角接觸球軸承密封空間體積通用計算方法及填脂量確定

徐潤潤， 尹延經，蔡素然，張振強，敖正紅

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039)

符號說明

a——內、外圈基面到溝底的距離

b——外圈密封槽端面到軸承端面的距離

B1,B2——內圈密封圈1，2裝配處圓柱部分寬度

Bc——保持架寬度

Bm1——密封圈總厚度

Bm4——密封圈骨架掛膠厚度

Bm5——密封圈內徑處唇厚

di——內圈溝道直徑

d2——內圈擋邊直徑

d3,d33——內圈密封圈1,2裝配處圓柱部分直徑

dm3,dm33——密封圈1，2內徑處潤滑脂引導斜坡直徑

D2——外圈擋邊直徑

D3——外圈密封槽止口直徑

D4——外圈密封槽槽底直徑

Dc——保持架外徑

Dc1——保持架內徑

De——外圈溝道直徑

Dm3，Dm33——密封圈1，2骨架定位直徑

Dw——球直徑

R——套圈溝曲率半徑

SH——密封圈骨架板厚

t——套圈鎖口高

Z——球數

α——套圈斜坡角度

β——密封圈內徑處潤滑脂引導斜坡角度

ρ——潤滑脂密度

λ——軸承填脂率

ΔC——保持架兜孔直徑

下角標

e——外圈

i——內圈

脂潤滑是一種方便、簡易和環保的密封軸承潤滑方式，80%滾動軸承均采用脂潤滑，滾動軸承脂潤滑技術受到國內外學者的廣泛關注[1]。密封軸承填脂量是脂潤滑軸承重要的指標之一，填脂量與軸承結構、工況、潤滑脂性能指標等參數有關[2]。填脂量過大，潤滑脂對滾動體拖曳力增大，軸承摩擦力矩增大，發熱量增大，溫升提高，容易造成軸承失效；填脂量過小，軸承內外滾道與滾動體間不易形成潤滑油膜，潤滑不充分，容易造成磨損失效。生產廠家普遍采用軸承密封空間體積作為軸承填脂量的主要依據。因此，軸承密封空間體積對填脂量的確定具有重要意義，基于填脂率對軸承摩擦力矩的影響進行試驗研究，可為密封軸承填脂量的確定提供參考。

1 密封角接觸球軸承空間體積分析

以角接觸球軸承為例，密封角接觸球軸承有外圈、內圈、球、密封圈和保持架組成，依據其套圈斜坡角度和鎖口位置差異，分為7系列、B7系列和H7系列，如圖1所示，左側密封圈為密封圈1，右側密封圈為密封圈2。密封角接觸球軸承密封空間為內、外圈和密封圈組成的密封空腔體積減去球體積Vb和保持架體積Vc。

考慮到套圈結構和密封圈形狀差異，創建了密封角接觸球軸承密封空間體積計算通用模型，如圖2所示，涵蓋了以上3種角接觸球軸承結構。將密封空腔分解為V1，V11，V2，V22，V3，V33，V4i，V4e，Vi，Ve，V0，各部分體積計算方法如下[3-5]。

圖1 密封角接觸球軸承結構圖

圖2 密封角接觸球軸承空間體積計算通用模型

密封圈1包絡體積

(1)

密封圈2包絡體積

，(2)

密封圈1內、外唇厚差包絡體積

(3)

密封圈2內、外唇厚差包絡體積

(4)

密封圈1密封槽位置差包絡體積

(5)

密封圈2密封槽位置差包絡體積

,(6)

外圈溝道容積

內圈溝道容積

(8)

外圈斜坡包絡體積

(9)

內圈斜坡包絡體積

2ti+2xtanαi)2]dx，

(10)

內外圈擋邊包絡體積

(11)

保持架體積

(12)

球體積

(13)

則密封空間體積

V=V1+V11+V2+V22+V3+V33+V4i+

V4e+Vi+Ve+V0-Vc-Vb，

(14)

填脂量

M=Vρλ。

(15)

2 密封角接觸軸承空間體積計算

采用MATLAB GUIDE構建了角接觸球軸承密封空間體積理論計算界面;采用SOLIDWORKS建立了角接觸球軸承密封空間體積三維模型，計算軸承密封空間體積[6-7]。

2.1 構建MATLAB GUIDE計算界面

根據密封角接觸球軸承通用模型計算公式，采用MATLAB GUIDE創建了密封角接觸球軸承密封空間體積及填脂量計算界面，如圖3所示，通過輸入密封角接觸球軸承外圈、內圈、保持架、密封圈和潤滑參數，計算密封角接觸球軸承密封空間體積及填脂量。

圖3 密封角接觸球軸承密封空間體積及填脂量計算界面

2.2 構建SOLIDWORKS角接觸球軸承密封空間三維模型

根據密封角接觸球軸承通用模型的特點，采用三維軟件SOLIDWORKS系列零件設計表，通過輸入密封角接觸球軸承外圈、內圈、保持架和密封圈參數，建立密封空間三維模型。通過軟件的質量特性功能，得到密封角接觸球軸承密封空間體積，如圖4所示，并根據(15)式計算填脂量。

圖4 密封空間三維模型及其體積

采用以上2種方法，對密封角接觸球軸承7系列、B7系列及H7系列軸承密封空間體積進行計算，結果見表1。

表1 密封軸承密封空間體積計算結果

由表1可得，2種方法計算結果誤差不超過0.1%，證明了通用模型準確性及適用性。

3 填脂率

摩擦力矩是密封角接觸球軸承重要的性能指標，填脂率(填脂量占密封空間的比例)直接影響角接觸球軸承的摩擦力矩[8]。采用ZYS M系列動態摩擦力矩試驗機，主軸轉速為100 r/min，針對不同的軸向載荷和填脂率，對10套同批次B7005密封軸承摩擦力矩進行測試，取10套軸承摩擦力矩平均值作為統計數據，結果如圖5所示。

圖5 填脂率對密封軸承摩擦力矩影響

由圖5可以看出：1)脂潤滑、輕軸向載荷(≤35 N)條件下，填脂率10%左右時，試驗軸承摩擦力矩最小，隨填脂率增加，軸承摩擦力矩增大，說明填脂量多，潤滑脂對球的拖曳力增大，軸承摩擦力矩增大；2)脂潤滑、中重軸向載荷(≥70 N)條件下，填脂率20%左右時，試驗軸承摩擦力矩最小，隨填脂率增加，摩擦力矩先減小后增大。摩擦力矩先減小是由于10%填脂率在軸承中重載荷條件下，軸承填脂量過小，潤滑不充分，軸承摩擦力矩增大，填脂率增大至20%時，軸承潤滑充分，軸承摩擦力矩減小；軸承摩擦力矩增大是由于30%,40%填脂率在重載荷條件下，軸承填脂量過多，潤滑脂對球的拖曳力增大，軸承摩擦力矩增大。

4 結束語

建立了密封角接觸球軸承密封空間體積計算的通用模型，推導出通用計算方法。分別采用MATLAB GUIDE構建了密封角接觸球軸承密封空間體積通用模型計算界面和SOLIDWORKS建立了角接觸球軸承密封空間體積三維模型，通過對比，驗證了通用模型的準確性及適用性。并以B7005密封角接觸球軸承為例，基于填脂率對密封軸承摩擦力矩的影響進行研究，輕軸向載荷條件下，填脂率10%左右時，試驗軸承摩擦力矩最小；中重軸向載荷條件下，填脂率20%左右時，試驗軸承摩擦力矩最小。