Графитовые подшипники

Графитовый подшипник скольжения — это опорный узел, в котором рабочая поверхность вкладыша выполнена из конструкционного графита или графитосодержащего композита. Главное отличие от металлических аналогов — способность работать без принудительной подачи смазки. При вращении вала микрочастицы графита переносятся на сопрягаемую поверхность и формируют тонкую антифрикционную плёнку, которая снижает коэффициент сухого трения до 0,04–0,10. Благодаря этому графитовые опоры скольжения применяют в узлах, где использование жидких или консистентных смазок невозможно или нецелесообразно: при повышенных температурах, в агрессивных средах, в пищевом и фармацевтическом оборудовании.

Принцип работы и антифрикционные свойства графита

Графит обладает слоистой кристаллической решёткой гексагонального типа. Атомы углерода внутри каждого слоя связаны прочными ковалентными связями, тогда как между слоями действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса. При механическом воздействии слои легко смещаются относительно друг друга, что и определяет антифрикционные свойства материала.

При скольжении вала по графитовой поверхности происходит адсорбция микрочастиц графита на металле контртела. Образовавшаяся плёнка работает как твёрдая смазка: снижает трение, предотвращает задиры и схватывание поверхностей. Чем ниже шероховатость вала, тем быстрее завершается приработка и тем меньше износ графитового вкладыша на начальном этапе эксплуатации. Рекомендуемая шероховатость поверхности вала — Ra 0,16–0,4 мкм, рекомендуемая твёрдость — не менее 50 HRC.

Важная особенность: графитовые подшипники не совместимы с масляными смазками. При контакте с маслом графит образует вязкую пасту, которая при нагреве склонна к схватыванию и ускоренному износу. В качестве жидких смазочных сред допускаются вода, кислые, щелочные и органические растворы.

Материалы для графитовых подшипников скольжения

В зависимости от условий эксплуатации для изготовления опор скольжения применяют различные графитовые и графитосодержащие материалы. Ниже рассмотрены основные группы, используемые в промышленности.

Антифрикционный графит марок АГ

Марки АГ-1500, АГ-600 и их модификации с пропиткой баббитом (Б83) или сплавом свинца с оловом (СО5) — наиболее распространённый материал для графитовых подшипников в отечественном промышленном оборудовании. Графит этих марок имеет мелкозернистую плотную структуру и предназначен для узлов трения, работающих без смазки при спокойной или плавно меняющейся нагрузке.

Материалы марки АГ не рекомендуется использовать в парах трения с цветными металлами и их сплавами. В режиме сухого трения на воздухе при предельных нагрузках необходим интенсивный отвод тепла.

Силицированный графит

Силицированный графит марок СГ-П, СГ-Т — трёхкомпонентный композит, состоящий из углерода, кремния и карбида кремния (SiC). Получают его пропиткой мелкопористого графита расплавленным кремнием при температуре около 2000 °С. Карбидная фаза обеспечивает высокие механические показатели и химическую стойкость, а свободный графит — антифрикционные свойства. Плотность материала — 2,4–2,6 г/см³.

Подшипники из силицированного графита применяют в насосах для перекачки агрессивных и абразивных сред, в торцевых уплотнениях, в реакторах химической промышленности. Марка СГ-П используется преимущественно для торцевых уплотнений и антифрикционных колец, марка СГ-Т — для подшипников скольжения. Основное ограничение — хрупкость: силицированный графит плохо переносит ударные нагрузки и вибрации.

Углеграфитовые и графитопластовые материалы

Углеграфиты (марки Нигран-В, Нигран-Х, Химанит-Т и другие) представляют собой обожжённую смесь графита со связующим (каменноугольный пек, фенольные смолы). Применяются для втулок и вкладышей подшипников скольжения в насосах, компрессорах, сушильных установках.

Графитопласты — композиции на основе графитового наполнителя в полимерной матрице (фторопласт, эпоксидная смола). Они отличаются от чистого графита повышенной стойкостью к ударным нагрузкам, но имеют существенно более низкий диапазон рабочих температур. Подробнее о свойствах графитопласта можно узнать на странице поставки графитопласта.

Виды графитовых подшипников по конструкции

Подшипники скольжения (втулки) из графита

Самый распространённый тип — радиальная графитовая втулка, запрессованная в металлическую обойму. Из-за хрупкости графита для установки в обойму используют не механическую запрессовку, а температурную посадку (обойму нагревают, вкладыш устанавливают в расширенное посадочное место, при остывании обойма обжимает графит). Втулки выпускают радиальные, упорные (торцевые) и радиально-упорные. Применение: сушильные и калильные печи, газодувки, центробежные насосы, текстильное и полиграфическое оборудование, пищевые и медицинские установки.

Бронзографитовые подшипники

Бронзографит — пористый спечённый материал, получаемый методами порошковой металлургии. Состав: медь (основа), олово (8,5–9 %), графит (1,5–3 %). После спекания прессованной заготовки поры материала (до 20–30 % объёма) пропитывают минеральным маслом. В процессе эксплуатации под действием температуры и нагрузки масло выдавливается из пор и смазывает зону контакта. Такие подшипники называют самосмазывающимися.

Бронзографитовые втулки не выдерживают ударных нагрузок из-за низкой динамической прочности. Их области применения — электродвигатели малой мощности, приборы, конвейерные системы, бытовая техника, швейные машины, а также стартеры и генераторы. Промывка в бензине или керосине не рекомендуется — это вымывает масло из пор.

Отдельная разновидность — бронзографитовые подшипники с впрессованными вставками из твёрдой графитовой смазки (типа OILES, HMG-650). В отличие от спечённых, они представляют собой точёную бронзовую втулку с запрессованными цилиндрическими графитовыми элементами. Такие подшипники выдерживают значительно более высокие нагрузки — до 100 МПа (статическая) — и температуры до 300–400 °С. Применяют их в металлургии, энергетике, строительной и горнодобывающей технике.

Подшипники качения с графитовым сепаратором

Это шариковые или роликовые подшипники качения стандартных размерных серий, в которых вместо штатного стального или полимерного сепаратора установлен сегментный графитовый сепаратор. При вращении мельчайшие частицы графита, выделяемые из сепаратора, обеспечивают смазку тел качения и дорожек. Такие подшипники не требуют жидкой или консистентной смазки и работают в диапазоне температур от –50 до +350 °С.

Особенности конструкции: увеличенный радиальный зазор (в несколько раз больше стандартного) для компенсации теплового расширения, отсутствие уплотнений. Ограничение — существенно сниженные допустимые обороты по сравнению с обычными подшипниками. Типичные области применения — печные вагонетки, роликовые конвейеры зон нагрева, сушильные установки, котельное оборудование.

Области применения графитовых подшипников

Выбор графитового подшипника определяется условиями, в которых металлические опоры скольжения неработоспособны или экономически нецелесообразны. Основные области применения:

Высокотемпературное оборудование

Калильные и сушильные печи, печные конвейеры и вагонетки, котельные установки. Графитовые подшипники — практически единственный тип опор, работающих непосредственно в зоне нагрева при температурах 300–450 °С без внешней смазки. Подшипники качения с графитовым сепаратором эксплуатируются при температурах до 350 °С.

Химическая и нефтехимическая промышленность

Центробежные и герметичные насосы, реакторы, сепараторы, компрессорные узлы. Графит устойчив к большинству кислот, щелочей и органических растворителей. Силицированный графит марок СГ-П и СГ-Т используется в подшипниках насосов для перекачки агрессивных сред.

Металлургия

Рольганги, рабочие валки транспортных систем, опоры вращения в зонах высоких температур. Бронзографитовые подшипники с графитовыми вставками применяются в прокатном и литейном оборудовании.

Пищевая и фармацевтическая промышленность

Оборудование, в котором исключено попадание смазочных материалов в продукт. Графитовые подшипники работают в режиме сухого трения и не загрязняют среду маслами.

Текстильная и полиграфическая промышленность

Валы и оси печатных и текстильных машин, работающие при высоких скоростях с малыми нагрузками. Высокая допустимая скорость скольжения графитовых подшипников (до 25 м/с для материалов марки АГ) делает их пригодными для таких узлов.

Преимущества и ограничения графитовых опор скольжения

Преимущества

Работа без принудительной смазки (самосмазывание). Химическая стойкость к кислотам, щелочам и органическим средам. Широкий диапазон рабочих температур — от криогенных до 450 °С (для непропитанного графита АГ в окислительной среде) и до 2300–2500 °С в восстановительной и инертной атмосфере. Низкий коэффициент трения. Минимальное тепловое расширение. Экологическая чистота — отсутствие загрязнения рабочей среды маслами.

Ограничения

Хрупкость. Графитовые вкладыши чувствительны к ударным нагрузкам и вибрациям, поэтому их устанавливают в металлические обоймы температурной посадкой, а не запрессовкой. Конфигурационные ограничения: в деталях из графита затруднено выполнение пазов, отверстий и проточек сложной формы. Требовательность к качеству поверхности вала — шероховатость не более Ra 0,4 мкм. Несовместимость с масляными смазками. На начальном этапе эксплуатации желателен отвод продуктов износа из зоны трения (например, подачей сжатого воздуха). Невысокая несущая способность по сравнению с металлическими подшипниками (для непропитанного графита АГ-1500 — до 1,5 МПа).

Подбор и монтаж графитового подшипника

Критерии выбора

При подборе графитового подшипника скольжения необходимо учитывать рабочую температуру узла, характер нагрузки (статическая, динамическая, ударная), скорость скольжения, агрессивность среды и требования к наличию смазки. Основной расчётный параметр — произведение удельной нагрузки на скорость скольжения (фактор PV), которое не должно превышать допустимые значения для выбранного материала.

Требования к монтажу

Посадочный размер подшипника должен соответствовать диаметру вала с учётом теплового расширения при рабочей температуре. Чрезмерный зазор вызывает вибрации и ускоренный износ. Установка графитовых вкладышей в обойму выполняется методом температурной посадки — обойму нагревают, вкладыш свободно устанавливают в расширенное посадочное место, при остывании обеспечивается надёжное закрепление без механических повреждений графита. Стандартный допуск посадочного гнезда — H7, после запрессовки подшипника — H9.

Формы поставки

Графитовые подшипники поставляют в виде готовых изделий (радиальные и упорные втулки, вкладыши) и заготовок из антифрикционного графита для самостоятельной механической обработки заказчиком. Типовые формы: цилиндрические втулки, фланцевые втулки, упорные кольца, пластины скольжения. Размеры — по стандартным рядам или индивидуально по чертежам заказчика. Бронзографитовые подшипники также выпускают в виде спечённых втулок и точёных втулок с графитовыми вставками.