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密封軸承性能影響因素與試驗評定

2009-10-09

　　密封軸承被廣泛應用于各種電機、家用電器、機械設備、汽車、摩托車、航空和航天等領域，其軸承的性能、精度和壽命可靠性的水平直接影響配套主機的質量。密封軸承的性能從某種意義上講比疲勞壽命還重要，在一些配套主機上，密封軸承因性能變化可引起軸承迅速失效破壞。因此，只有研究密封軸承的性能，改進產品設計，加強工序間控制，提高產品質量，才能不斷縮小與先進水平的差距。近幾十年來，密封軸承在世界各國發展迅速，產量猛增。密封深溝球軸承占總產量的50%以上，其中日本占80%以上，美國75%以上深溝球軸承是密封軸承。我國密封軸承的產量占深溝球軸承的比重由1985年的10%增長到1990年的30%，如今已達到70%，并且仍在繼續增長，我國已成為密封軸承的生產大國。研究開發密封軸承是軸承行業的一項重要工作，現從以下兩個方面進行介紹。影響密封軸承性能的因素針對密封軸承性能要求，通常主要表現在以下幾個方面：摩擦力矩；高速性能（即速度性能，NSK分為接觸、非接觸式2種，KOYO為接觸、非接觸、輕接觸式3種速度參數）；潤滑脂密封性；防火性；使用溫度范圍。因此無論從設計、制造以及試驗評定及改進，都是圍繞這些性能而展開的。而密封軸承的可靠性（即在規定條件下達到或完成（滿足）其規定性能的能力或水平），由于上述性能既是相互矛盾，又是相互統一的，因此在設計制造時必須綜合考慮。
　　一、密封軸承的產品設計
　　密封軸承的產品設計是影響密封水平Z重要的一個環節，因其應用場合對象不同，應采用不同的密封結構設計。但目前國內密封軸承的結構品種還比較少，從產品設計的角度上看，我國的優化設計急需制定各種不同結構型譜以供選用。優化設計是基于80年代的科研成果，推薦給出了接觸式和非接觸式橡膠密封圈2種結構形式和防塵覆蓋結構形式，這樣針對各種密封軸承的應用場合就顯得十分不足。對一般的中小型球軸承設計，國外一般均在內圈開槽并在槽內開以斜邊，主要是為了加長其密封曲徑尺寸，以增強其密封效果，對于非接觸式密封國外推行的密封曲徑尺寸要比我國現行優化設計的好。非接觸式密封的間隙是一個十分重要的指標，優化設計規定為0.2mm以上，而認為Z好能控制在0.10~0.15mm。對于接觸式密封可又分為接觸式、輕接觸式和超輕接觸式，以適用不同的直徑系列和不同使用條件。在設計中，接觸唇部與軸承內圈接觸部位的過盈量，以及密封圈的唇口部的形式是設計的關鍵，接觸式從單唇、雙唇發展到現在NSK和DDU結構的三唇式。不論密封圈如何變化，但接觸的形式始終遵循著這一原則，即在軸承內熱脹時內部空氣可從軸承內排出，反之不允許外部介質進入，因此接觸部位為外側斜面，這樣過盈量所產生的摩擦力可以大大減輕，又可有效地防塵、防水。對于2RD超輕接觸式一般是為超輕系列軸承設計的，現在也用于其他系列中（共結構比較簡單）便于加工制造。對于我國優化設計方法的非接觸式，近來看到國外（如KOYO及SKF公司）用于接觸型密封，所不同的是在兩唇部之間涂以少量的兩種潤滑脂，以減少摩擦提高密封圈唇部與內圈外徑之間的潤滑效果，改善密封性能。這類軸承主要用于承受徑向、軸向和扭矩聯合載荷，且對防塵防水有嚴格要求，其試驗表明性能良好。國內某些軸承企業自行設計的一些密封形式，從主觀出發，在仿制改善國外結構形式方面由于沒有很好地理解其內涵，加之沒有進行試驗驗證，以致出現了較多質量問題，主要反映在漏脂與防塵方面。對于內、外圈密封槽的尺寸與角度設計，應作較深入的系統研究，并應以試驗驗證為依據方可定型。
　　二、加工制造精度對密封軸承的影響
　　密封深溝球軸承雖然在精度等級上沒有標明達到何種公差等級，但從密封性能分析入手，筆者認為其旋轉精度應達到P5級為宜，主要原因是相對于密封軸承的性能而言。軸承的內、外圈端面對滾道的跳動影響密封性能甚為突出，如果Sia、Sea不嚴加控制，密封軸承在運轉過程中產生軸向位移（竄動），將導致軸承內部的油脂沿軸向方面高頻的反復出現吸入、吐出現象，加劇油脂泄出，對于防塵性能由于灰塵侵入或附著在密封唇泄漏出的油脂上，在軸向竄動引出吸入、吐出交替過程中，就使帶塵脂與內部脂交溶在一起，使防塵性能進一步惡化。即使唇部無泄漏的油脂，軸承的軸向竄動加劇軸承內空氣的吐出和吸入仍將含有灰塵的空氣吸入到軸承內部，因此必須從嚴控制Sia、Sea制造精度。為了提高Sia、Sea精度，必須改進相關尺寸精度和旋轉精度，應對其他相關尺寸公差的制造提出嚴格的要求，例如內、外圈的溝位置公差、溝徑公差和保持架的制造精度。現有的優化設計規定已不能滿足低噪聲軸承發展的需要，這已經引起軸承行業的重視。
　　三、各零件之間的配合與裝配質量對密封性能的影響
　　（1）、內外套圈的密封槽密封深溝球軸承內外套圈的密封槽既是固定橡膠密封圈（外圈密封槽），又是保證間隙（內圈密封槽）的要求，其尺寸與形位公差都很重要，但在制造過程中不好檢驗，大部分靠成形刀具來保證。我國產品中密封槽深淺、寬窄不一，圓度、同軸度不好，在成品中出現非接觸部位相磨，間隙過大，間隙不均現象，密封圈在外圈密封槽定不住位，產生轉動情況，嚴重影響密封性能。在密封槽內，由于清潔度不好，嚴重影響軸承的振動噪聲性能，這也是我國軸承產品的多發玻針對上述問題，國內軸承行業的專家提出如下解決方案。在現行設計中，一般只對外圈密封槽的溝底尺寸公差有規定，而對槽寬尺寸公差未加限制（溝道在加工過程中，對小型中小型軸承檢查困難，必須開發相應的專用儀器），建議控制其槽的寬度尺寸和位置公差。現在有的企業已這樣做了，取得了良好的效果。對于內圈密封槽，在檢測和控制方面比較方便，但現行設計中應增加密封圈接觸部位對溝道（或對基準端面）的跳動這一項目。由于密封槽都是在熱處理前加工的，密封槽的清潔度問題，一直影響密封軸承的噪聲。有關專家建議研究在熱處理以后，采用硬車加工密封槽，目前有的企業對小型軸承進行了這方面的嘗試。
　　（2）、內圈外徑的倒角尺寸這個問題之所以單獨列出，是由于出現的頻率太高了。無論內圈采用何種結構，內圈外徑與端面處的倒角必須從嚴控制。例如6204-2RS，優化設計圖規定rmax=0.3mm×45°，而實際上有的產品已超過了1mm×45°，而實際上有的產品已超過了1.5mm，是按倒角0.3mm×45°計算的，現大于1mm×45°時，則密封寬度就小于0.99mm，由于倒角尺寸的差異，使密封尺寸減少了1/3，雙唇口迷宮式密封槽其緩沖作用將不復存在，嚴重影響了密封效果，所以此處倒角應越小越好。
　　（3）、橡膠密封圈質量密封圈的結構、材質和制造精度是影響密封軸承性能的重要因素。密封圈的骨架、材質要光潔，無銹蝕，無毛刺，尺寸、形位公差要好，具有足夠的剛性；橡膠的硬度、彈力、耐磨性等要符合標準要求，骨架與橡膠粘接要牢固，尺寸精度與形位公差都有嚴格的要求。但有些密封圈出現的質量問題是：密封唇與外徑（內圈）同軸度差，密封唇的內徑尺寸超差，使密封間隙難以保證設計要求，嚴重影響了軸承的密封性能。由于軸承在運轉過程中內部溫度高于外部，則內部壓力高于外部壓力，由于密封圈的剛性差，也將引起密封圈向外翹曲變形。密封圈因橡膠老化而出現變形和性能下降決定了密封圈存放時間不宜過長，這一點尤其應注意。
　　（4）、密封圈的定位和密封間隙密封圈的定位一般是靠密封圈外徑與軸承外圈密封槽的內徑過盈配合，若外圈密封槽尺寸超差（因一般企業在加工中不測量），定位就不可靠。在試驗中就發生有些產品的密封圈存在輕微活動甚至轉動現象，影響了密封性能（多發生在接觸密封）。有的企業在產品設計中除靠外圈密封槽的內部定位外，還增加密封圈的端面厚度，利用橡膠的彈性變形，卡人軸承外圈密封槽內，使定位更為可靠。非接觸式密封軸承的內圈外徑（密封槽）與密封圈唇口內徑之間的間隙大小是影響密封性能的重要因素之一。以6204作代表，優化設計Z大間隙為0.534mm，Z小間隙應為0.27mm（直徑方向即2δ），國產軸承因密封唇的尺寸公差達不到設計要求，同時為減少軸承的摩擦力矩，而加大間隙。在試驗中我們發現有的甚至超過1.4mm（直徑方向2δ），這樣造成漏脂防塵性能都很差，當注脂量較多時，漏脂嚴重，同時防塵性能不好，當注脂量較少時，漏脂量雖很小，但防塵性能不好，這說明防塵漏脂各有其特點，不能認為漏脂率低，防塵效果就好。
　　（5）、保持架與內外套相碰，與密封圈相磨密封深溝球軸承是由滾動體引導，如果保持架的制造精度達不到要求，就會在軸承運轉過程中出現靠套現象，引起軸承振動、噪聲加大，性能受到影響，同時易導致油脂發黑。雖然進入灰塵不一定很多，但油脂的壽命受到很大的影響，反過來使軸承精度很快喪失。由于密封槽加工過寬，致使密封圈與保持架相接觸，兩者相磨或相碰，密封圈很快變形，嚴重地喪失軸承密封性能，制造中應列為重要質量控制點。
　　四、油脂（注脂量與注脂方法）
　　油脂是影響密封軸承性能和壽命的主要因素之一，分析軸承損壞的原因，因潤滑不良使軸承疲勞失效的約占43%，如果按噪聲壽命和精度壽命，評定因潤滑問題使軸承失效為50%以上。軸承密封性能差將很難保證軸承的良好潤滑狀態，使軸承的壽命、可靠性達不到預期的指標。國產軸承潤滑脂主要是礦物鋰基脂，其質量與進口產品相比還有一定差距，主要是降振降噪能力低、清潔度和質量穩定性差等問題，因而目前大量采用進口油脂。單從油脂而言從改善密封的漏脂性能、防塵性能角度，選用粘度偏高的潤滑脂較好，脂的粘度高，則不易流出。但對溫升性能不利，脂的粘度高，軸承運轉粘滯阻力增大，溫升提高。因此要綜合考慮，以保證軸承的性能和壽命、可靠性要求。
　　（1）、注脂量對密封性能的影響大量的試驗證明，當注脂量是軸承內部腔體容積的大約30%以下時，由于在軸承內部脂沒有達到飽和狀態，所以潤滑脂漏失很少。注脂量超過30%時，軸承內部局部產生飽和狀態，當注脂量達到50%時，軸承內潤滑脂達到完全飽和狀態，多余的脂被“擠”出。特別注意，有時盡管脂注的不多，但注脂方法不規范，科學，導致軸承腔內的脂不均勻，也會出現軸承內局部飽和，發生早期快速“擠”出現象。
　　（2）、注脂量對防塵性能的影響防塵性能與注脂量也有密切關系，潤滑脂泄漏多，導致吸附在軸承密封唇部的灰塵急劇增加，導入軸承內的灰塵量上升，油脂注入過多對防塵不利。
　　（3）、注脂量對溫升性能的影響試驗表明，注脂量增加，軸承的溫升也將上升這是因為軸承油脂量增大，潤滑脂粘滯阻力增大，軸承內的鋼球、保持架的攪拌發熱增加，從而導致軸承溫升增高。
　　（4）、注脂量對摩擦力矩的影響也是隨注脂量的上升而上升。
　　（5）、注脂方法及脂在軸承內的分布狀態目前國內基本實現注脂機注脂，但由于注脂部位和油脂分布問題沒有引起足夠重視，也是影響密封軸承性能的一個因素。為了使油脂在軸承腔內形成均勻分布，應采用兩面注脂，注脂孔應盡可能靠近外圈滾道，注脂孔的數量應與軸承滾動體數量相同。在自動裝配生產線上，為與其他裝配生產節拍保持一致，均脂時間不可能太長，因此注脂過程Z好形成一個較佳油脂分布就十分重要。為了保持密封軸承Z佳性能，又使油脂能不斷補充到軸承內的工作部位，希望儲存的油脂盡可能分布在密封圈的內側，并靠近外圈擋邊附近，形成一個較好的儲脂區。至于均脂工序，建議轉速可能提高一點。密封軸承試驗及評定密封軸承的試驗方法是針對密封軸承不同性能特點和用途而展開的，其側重點不同，開展的試驗內容也不相同，但每一項性能試驗都是一項重要的專題研究內容，同時密封軸承試驗與評定方法又是驗證和改進設計與質量控制的十分重要的手段。
　　1、溫升試驗軸承的溫升與轉速相關性Z大，現行的標準試驗規范為接觸為密封軸承極限轉速的0.75no（密封軸承極限轉速），但這個極限轉速主要是由密封唇的滑動速度所決定，尤其是接觸式密封，KOYO公司建議（丁晴橡膠）密封圈球軸承取15m/s，國內外各公司的no值雖然有所不同，但差異不大，而我國各廠樣品的no值大部分均沒有經過試驗驗證，因此可以說JB/T8571-1997“滾動軸承密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升性能試驗規程”，對溫升而言是一個低標準。筆者認為試驗轉速應定在no值上才比較合理，至于載荷則按上比較一致的觀點定在0.07~0.08Cr范圍內，由溫升試驗客觀決定公司樣本中密封軸承的極限轉速，給客戶一個真正的指標，而不是抄襲。溫升試驗的評定方法相對比較簡單，但由于溫度測點在軸承外圈，故應注意觀察密封唇部失效情況。
　　2、防塵試驗標準JB/T8571-1999規定的試驗方法，是經過洛陽軸研科技股份有限公司大量試驗研究出來的，試驗研究主要是影響防塵性能的試驗條件，即轉速（外圈隨灰塵介質箱一起轉動，反向轉動）與載荷、試驗時間、軸承游隙、灰塵箱的灰塵量和灰塵顆粒等對密封的影響，由定性評定轉為定量評定。
　　3、漏脂試驗漏脂試驗與防塵試驗的轉速相同，n-0.3no（即接觸式密封的極限轉速），載荷與溫升試驗相同，目前一些用戶對漏脂試驗的條件提出專門的限定，主要反映在轉速（提高）、載荷（軸、徑向聯合，并伴有力矩）、試驗時間（加長），即將溫升、漏脂二者合一進行密封軸承的壽命與可行性考核，這類試驗呈多樣化。漏脂量的評定是定量的，主要使用天平稱出試驗前的質量變化。Z后全部清洗干凈軸承中的油脂后加以評定。
　　4、防水（泥漿）試驗密封軸承的防水試驗主要針對汽車輪轂軸承等展開，防水試驗分為兩種形式：a.噴水（泥漿）；b.浸沒。噴水試驗條件對密封性能影響較大的是載荷與轉速，載荷主要是軸向偏心載荷，力矩對軸向游隙而產生的密封的接觸間隙擴大，使進水量增加，此試驗方法仍在探索中。評定方法是這個試驗規范的一個重點（SKF為定量評定），既要對進水量進行評定，又要對泥砂量進行評定，從試驗的情況看，試驗軸承評定工作一定要及時，否則銹蝕問題使評定無法進行。同時試驗軸承溫度高使軸承內的水分極易揮發。在試驗中還需注意水和泥漿要攪拌均勻，泥漿流量、壓力（沖擊力），噴孔的位置等。
　　5、防氣試驗此項試驗研究，主要針對某些特殊氣體而提出的，但這類試驗特殊，需要投入很多經費。
　　6、其他介質試驗針對特殊場合用面粉、煤粉或帶顏色的粉末，由于此類粉塵微粒在顯微鏡下不易辨別，用顏色變化的方法定量判定。由于在運轉過程中油脂、粉末與滾動體、保持架、滾道產生的摩擦決定了試驗時間不能過長，如果因磨損影響了色差，試驗結果將無法觀察。
　　7、摩擦力矩試驗對于接觸式密封、摩擦力矩顯得比較大，即使對于輕接觸和非接觸密封軸承，由于應用場合不同，摩擦力矩要求比較小時，則要進行摩擦力矩試驗。為了減少摩擦力矩，同時又要注意防水、防塵、防漏脂等性能。在密封唇的迷宮處注有一定量的油脂，以改善此處的潤滑條件，試驗證明是有效的，為此又派生一些改善摩擦力矩的密封唇形式。摩擦力矩的測試可采用專門的測試儀器，測試便捷，評定也比較方便。
　　8、振動、噪聲由于密封軸承大量用于各種家用電器、計算機等對軸承振動噪聲有比較嚴格的要求，對密封軸承的振動噪聲要求也越來越嚴。

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