Полиуретановые втулки: твёрдость, посадка, ресурс

Промышленная полиуретановая втулка решает одну из четырёх задач: держит ось шарнира, гасит удар и вибрацию в опоре, направляет тягу или трос, защищает вал или трубу от истирания. От задачи зависит, что считать. Для шарнира главная величина удельное давление, для опоры прогиб и нагрев, для направляющей зазор и трение, для защитной втулки толщина слоя под износ. Те же величины задают и выбор материала, когда втулки на заказ сравнивают между полиуретаном, капролоном и фторопластом.

Подбор идёт от узла к приёмке партии. Каждый шаг заканчивается числом или решением, которое потом попадает в заявку. Если пропустить шаг, его всё равно придётся пройти позже, только уже на вопросах технолога или на рекламации.

Шаги на схеме: функция втулки в узле; удельное давление на ось; твёрдость по нагрузке и частоте; посадка с натягом или зазором; проверка нагрева и среды; технология под размер партии; замер после запрессовки и приёмка.

Шаг 1. Функция втулки определяет, какую величину считать

Шарнирная втулка рычага или гидроцилиндра работает как подшипник скольжения с упругим слоем. Ось в ней поворачивается на угол качания, нагрузка приходит в основном радиально, иногда с ударом. Для такой втулки считают удельное давление и проверяют смазку.

Опорная втулка виброизолятора или крепления двигателя почти не проворачивается: она сжимается и сдвигается. Здесь важнее прогиб под весом и частота колебаний, а слишком твёрдый полиуретан передаст вибрацию на раму без гашения. Направляющая втулка тяги, троса или штока нагружена слабо, и её подбирают по зазору и трению, иногда выгоднее сделать её из графитонаполненного капролона.

Защитная втулка надевается на вал или трубу и стирается вместо металла. Её размер задаёт запас на износ: толщину стенки берут такой, чтобы втулку меняли по графику, а не по факту задиров на валу.

Шаг 2. Удельное давление считают по проекции втулки

Для шарнирной втулки удельное давление считают как нагрузку, делённую на диаметр оси и длину втулки. Пример: на палец диаметром 30 мм приходится 10 кН, втулка длиной 40 мм. Проекция 30 × 40 = 1 200 мм², давление 10 000 Н / 1 200 мм² ≈ 8,3 МПа. Если нагрузка ударная, в расчёт берут не средний вес, а пиковое значение или средний вес с коэффициентом, который задаёт конструктор узла.

Полученное число сравнивают с допустимым значением в паспорте выбранной марки полиуретана. Если запаса нет, проще всего увеличить длину: втулка 60 мм на той же оси снизит давление до 5,6 МПа. Увеличение диаметра оси требует переделки металла, поэтому этот путь берут реже.

Расчёт стоит сделать и для старой втулки, которая разбилась. Если давление на ней было высоким, новая втулка той же длины из более твёрдой марки проживёт дольше, но проблему не снимет: удлинить или поставить две втулки рядом часто дешевле, чем подбирать материал.

Шаг 3. Твёрдость выбирают по нагрузке и частоте качания

Полиуретановые втулки общего назначения делают в диапазоне примерно от 80 до 95 Shore A, для тяжело нагруженных шарниров встречаются и более твёрдые марки, твёрдость которых указывают уже по шкале Shore D. Это ориентир для марок общего назначения; материал и твёрдость фиксируются в КП. Сопоставить шкалы A и D удобно по таблице твёрдости по Шору.

Мягкая втулка 80–85 Shore A лучше гасит удар и вибрацию, прощает перекос оси, но под высоким удельным давлением сильнее деформируется, и узел получает люфт. Твёрдая втулка 92–95 Shore A точнее держит положение оси, но хуже гасит удар и передаёт его на проушины и палец. В шарнирах с ударной нагрузкой это видно по разбитым отверстиям корпуса раньше, чем по износу самой втулки.

Частота важна наравне с нагрузкой. Шарнир ковша, который качается несколько раз в минуту, и рычаг вибросита с частотой в десятки герц получают совершенно разный нагрев при одинаковой нагрузке. Для частых колебаний стенку делают тоньше, чтобы тепло уходило в металл, а марку проверяют по допустимой длительной температуре.

Шаг 4. Натяг задают с двух сторон и проверяют после запрессовки

Втулку запрессовывают в отверстие корпуса с натягом по наружному диаметру, чтобы она не проворачивалась в гнезде. По оси возможны два варианта: зазор, если ось должна вращаться во втулке со смазкой, или натяг, если втулка работает на закручивание без проскальзывания. Вариант определяется функцией из шага 1, и его указывают в чертеже явно.

Пример расчёта сжатия стенки: отверстие 50 мм, ось 30 мм, стенка 10 мм. Натяг по наружному диаметру 0,4 мм даёт радиальное сжатие 0,2 мм, это 2 % толщины стенки. Цифры примера условные; величину натяга для конкретной марки и узла согласуют с технологом, и она попадает в КП как предложение, если чертёж её не задаёт.

Полиуретан почти несжимаем по объёму, поэтому при запрессовке материал уходит внутрь, и внутренний диаметр втулки уменьшается. На толстостенной втулке заметная часть натяга по наружному диаметру переходит на внутренний. Поэтому внутренний диаметр задают и проверяют в запрессованном состоянии. Замер свободной детали покажет размер больше рабочего, и ось потом не войдёт или войдёт с натягом там, где нужен зазор.

Какую твёрдость выбрать для полиуретановой втулки?

Твёрдость полиуретановой втулки выбирают по удельному давлению и частоте качания. Для опор и узлов, где нужно гасить вибрацию, ориентир 80–85 Shore A. Для нагруженных шарниров с редким качанием берут 90–95 Shore A. Если узел качается часто и с большой амплитудой, стенку делают тоньше и проверяют марку по температуре, иначе втулка перегреется изнутри. Окончательную марку сверяют с паспортом по допустимому давлению.

Какой натяг нужен полиуретановой втулке?

Натяг полиуретановой втулки задают отдельно по наружному диаметру в корпусе и по внутреннему на оси. По наружному натяг нужен всегда, чтобы втулка не проворачивалась в гнезде. По внутреннему выбирают зазор, если ось вращается со смазкой, или натяг, если втулка работает на закручивание. Величину согласуют с технологом, а внутренний диаметр проверяют после запрессовки, потому что он уменьшается.

Шаг 5. Нагрев и вода ограничивают ресурс сильнее нагрузки

Полиуретан нагревается изнутри при циклической деформации: часть энергии каждого колебания уходит в тепло. В толстой стенке тепло не успевает отводиться, середина втулки перегревается, материал размягчается и разрушается изнутри, хотя снаружи втулка выглядит целой. Признак такого отказа: трещины и порошок в середине стенки при целой наружной поверхности.

Температурный запас у полиуретана скромнее, чем кажется по каталогам. Например, производитель элементов из полиуретана 92 Shore A Elesa указывает максимальную длительную рабочую температуру +60 °C и предупреждает, что работа при +60…+100 °C допустима, но заметно снижает характеристики (описание PES-92). У других марок предел выше, и его смотрят в паспорте, но саморазогрев втулки складывается с температурой узла.

Вода и пар добавляют гидролиз: полиуретан на основе сложного эфира во влажной тёплой среде теряет прочность. Для втулок мойки, водяных насосов и уличной техники в мокрых условиях в заявке указывают среду и температуру, тогда изготовитель предлагает гидролизостойкую марку или другой материал. Для мокрых узлов выбор полиуретан или капролон встаёт часто.

Почему полиуретановая втулка разрушается изнутри?

Полиуретановая втулка разрушается изнутри из-за саморазогрева при частых колебаниях. Каждый цикл деформации переводит часть энергии в тепло, а толстая стенка плохо отдаёт его в металл. Середина стенки перегревается выше допустимой для марки температуры, материал размягчается и крошится, хотя поверхность остаётся целой. Помогают более тонкая стенка, смазка оси, марка с запасом по температуре и замер нагрева узла в работе.

Шаг 6. Технологию выбирают по партии и форме

Втулку из полиуретана либо точат из литой заготовки, либо льют в форму сразу по размеру. Точение подходит для единичных втулок, ремонта и проверки новой геометрии: размер меняют правкой программы, оснастка не нужна. Литьё окупается на повторяющейся партии одной втулки и для деталей с металлической обоймой, когда полиуретан заливают прямо на металл. Как считается граница между этими способами, показано на примере полиуретановых манжет, для втулок логика та же.

Минимальный заказ 9 000 ₽ с НДС, при этом заказ принимаем от 1 штуки. Цена самих втулок зависит от марки, размера и технологии, её называют ориентировочно, с НДС, точная цена в КП. Для ремонта это значит, что в одну сумму обычно помещается комплект втулок на весь узел, а не одна изношенная позиция: разумно сразу заказать втулки на обе стороны шарнира или на соседний механизм с тем же размером.

Шаг 7. Партию принимают по размерам в посадке

На приёмке полиуретановых втулок проверяют количество, внешний вид и размеры. Наружный и внутренний диаметр замеряют на нескольких втулках из партии, длину и торцы проверяют на перекос. Облой на торцах литых втулок, раковины и непролив видны глазом. Для точёных втулок смотрят на чистоту внутренней поверхности: глубокая риска станет началом износа.

Самая показательная проверка: пробная запрессовка одной втулки в корпус и замер внутреннего диаметра после неё. Если ось входит с нужным зазором или натягом, партия годится по посадке. Если нет, вопрос решают с изготовителем по фактам: замеры, фото, номер партии.

Заявка на втулку проходит без второго круга вопросов, когда в ней есть шесть строк

Первая строка: где стоит втулка и что она делает, словами («шарнир рычага, ось качается на 30°», «опора вентилятора»). Вторая: нагрузка или хотя бы масса узла и характер нагрузки, статика, удар или вибрация. Третья: размеры отверстия корпуса, оси и длина посадочного места с допусками металла.

Четвёртая строка: среда и температура (масло, вода, улица, мойка, температура рядом с узлом). Пятая: количество сейчас и расход в год, чтобы сразу сравнить точение и литьё. Шестая: чертёж, эскиз или образец. Для образца годится фото втулки на листе А4 с линейкой, лучше вместе с фото посадочного места, и по нему идёт изготовление по образцу.

Если из шести строк известны только размеры, расчёт всё равно возможен, но твёрдость и материал в КП будут подписаны как предложение изготовителя, а не требование заказчика. Марку и форму детали подбирают из ряда изделий из полиуретана. Если полиуретан не проходит по нагреву или трению, те же размеры переносят на втулки по чертежу из капролона или фторопласта.

Ресурс втулки зависит от смазки и грязи

Втулка с правильной длиной, твёрдостью и посадкой всё равно быстро изнашивается, если ось работает всухую или в узел попадает абразив. Песок и окалина вдавливаются в полиуретан и работают как наждак по оси, поэтому в грязных узлах втулку закрывают пыльником или грязесъёмным кольцом. Смазку закладывают при сборке и обновляют по регламенту узла.

Обещать ресурс втулки в часах без испытаний в конкретном узле нельзя: он зависит от нагрузки, частоты, температуры и грязи сразу. Разумный путь для серийного узла такой: поставить партию, после первого сезона снять одну втулку, замерить износ внутреннего диаметра и по нему назначить интервал замены. Этот замер потом пригодится и при повторном заказе: по нему видно, менять ли длину или твёрдость в следующей партии.