Металлофторопластовая лента МФЛ: устройство и втулки без смазки

Лента получила название по двум главным составляющим: металл несёт нагрузку и отводит тепло, фторопласт даёт низкое трение. Из неё сворачивают втулки с разрезом, штампуют упорные шайбы и полосы для направляющих. Отдельно о самом фторопласте: его трение по стали и почему оно растёт с нагрузкой и температурой, видно по коэффициенту трения фторопласта; у МФЛ трение то же по природе, но нагрузку держит бронзовый каркас.

Лента состоит из трёх слоёв с разной работой

Нижний слой стальная лента, она даёт прочность и посадку с натягом в корпус. На неё припекают пористый слой из сферических частиц бронзы. Поры пропитывают смесью фторопласта со свинцом или дисульфидом молибдена, и та же смесь закрывает бронзу сверху тонким рабочим слоем. Существует вариант с бронзовой основой вместо стальной: он не магнитится и не ржавеет, но по данным GGB для ленты DUB его статическая нагрузка ниже, 140 МПа против 250.

В России ленту выпускают несколько предприятий, у одного из них документ указан как ТУ 37.002.0063-84 (kompozit.ooo). Наиболее подробные открытые данные о поведении такого материала опубликованы в справочнике конструктора по втулкам DU и DUB (руководство GGB, PDF); цифры ниже взяты оттуда и годятся как ориентир для российских лент той же конструкции, но не заменяют паспорт конкретного производителя.

Характеристики ленты DU как ориентир для МФЛ

Скорость скольжения до 2,5 м/с, выше возможен перегрев. Произведение давления на скорость pU при постоянной работе до 1,8 МПа·м/с, кратковременно до 3,6 МПа·м/с. Допустимое давление падает при переменной нагрузке: при качании под постоянной нагрузкой и миллионе циклов оно уже 44 МПа, при переменной нагрузке и тех же циклах 22 МПа.

Что такое металлофторопластовая лента?

Металлофторопластовая лента — композиционный материал для подшипников скольжения из трёх слоёв: стальной основы, пористого слоя спечённой бронзы и фторопласта с наполнителем, который заполняет поры и покрывает бронзу тонкой плёнкой. Из ленты сворачивают втулки, работающие без смазки от −200 до +280 °C. По данным GGB для ленты DU втулка выдерживает до 140 МПа в работе и до 250 МПа статически при скорости скольжения до 2,5 м/с.

Износ идёт в три стадии и заканчивается на 0,06 мм

Приработка снимает с рабочего слоя около 0,015 мм: фторопласт со свинцом переносится на вал и образует на нём плёнку. Поверхность втулки становится серо-зелёной, бронза проступает примерно на 10 % площади. Дальше износ минимален и растёт медленно. Конец ресурса узнают по виду: бронза открыта на 70 % поверхности и больше, суммарный износ около 0,06 мм, скорость износа резко растёт.

Отсюда практическое правило осмотра. Если на снятой втулке медный цвет занимает большую часть дорожки, её меняют, даже если зазор ещё в допуске: следующие сотые доли миллиметра уйдут быстро, и бронза начнёт задирать вал. Вал при этом изнашиваться не должен, пока втулка работает в своём ресурсе и в узел не попадает абразив.

В матрице четыре варианта втулки без смазки. Свёртная из МФЛ держит до 140 МПа в работе, стенка у стандартного ряда от 0,75 до 2,5 мм, размер только из ряда изготовителя, агрессивную среду не переносит. Точёные из Ф4К20, бронзофторопласта и капролона делают любой стенки и размера; по нагрузке они уступают ленте на стальной основе, фторопласт с коксом выдерживает агрессивные среды, бронзофторопласт ограниченно, капролон работает до +90 °C и химию не любит.

Расчёт втулки начинается с давления и скорости

Давление на втулку считают по проекции: p = F / (Di·B), где Di внутренний диаметр, B ширина. Скорость скольжения при вращении U = π·Di·n / 60 000 в м/с, если Di в миллиметрах, а n в оборотах в минуту. Их произведение pU сравнивают с пределом.

Пример: втулка Ø30 мм шириной 30 мм, радиальная нагрузка 3 кН, вал 100 об/мин. Давление 3 000 / 900 ≈ 3,3 МПа, скорость π × 30 × 100 / 60 000 ≈ 0,16 м/с, pU ≈ 0,52 МПа·м/с. Это меньше трети постоянного предела 1,8, втулка работает с запасом. Тот же узел на 500 об/мин даёт U ≈ 0,79 м/с и pU ≈ 2,6 МПа·м/с: выше постоянного предела, допустимо только при коротких включениях. Решение для постоянной работы: шире втулка, меньше нагрузка или смазка маслом.

Как рассчитать втулку из металлофторопластовой ленты?

Втулку из металлофторопластовой ленты проверяют по трём величинам: давлению p = F/(Di·B), скорости скольжения U и их произведению pU. Для ленты DU по данным GGB давление в работе не больше 140 МПа, скорость до 2,5 м/с, pU до 1,8 МПа·м/с при постоянной работе и до 3,6 кратковременно. Ресурс дополнительно снижают поправки на температуру, материал вала и переменную нагрузку из руководства изготовителя.

Вал и корпус задают зазор, а не втулка

Втулку из ленты поставляют с готовым отверстием, и рабочий зазор получается после запрессовки: корпус обжимает втулку на натяг. GGB для ленты DU даёт для стандартного ряда корпус по H6 или H7 и вал по h6, f7 или h8 в зависимости от диаметра; у маленьких втулок стенка 0,75 мм. Любое увеличение зазора при сухой работе пропорционально уменьшает ресурс.

Вал нужен шлифованный, шероховатость не грубее Ra 0,4 мкм, чугун до Ra 0,3. Шлифовать по направлению вращения, после полировки убрать абразив. Во влажной среде без масла вал берут из нержавеющей стали, хромированный или из твёрдо анодированного алюминия. Конец вала с заходной фаской, вал выходит за втулку, чтобы его кромка не врезалась в рабочий слой.

Если корпус алюминиевый, а узел работает горячим, корпус растачивают меньше: по таблице изготовителя на 0,1 % на каждые 100 °C. При нагреве до 140 °C минимальный зазор увеличивают на величину порядка 0,02 мм, иначе рабочий слой расширится внутрь и зажмёт вал.

Когда вместо свёртной втулки точат втулку из фторопласта

Свёртная втулка из МФЛ хороша в серийном узле со стандартным размером, тонкой стенкой и высокой нагрузкой. Точёная втулка из наполненного фторопласта нужна в других случаях. Размер нестандартный или стенка толще 2–3 мм, потому что корпус уже расточен под старую втулку. Среда агрессивная, и сталь основы с бронзой в ней корродируют. Нужен бурт, канавка, лыска или разрез сложной формы. Нужна партия из нескольких штук без ожидания стандартного ряда.

Наполненный фторопласт выбирают по паре трения: кокс для стального вала, графит для мягкого, стекловолокно для жёсткости, и как наполнитель меняет износ, показано в описании марок наполненного фторопласта. Для нагруженной втулки с теплоотводом рядом с МФЛ стоит бронзофторопласт Ф4Бр40: тот же союз бронзы и фторопласта, но в объёме детали, без стальной основы. Нагрузку он держит меньшую, чем лента на стали, зато втулку можно выточить любой формы.

Данные заказчика и допущения при замене втулки МФЛ

Заявка на замену металлофторопластовой втулки может прийти с изношенной деталью и без чертежа узла. Что мы получаем от вас и что вынуждены предполагать, разделяем в КП явно.

Допущения стоят в КП отдельной строкой, чтобы решение о замене МФЛ точёной втулкой принималось с открытыми глазами: у точёной втулки другая стенка, другой зазор и другой предел по нагрузке.

Что прислать для расчёта втулки скольжения

Пришлите диаметр вала, отверстие корпуса и ширину посадочного места, нагрузку, частоту вращения или угол и частоту качания, среду и температуру, а если есть старая втулка, её фото с видом рабочей дорожки. По этим данным мы предложим втулки из наполненного фторопласта или бронзофторопласта и выточим их механической обработкой; другие детали из фторопласта для того же узла, шайбы и направляющие, можно включить в одну заявку.