輪轂軸承密封失效分析

黃德杰，李興林，周旭

(1.浙江萬向精工有限公司, 杭州 311215；2.杭州軸承試驗研究中心有限公司，杭州 310022)

輪轂軸承密封設計需考慮密封結構、橡膠材質、橡膠與接觸金屬表面特性、填充潤滑脂類型等因素，基于多因素所形成的流體動壓潤滑很難通過設計方法(如有限元法)得到精確模擬[1-2],法國HUTCHINSON、日本UMC、日本NOK等國外知名密封制造商均通過密封試驗來評價密封設計的優劣。當前密封試驗多停留在“通過”與“不通過”的簡單評判，對輪轂軸承密封失效分析缺乏一套系統的方法，使密封失效后的改進設計盲目而低效[3-4]。密封試驗后的失效分析同樣重要，鑒于此，提出一種準確有效的密封失效分析方法，為密封優化設計提供參考。

1 輪轂軸承密封結構

輪轂軸承密封一般由靜止部分與旋轉部分構成一對摩擦副，該摩擦副為密封橡膠表面與金屬表面之間的滑動摩擦，在滑動表面填充潤滑脂可降低摩擦因數,輪轂軸承的5種常見密封結構如圖1所示[5]。

圖1 輪轂軸承密封結構

第1代輪轂軸承內、外密封一般采用I，II或III型密封；第2代輪轂軸承內密封一般也采用I，II或III型密封，外密封采用端蓋密封；第3代輪轂軸承內密封一般也采用I，II或III型密封，外密封一般采用IV，V型密封。隨著主機廠對密封結構密封性能要求的不斷提高， I 型與IV型密封結構逐漸被II，III與V型密封結構替代。

2 失效分析信息采集

為分析密封失效原因，首先對密封使用工況條件與結構參數進行分析，并采集信息。

2.1 工況條件

工況條件是密封失效的外因，包含安裝條件與使用條件2個方面。

密封圈安裝條件有2個關鍵項：安裝過盈量與壓裝平行差。安裝過盈量為密封圈骨架直徑與軸承零件密封口徑之差，過盈量過小，易引起泥水滲入，過大易引起骨架塑性變形。壓裝平行差為密封圈壓裝時相對定位端面的平行程度，平行差偏大，易導致密封圈橡膠唇在圓周方向配合不均。

密封圈使用條件有2個關鍵項：軸承預緊與使用環境。預緊不足，會使軸承在使用過程中產生松曠，導致密封唇口失去密封效果。密封圈長期處于泥水工況，增大了密封失效的風險。

以第3代輪轂軸承單元(內密封采用Ⅱ型密封結構，外密封采用Ⅴ型密封結構)為例，輪轂軸承結構如圖2所示，工況條件見表1，A1～A5為密封圈安裝條件，B1～B3為軸承預緊條件，B4為環境條件。

圖2 輪轂軸承結構

2.2 密封結構參數

若進行密封失效分析，必須對密封結構設計參數進行分析，評估密封結構設計能否滿足使用要求。軸承內、外密封的主要結構參數如圖3所示，包括密封唇口直徑、軸向伸長量、厚度、張角、位置角、橡膠腰部厚度。

表1 工況條件

圖3 內、外密封主要結構參數

密封圈結構參數、唇口過盈量與密封橡膠表面的接觸壓力存在直接關系，這是密封設計的關鍵。通過結構參數推導出密封唇的過盈量如下：

內主唇1過盈量為

δi1=|L2-i2|/2,

(1)

內主唇2過盈量為

δi2=|L2-j2|/2,

(2)

內側唇過盈量為

δi3=|k2-g2|,

(3)

外側唇1與外側唇2過盈量為

δo1=|g2-L2-M2|,

(4)

外主唇過盈量為

δo2=|N2-k2|/2。

(5)

3 失效分析方法

以第3代輪轂軸承為例，軸承密封失效后，結合相關檢測進行診斷分析。

3.1 軸承零件配合分析

針對失效樣件，首先觀察外觀，通過痕跡分析軸承與周邊零件配合緊密程度。第3代輪轂軸承與周邊零件的配合面包括：與芯軸配合的內圈端面P、與螺栓配合的內凸緣端面Q、與制動盤配合的內凸緣端面R、與懸架配合的外圈端面S(見圖2中P，Q，R，S)。對異常打滑痕跡進行記錄，若發現某配合對有打滑痕跡，應采用千分表或位移傳感器進行凸緣偏擺測試，分析軸承是否發生松動。

內密封結構露于表面，通過千分表或高度儀測量內密封相對內凸緣端面R平行差，外密封相對外圈端面S平行差在拆解清洗后測量。通過高度儀測量內密封組件上2個零件的軸向相對位置，以確定使用過程中是否發生錯位，定義：與內圈相配合的密封骨架相對于與外圈配合的密封骨架向外偏出量為-δ，與內圈相配合的密封骨架相對于與外圈配合的密封骨架向內偏入量為+δ。

3.2 診斷

拆解軸承進行診斷，觀察軸承內、外側滾道油脂顏色、內外側密封唇口污染程度、內外側密封口徑銹蝕情況，做出以下判斷：

1)油脂顏色呈乳白色或棕黃色，并伴有凝結水珠，表明有泥水侵入(圖4)；

圖4 滾道進水狀態

2)密封橡膠處污物較多，靠近滾道側密封橡膠處污物呈棕黃色，表明泥水從密封橡膠處侵入;

3)密封圈骨架與軸承零件密封口徑配合處銹蝕，表明泥水滲入配合處。

為進一步診斷，采用專用潔凈刮刀刮取內、外側滾道潤滑脂，分別用小玻璃瓶收集封存，在24 h內用Karl Fischer法完成潤滑脂含水率測試[6]。若潤滑脂含水率相比未使用的潤滑脂含水率增加大于1%，則為密封失效。

3.3 磨痕分析

用汽油清除密封橡膠處的潤滑油脂，并擦拭干凈。密封圈使用過程中處于磨損狀態下，密封橡膠磨損區域與未磨損區域有明顯差異。在內、外密封圈未取出狀態下，通過體視鏡觀察密封圈磨痕形貌，獲取如下信息：

1)確認唇口是否存在異常損傷，例如撕裂、殘缺或裂紋等，該問題一般來自于密封橡膠的制造缺陷。

2)通過體視鏡測量橡膠與骨架的磨痕寬度，無磨損與過度磨損均為異常表現，無磨損表明唇口實際過盈量為0，一般由密封制造或裝配缺陷引起；過度磨損可能為制造或裝配缺陷引起過盈量偏大，也可能是環境惡劣導致磨損過度。

3)判斷密封橡膠在使用過程中是否發生偏磨。若密封橡膠整周磨痕寬度寬窄不一，標記磨損較寬與較窄的位置，用體視顯微鏡測量磨損寬度,同一個內密封圈的不同位置磨痕寬度差異較大，如圖5所示，對于這種現象，應考慮密封圈的壓裝歪斜。在顯微觀察時，若發現密封金屬骨架有磨損寬窄不一的現象，應考慮骨架存在外力損傷而引起的局部變形。

圖5 密封圈不同位置的磨痕寬度(20×)

3.4 殘余過盈量

通過檢測使用過密封件的殘余過盈量來評估其剩余密封能力。密封圈殘余過盈量在密封圈尚未從軸承上取出時測量，側唇與主唇殘余過盈量的獲取方法如下：

1)采用激光位移傳感器垂直掃描內、外密封圈的側唇輪廓與所拆卸的骨架輪廓而獲得側唇相關尺寸，通過(3),(4)式及記錄值-δ，+δ計算軸承內、外密封側唇的殘余過盈量。為使測量反映出不同位置過盈量的差異，根據3.3節，當存在磨損寬窄不一時，應分別對較寬與較窄位置進行殘余過盈量計算。當整周磨損較均勻時，在密封橡膠圓周方向每120°取一個位置測量部分結構參數,并計算得到殘余過盈量的平均值。

2)采用顯微鏡取點擬合幾何圓來測量內外側密封圈主唇唇口的直徑、凸緣密封口徑、內骨架直徑，通過(1),(2),(5)式計算出軸承內、外密封圈主唇的殘余過盈量。當圓周方向磨損不均時，進行幾何圓擬合所取的點將對測量結果產生較大影響，寬磨損與窄磨損區域分別就近取點進行幾何圓的擬合計算過盈量。若磨損均勻，在密封橡膠圓周方向每120°取一個位置測量部分結構參數,從而計算得殘余過盈量的平均值。

密封圈磨損會使得軸承過盈量減小，減小量過大，在無過盈量的臨界狀態時，對軸承密封不利，車輪轉向時側向載荷作用下將形成縫隙，在泥水環境中發生泥水侵入。通過臺架試驗與實際工況分析，當密封唇實際過盈量下降85%時，屬于高風險狀態。

3.5 磨耗重構

將密封圈、鋼球等零件取出，進行清洗，觀察密封口徑有無涉水銹跡，若軸承外圈零件密封口徑光亮，如圖6所示，說明密封圈在該處配合良好，而滾道的銹斑源于密封橡膠處的泥水侵入。

圖6 密封口徑處的觀察

密封圈使用后，在唇口潤滑脂中混雜了大量黑色橡膠磨粒，清洗并取出密封圈，對其進行磨耗重構。通過對所發生磨損的密封橡膠進行取樣、掃描、復原、測量，能夠分析出密封圈的磨損形狀、尺寸與面積。

3.5.1 取樣

磨耗重構樣品通過截取密封圈圓周部位上某一個截面得到，當存在磨痕寬窄不一時，應對較寬與較窄位置進行分析。若磨損均勻，在密封橡膠圓周方向每120°截取一個樣品。樣品截取方法如下：

1)為防止橡膠熱變形，采用透明樹脂或石膏材料對整個密封圈進行冷鑲嵌，然后用高速慢進給的砂輪片沿中心線進行切割獲得所需截面；

2)不需要鑲嵌，使用專用工裝壓住密封圈，然后用高速慢進給的砂輪片沿中心線進行切割，獲取截面;

3)手工使用刀片僅進行密封橡膠的裁剪，為使得裁剪截面通過密封橡膠圓周中心線，在裁剪前采用體視鏡或工具顯微鏡的測量軟件確定圓心，畫好裁剪截面線再裁剪。

3.5.2 觀測

制樣后，采用體視鏡、工具顯微鏡或投影儀進行密封唇口的磨耗觀測，磨耗重構投影圖如圖7所示，通過軟件對磨耗進行重構后，可測量出唇口磨損的長度、寬度、面積與位置角等，進而分析密封圈磨損與變形程度。

圖7 磨耗重構投影圖

3.6 老化分析

密封橡膠材質一般為丁腈橡膠，隨時間推移會發生老化，老化嚴重會使橡膠失去彈性而導致唇口接觸壓力喪失，甚至密封橡膠在運轉過程中會形成龜裂。為分析橡膠老化程度，采用國際橡膠硬度計進行橡膠硬度檢測，硬度值上升比率超過18%，則為風險警戒狀態。

4 失效原因分析

密封失效原因可歸納為8類：

1)軸承零件打滑、松動或內密封圈組件錯位，原因為軸承軸向預緊不足。

2)密封唇口裂紋或殘缺，多源于密封橡膠的制造缺陷。

3)密封唇口無磨損，原因為密封圈制造或裝配沒有滿足要求的過盈量;密封唇口劇烈磨損甚至喪失過盈量，是因為密封圈制造或裝配沒有滿足要求的過盈量，也可能是由于工況環境惡劣。

4)軸承零件與密封骨架配合面銹蝕，是因為軸承零件或密封骨架尺寸與圓度公差超差。

5)唇口偏磨損，是因為密封圈的壓裝歪斜，未滿足裝配要求。

6)密封骨架偏磨損，是因為外力造成骨架損傷，從而引起骨架的局部變形或歪斜。

7)唇口老化無彈性，是因為輪轂軸承工作溫度過高或周邊制動組件熱平衡出現問題。

8)若無上述7類密封失效問題，則可能是由于當前的密封結構設計不能滿足試驗或實際工況，密封結構應重新設計。