全密封轧辊轴承密封结构的改进

2012-07-20王海威范强苏军伟

轴承 2012年6期

王海威，范强，苏军伟

(洛阳LYC轴承有限公司技术中心，河南洛阳 471039)

润滑剂能够为轧辊轴承的滚道和滚动体之间提供充分的保护，带走轴承运动中产生的热量。而密封的作用是防止润滑剂泄漏或外部杂质、水分等有害物质侵入。润滑剂泄漏会导致轴承润滑不良、摩擦磨损加剧、发热并污染环境等。外部杂质侵入会引起轴承工作表面的磨粒磨损、压痕等损伤，从而影响轴承的运转精度；杂质中的硬质颗粒物还是影响轴承疲劳寿命的重要因素之一。水和有害物质侵入则是造成轴承零件腐蚀(锈蚀)、润滑剂变质的主要原因。

1 密封结构的现状及存在问题

如今，全密封结构的轧辊轴承已被各钢厂广泛采用，常用的结构如图1所示。密封圈安装在独立的轴承挡圈上，可以与挡圈一起进行安装和拆卸，减小了轴承拆卸维护时对密封结构的损坏。

目前带密封的轧辊轴承一般都采用金属骨架背部挂胶(或包胶)的密封结构(图2a)。金属骨架能够为密封部位提供良好的强度支撑。密封部位由主、副密封唇组成。主密封唇依靠自紧弹簧和自身过盈量对轴承内圈产生一定的轴向抱紧力，隔绝外部有害物质侵入和阻止内部润滑剂的泄漏；弹簧能够保证唇部与内圈的随动性，对主密封唇内径因磨损变大造成的过盈量不足进行补偿；副密封唇与内圈采用小间隙配合，能够承受润滑剂因轴承启动或温度升高而产生的向外冲击，并与主密封唇共同形成供密封组件自润滑用的储油腔。

图1 常用的全密封轧辊轴承

目前国内普遍采用的密封结构如图2a所示，其密封结构存在着一些不足。首先，在轴承安装空间一定的情况下，密封圈的钢制骨架占用空间较大，压缩了滚子的可用空间，减小了滚子与滚道之间的接触面积，导致轴承承载能力下降，进而影响轴承寿命。其次，密封圈的安装效果难以保证，而且使用中易出现松动现象。根据密封结构使用工况及存在问题，在无法额外增加轴承外形尺寸的情况下，对密封结构进行了改进。

(a)改进前密封结构 (b)改进后密封结构

2 密封结构的改进

传统的直角骨架密封，轴向尺寸大，空间利用率低。改进后的密封结构如图2b所示，改进后挡边的厚度大大减小，而且保持架小端可以向密封方向延伸，这样大大释放了滚子的可利用空间，使轴承的整体结构更加紧凑。这对于提高润滑效果和增加轴承承载能力十分有利。

如图2所示，传统轧辊轴承的密封组件安装到位后，需要在挡圈预留凹槽部位凿印，通过挡圈边缘变形将密封圈卡紧，但是变形程度难以控制。变形过大，会损坏密封圈；变形过小将导致密封圈无法卡紧，出现密封圈松脱或者倾斜现象。这都可能导致轴承进水或润滑剂泄漏。结构改进后，借助轴承箱对轴承挡圈的轴向压紧力，使挡圈将密封圈压紧固定在正确的工作部位，从而使得密封圈不易松动，密封效果更好，并且拆装方便。

为了更明显地比较改进前、后密封结构对轴承承载性能的影响，对改进前、后轴承的基本额定动载荷和L10寿命进行了对比。根据GB/T 6391—2003中的计算式，原轴承的基本额定动载荷为4 850 kN；改进后轴承基本额定动载荷为6 160 kN，相当于原载荷的1.27倍。改进后轴承的计算寿命能够达到改进前轴承寿命的2.2倍。

3 密封圈尺寸参数设计的探讨

主、副密封唇尺寸、角度的设计是影响密封性能和耐磨性能的关键因素，不合理的过盈量、弹簧强度、唇部尺寸与角度等都可能无法实现良好的密封效果，甚至会导致密封圈和轴承的早期失效。因此需对其的关键尺寸设计进行探讨。密封圈的主要参数如图3所示。

图3 密封圈结构的主要参数

3.1 弹簧中心相对主唇口位置

由于弹簧中心相对主唇口的位置尺寸R的存在，使弹簧对主密封唇径向收紧时，主密封唇会发生顺时针的小角度翻转，减小后的β角改善了密封唇口与内圈接触时的应力集中，油膜薄且楔形分布在密封内侧，因此具有良好的耐磨性和密封效果。经过多次试验和调整，认为R值取0.5时效果最为理想。

3.2 密封唇唇角的选取

主唇口部位的前、后唇角(图3中α，β角)是影响轴承密封效果的关键因素之一。由文献[1]可知，前、后唇角的差值对密封圈的泵吸效应有很大影响。当差值为15°～25°时防水防泄漏功能最为理想。经过多次试验验证，把α定为40°，把β定为25°。在主唇口内侧增加60°的斜角θ有利于提高密封效果，改善唇口润滑条件。

副唇的作用主要是防止内部润滑剂泄漏，所以多采用小间隙配合。φ取45°时，副唇的密封效果较好。

3.3 主唇过盈量和弹簧的选择

主唇过盈量(图3中b)，即密封圈的密封唇在自紧弹簧和唇口收缩力共同作用下唇口与轴承内圈的尺寸之差，是密封圈最重要的参数之一。合理的过盈量是密封圈具有良好性能的必要条件，它可以产生径向力，并对轴的偏心和唇口的磨损进行补偿。如果过盈量不足，会造成密封强度不够，无法与内圈表面形成良好的配合，对污物和油脂的隔离作用相应减弱；过盈量如果选择过大，则密封唇与轴承内圈的接触应力变大，过大的应力会使唇口下的油膜失效，导致内圈与唇产生剧烈的摩擦，加剧磨损。经过大量的试验和总结得出的经验值为：套圈直径在400～600 mm时过盈量取1.3～1.9 mm，钢丝直径取0.4～0.7 mm，弹簧中径取2.5～4.5 mm，此时密封效果最理想，密封唇口对套圈抱紧力可以满足要求。弹簧长度可按装入后拉长3%～4%来计算。