高速密封角接觸球軸承內部空間計算與填脂量分析

楊浩亮，王東峰，張振強，商琪，趙碩

（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；4.河南科技大學，河南 洛陽 471003）

符號說明

ae——外圈基面到外圈溝底距離，mm

ai——內圈基面到內圈溝底距離，mm

B——套圈寬度，mm

B1——內圈上第1密封圈裝配寬度，mm

B2——內圈上第2密封圈裝配寬度，mm

Bm1——密封圈總厚度，mm

Bm4——密封圈骨架掛膠厚度，mm

Bc——保持架寬度，mm

b——外圈密封槽端面到軸承端面距離，mm

D2——外圈擋邊直徑，mm

D22——外圈臺階直徑，mm

d2——內圈擋邊直徑，mm

d3——內圈上第1密封圈裝配直徑，mm

d33——內圈上第2密封圈裝配直徑，mm

d4——內圈斜坡底端直徑，mm

Dc——保持架外徑，mm

Dc1——保持架內徑，mm

De——外圈溝道直徑，mm

di——內圈溝道直徑，mm

Dw——球徑，mm

dm1——第1密封圈斜坡底端直徑，mm

dm11——第2密封圈斜坡底端直徑，mm

Dm3——第1密封圈骨架定位直徑，mm

Dm33——第2密封圈骨架定位直徑，mm

dm3——第1密封圈引導斜坡直徑，mm

dm33——第2密封圈引導斜坡直徑，mm

H——鋼骨架板厚，mm

Re——外圈溝道曲率半徑，mm

Ri——內圈溝道曲率半徑，mm

t——裝配鎖口高度，mm

Z——球數

Δc——保持架兜孔直徑，mm

θ——斜坡角度，（°）

φ——密封圈內徑處斜坡角度，（°）

脂潤滑軸承具有經濟、環保等特點，其中高速脂潤滑密封角接觸球軸承已逐步替代中高速油潤滑軸承應用越來越廣泛。由于密封角接觸球軸承一般不更換或補充潤滑脂，因此隨著使用時間增長，會造成潤滑脂基礎油損失，潤滑不良，從而影響其使用壽命。

而填脂量就是其中需要考慮的關鍵問題之一。填脂量多，會造成軸承發熱大，縮短其使用壽命；填脂量少，軸承不能得到長期有效的潤滑，壽命也會縮短。因此，通過計算和分析軸承密封空間，并進行填脂量試驗，研究軸承的最佳填脂量。

1 軸承密封空間體積

1.1 密封空間體積定義

密封軸承結構如圖1所示。軸承內部空間體積可分為運動空間和靜止空間。軸承運動空間為軸承內圈旋轉時，保持架和球掃過的空間（圖2中A區域）；軸承靜止空間為軸承內圈旋轉時，軸承內部不受旋轉部分影響的空間（圖2中B區域）［1］。

圖1 密封軸承結構圖Fig.1 Structure of sealing bearing

圖2 空間劃分圖Fig.2 Space partition figure

1.2 密封全空間體積計算

對高速密封角接觸球軸承內部空間體積的計算做如下簡化：1）忽略公差對空間體積的影響；2）忽略密封圈唇部間隙和變形對空間體積的影響；3）忽略軸承運行過程中空間體積的變化。除去球和保持架，密封軸承內部空間體積可以分為6部分進行計算，如圖3所示。

圖3 空間計算圖Fig.3 Figure of space calculate

外圈溝道與臺階處體積為

內圈溝道與斜坡處體積為

裝配臺階處體積為

圓柱體體積為

內圈斜坡底端直徑為

第1密封圈處體積為

第2密封圈處體積為

保持架體積為

球體積為

軸承密封全空間體積為

1.3 運動空間與靜止空間體積計算

高速密封軸承內部靜止空間主要是用于儲存軸承跑合過程中甩出的潤滑脂。

靜止和運動空間體積分別為

2 填脂量試驗

當軸承內圈高速旋轉時，軸承內部大部分潤滑脂會因內圈、保持架和球的運動，從運動空間甩到靜止空間，只在溝道、保持架、球表面留下薄薄一層潤滑脂。由于內圈和保持架的運動及軸承溫升，靜止空間中潤滑脂內的基礎油析出，對軸承進行補給潤滑。靜止空間若存在過多的潤滑脂，就會因旋轉攪拌產生過多的熱量，造成軸承溫度過高；反之，會因得不到充足的補給潤滑，使軸承壽命縮短［2］。

以密封角接觸球軸承7005C/HQ1P4為研究對象，采用MATLAB計算軸承密封空間、運動空間和靜止空間，結果見表1。

表1 軸承密封空間計算值Tab.1 Calculated values of bearing sealing space

選取驗收合格的8套7005C/HQ1P4軸承分4組（每組2套）進行試驗，每組試驗軸承的填脂量分別為20%，30%，40%，50%。試驗采用高速電主軸軸承試驗機，試驗軸系結構如圖4所示。試驗軸向載荷140 N，通過液壓閥進行加載，徑向載荷0 N；試驗軸承最高轉速48 000 r/min，采用自然冷卻，排除冷卻水對外圈溫度的影響。

圖4 試驗軸系結構Fig.4 Structure of shafting

試驗軸承正確安裝后，轉速依次遞增到48 000 r/min，共進行90 min跑合試驗，跑合過程中軸承外圈溫度通過PT100溫度傳感器進行監測，外圈溫度曲線如圖5所示。

圖5 跑合過程軸承外圈溫度曲線Fig.5 Temperature curve of bearing outer in running-in process

由圖5可知，隨著填脂量的增加，軸承跑合過程中溫度峰值增加，這是由于填脂量越多，軸承跑合過程中攪拌潤滑脂產生熱量越多。隨著跑合的進行，多余的潤滑脂被甩到軸承靜止空間，4組軸承直接參與潤滑的潤滑脂基本相當，因此跑合結束后，4組軸承外圈溫度相差不大。試驗前對軸承進行稱重，計算填脂量L1（L1=W2-W1）；試驗結束后對軸承再次稱重，考察軸承漏脂率，即（W2-W3）/（W2-W1）×100%；稱重去除可見脂后軸承的質量，考察直接參與潤滑的潤滑脂質量L2（L2=W4-W1），計算剩余脂占空間的百分比，即L2/0.62×20%。軸承稱重結果見表2。

由表2可知，當填脂量達到50%時，軸承出現嚴重的漏脂，即填脂量過多，多余的潤滑脂被擠出密封圈。第4組剩余潤滑脂可認為是軸承最大填脂量，其占軸承空間的42%（（W3-W1）/0.62×20%）。由于潤滑脂的遷移，大部分潤滑脂被擠出球與溝道間，停留在密封圈處［3］。去除密封圈處可見脂后，直接參與潤滑的潤滑脂占軸承空間百分比約為9%（取4組試驗平均值），即存留在溝道、保持架和球表面的潤滑脂量。因此，密封軸承7005C/HQ1P4理論最大填脂量為軸承靜空間和直接參與潤滑的潤滑脂占軸承空間百分比之和，即最大填脂量為軸承密封空間的44%，與第4組試驗結果得到的最大填脂量百分比42%接近。

表2 軸承稱重結果Tab.2Weighing values of bearing

試驗結束后拆解軸承密封圈，發現20%和30%填脂量的軸承只有一側密封圈存有較多的潤滑脂，另一側沒有或存有少量的潤滑脂（圖6）；40%和50%填脂量的軸承兩側密封圈均存有較多的潤滑脂（圖7）。

圖6 30%填脂量軸承外觀Fig.6 Appearance of bearing with 30% filling grease

圖7 40%填脂量軸承外觀Fig.7 Appearance of bearing with 40% filling grease

去除密封圈可見潤滑脂后，只保留溝道、球和保持架上的潤滑脂進行補充試驗。軸承運行約20 h后，發熱加劇，磨損嚴重。因此可以得出，密封圈處儲存的潤滑脂對軸承的持續潤滑具有重要作用，直接影響軸承壽命。

綜上可得，在保證軸承跑合過程發熱不至于過高的前提下，選取合適的填脂量有利于提高軸承壽命。

3 結束語

不同軸承型號的填脂量比例不一定相同，最佳填脂量應根據軸承內部空間狀態及工況條件確定。密封角接觸球軸承一般取軸承內部靜空間所需的填脂量，可避免軸承跑合過程中發熱過大，提高軸承的潤滑壽命。