密封深溝球軸承漏脂原因與填脂量探討

張迅雷，汪燮民

(浙江五洲新春集團(tuán)股份有限公司，浙江 新昌 312500)

通常，密封型深溝球軸承具有較好的潤(rùn)滑與密封性能，既可防止?jié)櫥男孤?，同時(shí)也能避免塵埃、金屬或非金屬微顆粒及其他雜物、水分等的侵入。使用密封軸承可簡(jiǎn)化支承部位的密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)，安裝和拆卸方便，維修和保養(yǎng)簡(jiǎn)單。因此，該類軸承發(fā)展很快，需求量也越來越大，已占深溝球軸承產(chǎn)量的90%左右。

實(shí)際使用表明，到目前為止，密封球軸承的漏脂和異物侵入問題仍沒有得到徹底解決。下文將對(duì)漏脂產(chǎn)生的原因，潤(rùn)滑脂在軸承內(nèi)部的分布狀態(tài)，以及填脂量等進(jìn)行分析。

1 密封軸承的漏脂問題

對(duì)于密封深溝球軸承的漏脂問題，通常首先考慮到的是密封唇、密封槽的結(jié)構(gòu)及其接觸狀態(tài)。到目前為止，密封軸承在初始運(yùn)轉(zhuǎn)階段均會(huì)或多或少出現(xiàn)漏脂的情況。

1.1 漏脂部位及形態(tài)

軸承漏脂形態(tài)如圖1所示，其中，堆狀漏脂主要屬于靜止?fàn)顟B(tài)，由軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂的攪動(dòng)力及溫升導(dǎo)致內(nèi)部壓力增大，產(chǎn)生排擠造成(圖1a)；密封槽處的周向漏脂由內(nèi)部壓力、內(nèi)圈密封槽與密封唇之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)所致，漏脂通常分布在全部或部分圓周上(圖1b和圖1c)。

圖1 軸承漏脂形態(tài)

1.2 漏脂原因

由于潤(rùn)滑脂填充過量、初始填充位置不合適、軸承旋轉(zhuǎn)過程中潤(rùn)滑脂受到離心作用或機(jī)械擠壓等作用，潤(rùn)滑脂遷移到易產(chǎn)生泄漏的密封唇處，隨著軸承的旋轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑脂被轉(zhuǎn)移到軸承外部。漏脂原因大致有以下幾種：

(1)軸承內(nèi)部填充的潤(rùn)滑脂在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，有一部分潤(rùn)滑脂遷移并附著于密封唇處。隨著軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度升高，內(nèi)部空氣膨脹導(dǎo)致壓力上升，使附著在密封唇處的潤(rùn)滑脂逐漸被擠壓到外部(圖2)。

圖2 內(nèi)部空氣壓力將密封槽處的潤(rùn)滑脂擠出

(2)軸承內(nèi)圈密封槽臺(tái)階面較粗糙，軸承旋轉(zhuǎn)過程中密封唇與密封槽臺(tái)階面存在相對(duì)旋轉(zhuǎn)，將潤(rùn)滑脂逐步帶出而積聚在密封槽外部。

(3)由于內(nèi)圈的密封槽相對(duì)于密封圈的內(nèi)徑存在一定的偏心，旋轉(zhuǎn)過程中內(nèi)圈密封槽與密封圈內(nèi)徑會(huì)產(chǎn)生徑向往復(fù)偏移，導(dǎo)致潤(rùn)滑脂轉(zhuǎn)移到外部(圖1c)。

(4)密封圈外徑處漏脂主要是填脂不當(dāng)所致。因潤(rùn)滑脂大多被填充于外圈內(nèi)徑擋邊處，軸承旋轉(zhuǎn)初始階段保持架球兜外徑部與外圈擋邊之間不斷攪動(dòng)潤(rùn)滑脂，加之密封圈與外圈的結(jié)合不緊密，將部分潤(rùn)滑脂從縫隙間推到軸承外部。

(5)潤(rùn)滑脂本身物理特性所致的漏脂。隨著軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑脂中的皂纖維被剪斷、基礎(chǔ)油及添加劑的游離等亦可導(dǎo)致漏脂。

1.3 解決方法

1.3.1 密封圈外徑處設(shè)計(jì)放氣缺口(槽)

在密封圈的外徑上開1個(gè)半圓柱形的缺口，在密封圈內(nèi)側(cè)的外環(huán)面上開1～2個(gè)缺口，相互不在同一位置(圖3)。表面上看這2種缺口并不能與外界直接相通，但實(shí)際上密封圈與外圈的槽口之間不是完全的密封狀態(tài)，能有效減輕內(nèi)部溫升帶來的空氣壓力增高，顯著減小漏脂量。

圖3 帶放氣缺口的密封圈

1.3.2 改進(jìn)保持架結(jié)構(gòu)

改進(jìn)保持架結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部能容納更多的潤(rùn)滑脂。這樣不僅可以減少漏脂，而且能保證軸承得到充分的潤(rùn)滑。國(guó)外軸承企業(yè)根據(jù)對(duì)密封軸承內(nèi)部潤(rùn)滑脂遷移的分析，通過改變保持架球兜的形狀達(dá)到保持潤(rùn)滑脂并減少漏脂的目的[1]。具體措施是：(1)加大(球兜內(nèi)徑側(cè)對(duì)角處)球兜內(nèi)側(cè)空間；(2)適當(dāng)加大球兜內(nèi)徑尺寸，使球兜寬度變窄，增大保持架球兜外徑與外圈擋邊之間的間隙，改進(jìn)前后的局部形貌如圖4所示。

圖4 球兜改進(jìn)前后局部形貌圖

1.3.3 合適的填脂量

在保證軸承能得到充分潤(rùn)滑，尤其是在使用環(huán)境良好，沒有異物侵入的情況下，適當(dāng)減少潤(rùn)滑脂的填充量是必要的。這樣不至于有較多的潤(rùn)滑脂附著到內(nèi)、外圈擋邊、保持架外表面以及密封圈的內(nèi)表面上。

2 潤(rùn)滑脂的遷移及驗(yàn)證

下面以6203密封深溝球軸承為例，添加ET-K品牌的潤(rùn)滑脂，在轉(zhuǎn)速1 800 r/min下進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證不同注脂量及注脂方式的影響。

2.1 注脂于外溝道

用注射器將潤(rùn)滑脂注于保持架鉚合面外徑與兩鋼球之間的外溝道中，注脂量為0.24 g，約占軸承內(nèi)部空間10%。軸承不加密封圈，在試檢機(jī)主軸上旋轉(zhuǎn)5 s后觀察潤(rùn)滑脂遷移情況。由圖5可以看出：經(jīng)過鋼球與溝道的快速擠壓，部分潤(rùn)滑脂已被擠到外圈擋邊上；有部分潤(rùn)滑脂經(jīng)過球兜孔到達(dá)內(nèi)溝道，多余的潤(rùn)滑脂被擠壓到內(nèi)圈擋邊上；還有部分潤(rùn)滑脂被帶到保持架球兜的外表面上，這些潤(rùn)滑脂通常很難再回到溝道中參與潤(rùn)滑。

圖5 注脂于外溝道經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的形態(tài)

2.2 注脂于內(nèi)溝道

用同樣方法將潤(rùn)滑脂填充到內(nèi)溝道中，注脂量為0.14 g。因保持架內(nèi)側(cè)間隙相對(duì)較小，填充的潤(rùn)滑脂僅占軸承內(nèi)部空間的5%。用同樣的速度旋轉(zhuǎn)5 s，潤(rùn)滑脂很快被擠壓到內(nèi)圈擋邊和保持架的外表面上，而遷移到外圈擋邊上的脂較少。

對(duì)擠壓掉潤(rùn)滑脂的內(nèi)側(cè)空間再次填充0.15 g(總填脂量為0.29 g)潤(rùn)滑脂，約占軸承內(nèi)部空間的10%，仍旋轉(zhuǎn)5 s，結(jié)果如圖6所示，除了內(nèi)圈擋邊上增加了潤(rùn)滑脂的附著，也有部分潤(rùn)滑脂附著于外圈擋邊上。

圖6 注脂于內(nèi)溝道經(jīng)旋轉(zhuǎn)后的形態(tài)

2.3 常規(guī)注脂情況

通常情況下，注脂量要達(dá)到軸承空腔的30%左右或更多，填脂量占軸承空腔26%時(shí)的情況如圖7、圖8所示。此時(shí)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)使更多的潤(rùn)滑脂被擠壓到擋邊和保持架的外表面上，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，一部分潤(rùn)滑脂就會(huì)轉(zhuǎn)移到密封槽里和密封圈的內(nèi)表面上；內(nèi)、外圈擋邊上的潤(rùn)滑脂與保持架內(nèi)、外徑上的潤(rùn)滑脂經(jīng)過互相攪拌、牽扯后逐漸分離形成渠道，保持架球兜頂部與密封圈內(nèi)表面的潤(rùn)滑脂也同樣互相牽扯后分離。最終結(jié)果是最初填充的潤(rùn)滑脂絕大部分附著于內(nèi)、外圈擋邊、保持架外表面及密封圈的內(nèi)表面上，并被固定下來，正常工作情況下不可能再回到溝道中起潤(rùn)滑作用。

圖7 拆套后的軸承內(nèi)部

圖8 拆套后的密封圈內(nèi)表面

2.4 生產(chǎn)線上的注脂情況

目前生產(chǎn)中的填脂方式大多是由定量泵將潤(rùn)滑脂通過注脂頭加注到保持架梁上，很少接觸到鋼球和溝道的邊緣，基本沒有進(jìn)入到溝道中。生產(chǎn)線上的注脂情況如圖9所示，每套軸承注脂量為0.74 g，約占內(nèi)部空腔的26%。軸承勻脂后，只有注在保持架梁上的脂與內(nèi)、外圈擋邊及溝道邊緣的接觸部分開始牽扯，將保持架梁上的脂拉扯開；位于內(nèi)、外圈擋邊處的部分潤(rùn)滑脂直接被附著于內(nèi)、外圈擋邊上(圖10)，從開始運(yùn)轉(zhuǎn)就有了渠道的跡象。

圖9 生產(chǎn)線上的注脂情況

圖10 勻脂后及局部放大形態(tài)

2.5 對(duì)失效軸承的觀察

按常規(guī)填充潤(rùn)滑脂的軸承在設(shè)備上運(yùn)轉(zhuǎn)至失效后，分解并進(jìn)行觀察。從圖11中可以看出：附著在外圈擋邊、保持架外表面和密封圈內(nèi)表面上的大部分潤(rùn)滑脂已變成褐色；附著在外圈密封槽臺(tái)階上和密封圈與臺(tái)階結(jié)合處的潤(rùn)滑脂仍為乳白色；保持架球兜頂部與密封圈之間的潤(rùn)滑脂有明顯的摩擦痕跡，但相互之間已經(jīng)成為間隙形式，相當(dāng)于內(nèi)、外圈與保持架內(nèi)、外徑之間的潤(rùn)滑脂渠道；一些褐色粉塵已經(jīng)從密封唇處侵入到軸承內(nèi)部。

圖11 使用后的軸承內(nèi)部和密封圈內(nèi)表面形態(tài)

根據(jù)上述試驗(yàn)和觀察可知：填充在軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑脂有一定的遷移規(guī)律，其中有一部分潤(rùn)滑脂很快被固定下來，無法再參與軸承的潤(rùn)滑。

密封蓋剛裝入軸承時(shí)，其內(nèi)側(cè)應(yīng)該沒有潤(rùn)滑脂。但在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)后，被滾動(dòng)組件擠出的潤(rùn)滑脂首先附著在擋邊上，繼續(xù)上行到達(dá)密封蓋的內(nèi)側(cè)表面，最后與保持架外表面上的潤(rùn)滑脂匯合并不斷牽扯。

在跑合初始階段，附著在保持架內(nèi)、外徑上的潤(rùn)滑脂與附著在內(nèi)、外圈擋邊上的脂會(huì)不斷發(fā)生接觸、攪合和牽扯，最終導(dǎo)致部分潤(rùn)滑脂出現(xiàn)明顯的分界面，即形成渠道(當(dāng)然，根據(jù)潤(rùn)滑脂的特性，也有較難形成渠道的)。此時(shí)，只剩下少量的潤(rùn)滑脂在鋼球、溝道、保持架球兜內(nèi)部的接觸面上，借助尖劈作用形成薄薄一層潤(rùn)滑膜，軸承進(jìn)入正常潤(rùn)滑運(yùn)轉(zhuǎn)階段。

當(dāng)達(dá)到一定穩(wěn)定狀態(tài)后，鋼球、溝道、保持架球兜內(nèi)部已經(jīng)沒有多余的潤(rùn)滑脂被擠出，其外部的潤(rùn)滑脂也很難再回到其中參與潤(rùn)滑。此時(shí)軸承中參與潤(rùn)滑的僅有一小部分潤(rùn)滑脂。

由于結(jié)構(gòu)和流變性的差異，各種潤(rùn)滑脂在滾動(dòng)組件外部形成輪廓的能力不同，有些所謂成渠型脂潤(rùn)滑，形成的輪廓相對(duì)整齊、挺拔，跑合時(shí)間比較短，在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中軸承的溫升低，而且平穩(wěn)，是比較理想的軸承潤(rùn)滑脂。對(duì)高速軸承來說，潤(rùn)滑脂的成渠性能尤為重要。

3 填脂量的確定

確定潤(rùn)滑脂的填充量，首先要了解軸承的使用工況。對(duì)于有塵埃、不良?xì)夥占爱愇锏惹秩氲膱?chǎng)合，最好使用能形成渠道的潤(rùn)滑脂，且填脂量宜偏多，以阻擋異物進(jìn)入溝道表面破壞潤(rùn)滑油膜的形成。

若軸承使用工況良好，可以用極少量的潤(rùn)滑脂，只要保證潤(rùn)滑脂均能覆蓋到溝道、鋼球表面和保持架內(nèi)部即可。為了降低軸承溫升和減小力矩，注脂量也需少點(diǎn)。

根據(jù)軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空間容積，潤(rùn)滑脂品牌及使用環(huán)境等的不同，建議注脂量如下：

(1)普通軸承不要填滿潤(rùn)滑脂，以注脂量占到軸承全部空腔的1/2～3/4為宜；軸承使用轉(zhuǎn)速在軸承樣本容許轉(zhuǎn)速的50%以下時(shí)，注脂量占空腔的1/2～2/3；50%以上時(shí)，注脂量占空腔的1/3～1/2。

(2)水平安裝的軸承，注脂量占空腔的2/3～3/4。

(3)垂直安裝的軸承，注脂量占空腔的1/2(上側(cè))，3/4(下側(cè))。

(4)在污染的環(huán)境中，對(duì)于中、低速軸承，應(yīng)將軸承內(nèi)部空間全部注滿潤(rùn)滑脂。

為了讓有限的潤(rùn)滑脂發(fā)揮應(yīng)有作用，應(yīng)將潤(rùn)滑脂直接填充到軸承溝道中。最好將注脂頭的出脂口設(shè)計(jì)成2個(gè)，由內(nèi)、外兩側(cè)對(duì)準(zhǔn)溝道中間注脂。如果做不到，可以將脂填充到外溝道中，切不可直接對(duì)著保持架梁注脂。

4 結(jié)束語

基于對(duì)密封深溝球軸承漏脂問題的分析，探討了軸承密封結(jié)構(gòu)及注脂方式對(duì)漏脂的影響，給出了依據(jù)軸承使用工況確定適宜的注脂量等建議，旨在既能防止漏脂，又能使軸承得到有效潤(rùn)滑，確保軸承長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。