易奔，郭長(zhǎng)建，李喜軍，張鋼

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.人本集團(tuán) 技術(shù)中心，上海 201411)

密封軸承具有抗污染、防粉塵和簡(jiǎn)化主機(jī)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，并且便于安裝和維護(hù)，在家電、電動(dòng)機(jī)、車(chē)輛、冶金、工程機(jī)械、輕工機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近20年來(lái)，隨著ZYB系列軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的推廣和鋼鐵冶煉水平的普遍提高，軸承因承載能力和材質(zhì)問(wèn)題出現(xiàn)的疲勞失效已不再是早期失效的主因；而不適應(yīng)使用工況(如高溫、潮濕、高速、粉塵等環(huán)境)出現(xiàn)的早期失效成為其主要的失效模式，故軸承設(shè)計(jì)已從單純的主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)(載荷最大化)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足軸承應(yīng)用要求的個(gè)性化設(shè)計(jì)。對(duì)于密封軸承，密封設(shè)計(jì)成為軸承設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作。

針對(duì)密封軸承的通用設(shè)計(jì)，行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了大量的研究，但大多是針對(duì)密封結(jié)構(gòu)[1]、密封件與套圈的配合關(guān)系[2]，很多軸承公司也只是對(duì)密封圈和密封槽的制造方面進(jìn)行相關(guān)的研究和改進(jìn)[3-4]，而對(duì)密封件唇部設(shè)計(jì)參數(shù)的研究涉及較少。軸承密封結(jié)構(gòu)形式較多[1]，其中接觸式密封因其優(yōu)良的密封性能而成為應(yīng)用最廣的密封結(jié)構(gòu)?；诖耍闹薪Y(jié)合密封圈唇部設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)軸承接觸式密封進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 密封性能要求

影響軸承密封性能的相關(guān)因素很多，例如密封結(jié)構(gòu)、密封圈與密封槽的設(shè)計(jì)與制造、油脂性能和填脂量等[5]。密封軸承性能要求主要包括摩擦力矩、溫升、漏脂、防塵及耐磨損等指標(biāo)。摩擦力矩、溫升和耐磨損等指標(biāo)往往相互關(guān)聯(lián)，而又與漏脂、防塵等指標(biāo)相互制約。因此在密封軸承設(shè)計(jì)中尋求一種平衡若干密封性能要求的設(shè)計(jì)和分析方法尤為重要。

2 接觸式密封的設(shè)計(jì)

以6202-2RS軸承為例，參照Z(yǔ)YB2—1989設(shè)計(jì)出的密封圈外唇部及其骨架如圖1所示。其中，密封圈材料為丁腈橡膠(70HRA)，密封圈外唇引導(dǎo)角β=30°～50°，外唇過(guò)盈量ε1=0.1～0.3 mm，密封外徑間隙ε=0～0.2 mm；密封圈骨架由鋼板沖壓而成，其外徑d1=d+(0.2～0.4)mm，d為外圈擋邊直徑，骨架厚度ε2=0.25～0.35 mm；外圈密封槽卡角θ=40°～60°。

圖1 外圈密封槽和密封外唇部

參照文獻(xiàn)[6]及經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的密封圈內(nèi)唇部結(jié)構(gòu)如圖2所示(為便于軟件分析，對(duì)密封結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)化處理，不影響分析方法和結(jié)果)。其中，腰部寬度δ=0.5～0.7 mm，擋油唇間隙δ1=0.3～0.6 mm，防塵唇間隙δ2=0.15～0.45 mm，主唇過(guò)盈量δ3=0.1～0.2 mm，主唇寬度δ4=0.2～0.4 mm，防塵唇厚度δ5=0.2～0.4 mm，主唇角度α=30°～50°。

圖2 內(nèi)圈密封槽和密封內(nèi)唇部結(jié)構(gòu)

該產(chǎn)品在應(yīng)用中溫升較高，而主唇過(guò)盈量在接觸式密封設(shè)計(jì)中并不大?，F(xiàn)對(duì)該接觸式密封進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)目標(biāo)是降低溫升。以密封唇力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，目前沒(méi)有參數(shù)化的函數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果，建立模糊函數(shù)

F=f(δ,x,δ4,R,α,η)，

(1)

式中：F為密封唇力；x為腰部長(zhǎng)度；R為腰部直徑；η為橡膠材料系數(shù)。密封唇力是反映密封軸承密封性能的關(guān)鍵參數(shù)。密封唇力過(guò)小，密封圈接觸內(nèi)圈密封槽后，防塵唇將嚴(yán)重向外翹曲而失去作用，軸承將不能有效抵御外界雜質(zhì)入侵；密封唇力過(guò)大，會(huì)使摩擦力矩和溫升增大，內(nèi)唇磨損加劇，能耗升高。

為方便分析，這里僅以腰部寬度δ作為自變量，其余參數(shù)作為常量。改進(jìn)后，腰部寬度δ=0.2～0.4 mm。

3 密封唇力分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

基于ANSYS分析平臺(tái)，對(duì)上述改進(jìn)前、后的接觸式密封模型進(jìn)行分析[7]。以密封圈模型端面為約束，分析密封唇力和密封主唇偏移量的關(guān)系，分析模型如圖3所示，分析結(jié)果分別如圖4中A1，A2曲線所示。

圖3 密封唇力和密封主唇偏移量分析模型

采用SLFT-l型密封唇力測(cè)量?jī)x[8]，對(duì)改進(jìn)前、后的密封圈進(jìn)行唇力測(cè)試(各測(cè)試3片，取均值)，測(cè)試結(jié)果分別如圖4中T1，T2曲線所示。對(duì)比可知，ANSYS分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本擬合，在設(shè)計(jì)研究中ANSYS分析可作為密封唇力分析的手段。

圖4 密封唇力與密封唇偏移量的關(guān)系曲線

4 性能試驗(yàn)

對(duì)6202-2RS軸承使用改進(jìn)前、后的接觸式密封圈進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，包括摩擦力矩、溫升、漏脂、防塵和耐磨損等試驗(yàn)。摩擦力矩試驗(yàn)采用M9908B摩擦力矩測(cè)量?jī)x；溫升、漏脂和防塵試驗(yàn)參照J(rèn)B/T 8571—2008進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1(表中a為改進(jìn)前結(jié)構(gòu)，b為改進(jìn)后結(jié)構(gòu))。由表1可知，改進(jìn)后的密封圈在摩擦力矩和溫升等密封性能上有較大程度改善。溫升、漏脂和防塵試驗(yàn)后，在光學(xué)顯微鏡下觀察密封圈發(fā)現(xiàn)，有若干個(gè)改進(jìn)前的密封圈接觸唇口存在輕微發(fā)毛磨損現(xiàn)象，而改進(jìn)后的密封圈無(wú)此現(xiàn)象。改進(jìn)前、后密封圈的其余密封性能相當(dāng)。

表1 密封性能試驗(yàn)結(jié)果

5 接觸式密封通用設(shè)計(jì)和性能分析方法

為將密封唇力應(yīng)用于接觸式密封通用設(shè)計(jì)，對(duì)6200-2RS，6204-2RS，6206-2RS等02系列深溝球軸承的接觸式密封圈進(jìn)行了類(lèi)似的改進(jìn)，并分別對(duì)其進(jìn)行了密封唇力測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 密封唇力與密封唇偏移量的關(guān)系曲線

為形成設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，這里引入面壓的概念，即單位面積密封唇力(密封唇力與密封件腰部直徑和寬度的比值)，Ρ=F/(Rδ)。

本例中密封唇力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)上式轉(zhuǎn)化為面壓數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，改進(jìn)后02系列的4個(gè)型號(hào)軸承密封面壓曲線基本擬合。

圖6 密封面壓與密封唇偏移量的關(guān)系曲線

對(duì)6200-2RS，6204-2RS，6206-2RS軸承進(jìn)行相關(guān)密封性能試驗(yàn)，密封性能的各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好，且實(shí)際應(yīng)用中滿足工作要求?；谏鲜龇治?，在系列產(chǎn)品接觸式密封設(shè)計(jì)中，對(duì)若干型號(hào)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證滿足要求后，可將其面壓作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，從而獲得接觸式密封的通用設(shè)計(jì)方法。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)滿足某應(yīng)用密封要求的密封件進(jìn)行分析或試驗(yàn)，提取其面壓作為密封唇部的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)；在設(shè)計(jì)同類(lèi)應(yīng)用系列軸承的密封件時(shí)，通過(guò)確定影響密封唇力的相關(guān)參數(shù)(如(1)式)，保證近似面壓，即可獲得近似密封性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中旨在通過(guò)面壓的分析結(jié)合密封性能試驗(yàn)提供一種通用的接觸式密封設(shè)計(jì)方法,即通過(guò)若干型號(hào)軸承密封圈的改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行相關(guān)密封性能試驗(yàn)，確定密封面壓曲線，將其定為系列產(chǎn)品密封通用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。而文中僅以?xún)?nèi)唇腰部寬度為變量進(jìn)行了分析研究，其他影響因子的相關(guān)分析有待進(jìn)一步研究，基本思路和方法與文中類(lèi)似。