를 보완합니다.

3. 열팽창이 간극에 미치는 영향

3.1 재료의 팽창 계수 차이

• 카본 그라파이트: (4-6)×10⁻⁶/℃
• 강철 (축): (11-13)×10⁻⁶/℃
• 스테인리스강 (축): (16-18)×10⁻⁶/℃
• 황동 (축): (20-21)×10⁻⁶/℃

카본 그라파이트의 팽창 계수는 금속 축보다 훨씬 낮으므로 온도가 상승하면 간극이 증가합니다.

3.2 고온 검증

예: 50 mm 축, 200℃ 작업 온도, 강철 축 기준

• 상온 간극: 0.10 mm
• 축 팽창: 50 × 13×10⁻⁶ × 180 = 0.117 mm
• 부싱 내경 팽창: 50 × 5×10⁻⁶ × 180 = 0.045 mm
• 고온 간극: 0.10 + (0.117 - 0.045) = 0.172 mm

간극이 0.10 mm에서 0.172 mm로 72% 증가하므로 설계 시 반드시 이를 고려해야 합니다.

3.3 저온 검증

저온 조건(예: 액체 산소 펌프 -183℃)에서는 축의 수축이 부싱 수축보다 커서 간극이 감소합니다. 축 걸림을 방지하기 위해 특별한 검증이 필요합니다.

4. 착용 간극 및 공차 배분

4.1 착용 마모

신규 카본 그라파이트 부싱은 24~100시간의 착용 기간이 필요하며, 이 기간 동안 내경이 0.01~0.03 mm 마모되어 미세 불규칙성이 평탄화되고 안정적인 작업면이 형성됩니다. 설계 간극에는 일반적으로 0.02~0.05 mm의 착용 여유를 포함해야 합니다.

4.2 공차 배분 원칙

• 부싱 내경: H7 또는 H8 (기본 구멍)
• 축 저널: k6 또는 h6 (기본 축)
• 원통도: ≤0.005 mm
• 동심도: ≤0.01 mm
• 표면 거칠기: 축 Ra 0.4~0.8 μm, 부싱 내경 Ra 0.8~1.6 μm

4.3 축 저널 경도

• 일반 조건: HRC ≥ 45
• 고속 중부하: HRC ≥ 55
• 부식 조건: 스테인리스강 또는 크롬 도금, 경도 HV ≥ 800

5. 간극 검사 방법

5.1 측정 도구

• 내측 마이크로미터 (0.001 mm 정확도): 부싱 내경 측정
• 외측 마이크로미터 (0.001 mm 정확도): 축 직경 측정
• 필러 게이지 (0.02~0.5 mm): 대략적인 간극 측정
• 다이얼 게이지: 반경 편심 측정

5.2 측정 절차

1.2개의 직교 방향으로 3개 단면(상단, 중간, 하단)에서 내경 측정

2.해당 위치에서 축 직경 측정

3.각 위치별 간극 계산 후 최소값 채택

4.원통도 및 동심도 확인

5.3 온라인 모니터링

중요 장비의 경우 와전류 변위 센서 또는 광섬유 센서를 사용해 온라인 간극 모니터링이 가능합니다. 간극이 초기 값의 1.5~2배를 초과하면 부싱 교체를 고려해야 합니다.

6. 대표 적용 사례

6.1 원심 펌프 카본 그라파이트 부싱

조건: 물, 60 mm 축, 2950 rpm, 80℃

• 설계 간극: 0.12 mm (상온)
• 공차: 부싱 내경 φ60H7 (+0.030/0), 축 저널 φ60k6 (+0.021/+0.002)
• 착용 여유: 0.03 mm
• 고온 검증: 80℃에서 간극 0.04 mm 증가, 실제 0.16 mm로 허용 범위 내

6.2 압축기 카본 그라파이트 부싱

조건: 공기, 80 mm 축, 6000 rpm, 120℃

• 설계 간극: 0.20 mm (상온)
• 공차: 부싱 내경 φ80H8 (+0.046/0), 축 저널 φ80h6 (0/-0.019)
• 착용 여유: 0.05 mm
• 고온 검증: 120℃에서 간극 0.08 mm 증가, 실제 0.28 mm로 가스 매체 요구 조건 충족

결론

카본 그라파이트 부싱의 적절한 간극 설계와 공차 관리는 장비의 안정적인 운전과 긴 수명을 보장하는 핵심 기술 요소입니다. 과학적인 간극 계산, 엄격한 공차 배분, 정밀한 검사 과정을 통해 카본 그라파이트의 우수한 특성을 최대한 활용할 수 있습니다. Huahao Sealing Co., Ltd.는 정밀 가공 장비와 완벽한 검사 능력을 갖추고 있어 맞춤형 그라파이트 부싱 설계 및 제조 서비스를 제공합니다. 자세한 선정 권장 사항은 당사 기술팀에 문의하시기 바랍니다.