張 帥 杜學(xué)芳 馬 純 姜艷紅 張文虎 鄧四二

(1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽(yáng) 471003；2.河南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453003；3.嘉優(yōu)易軸承科技有限公司 浙江嘉興 314011；4.中浙高鐵軸承有限公司 浙江龍游 324400)

優(yōu)良的潤(rùn)滑條件是傳動(dòng)系統(tǒng)可靠工作的重要保證,可靠的密封是保證系統(tǒng)潤(rùn)滑的必要條件[1]，因此，密封是傳動(dòng)系統(tǒng)可靠工作的重要保證之一。高速軸承具有高轉(zhuǎn)速和高溫升等特點(diǎn)，特別是高速脂潤(rùn)滑密封軸承，其潤(rùn)滑脂只起到潤(rùn)滑作用，不能帶走軸承的熱量，造成軸承腔內(nèi)溫度高；同時(shí)，高轉(zhuǎn)速引起油封與旋轉(zhuǎn)套圈間單位時(shí)間內(nèi)摩擦熱增加，油封唇口溫升增加。高溫升引起油封材料力學(xué)性能大幅下降，加劇油封的磨損、老化及變形[2]，從而引起潤(rùn)滑脂泄漏，進(jìn)而影響軸承的潤(rùn)滑性能，造成軸承的早期失效。因此，密封問(wèn)題已成為高速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的突出問(wèn)題[3]。

針對(duì)滾動(dòng)軸承的密封性能，學(xué)者們做了大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[4]利用高速軸承脂潤(rùn)滑試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了冷卻效果試驗(yàn)，結(jié)果表明：在有冷卻情況下，高速滾動(dòng)軸承可以采用脂潤(rùn)滑。文獻(xiàn)[5]利用有限元軟件模擬了密封介質(zhì)在密封間隙中的流動(dòng)情況，結(jié)果表明：由結(jié)構(gòu)效應(yīng)引起的泵汲率隨軸轉(zhuǎn)速增大而增大。但該文獻(xiàn)沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]對(duì)軸徑相同而結(jié)構(gòu)不同的油封進(jìn)行了密封試驗(yàn)，指出油封泵汲率和摩擦生熱性能與油封結(jié)構(gòu)和彈簧彈力有關(guān)。文獻(xiàn)[7]利用有限元軟件分析并優(yōu)化了汽車(chē)傳動(dòng)軸用深溝球軸承復(fù)合密封結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了抗泥漿試驗(yàn)驗(yàn)證。但該文獻(xiàn)有限元分析中，沒(méi)有考慮溫度效應(yīng)。文獻(xiàn)[8]建立了唇形密封的理論模型，對(duì)唇封的軸向泵汲效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，得到船舶漿軸密封圈的方向角、膜厚和壓力分布。但該文獻(xiàn)在數(shù)值分析過(guò)程中沒(méi)有考慮溫度效應(yīng)，僅僅進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)[9]在ANSYS中建立了汽車(chē)輪轂軸承唇封的有限元模型，研究了軸向過(guò)盈量、彈簧以及側(cè)唇倒角對(duì)唇形密封圈密封性能的影響,結(jié)果表明：帶彈簧唇形密封圈的密封性能更好，軸向過(guò)盈量對(duì)唇封的密封性能影響較大。但該文獻(xiàn)沒(méi)有考慮溫度效應(yīng)，沒(méi)有試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2]應(yīng)用ABAQUS軟件建立唇形油封的三維有限元模型，并對(duì)優(yōu)化前后唇形油封的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，獲得壓力、轉(zhuǎn)速與油封溫升之間的關(guān)系曲線。但該文獻(xiàn)沒(méi)有對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10]建立了單唇與雙唇油封的三維有限元模型，模擬了主唇口的壓力變化分布曲線，指出單唇油封在密封效果上優(yōu)于雙唇油封，并對(duì)雙唇形油封進(jìn)行了優(yōu)化。但該文獻(xiàn)沒(méi)有考慮密封圈溫升對(duì)密封性能的影響，且沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。上述文獻(xiàn)均著重密封圈的接觸應(yīng)力、接觸寬度和等效應(yīng)力等靜態(tài)密封特性仿真或試驗(yàn)研究，較少考慮溫度效應(yīng)，缺乏高速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承油封密封性能的研究。

高速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的高轉(zhuǎn)速和高溫升加劇了油封的磨損、老化及變形，降低了油封的密封性能，密封問(wèn)題已成為高速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的突出問(wèn)題。鑒于此，本文作者建立油封的熱-應(yīng)力耦合有限元仿真模型，研究油封主要參數(shù)和軸承工況參數(shù)對(duì)油封密封性能的影響規(guī)律，對(duì)油封主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)展高速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承強(qiáng)化溫升漏脂試驗(yàn)，為高速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 油封熱-應(yīng)力耦合有限元模型

1.1 油封幾何模型及材料物性

圖1所示為軸承的密封結(jié)構(gòu)和油封局部圖。油封由金屬骨架和橡膠密封圈組成，唇口由主唇、防塵唇和輔助唇組成。油封固定在外圈的密封槽內(nèi)，軸承工作過(guò)程中不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。橡膠密封圈的材料為丁腈橡膠(NBR)，其使用溫度范圍為-40～120 ℃。軸承旋轉(zhuǎn)套圈和丁腈橡膠的物性[11]如表1所示。

圖1 軸承密封結(jié)構(gòu)及油封局部放大

表1 密封結(jié)構(gòu)材料屬性

1.2 油封熱-應(yīng)力耦合有限元仿真模型及邊界條件

圖2所示為油封的有限元仿真模型及邊界條件?？諝鈴?qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)[12]α=9.7+5.33(πn/2 400)0.8，W/(m2·K)；靜止表面與空氣之間自然對(duì)流換熱系數(shù)αair=9.7 W/(m2·K)；油的對(duì)流換熱系數(shù)[13]αoil=200 W/(m2·K)；摩擦熱分配系數(shù)K≈17.87[14]。

圖2 有限元分析模型及邊界條件

1.3 溫度對(duì)油封靜態(tài)密封性能的影響

圖3—5所示為不考慮溫度及考慮溫度的油封靜態(tài)密封性能?？紤]溫度影響時(shí)，最大接觸應(yīng)力由不考慮溫度影響時(shí)的2.14 MPa降至2.08 MPa；最大等效應(yīng)力由2.82 MPa降至2.61 MPa；最大剪切應(yīng)力由1.36 MPa降至1.31 MPa?？梢?jiàn)溫度對(duì)油封的接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力有較大的影響。因此，對(duì)高速軸承密封機(jī)構(gòu)的密封性能分析應(yīng)考慮溫度效應(yīng)。

圖3 接觸應(yīng)力對(duì)比

圖4 等效應(yīng)力對(duì)比

圖5 剪切應(yīng)力對(duì)比

2 油封熱-應(yīng)力耦合密封特性

接觸壓力的大小及分布是油封獲得良好密封性能和長(zhǎng)久壽命的基本保證[15]。接觸壓力過(guò)小，唇口因油膜厚度大而發(fā)生泄漏；接觸壓力過(guò)大，唇口因油膜厚度小而磨損加劇，造成油封過(guò)早失效。當(dāng)油封唇口的溫度過(guò)高時(shí)，密封材料的力學(xué)性能大幅下降，加劇密封失效。為了提高油封的密封性和使用壽命，必須確保接觸面上溫度最大值在材料許用溫度范圍內(nèi)[2]。因此，文中以唇口的最大接觸應(yīng)力和最高溫度作為油封熱-應(yīng)力耦合密封特性的考核指標(biāo)，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)的影響。

油封的主唇起主要的密封作用，因此，文中主要分析主唇的密封性能。基于當(dāng)前油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基本仿真條件為：轉(zhuǎn)速1 650 r/min，摩擦因數(shù)0.3，軸承腔內(nèi)溫度60 ℃，環(huán)境溫度25 ℃，橡膠材料Mooney-Rivlin常數(shù)C10=1.84 MPa，C01=0.47 MPa，軸向過(guò)盈0.327 mm，徑向過(guò)盈量0.07 mm。

2.1 主唇過(guò)盈量的影響

選擇適當(dāng)?shù)某跏歼^(guò)盈量是非常重要的[16]，圖6所示為軸向過(guò)盈量對(duì)最大接觸應(yīng)力和最高溫度的影響。隨著過(guò)盈量的增加，唇口的最高溫度和最大接觸應(yīng)力都增加。主要原因是過(guò)盈量增加，接觸應(yīng)力增加，摩擦功耗增加，產(chǎn)生的熱量增加，唇口溫度升高。過(guò)盈量大于0.17 mm時(shí)，唇口溫度大于120 ℃(如圖6中虛線所示)，超過(guò)了丁腈橡膠材料使用溫度的極限，因此，建議油封設(shè)計(jì)時(shí)主唇軸向初始過(guò)盈量小于0.17 mm，考慮到油封在軸承運(yùn)行過(guò)程中的磨損，主唇軸向初始過(guò)盈量應(yīng)小于0.2 mm。

圖6 軸向過(guò)盈量對(duì)主唇最高溫度和最大接觸應(yīng)力的影響

2.2 密封材料硬度的影響

橡膠材料邵氏A硬度與有限元材料常數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系參考文獻(xiàn)[17]，選取橡膠材料邵氏A硬度為60～90。圖7所示為密封材料硬度對(duì)最大接觸應(yīng)力和最高溫度的影響。隨材料硬度的增加，唇口的最高溫度和最大接觸應(yīng)力增加。主要原因是在相同過(guò)盈量的情況下，材料硬度大，相應(yīng)的彈性模量大，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力大，摩擦產(chǎn)生的熱大，對(duì)應(yīng)的唇口溫度高。當(dāng)密封材料硬度大于85時(shí)，唇口最高溫度大于120 ℃(如圖7中虛線所示)。因此，密封材料硬度應(yīng)小于85。

圖7 材料硬度對(duì)主唇最高溫度和最大接觸應(yīng)力的影響

2.3 密封面摩擦因數(shù)的影響

圖8所示為摩擦因數(shù)對(duì)最大接觸應(yīng)力和最高溫度的影響。隨摩擦因數(shù)的增加，產(chǎn)生的熱量增加，唇口的溫度線性增加；最大接觸應(yīng)力減小，但變化不大。主要原因是隨著摩擦因數(shù)的增加，摩擦產(chǎn)生的熱增加，因此唇口最高溫度增加。當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.3時(shí)，唇口溫度大于120 ℃(如圖8中虛線所示)，因此，在密封機(jī)構(gòu)加工制造時(shí)，密封面的摩擦因數(shù)應(yīng)小于0.3。但摩擦因數(shù)的增加并沒(méi)有改變油封與套圈間的過(guò)盈量，因此，最大接觸應(yīng)力變化不大。但實(shí)際情況是，隨著摩擦因數(shù)的增加，油封磨損增加，過(guò)盈量減小。因此，若要更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)油封的動(dòng)態(tài)密封性能，需要考慮油封的磨損，進(jìn)行油封磨損的動(dòng)態(tài)仿真分析。

圖8 摩擦因數(shù)對(duì)主唇最高溫度和最大接觸應(yīng)力的影響

2.4 軸承轉(zhuǎn)速的影響

圖9所示為軸承轉(zhuǎn)速對(duì)最大接觸應(yīng)力和最高溫度的影響。隨軸承轉(zhuǎn)速的增加，唇口的最高溫度增加，最大接觸應(yīng)力減小，但幅度較小。主要原因是隨軸承轉(zhuǎn)速的增加，摩擦生熱增加，唇口的最高溫度增加；油封溫度增加，材料彈性模量減小，但由于軸向過(guò)盈量不變，因此最大接觸應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速有所減小但變化不大。當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速大于1 600 r/min時(shí)，唇口的最高溫度大于120 ℃(如圖9中虛線所示)，因此，當(dāng)前密封機(jī)構(gòu)不能適用于高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)會(huì)造成密封嚴(yán)重磨損和漏脂。

圖9 軸承轉(zhuǎn)速對(duì)主唇最高溫度和最大接觸應(yīng)力的影響

2.5 軸承腔內(nèi)溫度的影響

圖10所示為軸承腔內(nèi)溫度對(duì)最大接觸應(yīng)力和最高溫度的影響。隨軸承腔內(nèi)溫度的增加，主唇口的最高溫度增加；最大接觸應(yīng)力減小，但變化不大。主要原因是軸承腔內(nèi)溫度越高，傳導(dǎo)到油封的熱量越大，造成油封的溫升增大，當(dāng)軸承腔內(nèi)溫度大于55 ℃時(shí)，唇口的最高溫度大于120 ℃(如圖10中虛線所示)。最大接觸應(yīng)力減小，但變化不大，原因同上。軸承腔內(nèi)溫度主要影響油封唇口的最高溫度，進(jìn)而影響油封材料的選擇。軸承腔內(nèi)溫度與軸承參數(shù)的合理設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，軸承參數(shù)設(shè)計(jì)合理有利于降低軸承腔內(nèi)的溫度。

圖10 軸承腔內(nèi)溫度對(duì)主唇最高溫度和最大接觸應(yīng)力的影響

3 油封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及分析

3.1 油封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

基于前文分析可知：唇口的最高溫度隨軸向過(guò)盈量、橡膠材料硬度、密封面摩擦因數(shù)、軸承轉(zhuǎn)速和軸承腔內(nèi)溫度的增大而增大；最大接觸應(yīng)力隨軸向過(guò)盈量和橡膠材料硬度的增大而增大，隨密封面摩擦因數(shù)、軸承轉(zhuǎn)速和軸承腔內(nèi)溫度的增大變化不大。因此，就油封結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化而言，適當(dāng)減小軸向過(guò)盈量即可保證密封性能，又能防止密封過(guò)早失效。文中研究的油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化見(jiàn)圖11。

圖11 油封結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后密封性能仿真結(jié)果

圖12所示為結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后密封性能仿真結(jié)果對(duì)比。結(jié)構(gòu)改變后唇口的最高溫度降低，最大等效應(yīng)力減小，優(yōu)化后油封可以滿足密封需求。主要因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)改變后的過(guò)盈量減小，摩擦生熱減小，因此唇口的最高溫度降低，最大等效應(yīng)力減小。

圖12 油封優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對(duì)比

4 高速脂潤(rùn)滑軸承強(qiáng)化溫升漏脂試驗(yàn)

脂潤(rùn)滑密封軸承的漏脂率是其密封性能的重要指標(biāo)，過(guò)多脂的流失會(huì)造成軸承潤(rùn)滑不良，造成軸承的過(guò)早失效[18]。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖13所示為高速高溫變載軸承試驗(yàn)機(jī)。電主軸及其伺服控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)300～24 000 r/min范圍內(nèi)的無(wú)極變速，徑向和軸向加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軸承的徑向和軸向加載，溫度傳感器測(cè)量軸承外圈的溫度。圖14所示為測(cè)試工裝。

圖13 試驗(yàn)機(jī)

圖14 試驗(yàn)工裝

4.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如表2所示。

表2 試驗(yàn)步驟

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖15所示為試驗(yàn)后部分軸承的外觀，原始軸承漏脂嚴(yán)重，而優(yōu)化后的軸承未發(fā)現(xiàn)明顯的漏脂。圖16所示為試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)化后油封的平均漏脂率由3.83%降至1.66%，下降了56.7%；軸承外圈平均溫升由67.8 ℃降至31 ℃，下降了54.3%，優(yōu)化后軸承的密封性能和可靠性得到提升。

圖15 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖16 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

(1)溫度對(duì)油封的接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力有較大的影響。因此，對(duì)高速脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承油封密封性能的研究應(yīng)該考慮溫度的影響。

(2)原始油封因其唇口溫度過(guò)高，不適于高速運(yùn)動(dòng)；原始油封的軸向過(guò)盈量應(yīng)小于0.2 mm，油封材料硬度應(yīng)小于85。

(3)唇口的最高溫度隨軸向過(guò)盈量、橡膠材料硬度、密封面摩擦因數(shù)、軸承轉(zhuǎn)速和軸承腔內(nèi)溫度的增大而增大；最大接觸應(yīng)力隨軸向過(guò)盈量和橡膠材料硬度的增大而增大，隨密封面摩擦因數(shù)、軸承轉(zhuǎn)速和軸承腔內(nèi)溫度的增大變化不大。

(4)優(yōu)化后密封結(jié)構(gòu)的平均漏脂率下降了56.7%，軸承外圈平均溫升下降了54.3%，軸承的密封性能和可靠性得到了提升。