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新型密封,讓軸承告別補充潤滑的煩惱

來源:斯凱孚商業(yè)技術(shù)雜志

(版權(quán)歸原作者或機構(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,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)濟的新密封設(shè)計,降低在眾多應(yīng)用中的維護需求,并延長維修周期,提高整體性能。

SKF工程師決定重新設(shè)計SKF球面滾子軸承的密封,其主要目的有兩個:一是提高密封性能,二是改進制造工藝(圖1)。

圖1

在項目進入開發(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)計專家與密封性能設(shè)計專家攜手合作,使用各種設(shè)計和開發(fā)工具,包括使用以原型構(gòu)建和試驗驗證為基礎(chǔ)的計算機模擬,來創(chuàng)建新的密封。

上世紀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,標準產(chǎn)品范圍多達100多種。在改進設(shè)計取得顯著成效之后,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)計作為標準產(chǎn)品。這種全新的密封軸承可用于電梯、起重機、通風(fēng)機、食品和飲料加工設(shè)備等眾多領(lǐng)域,機場的行李輸送系統(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)計能降低維護需求,在多項應(yīng)用中無需補充潤滑。

目前,SKF在小型球面滾子軸承中主要使用三種設(shè)計的密封,它們都將被新設(shè)計的密封所代替。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,密封性能的改進得益于三個設(shè)計因素(圖3)。外圈上的新密封溝槽設(shè)計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。其次,全新設(shè)計的橡膠密封端面,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)計師”工具對該解決方案進行了標準化。

圖3

減少摩擦力矩能獲得更高轉(zhuǎn)速,同時不損壞密封唇。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。

當所選的密封球面滾子軸承運行在高速條件下時,保證工作溫度不超過密封材料的建議溫度很重要。標準丁腈橡膠材料(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。在典型運行條件的測試中,帶有新設(shè)計密封的軸承溫度下降約15至20℃(圖4)。在實際應(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)的補充潤滑周期變長。工作溫度降低15℃,補充潤滑周期會翻倍。延長補充潤滑周期另外一個好處是,更多軸承在運行中無需補充潤滑。

圖4

嚴格的測試程序

SKF進行了嚴格的測試,以確認新密封設(shè)計的性能,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。該測試在一個集塵室內(nèi)進行,測量軸承內(nèi)污染物的數(shù)量。結(jié)果顯示,新密封唇與當前使用的密封設(shè)計一樣高效,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,研究人員進行了三次試驗來驗證其夾持情況。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,因此很難提前估計泄露量。

在電梯的典型應(yīng)用條件下進行的測試表明,新密封的潤滑脂保持性能與目前密封設(shè)計完全一樣。

益處多多

綜上所述,新密封設(shè)計改進了密封性能,從而使更多應(yīng)用無需補充潤滑。新的設(shè)計除了幫助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。

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