全密封軋輥軸承密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

王海威，范強(qiáng)，蘇軍偉

(洛陽LYC軸承有限公司 技術(shù)中心，河南 洛陽 471039)

潤滑劑能夠?yàn)檐堓佪S承的滾道和滾動體之間提供充分的保護(hù)，帶走軸承運(yùn)動中產(chǎn)生的熱量。而密封的作用是防止?jié)櫥瑒┬孤┗蛲獠侩s質(zhì)、水分等有害物質(zhì)侵入。潤滑劑泄漏會導(dǎo)致軸承潤滑不良、摩擦磨損加劇、發(fā)熱并污染環(huán)境等。外部雜質(zhì)侵入會引起軸承工作表面的磨粒磨損、壓痕等損傷，從而影響軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度；雜質(zhì)中的硬質(zhì)顆粒物還是影響軸承疲勞壽命的重要因素之一。水和有害物質(zhì)侵入則是造成軸承零件腐蝕(銹蝕)、潤滑劑變質(zhì)的主要原因。

1 密封結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀及存在問題

如今，全密封結(jié)構(gòu)的軋輥軸承已被各鋼廠廣泛采用，常用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。密封圈安裝在獨(dú)立的軸承擋圈上，可以與擋圈一起進(jìn)行安裝和拆卸，減小了軸承拆卸維護(hù)時對密封結(jié)構(gòu)的損壞。

目前帶密封的軋輥軸承一般都采用金屬骨架背部掛膠(或包膠)的密封結(jié)構(gòu)(圖2a)。金屬骨架能夠?yàn)槊芊獠课惶峁┝己玫膹?qiáng)度支撐。密封部位由主、副密封唇組成。主密封唇依靠自緊彈簧和自身過盈量對軸承內(nèi)圈產(chǎn)生一定的軸向抱緊力，隔絕外部有害物質(zhì)侵入和阻止內(nèi)部潤滑劑的泄漏；彈簧能夠保證唇部與內(nèi)圈的隨動性，對主密封唇內(nèi)徑因磨損變大造成的過盈量不足進(jìn)行補(bǔ)償；副密封唇與內(nèi)圈采用小間隙配合，能夠承受潤滑劑因軸承啟動或溫度升高而產(chǎn)生的向外沖擊，并與主密封唇共同形成供密封組件自潤滑用的儲油腔。

圖1 常用的全密封軋輥軸承

目前國內(nèi)普遍采用的密封結(jié)構(gòu)如圖2a所示，其密封結(jié)構(gòu)存在著一些不足。首先，在軸承安裝空間一定的情況下，密封圈的鋼制骨架占用空間較大，壓縮了滾子的可用空間，減小了滾子與滾道之間的接觸面積，導(dǎo)致軸承承載能力下降，進(jìn)而影響軸承壽命。其次，密封圈的安裝效果難以保證，而且使用中易出現(xiàn)松動現(xiàn)象。根據(jù)密封結(jié)構(gòu)使用工況及存在問題，在無法額外增加軸承外形尺寸的情況下，對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

(a)改進(jìn)前密封結(jié)構(gòu) (b)改進(jìn)后密封結(jié)構(gòu)

2 密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的直角骨架密封，軸向尺寸大，空間利用率低。改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)如圖2b所示，改進(jìn)后擋邊的厚度大大減小，而且保持架小端可以向密封方向延伸，這樣大大釋放了滾子的可利用空間，使軸承的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。這對于提高潤滑效果和增加軸承承載能力十分有利。

如圖2所示，傳統(tǒng)軋輥軸承的密封組件安裝到位后，需要在擋圈預(yù)留凹槽部位鑿印，通過擋圈邊緣變形將密封圈卡緊，但是變形程度難以控制。變形過大，會損壞密封圈；變形過小將導(dǎo)致密封圈無法卡緊，出現(xiàn)密封圈松脫或者傾斜現(xiàn)象。這都可能導(dǎo)致軸承進(jìn)水或潤滑劑泄漏。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，借助軸承箱對軸承擋圈的軸向壓緊力，使擋圈將密封圈壓緊固定在正確的工作部位，從而使得密封圈不易松動，密封效果更好，并且拆裝方便。

為了更明顯地比較改進(jìn)前、后密封結(jié)構(gòu)對軸承承載性能的影響，對改進(jìn)前、后軸承的基本額定動載荷和L10壽命進(jìn)行了對比。根據(jù)GB/T 6391—2003中的計(jì)算式，原軸承的基本額定動載荷為4 850 kN；改進(jìn)后軸承基本額定動載荷為6 160 kN，相當(dāng)于原載荷的1.27倍。改進(jìn)后軸承的計(jì)算壽命能夠達(dá)到改進(jìn)前軸承壽命的2.2倍。

3 密封圈尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)的探討

主、副密封唇尺寸、角度的設(shè)計(jì)是影響密封性能和耐磨性能的關(guān)鍵因素，不合理的過盈量、彈簧強(qiáng)度、唇部尺寸與角度等都可能無法實(shí)現(xiàn)良好的密封效果，甚至?xí)?dǎo)致密封圈和軸承的早期失效。因此需對其的關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。密封圈的主要參數(shù)如圖3所示。

圖3 密封圈結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

3.1 彈簧中心相對主唇口位置

由于彈簧中心相對主唇口的位置尺寸R的存在，使彈簧對主密封唇徑向收緊時，主密封唇會發(fā)生順時針的小角度翻轉(zhuǎn)，減小后的β角改善了密封唇口與內(nèi)圈接觸時的應(yīng)力集中，油膜薄且楔形分布在密封內(nèi)側(cè)，因此具有良好的耐磨性和密封效果。經(jīng)過多次試驗(yàn)和調(diào)整，認(rèn)為R值取0.5時效果最為理想。

3.2 密封唇唇角的選取

主唇口部位的前、后唇角(圖3中α，β角)是影響軸承密封效果的關(guān)鍵因素之一。由文獻(xiàn)[1]可知，前、后唇角的差值對密封圈的泵吸效應(yīng)有很大影響。當(dāng)差值為15°～25°時防水防泄漏功能最為理想。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，把α定為40°，把β定為25°。在主唇口內(nèi)側(cè)增加60°的斜角θ有利于提高密封效果，改善唇口潤滑條件。

副唇的作用主要是防止內(nèi)部潤滑劑泄漏，所以多采用小間隙配合。φ取45°時，副唇的密封效果較好。

3.3 主唇過盈量和彈簧的選擇

主唇過盈量(圖3中b)，即密封圈的密封唇在自緊彈簧和唇口收縮力共同作用下唇口與軸承內(nèi)圈的尺寸之差，是密封圈最重要的參數(shù)之一。合理的過盈量是密封圈具有良好性能的必要條件，它可以產(chǎn)生徑向力，并對軸的偏心和唇口的磨損進(jìn)行補(bǔ)償。如果過盈量不足，會造成密封強(qiáng)度不夠，無法與內(nèi)圈表面形成良好的配合，對污物和油脂的隔離作用相應(yīng)減弱；過盈量如果選擇過大，則密封唇與軸承內(nèi)圈的接觸應(yīng)力變大，過大的應(yīng)力會使唇口下的油膜失效，導(dǎo)致內(nèi)圈與唇產(chǎn)生劇烈的摩擦，加劇磨損。經(jīng)過大量的試驗(yàn)和總結(jié)得出的經(jīng)驗(yàn)值為：套圈直徑在400～600 mm時過盈量取1.3～1.9 mm，鋼絲直徑取0.4～0.7 mm，彈簧中徑取2.5～4.5 mm，此時密封效果最理想，密封唇口對套圈抱緊力可以滿足要求。彈簧長度可按裝入后拉長3%～4%來計(jì)算。

3.4 主唇口后表面的回流紋設(shè)計(jì)

如圖4所示，主唇口后表面加工的螺紋線、波紋、三角凸塊等有規(guī)則花紋，稱為回流紋。它可以使?jié)櫥瑒┊a(chǎn)生動壓回流效應(yīng)，有效阻止?jié)櫥瑒┑男孤岣咦詽櫥阅堋?/p>

圖4 主唇口后表面折線回流紋示意圖

4 結(jié)束語

通過對密封組件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化，使軋輥用全密封四列圓錐滾子軸承的承載能力和計(jì)算壽命得到了顯著提高，并能夠更有效阻止冷卻水、粉塵、金屬異物等有害物質(zhì)的侵入，對軸承內(nèi)部的潤滑劑起到理想的密封作用。