新型密封，讓軸承告別補(bǔ)充潤滑的煩惱
2023-11-18
來源：斯凱孚商業(yè)技術(shù)雜志
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自從軸承使用內(nèi)置密封后，其可靠性發(fā)生了巨大變化，特別是在污染環(huán)境中。如今，憑借新的密封設(shè)計(jì)，SKF Explorer小型密封球面滾子軸承的性能更佳，可為眾多應(yīng)用帶來更大優(yōu)勢。
概要
通過研究如何改進(jìn)軸承密封的性能，SKF研發(fā)出適用于小型球面滾子軸承更好的密封。這種新密封僅用單一設(shè)計(jì)就一應(yīng)俱全，代替了三種不同的密封解決方案。對SKF外徑為180mm的小型球面滾子軸承產(chǎn)品來說，未來將采用經(jīng)濟(jì)的新密封設(shè)計(jì)，降低在眾多應(yīng)用中的維護(hù)需求，并延長維修周期，提高整體性能。
SKF工程師決定重新設(shè)計(jì)SKF球面滾子軸承的密封，其主要目的有兩個(gè)：一是提高密封性能，二是改進(jìn)制造工藝（圖1）。
圖1
在項(xiàng)目進(jìn)入開發(fā)階段之前，工程師先設(shè)定了新密封軸承的功能要求，特別是軸承功能以及軸承與密封的相互影響。球面滾子軸承性能設(shè)計(jì)專家與密封性能設(shè)計(jì)專家攜手合作，使用各種設(shè)計(jì)和開發(fā)工具，包括使用以原型構(gòu)建和試驗(yàn)驗(yàn)證為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模擬，來創(chuàng)建新的密封。
上世紀(jì)90年代初，SKF首次推出了密封球面軸承。這種軸承取得了巨大成功，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品范圍多達(dá)100多種。在改進(jìn)設(shè)計(jì)取得顯著成效之后，SKF在大多數(shù)小型球面滾子軸承尺寸范圍中也推出了新的密封設(shè)計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。這種全新的密封軸承可用于電梯、起重機(jī)、通風(fēng)機(jī)、食品和飲料加工設(shè)備等眾多領(lǐng)域，機(jī)場的行李輸送系統(tǒng)也是非常典型的應(yīng)用之一。
在性能方面：
新密封能把密封摩擦降低50%，進(jìn)而將軸承總摩擦降低20%，工作溫度降低20℃。與之前尺寸相同的SKF密封軸承相比，使用新設(shè)計(jì)的密封軸承的極限轉(zhuǎn)速提高了一倍。此外，由于潤滑劑的使用壽命更長，新密封設(shè)計(jì)能降低維護(hù)需求，在多項(xiàng)應(yīng)用中無需補(bǔ)充潤滑。
目前，SKF在小型球面滾子軸承中主要使用三種設(shè)計(jì)的密封，它們都將被新設(shè)計(jì)的密封所代替。新密封的型號后綴為RS，共有37種外徑不大于180mm的軸承將受益于新的密封解決方案（圖2）。
圖2
新密封設(shè)計(jì)面面觀
有兩種密封材料可供選擇，它們是由兩種不同的橡膠化合物制成：丁腈橡膠和氫化丁腈橡膠。丁腈橡膠具有優(yōu)異的工程特性，是一種通用的密封唇材料。它是用丙烯腈和丁二烯制成的共聚物，對多數(shù)礦物油及以礦物油為基油的潤滑脂、汽油、柴油和輕質(zhì)燃料油等燃料、動物油和植物油及脂肪、以及熱水具有出色的耐腐蝕性。氫化丁腈橡膠是丙烯腈和丁二烯進(jìn)行加氫處理后制成的飽和共聚物，適用于脂肪烴和礦物油應(yīng)用，其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)會因聚合物的構(gòu)成而發(fā)生變化。
從本質(zhì)上說，密封性能的改進(jìn)得益于三個(gè)設(shè)計(jì)因素（圖3）。外圈上的新密封溝槽設(shè)計(jì)改善了密封的夾持性，使其更加貼合，并且易于安裝。首先，它能實(shí)現(xiàn)較高的夾持力，從而降低了密封在所嵌入的溝槽內(nèi)轉(zhuǎn)動的風(fēng)險(xiǎn)。其次，全新設(shè)計(jì)的橡膠密封端面，能更好耐腐蝕和防劃傷。臨末，新密封唇的接觸壓力得到優(yōu)化，有助于降低密封摩擦力矩。“SKF密封設(shè)計(jì)師”工具對該解決方案進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
圖3
減少摩擦力矩能獲得更高轉(zhuǎn)速，同時(shí)不損壞密封唇。新的極限轉(zhuǎn)速以密封唇口線速度為10 m/s作為設(shè)定值，而之前密封軸承的極限轉(zhuǎn)速設(shè)為開式軸承極限轉(zhuǎn)速的20%左右。對大多數(shù)軸承來說，這意味著極限轉(zhuǎn)速是以前的兩倍左右。
當(dāng)所選的密封球面滾子軸承運(yùn)行在高速條件下時(shí)，保證工作溫度不超過密封材料的建議溫度很重要。標(biāo)準(zhǔn)丁腈橡膠材料（后綴RS）的極限溫度為90℃，氫化丁腈橡膠材料（后綴RS5）為150℃。降低軸承密封的摩擦力矩可減少發(fā)熱，從而相應(yīng)地降低工作溫度。在典型運(yùn)行條件的測試中，帶有新設(shè)計(jì)密封的軸承溫度下降約15至20℃（圖4）。在實(shí)際應(yīng)用中，較低的工作溫度意味著潤滑脂老化速度減緩，相應(yīng)的補(bǔ)充潤滑周期變長。工作溫度降低15℃，補(bǔ)充潤滑周期會翻倍。延長補(bǔ)充潤滑周期另外一個(gè)好處是，更多軸承在運(yùn)行中無需補(bǔ)充潤滑。
圖4
嚴(yán)格的測試程序
SKF進(jìn)行了嚴(yán)格的測試，以確認(rèn)新密封設(shè)計(jì)的性能，包括在不同轉(zhuǎn)速下對三種不同尺寸軸承的密封摩擦力矩進(jìn)行測試（圖5）。測試發(fā)現(xiàn)，密封摩擦平均降低了約50%。亞利桑那粉塵測試是衡量密封抗污染能力非常成熟的的方法。該測試在一個(gè)集塵室內(nèi)進(jìn)行，測量軸承內(nèi)污染物的數(shù)量。結(jié)果顯示，新密封唇與當(dāng)前使用的密封設(shè)計(jì)一樣高效，在抗干燥污染物方面甚至性能更佳。
圖5
為確保密封能牢固地嵌入外圈，研究人員進(jìn)行了三次試驗(yàn)來驗(yàn)證其夾持情況。結(jié)果顯示，密封夾持性得到了改善（圖6）。
圖6
SKF提供的密封球面滾子軸承已經(jīng)預(yù)先填充了潤滑，可直接安裝。橡膠密封需要潤滑劑，而在密封球面滾子軸承中，密封是用軸承的潤滑脂來潤滑的，因此少量潤滑劑溢出是正常的。影響潤滑劑泄露的因素包括轉(zhuǎn)速、溫度、軸的不對中以及安裝方向，因此很難提前估計(jì)泄露量。
在電梯的典型應(yīng)用條件下進(jìn)行的測試表明，新密封的潤滑脂保持性能與目前密封設(shè)計(jì)完全一樣。
益處多多
綜上所述，新密封設(shè)計(jì)改進(jìn)了密封性能，從而使更多應(yīng)用無需補(bǔ)充潤滑。新的設(shè)計(jì)除了幫助SKF自身提高生產(chǎn)效率，在性能和延長使用壽命方面也能讓用戶受益匪淺。
