- ▸Втулки из графита — хрупкие материалы с сопротивлением разрушению всего 1,0–1,5 МПа·м^(1/2); натяг при посадке должен строго контролироваться в пределах 0,02–0,05 мм, чтобы избежать трещин при сборке
- ▸Рекомендуется зазорная посадка по отверстию H8/f7 с минимальным зазором 0,020 мм и максимальным 0,075 мм (для втулки диаметром Φ50 мм), что обеспечивает баланс между гибкостью работы и требованиями к соосности
- ▸При высокотемпературных условиях (выше 200°C) необходима компенсация разницы теплового расширения: коэффициент стали 11,5×10⁻⁶/°C, графита 4,5×10⁻⁶/°C; на каждые 100°C повышения температуры на длине посадки 100 мм требуется компенсация 0,07 мм
- ▸Для втулок из графита с металлической пропиткой сурьмой рекомендуется шероховатость поверхности Ra 0,8–1,6 μm, а сопрягаемого вала Ra 0,4–0,8 μm — слишком низкая шероховатость фактически нарушает формирование самосмазывающейся графитовой пленки
В качестве ключевого компонента скользящих подшипников графитовые втулки широко применяются в зубчатых насосах, центробежных насосах, компрессорах и вакуумных насосах. В отличие от металлических втулок, графитовые втулки обычно являются хрупкими материалами, чрезвычайно чувствительными к допускам посадки. За годы производства графитовых втулок в Huahao Sealing Co., Ltd. (霍邱县华豪密封件有限公司) мы столкнулись со многими случаями ранних отказов, вызванных неправильным проектированием допусков посадки. В этой статье систематически изложены принципы проектирования и методы расчёта допусков посадки графитовых втулок.
1. Характеристики материала графитовых втулок
1.1 Хрупкость
Сопротивление разрушению графитовых материалов составляет всего 1,0–1,5 МПа·м^(1/2), что примерно в 50 раз меньше, чем у металлических материалов. Это означает, что графит чрезвычайно чувствителен к локальным концентрациям напряжений, и чрезмерный натяг при сборке или термические напряжения могут вызвать осевое растрескивание или отслоение. Поэтому при проектировании посадок графитовых втулок необходимо придерживаться принципа «лучше зазор, чем натяг».
1.2 Модуль упругости
Модуль упругости обычного графита составляет 10–15 ГПа, а графита с пропиткой сурьмой — 15–20 ГПа. По сравнению со сталью (210 ГПа) модуль упругости графита составляет всего 1/15 от стали. Это означает, что графитовые втулки деформируются очень мало под нагрузкой при сборке и не могут компенсировать ошибки обработки за счёт упругой деформации, что требует более высокой точности обработки.
1.3 Коэффициент теплового расширения
Коэффициент теплового расширения графита составляет 4,0–5,0×10⁻⁶/°C, что значительно ниже, чем у стали (11,5×10⁻⁶/°C), меди (17×10⁻⁶/°C) и алюминия (23×10⁻⁶/°C). При высоких температурах металлические детали расширяются больше, чем графитовые, и зазор посадки уменьшается с ростом температуры, поэтому в конструкции необходимо предусматривать компенсацию теплового расширения.
2. Выбор допусков посадки
2.1 Посадка между отверстием втулки и валом
Посадка между отверстием втулки из углеродного графита и валом является ключевой для скользящей пары. Рекомендуется зазорная посадка по отверстию H8/f7. Для втулки диаметром Φ50 мм:
- Отверстие втулки: Φ50 H8 (+0.000/+0.039 мм)
- Диаметр вала: Φ50 f7 (-0.025/-0.050 мм)
- Минимальный зазор: 0.025 мм
- Максимальный зазор: 0.089 мм
Для условий низкой скорости и большой нагрузки можно использовать посадку H7/f7 (зазор 0.025-0.075 мм) для улучшения соосности; для условий высокой скорости и малой нагрузки — посадку H8/e7 (зазор 0.050-0.114 мм) для увеличения толщины масляной пленки.
2.2 Посадка между наружным диаметром втулки и отверстием корпуса
Посадка между наружным диаметром втулки из углеродного графита и отверстием корпуса должна учитывать напряжения при сборке. Рекомендуется зазорная посадка H7/d8 с натягом 0.02-0.05 мм, достигаемым с помощью клеевого соединения или механической фиксации (стопорные кольца, штифты) для осевого позиционирования. Прямое запрессовывание с натягом строго запрещено, так как вызывает радиальные трещины втулок из графита.
2.3 Допуск по длине
Для длины втулки из углеродного графита рекомендуется допуск h11 (-0.000/-0.160 мм для Φ50 мм), а для глубины отверстия корпуса — H12, обеспечивая осевой зазор 0.5-1.0 мм, чтобы избежать упора при тепловом расширении.
3. Расчет компенсации теплового расширения
3.1 Формула расчета
Компенсация теплового расширения ΔL = L × (α_металл - α_графит) × ΔT
Где:
- L: длина посадки (мм)
- α_металл: коэффициент теплового расширения металлической детали (1/°C)
- α_графит: коэффициент теплового расширения графитовой детали (4.5×10⁻⁶/°C)
- ΔT: разница температур (°C)
3.2 Пример расчета
Стальной вал Φ50 мм с втулкой из углеродного графита, рабочая температура повышается с 20°C до 220°C, ΔT=200°C:
ΔL = 50 × (11.5×10⁻⁶ - 4.5×10⁻⁶) × 200 = 50 × 7.0×10⁻⁶ × 200 = 0.07 мм
То есть при сборке при 20°C зазор должен быть ≥0.07 мм, чтобы избежать заклинивания при 220°C.
3.3 Компенсация многослойной втулкой
Для условий высокой температуры (>300°C) можно использовать многослойную конструкцию: втулка из углеродного графита + металлическая втулка + втулка из углеродного графита, при этом упругая деформация металлической втулки поглощает разницу теплового расширения.
4. Шероховатость поверхности и процесс сборки
4.1 Шероховатость поверхности
Для отверстий втулок из углеродного графита рекомендуется Ra 0.8-1.6 μm, для наружных диаметров — Ra 1.6-3.2 μm. Шероховатость поверхности сопрягаемого вала должна быть Ra 0.4-0.8 μm. Слишком низкая шероховатость (Ra < 0.2 μm) нарушает формирование самосмазывающейся графитовой пленки, усиливая сухое трение и износ.
4.2 Процесс сборки
1.Очистка: очистить сопрягаемые поверхности безводным этанолом перед сборкой, удалить заусенцы и посторонние частицы
2.Смазка: нанести сухую смазку на основе дисульфида молибдена или PTFE на сопрягаемые поверхности при сборке
3.Запрессовка: использовать специальное приспособление с равномерным распределением усилия, скорость запрессовки не более 5 мм/с
4.Контроль: проверить зазор щупом после сборки, проверить соосность индикатором часового типа (≤0.02 мм)
Заключение
Проектирование допусков посадки втулок из углеродного графита является основой надежной работы скользящих подшипников. Huahao Sealing Co., Ltd. поставляет высокоточные втулки из графита с контролем допусков отверстия до IT6 (допуск 0.016 мм при Φ50 мм) и предлагает индивидуальные решения по проектированию допусков. Пожалуйста, свяжитесь с нашей технической командой — мы предоставим оптимальные рекомендации по допускам посадки с учетом ваших условий эксплуатации.