高速耐疲勞密封軸承的設計及應用

李茂成　黃曉輝

[摘要]論述為延長高速密封軸承的使用壽命，對其設計進行優化處理，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，說明此設計方法在實際中的應用。

[關鍵詞]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備簡單化、小型化、輕量化的必要條件之一。優質的密封軸承應具有較好的存脂、防塵及低溫升性能，同時也要有較長的使用壽命。因此，應綜合考慮密封軸承高可靠性品質。本文對高速密封軸承的設計等方面進行了探討，并列舉設計實例進一步說明耐疲勞密封軸承在實際中的應用。

二、設計原則

（一）軸承的結構設計。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構時，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，應加寬軸承內、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設計小，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）密封結構的設計。密封軸承的設計原則是：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，選擇內圈無槽式雙唇密封圈，既經濟，又能取得較好的密封性能。

（三）保持架的設計。為了適應高速性能，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，可以將兜孔設計成橢圓形，這樣既可以加兜孔與球間的環向間隙，使潤滑脂更容易經過兜孔，從而使保持架得到有效冷卻，又可以避免兜孔側壁強度的削弱以及保持架的軸向不穩定性。保持架的引導間隙及兜孔間隙的選取上較常規軸承設計選取的大，有利于軸承的潤滑及散熱。

（四）密封間隙的選取。防塵蓋與內圈之間的間隙直接關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易造成對內圈擋邊的磨損；并且對于密封軸承的使用而言，如果密封圈內徑與軸承內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，軸承高速運轉中由于滾動體和保持架的攪動，腔內的脂達到飽和狀態后，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，應采用填脂量的下限，即有效密封空間的30%～40%。

三、設計舉例

（一）結構參數優化。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構。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%。經優化設計的軸承主要參數如表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化設計參數，第二組為常規密封球軸承優化設計參數。

該示例軸承的設計綜合考慮了本文所述的高速耐疲勞密封軸承的設計理念，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傳統的浪形沖壓保持架則可以有效地提高軸承的極限轉速，使該軸承的極限轉速可達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計來說是一個飛躍。

（二）軸承臺架試驗結果分析。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，結果非常理想，漏脂率均在0.3%以下，遠遠低于國家標準規定的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，軸承運轉平穩，各個儀表顯示準確，試驗數據可靠，沒出現異常現象。完成500h壽命試驗后，沒出現軸承溝道嚴重偏磨、打滑、明顯劃傷等現象，并且依舊旋轉靈活，對其精度進行了測試，各項指標均符合國標要求。

參考文獻：

[1]張偉等，影響密封深溝球軸承密封性能的因素淺析[J].軸承，2003(3):30-32.

[2]宋浩嵐等，高速長壽命密封軸承的設計[J].軸承，2004(8):10-12.