新型密封,讓軸承告別補(bǔ)充潤(rùn)滑的煩惱

2023-11-18

來(lái)源:斯凱孚商業(yè)技術(shù)雜志

(版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有)

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(lái)更大優(yōu)勢(shì)。

概要

通過(guò)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(duì)SKF外徑為180mm的小型球面滾子軸承產(chǎn)品來(lái)說(shuō),未來(lái)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(zhǎng)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(chǎng)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(rùn)滑劑的使用壽命更長(zhǎng),新密封設(shè)計(jì)能降低維護(hù)需求,在多項(xiàng)應(yīng)用中無(wú)需補(bǔ)充潤(rùn)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(hào)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(duì)多數(shù)礦物油及以礦物油為基油的潤(rùn)滑脂、汽油、柴油和輕質(zhì)燃料油等燃料、動(dòng)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(huì)因聚合物的構(gòu)成而發(fā)生變化。

從本質(zhì)上說(shuō),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(dòng)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(duì)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(kāi)式軸承極限轉(zhuǎn)速的20%左右。對(duì)大多數(shù)軸承來(lái)說(shuō),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(guò)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(cè)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(rùn)滑脂老化速度減緩,相應(yīng)的補(bǔ)充潤(rùn)滑周期變長(zhǎng)。工作溫度降低15℃,補(bǔ)充潤(rùn)滑周期會(huì)翻倍。延長(zhǎng)補(bǔ)充潤(rùn)滑周期另外一個(gè)好處是,更多軸承在運(yùn)行中無(wú)需補(bǔ)充潤(rùn)滑。

圖4

嚴(yán)格的測(cè)試程序

SKF進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)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(duì)三種不同尺寸軸承的密封摩擦力矩進(jìn)行測(cè)試(圖5)。測(cè)試發(fā)現(xiàn),密封摩擦平均降低了約50%。亞利桑那粉塵測(cè)試是衡量密封抗污染能力非常成熟的的方法。該測(cè)試在一個(gè)集塵室內(nèi)進(jìn)行,測(cè)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(lái)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(rùn)滑,可直接安裝。橡膠密封需要潤(rùn)滑劑,而在密封球面滾子軸承中,密封是用軸承的潤(rùn)滑脂來(lái)潤(rùn)滑的,因此少量潤(rùn)滑劑溢出是正常的。影響潤(rùn)滑劑泄露的因素包括轉(zhuǎn)速、溫度、軸的不對(duì)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(cè)試表明,新密封的潤(rùn)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(wú)需補(bǔ)充潤(rùn)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(zhǎng)使用壽命方面也能讓用戶受益匪淺。

1