高速脂潤滑滾動軸承密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化與漏脂試驗*

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 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)良的潤滑條件是傳動系統(tǒng)可靠工作的重要保證,可靠的密封是保證系統(tǒng)潤滑的必要條件[1]，因此，密封是傳動系統(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，特別是高速脂潤滑密封軸承，其潤滑脂只起到潤滑作用，不能帶走軸承的熱量，造成軸承腔內(nèi)溫度高；同時，高轉(zhuǎn)速引起油封與旋轉(zhuǎn)套圈間單位時間內(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]，從而引起潤滑脂泄漏，進(jìn)而影響軸承的潤滑性能，造成軸承的早期失效。因此，密封問題已成為高速脂潤滑滾動軸承的突出問題[3]。

針對滾動軸承的密封性能，學(xué)者們做了大量的數(shù)值模擬和試驗研究。文獻(xiàn)[4]利用高速軸承脂潤滑試驗裝置，進(jìn)行了冷卻效果試驗，結(jié)果表明：在有冷卻情況下，高速滾動軸承可以采用脂潤滑。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)沒有進(jìn)行相應(yīng)的試驗驗證。文獻(xiàn)[6]對軸徑相同而結(jié)構(gòu)不同的油封進(jìn)行了密封試驗，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)化了汽車傳動軸用深溝球軸承復(fù)合密封結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了抗泥漿試驗驗證。但該文獻(xiàn)有限元分析中，沒有考慮溫度效應(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)值分析過程中沒有考慮溫度效應(yīng)，僅僅進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)[9]在ANSYS中建立了汽車輪轂軸承唇封的有限元模型，研究了軸向過盈量、彈簧以及側(cè)唇倒角對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，軸向過盈量對唇封的密封性能影響較大。但該文獻(xiàn)沒有考慮溫度效應(yīng)，沒有試驗驗證。文獻(xiàn)[2]應(yīng)用ABAQUS軟件建立唇形油封的三維有限元模型，并對優(yōu)化前后唇形油封的非穩(wěn)態(tài)溫度場進(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)沒有對分析結(jié)果進(jìn)行試驗驗證。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，并對雙唇形油封進(jìn)行了優(yōu)化。但該文獻(xiàn)沒有考慮密封圈溫升對密封性能的影響，且沒有進(jìn)行試驗驗證。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研究，較少考慮溫度效應(yīng)，缺乏高速脂潤滑滾動軸承油封密封性能的研究。

高速脂潤滑滾動軸承的高轉(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，密封問題已成為高速脂潤滑滾動軸承的突出問題。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)對油封密封性能的影響規(guī)律，對油封主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，開展高速脂潤滑滾動軸承強(qiáng)化溫升漏脂試驗，為高速脂潤滑滾動軸承的設(shè)計優(yōu)化提供理論指導(dǎo)和試驗驗證。

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)，軸承工作過程中不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。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。空氣強(qiáng)迫對流換熱系數(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流換熱系數(shù)αair=9.7 W/(m2·K)；油的對流換熱系數(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。考慮溫度影響時，最大接觸應(yīng)力由不考慮溫度影響時的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。可見溫度對油封的接觸應(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)力對比

圖4 等效應(yīng)力對比

圖5 剪切應(yīng)力對比

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久壽命的基本保證[15]。接觸壓力過小，唇口因油膜厚度大而發(fā)生泄漏；接觸壓力過大，唇口因油膜厚度小而磨損加劇，造成油封過早失效。當(dāng)油封唇口的溫度過高時，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，軸向過盈0.327 mm，徑向過盈量0.07 mm。

2.1 主唇過盈量的影響

選擇適當(dāng)?shù)某跏歼^盈量是非常重要的[16]，圖6所示為軸向過盈量對最大接觸應(yīng)力和最高溫度的影響。隨著過盈量的增加，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。過盈量大于0.17 mm時，唇口溫度大于120 ℃(如圖6中虛線所示)，超過了丁腈橡膠材料使用溫度的極限，因此，建議油封設(shè)計時主唇軸向初始過盈量小于0.17 mm，考慮到油封在軸承運(yùn)行過程中的磨損，主唇軸向初始過盈量應(yīng)小于0.2 mm。

圖6 軸向過盈量對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，對應(yīng)的唇口溫度高。當(dāng)密封材料硬度大于85時，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，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，密封面的摩擦因數(shù)應(yīng)小于0.3。但摩擦因數(shù)的增加并沒有改變油封與套圈間的過盈量，因此，最大接觸應(yīng)力變化不大。但實際情況是，隨著摩擦因數(shù)的增加，油封磨損增加，過盈量減小。因此，若要更準(zhǔn)確預(yù)測油封的動態(tài)密封性能，需要考慮油封的磨損，進(jìn)行油封磨損的動態(tài)仿真分析。

圖8 摩擦因數(shù)對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，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)會造成密封嚴(yán)重磨損和漏脂。

圖9 軸承轉(zhuǎn)速對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，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)計有很大關(guān)系，軸承參數(shù)設(shè)計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)減小軸向過盈量即可保證密封性能，又能防止密封過早失效。文中研究的油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化見圖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。主要因為結(jié)構(gòu)改變后的過盈量減小，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)果對比

4 高速脂潤滑軸承強(qiáng)化溫升漏脂試驗

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

4.1 試驗設(shè)備

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

圖13 試驗機(jī)

圖14 試驗工裝

4.2 試驗步驟

試驗步驟如表2所示。

表2 試驗步驟

4.3 試驗結(jié)果

圖15所示為試驗后部分軸承的外觀，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所示為試驗數(shù)據(jù)對比，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 試驗結(jié)果對比

圖16 試驗數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

(1)溫度對油封的接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力有較大的影響。因此，對高速脂潤滑滾動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高，不適于高速運(yùn)動；原始油封的軸向過盈量應(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。