Łożyska ślizgowe z brązu aluminiowego: właściwości, projekt i przewodnik doboru

Huta skontaktowała się z Jiashan Tocree Machinery w sprawie łożyska, które ciągle ulegało awarii na ramieniu przenoszącym kęsy. Oryginalną tuleją była wykonana z brązu ołowiowo-cynowego, nasmarowana raz podczas montażu, a następnie pozostawiona wystawiona na działanie zgorzeliny walcowniczej, wody chłodzącej i ciepła. W ciągu około sześciu tygodni zużył się poza użyteczny prześwit. Zamiennikiem była tuleja z brązu odlewanego z aluminium z przeprojektowanym rowkiem smarowym, a pierwsza kontrola po sześciu miesiącach wykazała jedynie lekkie, równomierne zużycie. Wynik ten nie jest szczęściem; tak się dzieje, gdy stop łożyskowy jest wybierany w oparciu o rzeczywiste wymagania, a nie z katalogu.

Łożyska ślizgowe z brązu aluminiowego są właściwą specyfikacją, gdy łożysko ślizgowe musi przenosić duże obciążenia, pochłaniać wstrząsy lub ciągłe drgania, tolerować kurz i wodę oraz przetrwać przy ograniczonym smarowaniu. Są mocniejsze niż większość innych stopów miedzi, są odporne na wodę morską i korozję przemysłową oraz działają na hartowaną stal bez zatarcia. Kompromisem jest koszt: brąz aluminiowy jest droższy niż standardowy brąz ołowiowy lub cynowy. Inżynierowie powinni zatem zastosować je tam, gdzie warunki uzasadniają wyższą cenę, a następnie prawidłowo zaprojektować łożysko po wybraniu materiału.

Co sprawia, że brąz aluminiowy jest mocnym materiałem na łożyska ślizgowe

Brąz aluminiowy to rodzina stopów miedzi, w których aluminium jest głównym pierwiastkiem stopowym, zwykle w ilości od 8% do 14%, z dodatkiem żelaza, niklu lub manganu w celu udoskonalenia struktury. Typowe gatunki łożysk ślizgowych obejmują CuAl9Fe4 i CuAl10Fe5Ni4. Komponenty są najpierw odlewane, a następnie obrabiane w tuleje, podkładki oporowe, płytki ślizgowe, podkładki ścieralne i inne formy łożysk.

Cztery właściwości wyjaśniają jego działanie w łożyskach ślizgowych:

• Wysoka wytrzymałość. Odlewane brązy aluminiowe zwykle osiągają wytrzymałość na rozciąganie 450–700 MPa, zbliżoną do stali średniowęglowej. Łożysko może wytrzymać większy nacisk powierzchniowy, zanim materiał ustąpi, co bezpośrednio wydłuża żywotność mocno obciążonych połączeń.
• Irytujący opór. Podczas ślizgania powierzchnia lekko twardnieje i na potartym obszarze tworzy się warstwa tlenku glinu. Powłoka ta zapobiega spawaniu metal-metal, głównej przyczynie zatarcia i zatarcia pomiędzy stopami miedzi i stalą.
• Odporność na korozję. Ta sama warstwa tlenku chroni stop w wodzie morskiej, atmosferze przemysłowej i wielu środowiskach procesowych, dzięki czemu łożysko nie jest zależne od warstwy smaru, aby zachować odporność na korozję.
• Tolerancja uderzenia. Brąz aluminiowy pochłania wstrząsy i niewielkie niewspółosiowości bez pękania, co sprawia, że ​​jest odporny na działanie koparek, pras i urządzeń przenoszących.

W przypadku łożysk ślizgowych połączenie nośności i odporności na zatarcie jest tym, co odróżnia brąz aluminiowy od reszty rodziny stopów miedzi.

Brąz aluminiowy kontra brąz cynowy: jak wybrać

Zacznij od konkluzji. Wybierz brąz aluminiowy, gdy obciążenie jest duże, środowisko jest korozyjne lub brudne lub smarowanie jest niepewne. Wybierz brąz cynowy, gdy łożysko jest lekko obciążone, stale smarowane olejem i chronione przed zanieczyszczeniem.

Brąz cynowy jest bardziej miękki i łatwiej się odkształca, co pomaga mu dostosować się do niewspółosiowości wału i osadzać małe cząstki ścierne w czystym układzie olejowym. Brąz aluminiowy zachowuje swój kształt i jest odporny na zużycie ścierne, co ma znaczenie, gdy film olejowy jest cienki, łożysko jest narażone na działanie kamienia lub pyłu lub obciążenie jest wystarczająco duże, aby wycisnąć smar. W przypadku wolno obracających się, mocno obciążonych łożysk bezpieczniejszym wyborem jest brąz aluminiowy.

Bardziej szczegółowe porównanie rodzin stopów i praktycznych ograniczeń można znaleźć w naszym artykule kompletny przewodnik po tulejach i łożyskach z brązu aluminiowego .

Luz, twardość połączenia i projekt smarowania

Wybór materiału to tylko połowa pracy inżynierskiej. Łożysko ślizgowe z brązu aluminiowego nadal zależy od poprawności trzech liczb: luzu roboczego, twardości powierzchni współpracującej i geometrii smarowania.

Brąz aluminiowy najlepiej sprawdza się na powierzchni stali poddanej obróbce cieplnej w zakresie 40–55 HRC, wykończonej do około 0,4–0,8 µm Ra. Miękki wał będzie się zużywał szybciej niż łożysko, a wymiana długiego wału jest znacznie droższa niż wymiana tulei. Jeśli współpracującej części nie można utwardzić, należy spodziewać się krótszej całkowitej żywotności i odpowiednio zaplanować częstotliwość kontroli zużycia.

Luz roboczy tulei z brązu aluminiowego jest zwykle nieco większy niż w przypadku bardziej miękkiego brązu cynowego, ponieważ twardszy stop jest mniej podatny na rozszerzalność cieplną i odkształcenia wtłaczane. Jako punkt wyjścia dla szlifowanego wału stalowego należy zastosować około 0,1% średnicy wału dla ciągłego obrotu, a następnie dodać tolerancję na temperaturę roboczą i obciążenia cykliczne. Zbyt ciasne dopasowanie jest znacznie częstszą przyczyną awarii niż luz, który jest nieznacznie zbyt duży.

Rowki olejowe równomiernie rozprowadzają smar w strefie obciążonej. Proste rowki osiowe odpowiadają ruchowi oscylacyjnemu, rowki obwodowe odpowiadają ciągłemu obrotowi, a wzory krzyżowe lub spiralne odpowiadają obciążeniom odwracalnym. Krawędzie rowków muszą być gładkie i pozbawione zadziorów; ostra krawędź zdrapuje warstwę smaru i zatrzymuje pozostałości po zużyciu. Gdy kierunek obciążenia nie jest stały, najprostszym i niezawodnym rozwiązaniem jest często tuleja z obrobionym maszynowo rowkiem na smar, a nie wyciętą na miejscu szczeliną, ponieważ ręcznie wycinana geometria różni się szerokością i głębokością.

Tuleja cylindryczna z brązu aluminiowego z obrobionym rowkiem smarowym Ta prosta tuleja łączy w sobie brąz aluminiowy ZCuAl10Fe3 z precyzyjnie obrobionym rowkiem smarowym, zapewniając wysoką wytrzymałość, przewodność cieplną i odporność na uderzenia w zastosowaniach z dużymi obciążeniami, oscylacjami lub nawrotami. Zobacz produkt →

Szybkie obliczenie przesiewowe to wartość PV: ciśnienie pomnożone przez prędkość poślizgu. Brąz aluminiowy toleruje wysokie ciśnienie przy niskiej prędkości, ale dopuszczalne ciśnienie szybko spada wraz ze wzrostem prędkości poślizgu. Łożysko oscylacyjne poruszające się tylko o kilka stopni na skok może pracować przy znacznie większym nacisku powierzchniowym niż stale obracający się czop. Użyj limitów PV dostarczonych przez producenta dla konkretnego gatunku, a nie ogólnych drukowanych tabel i potwierdź je testem laboratoryjnym, jeśli zastosowanie jest krytyczne.

Gdzie sprawdzają się łożyska ślizgowe z brązu aluminiowego

Spójrz na rzeczywiste warunki pracy, a aplikacje podążają bezpośrednio:

• Maszyny metalurgiczne. Stoły rolkowe, nożyce, ramiona przenoszące i prowadnice kółek są gorące, zakurzone i często myte wodą. Nasz przegląd zastosowań maszyn metalurgicznych wymienia typowe części i warunki pracy.
• Maszyny morskie. Korozja spowodowana wodą morską w połączeniu z dużymi obciążeniami steru, stabilizatora, wciągarki i przekładni pokładowej sprawiają, że brąz aluminiowy jest standardowym materiałem na łożyska zanurzone i narażone na rozpryski.
• Ciężki sprzęt budowlany i górniczy. Punkty obrotowe koparek, kruszarek i przenośników są narażone na obciążenia udarowe i pył ścierny, który szybko zużywa bardziej miękkie stopy.
• Maszyny odlewnicze. Ciepło, siła mocowania i ograniczony dostęp do smarowania powodują, że łożyska ślizgowe osiągają granice wytrzymałości; brąz aluminiowy zachowuje wytrzymałość w podwyższonej temperaturze lepiej niż brąz cynowy.
• Sprzęt naftowy. Pompy, zawory i elementy platformy często pracują z dala od ekip konserwacyjnych i przy użyciu zanieczyszczonych środków smarnych, dlatego łożysko musi tolerować długie przerwy między przeglądami serwisowymi.

W zastosowaniach z przesuwaniem płaskim wykorzystuje się ten sam materiał z brązu aluminiowego w postaci płytek łożyskowych i płytek ślizgowych, a nie okrągłych tulei. Gdy projekt wymaga płaskiej geometrii, takiej jak prowadnice, podkładki podporowe lub powierzchnie oporowe, obrobiona maszynowo miedziana płytka łożyskowa zapewnia tę samą wydajność stopu w postaci płyty.

Podkładka łożyskowa z brązu cynowego i miedzi do płaskich powierzchni ślizgowych Płaska miedziana płytka łożyskowa, precyzyjnie wykonana z brązu cynowego CuSn12, zapewniająca odporność na zużycie i korozję prowadnic, podkładek podporowych i powierzchni oporowych w wymagających urządzeniach przemysłowych. Zobacz produkt →

Jakość odlewu i obróbki decydują o rzeczywistej żywotności

Łożysko z brązu aluminiowego wykonane z odpowiedniego stopu nadal ulega uszkodzeniu wcześnie, jeśli odlew zawiera skurcz lub porowatość lub jeśli obróbka pozostawia rozdartą powierzchnię. Ponieważ materiał ten jest wybierany do ciężkich zastosowań, jakość produkcji zwykle określa różnicę między łożyskiem sześciotygodniowym a łożyskiem dwunastomiesięcznym.

Producent, który wylewa własne stopy miedzi, od samego początku kontroluje chemię. Jiashan Tocree obsługuje własny piec do topienia i maszyny do odlewania odśrodkowego, produkując około 2300 ton stopu miedzi rocznie. Odlewanie i precyzyjna obróbka pod jednym dachem eliminują ryzyko niezgodności certyfikatów materiałowych, skracają czas realizacji niestandardowych kształtów i pozwalają temu samemu zespołowi inżynierskiemu odpowiadać zarówno za surową konstrukcję, jak i ostateczną tolerancję.

Firma obrabia tuleje o średnicach do 1,5–2 metrów oraz płyty ślizgowe o długości do 4 metrów, szerokości 400 milimetrów i grubości 100 milimetrów. W przypadku dużych części niezbędny jest warsztat z kontrolowaną temperaturą i dokładne planowanie ścieżki narzędzia, aby zachować tolerancje geometryczne, których w innym przypadku nie można by zagwarantować.

Nawet w przypadku typowych średnic dyscyplina obróbki jest taka sama. Standardowa tuleja z brązu jest dobrym punktem wyjścia do oceny tolerancji otworu, okrągłości i wykończenia powierzchni przed wykonaniem całkowicie niestandardowej części.

Odlewana odśrodkowo tuleja z brązu cynowego z niestandardowymi rowkami olejowymi Ta tuleja z brązu jest produkowana poprzez odlewanie odśrodkowe z opcjonalnymi wewnętrznymi i zewnętrznymi rowkami olejowymi, zapewniając wysoką wytrzymałość na rozciąganie, twardość i odporność na korozję, co przekłada się na trwałe działanie łożyska. Zobacz produkt →

Warianty samosmarujące do niedostępnych miejsc

Niektórych miejsc łożysk po prostu nie da się ponownie nasmarować: uszczelnione sworznie obrotowe, zanurzone złącza morskie, mechanizmy indeksujące i wyposażenie wewnątrz osłon lub pomieszczeń czystych. W takich przypadkach warto rozważyć solidny, samosmarujący wariant z wkładkami grafitowymi lub PTFE. Materiał bazowy i sposób odlewania są takie same jak w przypadku zwykłego brązu aluminiowego, ale granulki stałego smaru są wciskane w ściankę i uwalniają warstwę podczas poślizgu.

Nie należy oczekiwać, że wartości graniczne PV dla pracy na sucho będą odpowiadać łożyskom z brązu aluminiowego zasilanym smarem; liczby są niższe, a wybór należy zweryfikować w odniesieniu do rzeczywistego cła. Tam, gdzie dosmarowanie jest niemożliwe, praktycznym rozwiązaniem jest połączenie mocnej powłoki ze stopu miedzi i wbudowanego stałego środka smarnego.

Praktyczna specyfikacja łożyska ślizgowego z brązu aluminiowego nie jest pojedynczym numerem katalogowym. Jest to przypadek obciążenia, gatunek stopu, plan smarowania i producent, który może wykonać zarówno odlewanie, jak i obróbkę skrawaniem z wymaganą tolerancją. Jeśli brąz cynowy okazał się zbyt miękki, występuje woda lub korozja, lub gdy ponowne smarowanie jest zawodne, należy zastosować brąz aluminiowy. Zaprojektuj rowek olejowy, utwardz powierzchnię współpracującą i potwierdź numery PV w odlewni przed złożeniem zamówienia. Poprawnie wykonane łożysko staje się ostatnią częścią maszyny, o którą musisz się martwić.