Подшипники скольжения из алюминиевой бронзы: свойства, конструкция и руководство по выбору

Сталелитейный завод связался с компанией Jiashan Tocree Machinery по поводу подшипника, который постоянно выходил из строя на рычаге передачи заготовок. Оригинальная втулка представляла собой свинцово-оловянную бронзу, смазанную один раз при сборке, а затем оставленную под воздействием прокатной окалины, охлаждающей воды и тепла. Примерно за шесть недель он вышел за пределы пригодного к использованию зазора. На замену пришла литая алюминиево-бронзовая втулка с измененной консистентной канавкой, и первая проверка через шесть месяцев показала лишь легкий и равномерный износ. Этот результат не является удачей; это то, что происходит, когда подшипниковый сплав выбирается исходя из реальных условий эксплуатации, а не из каталога.

Подшипники скольжения из алюминиевой бронзы являются подходящей спецификацией, когда подшипник скольжения должен выдерживать большие нагрузки, поглощать удары или непрерывные колебания, выдерживать пыль и воду и выдерживать ограниченное количество смазки. Они прочнее большинства других медных сплавов, устойчивы к морской воде и промышленной коррозии и работают с закаленной сталью, не истирая. Компромисс – стоимость: алюминиевая бронза дороже, чем стандартная свинцовая или оловянная бронза. Поэтому инженеры должны использовать его там, где условия оправдывают дополнительные затраты, а затем правильно спроектировать подшипник после выбора материала.

Что делает алюминиевую бронзу прочным материалом для подшипников скольжения?

Алюминиевая бронза — это семейство медных сплавов, в которых алюминий является основным легирующим элементом, обычно от 8% до 14%, с добавлением железа, никеля или марганца для улучшения структуры. Распространенные марки подшипников скольжения включают CuAl9Fe4 и CuAl10Fe5Ni4. Компоненты сначала отливаются, а затем из них изготавливаются втулки, упорные шайбы, пластины скольжения, изнашиваемые накладки и другие формы подшипников.

Четыре свойства объясняют его эффективность в подшипниках скольжения:

• Высокая прочность. Литые алюминиевые бронзы обычно достигают прочности на разрыв 450–700 МПа, что близко к среднеуглеродистой стали. Подшипник может выдерживать более высокое поверхностное давление до того, как материал начнет деформироваться, что напрямую продлевает срок службы сильно нагруженных соединений.
• Ужасное сопротивление. В процессе скольжения поверхность слегка упрочняется и на месте протирания образуется пленка оксида алюминия. Эта пленка предотвращает сварку металл-металл, которая является основной причиной истирания и заедания медных сплавов и стали.
• Устойчивость к коррозии. Один и тот же оксидный слой защищает сплав в морской воде, промышленной атмосфере и многих технологических средах, поэтому устойчивость подшипника к коррозии не зависит от пленки смазки.
• Терпимость к ударам. Алюминиевая бронза поглощает удары и небольшие смещения без растрескивания, что позволяет использовать ее в экскаваторах, прессах и передаточном оборудовании.

Что касается подшипников скольжения, то сочетание грузоподъемности и сопротивления истиранию отличает алюминиевую бронзу от остальных представителей семейства медных сплавов.

Алюминиевая бронза против оловянной бронзы: как выбрать

Начните с заключения. Выбирайте алюминиевую бронзу, если нагрузка большая, среда агрессивная или грязная, а смазка ненадежна. Выбирайте оловянную бронзу, если подшипник слегка нагружен, постоянно смазан маслом и защищен от загрязнения.

Оловянная бронза мягче и легче деформируется, что помогает ей компенсировать перекос вала и внедрять мелкие абразивные частицы в чистую масляную систему. Алюминиевая бронза сохраняет свою форму и противостоит абразивному износу, что важно, когда масляная пленка тонкая, подшипник подвергается воздействию окалины или пыли или нагрузка достаточно велика, чтобы выдавить смазку. Для медленно движущихся, тяжело нагруженных подшипников более безопасным выбором является алюминиевая бронза.

Более подробное сравнение семейств сплавов и практических ограничений см. в нашей статье. Полное руководство по втулкам и подшипникам из алюминиевой бронзы .

Зазор, твердость сопряжения и конструкция смазки

Выбор материала – это только половина инженерной работы. Подшипник скольжения из алюминиевой бронзы по-прежнему зависит от правильности трех показателей: рабочего зазора, твердости сопрягаемой поверхности и геометрии смазки.

Алюминиевая бронза лучше всего работает с термически обработанной стальной поверхностью в диапазоне 40–55 HRC, обработанной до Ra примерно 0,4–0,8 мкм. Мягкий вал изнашивается быстрее, чем подшипник, а замена длинного вала обходится гораздо дороже, чем замена втулки. Если сопрягаемую часть невозможно закалить, ожидайте сокращения общего срока службы и соответствующим образом планируйте интервал проверки износа.

Рабочий зазор для втулки из алюминиевой бронзы обычно устанавливается немного больше, чем для более мягкой оловянной бронзы, поскольку более твердый сплав менее подвержен тепловому расширению и деформации при запрессовке. В качестве отправной точки для шлифованного стального вала используйте примерно 0,1% диаметра вала для непрерывного вращения, затем добавьте допуск на рабочую температуру и циклические нагрузки. Слишком плотная посадка является гораздо более распространенной причиной неисправности, чем слишком большой зазор.

Масляные канавки равномерно распределяют смазку по зоне нагрузки. Прямые осевые канавки подходят для колебательного движения, окружные канавки — для непрерывного вращения, а поперечные или спиральные канавки — для реверсивных нагрузок. Края канавок должны быть гладкими и без заусенцев; Острый край соскребает смазочную пленку и задерживает остатки износа. Когда направление нагрузки непостоянно, самым простым и надежным решением часто является втулка с обработанной канавкой для смазки, а не с прорезью, вырезанной на месте, поскольку геометрия, вырезанная вручную, различается по ширине и глубине.

Цилиндрическая втулка из алюминиевой бронзы с обработанной канавкой для смазки Эта прямая втулка сочетает в себе алюминиевую бронзу ZCuAl10Fe3 с прецизионно обработанной канавкой для смазки, обеспечивая высокую прочность, теплопроводность и ударную вязкость для тяжелых нагрузок, вибраций или реверсивных применений. Посмотреть продукт →

Быстрый расчет скрининга — это значение PV: давление, умноженное на скорость скольжения. Алюминиевая бронза выдерживает высокое давление на низкой скорости, но допустимое давление быстро падает с увеличением скорости скольжения. Качающийся подшипник, перемещающийся всего на несколько градусов за ход, может работать при гораздо более высоком поверхностном давлении, чем постоянно вращающаяся шейка. Используйте пределы PV, предоставленные производителем для конкретного сорта, а не общие печатные таблицы, и подтвердите их стендовыми испытаниями, если применение критично.

Где зарекомендовали себя подшипники скольжения из алюминиевой бронзы

Посмотрите на реальные условия эксплуатации, и сразу же вытекают применения:

• Металлургическое оборудование. Роликовые столы, ножницы, передаточные рычаги и направляющие роликов нагреваются, запыляются и часто промываются водой. Наш Обзор применения металлургического оборудования перечислены типичные детали и условия работы.
• Морская техника. Коррозия морской воды, а также тяжелые нагрузки на руль направления, стабилизатор, лебедку и палубное оборудование делают алюминиевую бронзу стандартным материалом для погружных подшипников и подшипников, работающих в зоне брызг.
• Тяжелая строительная и горнодобывающая техника. Точки поворота экскаваторов, дробилок и конвейеров подвергаются ударным нагрузкам и абразивной пыли, которые быстро изнашивают более мягкие сплавы.
• Машины для литья под давлением. Нагрев, сила зажима и ограниченный доступ к смазке доводят подшипники скольжения до предела своих возможностей; Алюминиевая бронза сохраняет прочность при повышенной температуре лучше, чем оловянная бронза.
• Нефтяное оборудование. Насосы, клапаны и компоненты буровой установки часто работают вдали от обслуживающего персонала и с загрязненными смазочными материалами, поэтому подшипник должен выдерживать длительные интервалы между обслуживаниями.

В устройствах с плоским скольжением используется тот же материал из алюминиевой бронзы в виде опорных подушек и пластин скольжения, а не круглых втулок. Когда конструкция требует плоской геометрии, такой как направляющие, опорные площадки или упорные поверхности, обработанная медная опорная площадка обеспечивает те же характеристики сплава в форме пластины.

Подшипник из оловянной бронзы и меди для плоских поверхностей скольжения Плоская медная подшипниковая подушка, изготовленная с высокой точностью из оловянной бронзы CuSn12, обеспечивает устойчивость к износу и коррозии направляющих, опорных подушек и упорных поверхностей в требовательном промышленном оборудовании. Посмотреть продукт →

Качество литья и обработки определяют реальный срок службы

Подшипник из алюминиевой бронзы, изготовленный из правильного сплава, все равно рано выходит из строя, если отливка имеет усадку или пористость или если механическая обработка оставляет порванную поверхность. Поскольку этот материал выбран для тяжелых условий эксплуатации, качество изготовления обычно определяет разницу между шестинедельным и двенадцатимесячным подшипником.

Производитель, который разливает свои медные сплавы, с самого начала контролирует химию. Jiashan Tocree располагает собственной плавильной печью и машинами центробежного литья, производя около 2300 тонн медного сплава в год. Литье и прецизионная механическая обработка под одной крышей устраняют риск несоответствия сертификатов на материалы, сокращают время выполнения заказов на нестандартные формы и позволяют одной и той же команде инженеров нести ответственность как за исходную структуру, так и за окончательные допуски.

Предприятие изготавливает втулки диаметром до 1,5–2 метров и пластины скольжения длиной до 4 метров, шириной 400 миллиметров и толщиной 100 миллиметров. Для крупных деталей необходимы цех с контролируемой температурой и тщательное планирование траектории движения инструмента, чтобы обеспечить геометрические допуски, которые в противном случае было бы невозможно гарантировать.

Даже для обычных диаметров дисциплина обработки одинакова. Стандартная бронзовая втулка является хорошей отправной точкой для оценки допусков отверстия, круглости и качества поверхности, прежде чем переходить к изготовлению полностью индивидуальной детали.

Втулка из оловянной бронзы, отлитая центробежным способом, со специальными масляными канавками Эта бронзовая втулка изготовлена методом центробежного литья с дополнительными внутренними и внешними масляными канавками, что обеспечивает высокую прочность на разрыв, твердость и коррозионную стойкость для долговечной работы подшипника. Посмотреть продукт →

Самосмазывающиеся варианты для труднодоступных мест.

Некоторые позиции подшипников просто невозможно повторно смазать: герметичные шарнирные пальцы, погружные морские фитинги, механизмы индексации и оборудование внутри ограждений или чистых помещений. В таких случаях стоит рассмотреть твердый самосмазывающийся вариант с графитовыми или тефлоновыми вставками. Основной материал и способ литья такие же, как и для простой алюминиевой бронзы, но твердые смазочные гранулы прижимаются к стенке и при скольжении выделяют пленку.

Не ожидайте, что ограничения PV при работе всухую будут соответствовать подшипникам из алюминиевой бронзы, питаемым консистентной смазкой; цифры ниже, и выбор следует сопоставить с фактической обязанностью. Там, где повторное смазывание невозможно, практичным решением является сочетание прочного корпуса из медного сплава и встроенной твердой смазки.

Практическая спецификация подшипника скольжения из алюминиевой бронзы — это не один каталожный номер. Это вариант нагрузки, марка сплава, схема смазки и производитель, который может выполнить как литье, так и механическую обработку с требуемым допуском. Используйте алюминиевую бронзу там, где оловянная бронза оказалась слишком мягкой, где присутствует вода или коррозия или где повторное смазывание ненадежно. Спроектируйте масляную канавку, упрочните сопрягаемую поверхность и перед размещением заказа подтвердите номера PV на литейном заводе. Если все сделано правильно, подшипник станет последней деталью машины, о которой вам нужно беспокоиться.