高速密封角接触球轴承内部空间计算与填脂量分析

2016-07-30杨浩亮王东峰张振强商琪赵硕

轴承 2016年11期

关键词：保持架润滑脂内圈

杨浩亮，王东峰，张振强，商琪，赵硕

（1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039；4.河南科技大学，河南洛阳 471003）

符号说明

ae——外圈基面到外圈沟底距离，mm

ai——内圈基面到内圈沟底距离，mm

B——套圈宽度，mm

B1——内圈上第1密封圈装配宽度，mm

B2——内圈上第2密封圈装配宽度，mm

Bm1——密封圈总厚度，mm

Bm4——密封圈骨架挂胶厚度，mm

Bc——保持架宽度，mm

b——外圈密封槽端面到轴承端面距离，mm

D2——外圈挡边直径，mm

D22——外圈台阶直径，mm

d2——内圈挡边直径，mm

d3——内圈上第1密封圈装配直径，mm

d33——内圈上第2密封圈装配直径，mm

d4——内圈斜坡底端直径，mm

Dc——保持架外径，mm

Dc1——保持架内径，mm

De——外圈沟道直径，mm

di——内圈沟道直径，mm

Dw——球径，mm

dm1——第1密封圈斜坡底端直径，mm

dm11——第2密封圈斜坡底端直径，mm

Dm3——第1密封圈骨架定位直径，mm

Dm33——第2密封圈骨架定位直径，mm

dm3——第1密封圈引导斜坡直径，mm

dm33——第2密封圈引导斜坡直径，mm

H——钢骨架板厚，mm

Re——外圈沟道曲率半径，mm

Ri——内圈沟道曲率半径，mm

t——装配锁口高度，mm

Z——球数

Δc——保持架兜孔直径，mm

θ——斜坡角度，（°）

φ——密封圈内径处斜坡角度，（°）

脂润滑轴承具有经济、环保等特点，其中高速脂润滑密封角接触球轴承已逐步替代中高速油润滑轴承应用越来越广泛。由于密封角接触球轴承一般不更换或补充润滑脂，因此随着使用时间增长，会造成润滑脂基础油损失，润滑不良，从而影响其使用寿命。

而填脂量就是其中需要考虑的关键问题之一。填脂量多，会造成轴承发热大，缩短其使用寿命；填脂量少，轴承不能得到长期有效的润滑，寿命也会缩短。因此，通过计算和分析轴承密封空间，并进行填脂量试验，研究轴承的最佳填脂量。

1 轴承密封空间体积

1.1 密封空间体积定义

密封轴承结构如图1所示。轴承内部空间体积可分为运动空间和静止空间。轴承运动空间为轴承内圈旋转时，保持架和球扫过的空间（图2中A区域）；轴承静止空间为轴承内圈旋转时，轴承内部不受旋转部分影响的空间（图2中B区域）［1］。

图1 密封轴承结构图Fig.1 Structure of sealing bearing

图2 空间划分图Fig.2 Space partition figure

1.2 密封全空间体积计算

对高速密封角接触球轴承内部空间体积的计算做如下简化：1）忽略公差对空间体积的影响；2）忽略密封圈唇部间隙和变形对空间体积的影响；3）忽略轴承运行过程中空间体积的变化。除去球和保持架，密封轴承内部空间体积可以分为6部分进行计算，如图3所示。

图3 空间计算图Fig.3 Figure of space calculate

外圈沟道与台阶处体积为

内圈沟道与斜坡处体积为

装配台阶处体积为

圆柱体体积为

内圈斜坡底端直径为

第1密封圈处体积为

第2密封圈处体积为

保持架体积为

球体积为

轴承密封全空间体积为

1.3 运动空间与静止空间体积计算

高速密封轴承内部静止空间主要是用于储存轴承跑合过程中甩出的润滑脂。

静止和运动空间体积分别为

2 填脂量试验

当轴承内圈高速旋转时，轴承内部大部分润滑脂会因内圈、保持架和球的运动，从运动空间甩到静止空间，只在沟道、保持架、球表面留下薄薄一层润滑脂。由于内圈和保持架的运动及轴承温升，静止空间中润滑脂内的基础油析出，对轴承进行补给润滑。静止空间若存在过多的润滑脂，就会因旋转搅拌产生过多的热量，造成轴承温度过高；反之，会因得不到充足的补给润滑，使轴承寿命缩短［2］。

以密封角接触球轴承7005C/HQ1P4为研究对象，采用MATLAB计算轴承密封空间、运动空间和静止空间，结果见表1。

表1 轴承密封空间计算值Tab.1 Calculated values of bearing sealing space

选取验收合格的8套7005C/HQ1P4轴承分4组（每组2套）进行试验，每组试验轴承的填脂量分别为20%，30%，40%，50%。试验采用高速电主轴轴承试验机，试验轴系结构如图4所示。试验轴向载荷140 N，通过液压阀进行加载，径向载荷0 N；试验轴承最高转速48 000 r/min，采用自然冷却，排除冷却水对外圈温度的影响。

图4 试验轴系结构Fig.4 Structure of shafting

试验轴承正确安装后，转速依次递增到48 000 r/min，共进行90 min跑合试验，跑合过程中轴承外圈温度通过PT100温度传感器进行监测，外圈温度曲线如图5所示。

图5 跑合过程轴承外圈温度曲线Fig.5 Temperature curve of bearing outer in running-in process

由图5可知，随着填脂量的增加，轴承跑合过程中温度峰值增加，这是由于填脂量越多，轴承跑合过程中搅拌润滑脂产生热量越多。随着跑合的进行，多余的润滑脂被甩到轴承静止空间，4组轴承直接参与润滑的润滑脂基本相当，因此跑合结束后，4组轴承外圈温度相差不大。试验前对轴承进行称重，计算填脂量L1（L1=W2-W1）；试验结束后对轴承再次称重，考察轴承漏脂率，即（W2-W3）/（W2-W1）×100%；称重去除可见脂后轴承的质量，考察直接参与润滑的润滑脂质量L2（L2=W4-W1），计算剩余脂占空间的百分比，即L2/0.62×20%。轴承称重结果见表2。

由表2可知，当填脂量达到50%时，轴承出现严重的漏脂，即填脂量过多，多余的润滑脂被挤出密封圈。第4组剩余润滑脂可认为是轴承最大填脂量，其占轴承空间的42%（（W3-W1）/0.62×20%）。由于润滑脂的迁移，大部分润滑脂被挤出球与沟道间，停留在密封圈处［3］。去除密封圈处可见脂后，直接参与润滑的润滑脂占轴承空间百分比约为9%（取4组试验平均值），即存留在沟道、保持架和球表面的润滑脂量。因此，密封轴承7005C/HQ1P4理论最大填脂量为轴承静空间和直接参与润滑的润滑脂占轴承空间百分比之和，即最大填脂量为轴承密封空间的44%，与第4组试验结果得到的最大填脂量百分比42%接近。