高速耐疲勞密封軸承的設(shè)計及應(yīng)用

李茂成　黃曉輝

[摘要]論述為延長高速密封軸承的使用壽命，對其設(shè)計進行優(yōu)化處理，大大提高軸承使用壽命，同時其它指標也均符合標準要求，并進一步列舉實例，說明此設(shè)計方法在實際中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]軸承密封圈疲勞

中圖分類號：TF4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420117－01

一、前言

滾動軸承的密封是機械設(shè)備簡單化、小型化、輕量化的必要條件之一。優(yōu)質(zhì)的密封軸承應(yīng)具有較好的存脂、防塵及低溫升性能，同時也要有較長的使用壽命。因此，應(yīng)綜合考慮密封軸承高可靠性品質(zhì)。本文對高速密封軸承的設(shè)計等方面進行了探討，并列舉設(shè)計實例進一步說明耐疲勞密封軸承在實際中的應(yīng)用。

二、設(shè)計原則

（一）軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計。以兩面帶密封圈外型尺寸為φ25×φ52×15的密封軸承為例，采用非接觸式帶橡膠密封圈結(jié)構(gòu)時，由于密封圈自身所占的空間比防塵蓋的大，在主機空間允許的條件下，應(yīng)加寬軸承內(nèi)、外圈寬度，這樣可增加有效密封空間，有利于散熱的同時又能相應(yīng)多填入潤滑脂，便于提高軸承壽命。軸承的非裝配倒角比常規(guī)設(shè)計小，r取0.3即可，這便于提高密封軸承的防塵性能，并降低其漏脂率。軸承游隙的選取通常以國標規(guī)定的第三組游隙甚至更大，有利于軸承的高速性能。

（二）密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計。密封軸承的設(shè)計原則是：保證在基型軸承上，安裝密封圈后，密封空間最大。這受很多因素的制約，例如外圈密封槽止口最小寬度一般取0.5mm；保持架與密封圈內(nèi)徑最小距離不小于0.3mm等。在保證加工精度的前提下，選擇內(nèi)圈無槽式雙唇密封圈，既經(jīng)濟，又能取得較好的密封性能。

（三）保持架的設(shè)計。為了適應(yīng)高速性能，采用實體鉚接保持架，其具有足夠的強度并且重量輕，耐磨好，同時考慮到便于密封軸承的潤滑及散熱，在保持架強度允許的條件下盡量薄，以減少保持架體積，增大有效密封空間。同時在徑向載荷較大時，高速軸承鋼球的速度變化很大，可以將兜孔設(shè)計成橢圓形，這樣既可以加兜孔與球間的環(huán)向間隙，使?jié)櫥菀捉?jīng)過兜孔，從而使保持架得到有效冷卻，又可以避免兜孔側(cè)壁強度的削弱以及保持架的軸向不穩(wěn)定性。保持架的引導(dǎo)間隙及兜孔間隙的選取上較常規(guī)軸承設(shè)計選取的大，有利于軸承的潤滑及散熱。

（四）密封間隙的選取。防塵蓋與內(nèi)圈之間的間隙直接關(guān)系到密封性能的好壞。間隙過大，密封性能不好，容易漏脂；但間隙過小，不僅增加加工難度，而且外界磨粒性介質(zhì)易造成對內(nèi)圈擋邊的磨損；并且對于密封軸承的使用而言，如果密封圈內(nèi)徑與軸承內(nèi)圈外徑之間為過盈配合，脂漏不出去，則由于滾動體和保持架的攪拌阻力矩很大，會使腔內(nèi)急劇升溫，帶來更嚴重的后果。通過軸承的脂試驗與分析，來確定軸承密封間隙的選取是否合適。

（五）潤滑脂的篩選及填脂量的確定。選用稠度偏高的潤滑脂，軸承存脂和防塵性能較佳，但其運轉(zhuǎn)中粘滯阻力矩增大，溫度升高。如果脂的稠度太低，流動性大，容易漏出。基于高速耐疲勞密封軸承的特殊要求，應(yīng)采用稠度偏高的鋰基或硅基高溫潤滑脂，以滿足對壽命可靠性及密封性能的要求。

原則上密封軸承的填脂量占軸承有效密封空間的30%～50%，因為密封軸承的漏脂隨著潤滑脂填脂量的增加而增多，當填脂量過多時，軸承高速運轉(zhuǎn)中由于滾動體和保持架的攪動，腔內(nèi)的脂達到飽和狀態(tài)后，多余的脂即漏出。當填脂量過少時，則難以保證軸承的潤滑壽命。

綜上所述，對于高速耐疲勞密封軸承，考慮到高速性能以及要有利于軸承散熱及軸承的防塵性能，應(yīng)采用填脂量的下限，即有效密封空間的30%～40%。

三、設(shè)計舉例

（一）結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。以外形尺寸為φ25×φ52×15的高速長壽命密封球軸承（dn值為0.4×106mm.r/min）的設(shè)計為例。由于主機要求軸承的密封性能良好，并且有高速要求，因此采用橡膠密封圈非接觸式密封結(jié)構(gòu)。保持架采用實體的橢圓兜孔半保持架鉚接形式，在保證期強度的前提下兜孔中心圓直徑外移，其側(cè)壁厚度僅為2.7mm。采用鋰基的高溫高速潤滑脂，填脂量占軸承有效密封空間的33%～40%。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的軸承主要參數(shù)如表1所示，表中第一組為針對高速長壽命密封球軸承進行的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，第二組為常規(guī)密封球軸承優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。

該示例軸承的設(shè)計綜合考慮了本文所述的高速耐疲勞密封軸承的設(shè)計理念，從表1可以看出軸承徑向游隙遠遠大于普通密封軸承的范圍；保持架兜孔中心圓直徑外移，加大保持架內(nèi)徑尺寸；外圈密封槽位置外移是為了增大密封間隙，便于存脂及散熱。采用實體的橢圓兜孔半保持架鉚接形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的浪形沖壓保持架則可以有效地提高軸承的極限轉(zhuǎn)速，使該軸承的極限轉(zhuǎn)速可達16000r/min,dn值達到0.4×106mm.r/min。同時，并不降低軸承的使用壽命，該軸承的計算疲勞壽命可達1400h，對于高速密封軸承的設(shè)計來說是一個飛躍。

（二）軸承臺架試驗結(jié)果分析。按臺架試驗大綱的各項要求，在軸承漏脂試驗機上分別進行了考核試驗，結(jié)果非常理想，漏脂率均在0.3%以下，遠遠低于國家標準規(guī)定的10%。另有幾套軸承分別進行了500h的臺架壽命考核試驗。在整個試驗過程中，軸承運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，各個儀表顯示準確，試驗數(shù)據(jù)可靠，沒出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。完成500h壽命試驗后，沒出現(xiàn)軸承溝道嚴重偏磨、打滑、明顯劃傷等現(xiàn)象，并且依舊旋轉(zhuǎn)靈活，對其精度進行了測試，各項指標均符合國標要求。

參考文獻：

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