البطانات النحاسية

لتحديد حجم ومادة ومواصفات البطانات النحاسية بشكل صحيح، من الضروري الجمع بين ظروف المطابقة (مثل سعة التحميل، وسرعة التشغيل، ومتطلبات التشحيم) وسيناريوهات التركيب (مثل قطر العمود، ومادة الغلاف، وبيئة العمل)، والتركيز على توافق المعلمات الأساسية. فيما يلي شرح تفصيلي من ثلاثة أبعاد: تحديد الحجم، واختيار التفاوتات، والمعلمات الرئيسية:

يجب أن يتطابق حجم البطانات النحاسية بدقة مع قطر العمود وغلاف التركيب. الأساس هو تحديد ثلاث معلمات رئيسية: القطر الداخلي (المطابقة مع العمود)، والقطر الخارجي (المطابقة مع الغلاف)، والطول:

المبدأ الأساسي: يجب أن يكون القطر الداخلي للبطانة النحاسية أكبر قليلاً من قطر العمود (تشكيل خلوص الملاءمة). يتم تعديل حجم الخلوص وفقًا لخصائص التشغيل لتحقيق التوازن بين المرونة التشغيلية والاستقرار:

• السرعة المنخفضة والحمل الثقيل (مثل مكابس الثقب، وأعمدة الكسارات): يلزم خلوص أصغر (0.01-0.03 مم) لتجنب زيادة التآكل الموضعي الناتج عن الاهتزاز بين العمود والبطانة؛
• السرعة العالية والحمل الخفيف (مثل أعمدة المحركات، وأعمدة المروحة): يلزم خلوص أكبر (0.03-0.08 مم) لحجز مساحة للتمدد الحراري للبطانة النحاسية (معامل التمدد الحراري للنحاس ≈16*10⁻⁶/°C، أعلى من الفولاذ) لمنع التشابك في درجات الحرارة المرتفعة؛
• التشحيم الجيد (مثل حمام الزيت، التشحيم القسري): يمكن زيادة الخلوص بشكل معتدل (0.05-0.12 مم) لتحسين سيولة وسيط التشحيم؛
• البيئة القاسية (مثل الغبار، الاحتكاك الجاف/التشحيم الحدودي): يجب التحكم في الخلوص بدقة (≤0.03 مم) لتقليل دخول الشوائب والتآكل الجاف؛
• تعديل تكييف المواد: النحاس النقي (النحاس الأحمر) ناعم نسبيًا، لذا يجب أخذ الخلوص عند الحد الأدنى (≤0.02 مم) لتجنب التشوه؛ يمكن تحديد النحاس الأصفر والبرونز وفقًا للخلوصات التقليدية؛
• صيغة الحساب: القطر الداخلي الموصى به d = قطر العمود + خلوص الملاءمة. عادةً ما تكون دقة قطر العمود h6/h7 (منطقة تفاوت العمود)، ويتم تحديد تفاوت القطر الداخلي للبطانة النحاسية على التوالي كـ H7/H8 (منطقة تفاوت الثقب) لتشكيل "ملاءمة خلوص".

يحتاج القطر الخارجي للبطانة النحاسية إلى تكوين ملاءمة مستقرة مع غلاف التركيب (عادةً الحديد الزهر أو اللوح الفولاذي أو سبائك الألومنيوم) لمنع البطانة من الانزلاق في الغلاف أثناء التشغيل:

• الحمل الخفيف، سيناريوهات تتطلب الفك (مثل أجزاء صيانة الآلات العامة): ملاءمة انتقالية (تفاوت البطانة g6، تفاوت الغلاف H7)، مما يسمح بخلوص طفيف أو تداخل (±0.01 مم) لتحقيق التوازن بين الثبات وسهولة الفك؛
• الحمل الثقيل، سيناريوهات الاهتزاز (مثل الآلات الزراعية، آلات البناء): ملاءمة تداخل (تفاوت البطانة r6، تفاوت الغلاف H7)، مقدار التداخل 0.01-0.04 مم (كلما زاد القطر، زاد مقدار التداخل) لضمان تثبيت البطانة النحاسية بإحكام وتجنب الارتخاء الناتج عن الاهتزاز؛
• تكييف مادة الغلاف: عندما يكون الغلاف مصنوعًا من مواد ناعمة مثل سبائك الألومنيوم، يتم تخفيض مقدار التداخل إلى النصف (0.005-0.02 مم) لمنع تشوه الغلاف وتشقق.

يجب أن يتجنب اختيار الطول الدعم غير الكافي بسبب كونه قصيرًا جدًا ومشاكل تبديد الحرارة أو المعالجة الناتجة عن كونه طويلاً جدًا:

• خطر أن يكون قصيرًا جدًا: منطقة دعم غير كافية، حمل مفرط لكل وحدة مساحة، وهو عرضة للتحطم والتشوه الموضعي للبطانة النحاسية؛
• خطر أن يكون طويلاً جدًا: ضعف تبديد الحرارة في منتصف البطانة النحاسية (على الرغم من أن النحاس يتمتع بموصلية حرارية ممتازة، إلا أن نسبة الطول إلى القطر المفرطة عرضة لتراكم الحرارة)، وزيادة صعوبة المعالجة وارتفاع التكاليف؛
• النسبة الموصى بها: L=(1.2-3)*d (القطر الداخلي) للسيناريوهات التقليدية؛
• التكيف الخاص: بالنسبة للأعمدة الرفيعة وظروف العمل الاهتزازية، يمكن زيادته إلى L=(3-4)*d، ولكن يجب تصميم أخاديد الزيت المحورية (العرض 2-3 مم، العمق 0.5-1 مم) للمساعدة في تبديد الحرارة والتشحيم؛
• قيود المواد: النحاس النقي له قوة منخفضة، لذلك يجب ألا يتجاوز الطول 3d لتجنب تشوه الانحناء.

تعمل البطانات النحاسية في بيئة احتكاك ديناميكية، لذلك يجب أن يتجنب التحكم في التفاوتات الملاءمة الفضفاضة أو التشابك أو التآكل المفرط:

• تفاوت القطر الداخلي: درجة H7 (على سبيل المثال، d=50 مم، نطاق التفاوت 0~+0.025 مم) أو درجة H8 (0~+0.039 مم) لضمان خلوص موحد للبطانات النحاسية في نفس الدفعة؛
• تفاوت القطر الخارجي: درجة g6 (على سبيل المثال، D=60 مم، نطاق التفاوت -0.012~-0.002 مم) أو درجة r6 (+0.028~+0.038 مم)، مطابقة تفاوت الغلاف لتشكيل ملاءمة مستقرة؛
• المتطلب الرئيسي: تفاوت التوافق المحوري بين الأقطار الداخلية والخارجية لنفس البطانة النحاسية ≤0.01 مم لتجنب الخلوص غير المتكافئ والتآكل الموضعي الناتج عن اللامركزية.

• تفاوت الاستدارة: ≤0.005 مم (القطر الداخلي ≤50 مم) أو ≤0.01 مم (القطر الداخلي >50 مم) لتجنب "الاتصال النقطي" بين العمود والبطانة الناتج عن الشكل البيضاوي، مما يزيد من التآكل؛
• تفاوت الاستطوانية: ≤0.01 مم/م لضمان ملاءمة موحدة بين الجدار الداخلي للبطانة النحاسية وطول العمود بأكمله، وتحقيق قوة متوازنة؛
• تفاوت التعامد النهائي للوجه: ≤0.01 مم/م لتجنب الحركة المحورية الناتجة عن القوة غير المتساوية على الوجه النهائي.

• خشونة الجدار الداخلي: Ra≤0.8μm (معالجة مصقولة) لتقليل معامل الاحتكاك مع العمود (معامل الاحتكاك بين النحاس والفولاذ ≈0.15، والذي يمكن تخفيضه إلى 0.08-0.1 بعد التلميع)؛
• خشونة الجدار الخارجي: Ra≤1.6μm لتحسين الملاءمة مع الغلاف وتعزيز استقرار التثبيت؛
• شطب الحواف: يتم شطب كلا الطرفين عند 1*45° أو 2*30° لتجنب خدش العمود أو الغلاف أثناء التركيب وتوجيه تدفق وسيط التشحيم.

تنقسم البطانات النحاسية بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: النحاس النقي، والنحاس الأصفر، والبرونز. تحدد الاختلافات في الأداء السيناريوهات القابلة للتطبيق:

• تكييف الحمل: للضغط ≤15MPa، النحاس الأصفر اختياري؛ لـ 15-30MPa، يتم تحديد برونز القصدير؛ لـ >30MPa، يفضل برونز الألومنيوم (قوة عالية، مقاومة للصدمات)؛
• تكييف السرعة: للسرعة الخطية ≤3m/s، يمكن تحديد النحاس النقي أو النحاس الأصفر؛ لـ 3-10m/s، برونز القصدير (مقاومة التآكل) مناسب؛ لـ >10m/s، يجب مطابقة التشحيم القسري + مادة البرونز؛
• البيئة المسببة للتآكل: للوسائط الرطبة والحمضية والقاعدية (مثل المعدات الكيميائية)، يفضل برونز الألومنيوم أو برونز القصدير (مقاومة فائقة للتآكل للنحاس الأصفر والنحاس النقي)؛
• سيناريوهات خالية من الزيت/منخفضة الزيت: يتم تحديد البرونز المحتوي على الرصاص (مثل ZCuSn10Pb1)، حيث يشكل الرصاص طبقة تشحيم ذاتي لتقليل التآكل الجاف.

• تصميم أخدود الزيت/فتحة الزيت: بالنسبة لسيناريوهات الحمل الثقيل وعالية السرعة، يجب فتح أخاديد الزيت المحورية (العرض 2-3 مم، العمق 0.5-1 مم) أو أخاديد الزيت الحلقية على الجدار الداخلي للبطانة النحاسية، ويجب ضبط فتحات الزيت (الفتحة 2-4 مم) في النهايات لضمان التشحيم المستمر؛
• تصميم سمك الجدار: سمك الجدار التقليدي δ=(D-d)/2=3-8 مم؛ بالنسبة لسيناريوهات الحمل الثقيل، يمكن زيادته إلى 8-15 مم؛ بالنسبة لمواد النحاس النقي، يجب زيادة سمك الجدار بنسبة 20% مقارنة بالنحاس الأصفر/البرونز لتعويض القوة غير الكافية؛
• تصميم التوقف: بالنسبة لسيناريوهات الاهتزاز الشديدة، يمكن فتح أخدود توقف (العرض 3-5 مم، العمق 1-2 مم) على الجدار الخارجي للبطانة النحاسية، وتثبيته بدبوس توقف لمنع الدوران المحيطي.