全密封軋輥軸承密封結構的改進

王海威，范強，蘇軍偉

(洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039)

潤滑劑能夠為軋輥軸承的滾道和滾動體之間提供充分的保護，帶走軸承運動中產生的熱量。而密封的作用是防止潤滑劑泄漏或外部雜質、水分等有害物質侵入。潤滑劑泄漏會導致軸承潤滑不良、摩擦磨損加劇、發熱并污染環境等。外部雜質侵入會引起軸承工作表面的磨粒磨損、壓痕等損傷，從而影響軸承的運轉精度；雜質中的硬質顆粒物還是影響軸承疲勞壽命的重要因素之一。水和有害物質侵入則是造成軸承零件腐蝕(銹蝕)、潤滑劑變質的主要原因。

1 密封結構的現狀及存在問題

如今，全密封結構的軋輥軸承已被各鋼廠廣泛采用，常用的結構如圖1所示。密封圈安裝在獨立的軸承擋圈上，可以與擋圈一起進行安裝和拆卸，減小了軸承拆卸維護時對密封結構的損壞。

目前帶密封的軋輥軸承一般都采用金屬骨架背部掛膠(或包膠)的密封結構(圖2a)。金屬骨架能夠為密封部位提供良好的強度支撐。密封部位由主、副密封唇組成。主密封唇依靠自緊彈簧和自身過盈量對軸承內圈產生一定的軸向抱緊力，隔絕外部有害物質侵入和阻止內部潤滑劑的泄漏；彈簧能夠保證唇部與內圈的隨動性，對主密封唇內徑因磨損變大造成的過盈量不足進行補償；副密封唇與內圈采用小間隙配合，能夠承受潤滑劑因軸承啟動或溫度升高而產生的向外沖擊，并與主密封唇共同形成供密封組件自潤滑用的儲油腔。

圖1 常用的全密封軋輥軸承

目前國內普遍采用的密封結構如圖2a所示，其密封結構存在著一些不足。首先，在軸承安裝空間一定的情況下，密封圈的鋼制骨架占用空間較大，壓縮了滾子的可用空間，減小了滾子與滾道之間的接觸面積，導致軸承承載能力下降，進而影響軸承壽命。其次，密封圈的安裝效果難以保證，而且使用中易出現松動現象。根據密封結構使用工況及存在問題，在無法額外增加軸承外形尺寸的情況下，對密封結構進行了改進。

(a)改進前密封結構 (b)改進后密封結構

2 密封結構的改進

傳統的直角骨架密封，軸向尺寸大，空間利用率低。改進后的密封結構如圖2b所示，改進后擋邊的厚度大大減小，而且保持架小端可以向密封方向延伸，這樣大大釋放了滾子的可利用空間，使軸承的整體結構更加緊湊。這對于提高潤滑效果和增加軸承承載能力十分有利。

如圖2所示，傳統軋輥軸承的密封組件安裝到位后，需要在擋圈預留凹槽部位鑿印，通過擋圈邊緣變形將密封圈卡緊，但是變形程度難以控制。變形過大，會損壞密封圈；變形過小將導致密封圈無法卡緊，出現密封圈松脫或者傾斜現象。這都可能導致軸承進水或潤滑劑泄漏。結構改進后，借助軸承箱對軸承擋圈的軸向壓緊力，使擋圈將密封圈壓緊固定在正確的工作部位，從而使得密封圈不易松動，密封效果更好，并且拆裝方便。

為了更明顯地比較改進前、后密封結構對軸承承載性能的影響，對改進前、后軸承的基本額定動載荷和L10壽命進行了對比。根據GB/T 6391—2003中的計算式，原軸承的基本額定動載荷為4 850 kN；改進后軸承基本額定動載荷為6 160 kN，相當于原載荷的1.27倍。改進后軸承的計算壽命能夠達到改進前軸承壽命的2.2倍。

3 密封圈尺寸參數設計的探討

主、副密封唇尺寸、角度的設計是影響密封性能和耐磨性能的關鍵因素，不合理的過盈量、彈簧強度、唇部尺寸與角度等都可能無法實現良好的密封效果，甚至會導致密封圈和軸承的早期失效。因此需對其的關鍵尺寸設計進行探討。密封圈的主要參數如圖3所示。

圖3 密封圈結構的主要參數

3.1 彈簧中心相對主唇口位置

由于彈簧中心相對主唇口的位置尺寸R的存在，使彈簧對主密封唇徑向收緊時，主密封唇會發生順時針的小角度翻轉，減小后的β角改善了密封唇口與內圈接觸時的應力集中，油膜薄且楔形分布在密封內側，因此具有良好的耐磨性和密封效果。經過多次試驗和調整，認為R值取0.5時效果最為理想。

3.2 密封唇唇角的選取

主唇口部位的前、后唇角(圖3中α，β角)是影響軸承密封效果的關鍵因素之一。由文獻[1]可知，前、后唇角的差值對密封圈的泵吸效應有很大影響。當差值為15°～25°時防水防泄漏功能最為理想。經過多次試驗驗證，把α定為40°，把β定為25°。在主唇口內側增加60°的斜角θ有利于提高密封效果，改善唇口潤滑條件。

副唇的作用主要是防止內部潤滑劑泄漏，所以多采用小間隙配合。φ取45°時，副唇的密封效果較好。

3.3 主唇過盈量和彈簧的選擇

主唇過盈量(圖3中b)，即密封圈的密封唇在自緊彈簧和唇口收縮力共同作用下唇口與軸承內圈的尺寸之差，是密封圈最重要的參數之一。合理的過盈量是密封圈具有良好性能的必要條件，它可以產生徑向力，并對軸的偏心和唇口的磨損進行補償。如果過盈量不足，會造成密封強度不夠，無法與內圈表面形成良好的配合，對污物和油脂的隔離作用相應減弱；過盈量如果選擇過大，則密封唇與軸承內圈的接觸應力變大，過大的應力會使唇口下的油膜失效，導致內圈與唇產生劇烈的摩擦，加劇磨損。經過大量的試驗和總結得出的經驗值為：套圈直徑在400～600 mm時過盈量取1.3～1.9 mm，鋼絲直徑取0.4～0.7 mm，彈簧中徑取2.5～4.5 mm，此時密封效果最理想，密封唇口對套圈抱緊力可以滿足要求。彈簧長度可按裝入后拉長3%～4%來計算。

3.4 主唇口后表面的回流紋設計

如圖4所示，主唇口后表面加工的螺紋線、波紋、三角凸塊等有規則花紋，稱為回流紋。它可以使潤滑劑產生動壓回流效應，有效阻止潤滑劑的泄漏，提高自潤滑性能。

圖4 主唇口后表面折線回流紋示意圖

4 結束語

通過對密封組件結構的改進與優化，使軋輥用全密封四列圓錐滾子軸承的承載能力和計算壽命得到了顯著提高，并能夠更有效阻止冷卻水、粉塵、金屬異物等有害物質的侵入，對軸承內部的潤滑劑起到理想的密封作用。