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(shè)計需考慮密封結(jié)構(gòu)、橡膠材質(zhì)、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(shè)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(shè)計的優(yōu)劣。當(dāng)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(tǒng)的方法，使密封失效后的改進設(shè)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(zhǔn)確有效的密封失效分析方法，為密封優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 輪轂軸承密封結(jié)構(gòu)

輪轂軸承密封一般由靜止部分與旋轉(zhuǎn)部分構(gòu)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(shù),輪轂軸承的5種常見密封結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1 輪轂軸承密封結(jié)構(gòu)

第1代輪轂軸承內(nèi)、外密封一般采用I，II或III型密封；第2代輪轂軸承內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)密封性能要求的不斷提高， I 型與IV型密封結(jié)構(gòu)逐漸被II，III與V型密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(guān)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(dǎo)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(guān)鍵項：軸承預(yù)緊與使用環(huán)境。預(yù)緊不足，會使軸承在使用過程中產(chǎn)生松曠，導(dǎo)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(fēng)險。

以第3代輪轂軸承單元(內(nèi)密封采用Ⅱ型密封結(jié)構(gòu)，外密封采用Ⅴ型密封結(jié)構(gòu))為例，輪轂軸承結(jié)構(gòu)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(yù)緊條件，B4為環(huán)境條件。

圖2 輪轂軸承結(jié)構(gòu)

2.2 密封結(jié)構(gòu)參數(shù)

若進行密封失效分析，必須對密封結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行分析，評估密封結(jié)構(gòu)設(shè)計能否滿足使用要求。軸承內(nèi)、外密封的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)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(nèi)、外密封主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)、唇口過盈量與密封橡膠表面的接觸壓力存在直接關(guān)系，這是密封設(shè)計的關(guān)鍵。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)推導(dǎo)出密封唇的過盈量如下：

內(nèi)主唇1過盈量為

δi1=|L2-i2|/2,

(1)

內(nèi)主唇2過盈量為

δi2=|L2-j2|/2,

(2)

內(nèi)側(cè)唇過盈量為

δi3=|k2-g2|,

(3)

外側(cè)唇1與外側(cè)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(jié)合相關(guān)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(nèi)圈端面P、與螺栓配合的內(nèi)凸緣端面Q、與制動盤配合的內(nèi)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(fā)現(xiàn)某配合對有打滑痕跡，應(yīng)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(fā)生松動。

內(nèi)密封結(jié)構(gòu)露于表面，通過千分表或高度儀測量內(nèi)密封相對內(nèi)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(nèi)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(fā)生錯位，定義：與內(nèi)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(nèi)圈相配合的密封骨架相對于與外圈配合的密封骨架向內(nèi)偏入量為+δ。

3.2 診斷

拆解軸承進行診斷，觀察軸承內(nèi)、外側(cè)滾道油脂顏色、內(nèi)外側(cè)密封唇口污染程度、內(nèi)外側(cè)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(jié)水珠，表明有泥水侵入(圖4)；

圖4 滾道進水狀態(tài)

2)密封橡膠處污物較多，靠近滾道側(cè)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(nèi)、外側(cè)滾道潤滑脂，分別用小玻璃瓶收集封存，在24 h內(nèi)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(tài)下，密封橡膠磨損區(qū)域與未磨損區(qū)域有明顯差異。在內(nèi)、外密封圈未取出狀態(tài)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(xiàn)，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(huán)境惡劣導(dǎo)致磨損過度。

3)判斷密封橡膠在使用過程中是否發(fā)生偏磨。若密封橡膠整周磨痕寬度寬窄不一，標(biāo)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(nèi)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(xiàn)象，應(yīng)考慮密封圈的壓裝歪斜。在顯微觀察時，若發(fā)現(xiàn)密封金屬骨架有磨損寬窄不一的現(xiàn)象，應(yīng)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(cè)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(nèi)、外密封圈的側(cè)唇輪廓與所拆卸的骨架輪廓而獲得側(cè)唇相關(guān)尺寸，通過(3),(4)式及記錄值-δ，+δ計算軸承內(nèi)、外密封側(cè)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(jù)3.3節(jié)，當(dāng)存在磨損寬窄不一時，應(yīng)分別對較寬與較窄位置進行殘余過盈量計算。當(dāng)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(jié)構(gòu)參數(shù),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(nèi)外側(cè)密封圈主唇唇口的直徑、凸緣密封口徑、內(nèi)骨架直徑，通過(1),(2),(5)式計算出軸承內(nèi)、外密封圈主唇的殘余過盈量。當(dāng)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(jié)果產(chǎn)生較大影響，寬磨損與窄磨損區(qū)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(jié)構(gòu)參數(shù),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(tài)時，對軸承密封不利，車輪轉(zhuǎn)向時側(cè)向載荷作用下將形成縫隙，在泥水環(huán)境中發(fā)生泥水侵入。通過臺架試驗與實際工況分析，當(dāng)密封唇實際過盈量下降85%時，屬于高風(fēng)險狀態(tài)。

3.5 磨耗重構(gòu)

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(gòu)。通過對所發(fā)生磨損的密封橡膠進行取樣、掃描、復(fù)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(gòu)樣品通過截取密封圈圓周部位上某一個截面得到，當(dāng)存在磨痕寬窄不一時，應(yīng)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(gòu)投影圖如圖7所示，通過軟件對磨耗進行重構(gòu)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(gòu)投影圖

3.6 老化分析

密封橡膠材質(zhì)一般為丁腈橡膠，隨時間推移會發(fā)生老化，老化嚴(yán)重會使橡膠失去彈性而導(dǎo)致唇口接觸壓力喪失，甚至密封橡膠在運轉(zhuǎn)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(fēng)險警戒狀態(tài)。

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(nèi)密封圈組件錯位，原因為軸承軸向預(yù)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(huán)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(xiàn)問題。

8)若無上述7類密封失效問題，則可能是由于當(dāng)前的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計不能滿足試驗或?qū)嶋H工況，密封結(jié)構(gòu)應(yīng)重新設(shè)計。