宋浩岚¹，王群²

（1.洛阳轴承研究所，河南洛阳　471039；2.洛阳机车工厂，河南洛阳　471002）

　　摘　要：采用多目标函数以及拟动力学分析模型进行高速长寿命密封轴承优化设计，经过500h的试验机台架考验。装机后在力学环境条件下，功能适应性各项指标符合国标要求。

　　关键词：密封轴承；结构；设计

　　滚动轴承的密封是机械设备简单化、小型化、轻量化的必要条件之一。优质的密封轴承应具有较好的存脂、防尘及低温升性能，同时也要有较长的使用寿命。对这4项指标，采取的技术方案往往对其中的某项有利，而对其他项却不利，相互牵制。因此，应综合考虑密封轴承高可靠性品质。本文对高速密封轴承的设计等方面进行了探讨。

　　1　设计原则

　　1.1轴承的结构设计

　　以两面带密封圈外型尺寸为φ25×φ52×15的密封轴承为例，采用非接触式带橡胶密封圈结构时，由于密封圈自身所占的空间比防尘盖的大，在主机空间允许的条件下，应加宽轴承内、外圈宽度，这样可增加有效密封空间，有利于散热的同时又能相应多填入润滑脂，便于提高轴承寿命。轴承的非装配倒角比常规设计小，r取0.3即可，这便于提高密封轴承的防尘性能，并降低其漏脂率。轴承游隙的选取通常以国标规定的第三组游隙甚至更大，有利于轴承的高速性能。

　　1.2密封结构的设计

　　密封轴承的设计原则是：保证在基型轴承上，安装密封圈后，密封空间Z大。这受很多因素的制约，例如外圈密封槽止口Z小宽度一般取0.5mm；保持架与密封圈内径Z小距离不小于0.3mm等。

　　在保证加工精度的前提下，选择内圈无槽式双唇密封圈，既经济，又能取得较好的密封性能。

　　1.3保持架的设计

　　为了适应高速性能，采用实体铆接保持架，其具有足够的强度并且重量轻，耐磨性好，同时考虑到便于密封轴承的润滑及散热，在保持架强度允许的条件下尽量薄，以减少保持架体积，增大有效密封空间。同时在径向载荷较大时，高速轴承钢球的速度变化很大，可以将兜孔设计成椭圆形，这样既可以加大兜孔与球间的环向间隙，使润滑脂更容易经过兜孔，从而使保持架得到有效冷却，又可以避免兜孔侧壁强度的削弱以及保持架的轴向不稳定性。保持架的引导间隙及兜孔间隙的选取上较常规轴承设计选取的大，有利于轴承的润滑及散热。

　　1.4润滑脂的筛选及填脂量的确定

　　装有固定式密封圈的轴承不能进行补充润滑，因此轴承的使用期限常常是根据润滑的寿命而定。在一定条件下，很可能是润滑脂决定轴承寿命。因此，润滑脂及其填脂量的确定很重要。

　　选用稠度偏高的润滑脂，轴承存脂和防尘性能较佳，但其运转中粘滞阻力矩增大，温度升高。如果脂的稠度太低，流动性大，容易漏出。基于高速长寿命密封轴承的特殊要求，应采用稠度偏高的锂基或硅基高温润滑脂，以满足对寿命可靠性及密封性能的要求。

　　原则上密封轴承的填脂量占轴承有效密封空间的30%～50%，因为密封轴承的漏脂随着润滑脂填脂量的增加而增多，当填脂量过多时，轴承高速运转中由于滚动体和保持架的搅动，腔内的脂达到饱和状态后，多余的脂即漏出。当填脂量过少时，则难以保证轴承的润滑寿命。

　　综上所述，对于高速长寿命密封轴承，考虑到高速性能以及要有利于轴承散热及轴承的防尘性能，应采用填脂量的下限，即有效密封空间的30%～40%。

　　1.5密封间隙的选取

　　防尘盖与内圈之间的间隙直接关系到密封性能的好坏。间隙过大，密封性能不好，容易漏脂；但间隙过小，不仅增加加工难度，而且外界磨粒性介质易造成对内圈挡边的磨损；并且对于密封轴承的使用而言，如果密封圈内径与轴承内圈外径之间为过盈配合，脂漏不出去，则由于滚动体和保持架的搅拌阻力矩很大，会使腔内急剧升温，带来更严重的后果。通过轴承的脂试验与分析，来确定轴承密封间隙的选取是否合适。

　　1.6密封轴承的匀脂

　　如果填脂不均匀，即使填脂不多也会出现局部饱和而发生严重漏脂现象。因此填完脂后一定要进行匀脂，使润滑脂均匀地填充在钢球与沟道间。

　　1.7脂润滑轴承的拟动力学性能分析的验证

　　通过多目标的优化设计及拟动力学的分析模型，利用脂润滑轴承的拟动力学分析软件，对高速、重载下的脂润滑轴承进行发热、寿命等性能分析以验证轴承设计参数的选取。

　　2　设计实例

　　2.1结构参数优化

　　以外形尺寸φ25×φ52×15的高速长寿命密封球轴承（dn值为0.4×10⁶mm.r/min）的设计为例。由于主机要求轴承的密封性能良好，并且有高速要求，因此采用橡胶密封圈非接触式密封结构。设计的轴承采用第4组径向游隙，保持架采用实体的椭圆兜孔半保持架铆接形式，在保证其强度的前提下兜孔中心圆直径外移，其侧壁厚度仅为2.7mm。采用锂基的高温高速润滑脂，填脂量占轴承有效密封空间的33%～40%。经优化设计的轴承主要参数如表1所示，表中组为针对高速长寿命密封球轴承进行的优化设计参数，第二组为常规密封球轴承优化设计参数。

表1 轴承优化设计主要参数

　　该示例轴承的设计综合考虑了本文所述的高速长寿命密封轴承的设计理念，从表1中可以看出轴承径向游隙为25～35μm，远远大于普通密封轴承通常选取的5～20μm的范围；保持架兜孔中心圆直径外移，加大保持架内径尺寸；外圈密封槽位置外移等等措施都是为了增大密封间隙，便于存脂及散热。采用实体的椭圆兜孔半保持架铆接形式代替传统的浪形冲压保持架则可以有限地提高轴承的极限转速，使该轴承的极限转速可达16000r/min，dn值达到0.4×10⁶mm.r/min。同时，并不降低轴承的使用寿命，该轴承的计算疲劳寿命可达1400h，对于高速密封轴承的设计来说是一个飞跃，轴承的主参数采用多目标函数并使用拟动力学分析模型进行分析及验证，方案可行，并已用于生产实践。

　　2.2轴承台架试验结果

　　按台架试验大纲的各项要求，在轴承漏脂试验机上分别进行了考核试验，结果非常理想，漏脂率均在0.3%以下，远远低于国家标准规定的10%。

　　另有4套轴承按照台架试验大纲的各项要求，分别进行了500h的台架寿命考核试验。在整个试验过程中，轴承运转平稳，各个仪表显示准确，试验数据可靠，没出现异常现象。完成500h寿命试验后，没出现轴承沟道严重偏磨、打滑、明显划伤及钢球猫眼圈等现象，并且依旧旋转灵活，对其精度进行了测试，各项指标均符合国标要求。

　　参考文献：

　　[1]张伟等.影响密封深沟球轴承密封性能的因素浅析[J].轴承，2003：（3）30-32.
 

来源：《轴承》2004年第8期