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電機用密封深溝球軸承的密封結構
2013-08-05
汪曙俊1 萬千里2 黃莉2 馬義華2
（1.技術中心；2.汽車摩托車軸承廠）
（1.技術中心；2.汽車摩托車軸承廠）
摘 要：分析了電機用密封深溝球軸承運轉溫度過高的原因。提出了采用密封擋邊和“過渡接觸”形式解決該類軸承運轉溫度過高的辦法，并通過試驗確定了相關參數，用戶使用證明效果良好。
關鍵詞：滾動軸承；電機用密封深溝球軸承；密封結構
目前，電機已向高速、節能、靜音、大功率等方向發展，如煤炭等行業所使用的防爆電機等60%以上由原來的中低速電機被高速電機所代替。公司生產的某型號電機用密封深溝球軸承被安裝在這些高速電機時，普遍出現運轉溫度過高的現象，影響了電機的安全使用。有關人員對此進行了分析。
1 原因分析
分析認為，該密封軸承在運轉時出現發熱的主要原因有以下幾方面。
1.1 密封結構
該軸承的密封形式為非接觸式密封（2Rz），密封結構形式見圖1。該密封結構含有3處密封間隙，密封曲路長度較長，但對密封所涉及的相關軸（徑）向尺寸和形位公差精度要求較高，如果密封槽、密封圈的加工精度不高；或軸承軸向游隙較大，或軸承安裝時內外圈端面不在同一基準平面上；或內外圈軸線不重合；或使用中存在軸向力等。
關鍵詞：滾動軸承；電機用密封深溝球軸承；密封結構
目前，電機已向高速、節能、靜音、大功率等方向發展，如煤炭等行業所使用的防爆電機等60%以上由原來的中低速電機被高速電機所代替。公司生產的某型號電機用密封深溝球軸承被安裝在這些高速電機時，普遍出現運轉溫度過高的現象，影響了電機的安全使用。有關人員對此進行了分析。
1 原因分析
分析認為，該密封軸承在運轉時出現發熱的主要原因有以下幾方面。
1.1 密封結構
該軸承的密封形式為非接觸式密封（2Rz），密封結構形式見圖1。該密封結構含有3處密封間隙，密封曲路長度較長，但對密封所涉及的相關軸（徑）向尺寸和形位公差精度要求較高，如果密封槽、密封圈的加工精度不高；或軸承軸向游隙較大，或軸承安裝時內外圈端面不在同一基準平面上；或內外圈軸線不重合；或使用中存在軸向力等。
那么在游隙的影響下，內圈相對外圈將產生位移，“吃”掉密封間隙，貼近（緊）密封圈唇口端面。在軸向方向，如果密封處的軸向密封間隙小于軸向位移量，軸承將由設計時的非接觸式密封轉變為接觸式密封，且軸向位移越大，內圈與密封圈的軸向接觸壓力越大，摩擦發熱越嚴重。而與套圈軸向位移方向相反的一側，由于密封間隙增大，密封性能下降，則容易產生潤滑脂泄漏現象，過量 的潤滑脂泄漏會影響軸承的潤滑性能，Z終會加劇軸承的工作溫度上升。
同樣，在徑向方向，也會由于密封槽、密封圈的加工精度不高、軸承組裝不良等問題，導致內圈密封槽與密封圈在徑向方向的接觸。眾所周知，接觸式密封比非接觸式密封的運轉溫度要高，且接觸壓力越大，接觸區域越大，運轉溫度越高。
以6308E-2RZ為例，高速電機軸承選用的徑向游隙為C3組，其軸向位移量可達0.2mm以上，而產品設計的軸向Z小密封間隙小于該值，即使在零件加工精度全部合格的情況下也容易產生接觸。因此，軸承制造、使用中非預期密封形式的改變是造成使用運轉溫度過高的主要原因。
1.2 產品制造
圖1結構的外圈密封槽止口和內圈密封槽的加工流程主要是車加工成型、熱處理、Z后進入裝配。在不考慮加工設備精度的前提下，其尺寸、形狀位置精度及表面粗糙度等相對軸承其它（磨削）工作表面的加工精度較差，若再考慮熱處理過程中非預期變形等因素，其累積誤差與Z小密封間隙幾乎相當，使得密封間隙或處于臨界接觸狀態，或被“吃”掉變為接觸，此時，若接觸表面光滑或密封唇口潤滑狀態良好，摩擦發熱不會很嚴重，但由于密封槽表面是車加工表面，再經過熱處理后表面不同程度存在有氧化皮，使得該表面比較粗糙，因此，摩擦時阻力較大，容易產生高溫。
在密封圈制造上同樣也存在加工精度方面的問題，如同軸度、唇口尺寸和圓度、平面度等，都可能會導致密封圈在徑向或軸向同時與內圈密封槽接觸，產生摩擦發熱。
除加工精度外，還有重要一點是對密封槽和密封圈的加工精度的檢測，目前缺乏必要有效的檢測和控制手段。由于受外圈止口和內圈密封槽空間尺寸小的限制，大部分尺寸只能采用樣板的方式進行檢查，且還無法實施全檢，而對熱處理后產生的變形即使發現有問題也缺少有效返工手段。如果要想保證套圈止口和密封槽的加工精度，完善檢測控制手段，那么，在制造成本和加工效率上目前也存在一定困難。
1.3 安裝使用
軸承在安裝時，由于軸承座或軸的加工誤差，容易引起外圈軸線與內圈軸線的不重合，或內外圈端面不在同一平面的現象，從而影響到密封間隙，若在使用中存在軸向力，則影響更大。
2 密封結構分析與選型
根據上述分析，并結合電機軸承的使用條件、產品制造條件、制造成本、制造效率等各方面因素，同時還考慮到這些因素在短期內不會得到有效改善的前提下，技術人員初步確定調整電機用軸承的密封結構。
2.1 密封結構選型
選型的基本要求：
1）工作溫升和漏脂率應在標準規定內；
2）對軸承游隙、安裝和軸向力的變化不敏感；
3）符合目前套圈和密封圈加工條件及所能達到的質量水平；
4）滿足用戶軸承的安裝習慣和使用工況條件。
2.2 密封結構的確定
首先，對目前行業上深溝球軸承比較常見的密封結構進行了分析比對，從中找出適合電機軸承需要的基本密封結構形式。經過比對認為圖2所示的結構基本滿足要求，該密封結構的特點是：采用徑向密封形式，內圈密封槽為直擋邊形式，結構簡單，對套圈軸向位移不敏感，而且密封擋邊的加工精度高容易保證、檢測方便，加工效率高。但該結構主要用于接觸式密封，接觸壓力較大，工作時溫度較高，因此，不能直接在電機軸承上應用，只有在此基礎上進行調整，才能滿足要求。
在密封結構基本確定后，下一步是確定密封接觸型式。目前，滾動軸承的密封接觸型式主要有接觸式和非接觸式兩種基本形式，接觸式密封結構密封效果好，但使用轉速受一定限制，且容易發熱，而非接觸式的密封效果雖然不如接觸式密封，但工作溫升相對較低。如果能選用這兩種密封接觸型式各自的優點，抑制其不足就是一種比較理想的密封結構方案。通過對電機軸承的結構、制造條件、安裝、使用條件等多方面的綜合分析后，初步確定采用“過渡接觸”這一密封接觸形式，“過渡接觸”是借鑒了公差配合中的“過渡配合”術語引出的。通常，接觸式密封圈的唇口與內圈密封槽在徑向或軸向有一定的壓縮量（一般為0.1mm-0.8mm），類似于公差配合的過盈配合，而非接觸式密封圈的唇口與內圈密封槽有一定間隙量（0.4mm-1.0mm），類似于公差配合的間隙配合。“過渡接觸”則介于傳統的接觸式和非接觸式之間，根據密封圈和密封擋邊的尺寸精度狀態，以及內外圈安裝后的狀態，其密封圈的唇口與內圈密封槽（擋邊）的 “配合”狀態可以存在三種：小間隙不接觸、小壓縮量接觸、部分接觸部分不接觸，其接觸狀態與公差配合的“過渡配合”類似。
考慮到電機軸承的使用環境、密封圈的制造水平和制造成本，以及密封圈在軸承內部的軸向（空間）位置等，密封圈采用單唇結構。
為了減少接觸壓力，在密封圈唇部設置減壓槽（見圖2），以增加密封唇的彈性和在內外圈軸線不重合時柔性調節的能力。
同樣，在徑向方向，也會由于密封槽、密封圈的加工精度不高、軸承組裝不良等問題，導致內圈密封槽與密封圈在徑向方向的接觸。眾所周知，接觸式密封比非接觸式密封的運轉溫度要高，且接觸壓力越大，接觸區域越大，運轉溫度越高。
以6308E-2RZ為例，高速電機軸承選用的徑向游隙為C3組，其軸向位移量可達0.2mm以上，而產品設計的軸向Z小密封間隙小于該值，即使在零件加工精度全部合格的情況下也容易產生接觸。因此，軸承制造、使用中非預期密封形式的改變是造成使用運轉溫度過高的主要原因。
1.2 產品制造
圖1結構的外圈密封槽止口和內圈密封槽的加工流程主要是車加工成型、熱處理、Z后進入裝配。在不考慮加工設備精度的前提下，其尺寸、形狀位置精度及表面粗糙度等相對軸承其它（磨削）工作表面的加工精度較差，若再考慮熱處理過程中非預期變形等因素，其累積誤差與Z小密封間隙幾乎相當，使得密封間隙或處于臨界接觸狀態，或被“吃”掉變為接觸，此時，若接觸表面光滑或密封唇口潤滑狀態良好，摩擦發熱不會很嚴重，但由于密封槽表面是車加工表面，再經過熱處理后表面不同程度存在有氧化皮，使得該表面比較粗糙，因此，摩擦時阻力較大，容易產生高溫。
在密封圈制造上同樣也存在加工精度方面的問題，如同軸度、唇口尺寸和圓度、平面度等，都可能會導致密封圈在徑向或軸向同時與內圈密封槽接觸，產生摩擦發熱。
除加工精度外，還有重要一點是對密封槽和密封圈的加工精度的檢測，目前缺乏必要有效的檢測和控制手段。由于受外圈止口和內圈密封槽空間尺寸小的限制，大部分尺寸只能采用樣板的方式進行檢查，且還無法實施全檢，而對熱處理后產生的變形即使發現有問題也缺少有效返工手段。如果要想保證套圈止口和密封槽的加工精度，完善檢測控制手段，那么，在制造成本和加工效率上目前也存在一定困難。
1.3 安裝使用
軸承在安裝時，由于軸承座或軸的加工誤差，容易引起外圈軸線與內圈軸線的不重合，或內外圈端面不在同一平面的現象，從而影響到密封間隙，若在使用中存在軸向力，則影響更大。
2 密封結構分析與選型
根據上述分析，并結合電機軸承的使用條件、產品制造條件、制造成本、制造效率等各方面因素，同時還考慮到這些因素在短期內不會得到有效改善的前提下，技術人員初步確定調整電機用軸承的密封結構。
2.1 密封結構選型
選型的基本要求：
1）工作溫升和漏脂率應在標準規定內；
2）對軸承游隙、安裝和軸向力的變化不敏感；
3）符合目前套圈和密封圈加工條件及所能達到的質量水平；
4）滿足用戶軸承的安裝習慣和使用工況條件。
2.2 密封結構的確定
首先，對目前行業上深溝球軸承比較常見的密封結構進行了分析比對，從中找出適合電機軸承需要的基本密封結構形式。經過比對認為圖2所示的結構基本滿足要求，該密封結構的特點是：采用徑向密封形式，內圈密封槽為直擋邊形式，結構簡單，對套圈軸向位移不敏感，而且密封擋邊的加工精度高容易保證、檢測方便，加工效率高。但該結構主要用于接觸式密封，接觸壓力較大，工作時溫度較高，因此，不能直接在電機軸承上應用，只有在此基礎上進行調整，才能滿足要求。
在密封結構基本確定后，下一步是確定密封接觸型式。目前，滾動軸承的密封接觸型式主要有接觸式和非接觸式兩種基本形式，接觸式密封結構密封效果好，但使用轉速受一定限制，且容易發熱，而非接觸式的密封效果雖然不如接觸式密封，但工作溫升相對較低。如果能選用這兩種密封接觸型式各自的優點，抑制其不足就是一種比較理想的密封結構方案。通過對電機軸承的結構、制造條件、安裝、使用條件等多方面的綜合分析后，初步確定采用“過渡接觸”這一密封接觸形式，“過渡接觸”是借鑒了公差配合中的“過渡配合”術語引出的。通常，接觸式密封圈的唇口與內圈密封槽在徑向或軸向有一定的壓縮量（一般為0.1mm-0.8mm），類似于公差配合的過盈配合，而非接觸式密封圈的唇口與內圈密封槽有一定間隙量（0.4mm-1.0mm），類似于公差配合的間隙配合。“過渡接觸”則介于傳統的接觸式和非接觸式之間，根據密封圈和密封擋邊的尺寸精度狀態，以及內外圈安裝后的狀態，其密封圈的唇口與內圈密封槽（擋邊）的 “配合”狀態可以存在三種：小間隙不接觸、小壓縮量接觸、部分接觸部分不接觸，其接觸狀態與公差配合的“過渡配合”類似。
考慮到電機軸承的使用環境、密封圈的制造水平和制造成本，以及密封圈在軸承內部的軸向（空間）位置等，密封圈采用單唇結構。
為了減少接觸壓力，在密封圈唇部設置減壓槽（見圖2），以增加密封唇的彈性和在內外圈軸線不重合時柔性調節的能力。
3 試驗驗證
3.1 試驗內容
1）在保證溫升、漏脂率合格的前題下，確定軸承密封圈唇口直徑尺寸。
2）在標準填脂量條件下確定Z佳填脂量和填脂方式。
3）密封結構改進前后的性能對比。
根據對密封結構的初步設計和上述要求，單獨制造了一批軸承用于試驗，并通過更換不同唇口直徑尺寸的密封圈和填加不同填脂量形成若干試驗組進行試驗。
3.2 試驗和判定依據
試驗依據：JB/T857l《滾動軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升試驗規程》
判定依據：JB/T7752《密封深溝球軸承 技術條件》
3.3 試驗結果
1）密封圈唇口直徑尺寸試驗
試驗采用6308新設計的密封結構。為了減少誤差，試驗樣本由一組（8套）軸承和4組（每組8 套）不同密封唇口直徑尺寸的密封圈組成，4組（A、B、C、D組）試驗樣本的填脂量相同，潤滑脂采用2號低噪音鋰基潤滑脂（下同），采用人工定量注脂，然后分別安裝在同一臺試驗機上進行試驗。
試驗結果（略）顯示：4組試驗樣本的溫升均低于標準值（非接觸式≤45℃），溫升范圍為33℃～40℃，其中B組Z低，但4組試驗樣本中有部分樣本存在漏脂率超標的現象，試驗分析認為此與填脂量較多有關。
試驗基本確定采用唇口直徑尺寸為B組的密封圈。
2）Z佳填脂量試驗
3.1 試驗內容
1）在保證溫升、漏脂率合格的前題下，確定軸承密封圈唇口直徑尺寸。
2）在標準填脂量條件下確定Z佳填脂量和填脂方式。
3）密封結構改進前后的性能對比。
根據對密封結構的初步設計和上述要求，單獨制造了一批軸承用于試驗，并通過更換不同唇口直徑尺寸的密封圈和填加不同填脂量形成若干試驗組進行試驗。
3.2 試驗和判定依據
試驗依據：JB/T857l《滾動軸承 密封深溝球軸承防塵、漏脂、溫升試驗規程》
判定依據：JB/T7752《密封深溝球軸承 技術條件》
3.3 試驗結果
1）密封圈唇口直徑尺寸試驗
試驗采用6308新設計的密封結構。為了減少誤差，試驗樣本由一組（8套）軸承和4組（每組8 套）不同密封唇口直徑尺寸的密封圈組成，4組（A、B、C、D組）試驗樣本的填脂量相同，潤滑脂采用2號低噪音鋰基潤滑脂（下同），采用人工定量注脂，然后分別安裝在同一臺試驗機上進行試驗。
試驗結果（略）顯示：4組試驗樣本的溫升均低于標準值（非接觸式≤45℃），溫升范圍為33℃～40℃，其中B組Z低，但4組試驗樣本中有部分樣本存在漏脂率超標的現象，試驗分析認為此與填脂量較多有關。
試驗基本確定采用唇口直徑尺寸為B組的密封圈。
2）Z佳填脂量試驗
試驗仍采用以上試驗已經用過的軸承，但密封圈使用B組尺寸，并根據標準填脂量（5.5-13.8克）將填脂量分為4組。
試驗結果（略）顯示：在試驗溫升基本相同的情況下，填脂量超出x值以上的兩組試驗樣本絕大部分出現了漏脂率超標的現象，而小于x值以下的兩組試驗樣本漏脂率全部合格。
考慮到密封軸承的使用壽命主要取決于潤滑脂的壽命，而在密封軸承密封性能（溫升、漏脂、防塵等）能夠保證的前題下，充足的潤滑脂量對潤滑性能和壽命有利等因素，因此，確定新設計的6308軸承的Z佳填脂量x值，但在制造時允許在該值的基礎上進行“浮動”。
3）密封結構改進前后的性能對比
選用原6308-2RS密封結構與6308新密封結構軸承各8套，兩組軸承的填脂量相同，在同一臺試驗機上進行試驗。
試驗結果（略）顯示：新、老密封結構的漏脂和溫升性能均滿足要求，但新密封結構的溫升性能好于老密封結構。
4）填脂方式試驗
選用B組密封圈6308新密封結構軸承8套，填脂量根據標準理論填脂量分為4組，其中單面填脂和雙面填脂方式各兩組。
試驗結果（略）顯示：在Z佳填脂量條件下，填脂方式對漏脂和溫升性能不會產生影響。
為了對新密封結構負責，又追加了一組試驗，條件是重新換一組（8套）軸承，采用B組密封圈和Z佳填脂量，試驗結果相同。
4 結論
通過對高速電機用密封深溝球軸承結構設計、工藝分析和試驗驗證，初步確定了高速電機用密封深溝球軸承結構及相關尺寸、Z佳填脂量和填脂方式，并將這些結果用于小批量（400套）生產發往用戶裝機進行使用驗證，經過近半年的用戶使用證明，改進后軸承使用中再未出現運轉溫度過高的現象，從而扭轉了公司該類產品在市場呈萎縮的局面。以此為契機，將這一成果推廣到6300系列 電機用密封深溝球軸承的密封結構進行系列改造，取得了較好的經濟效益及社會效益。
試驗結果（略）顯示：在試驗溫升基本相同的情況下，填脂量超出x值以上的兩組試驗樣本絕大部分出現了漏脂率超標的現象，而小于x值以下的兩組試驗樣本漏脂率全部合格。
考慮到密封軸承的使用壽命主要取決于潤滑脂的壽命，而在密封軸承密封性能（溫升、漏脂、防塵等）能夠保證的前題下，充足的潤滑脂量對潤滑性能和壽命有利等因素，因此，確定新設計的6308軸承的Z佳填脂量x值，但在制造時允許在該值的基礎上進行“浮動”。
3）密封結構改進前后的性能對比
選用原6308-2RS密封結構與6308新密封結構軸承各8套，兩組軸承的填脂量相同，在同一臺試驗機上進行試驗。
試驗結果（略）顯示：新、老密封結構的漏脂和溫升性能均滿足要求，但新密封結構的溫升性能好于老密封結構。
4）填脂方式試驗
選用B組密封圈6308新密封結構軸承8套，填脂量根據標準理論填脂量分為4組，其中單面填脂和雙面填脂方式各兩組。
試驗結果（略）顯示：在Z佳填脂量條件下，填脂方式對漏脂和溫升性能不會產生影響。
為了對新密封結構負責，又追加了一組試驗，條件是重新換一組（8套）軸承，采用B組密封圈和Z佳填脂量，試驗結果相同。
4 結論
通過對高速電機用密封深溝球軸承結構設計、工藝分析和試驗驗證，初步確定了高速電機用密封深溝球軸承結構及相關尺寸、Z佳填脂量和填脂方式，并將這些結果用于小批量（400套）生產發往用戶裝機進行使用驗證，經過近半年的用戶使用證明，改進后軸承使用中再未出現運轉溫度過高的現象，從而扭轉了公司該類產品在市場呈萎縮的局面。以此為契機，將這一成果推廣到6300系列 電機用密封深溝球軸承的密封結構進行系列改造，取得了較好的經濟效益及社會效益。
來源：《軸承技術》2007年第2期
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