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新密封设计

自从轴承使用密封 后,它们的可靠性发生了巨大变化,特别是在污染环境中。如今,凭借新的密封设计,SKF Explorer小型密封球面滚子轴承的性能更佳,可为众多应用带来更大优势。

作者:瑞典哥德堡AB SKF自调心轴承项目经理 Henrik Wickberg

其他业务 其他服务 Explorer 轴承

概要

通过研究如何改进轴承密封 的性能,SKF研发出适用于小型球面滚子轴承的更好的密封 。这种新密封 仅用一种包罗万象的设计,就代替了三种不同的密封解决方案。对SKF最大外径为180mm的小型球面滚子轴承产品来说,未来将采用经济的新密封设计,降低在众多应用中的维护需求,并延长保养周期,提高整体性能。

SKF工程师决定重新设计SKF球面滚子轴承密封件,其主要目的有两个:一是提高密封性能,二是改进公司的制造工艺 (图 1)。

在项目进入开发阶段之前,工程师先设定了新密封轴承的功能要求,特别是轴承功能以及轴承与密封件的相互作用。球面滚子轴承设计和功能方面的专家与密封设计和功能方面的专家携手合作,使用各种设计和开发工具,包括使用以原型构建和验证试验为基础的计算机模拟,来打造新的密封件。

上世纪90年代初,SKF首次推出了密封球面轴承。这类轴承取得了巨大成功,各类标准产品多达100多种。在改进设计取得显著成效之后,SKF正将这一新的密封设计用于大部分小尺寸球面滚子轴承的标准密封件。这些全新密封设计的轴承可用于电梯、起重机、风扇、食品和饮料加工设备等众多应用,机场的行李输送系统也是非常典型的应用之一。

在性能方面,新密封件能把密封摩擦降低50%,进而将总轴承摩擦降低20%,工作温度最高降低20˚C。与之前尺寸相同的SKF密封轴承相比,使用新密封设计的轴承的极限转速提高了一倍。此外,由于润滑剂的使用寿命更长,新密封设计能降低维护需求,在更多的应用中无需再润滑。

目前,SKF在小型球面滚子轴承中主要使用三种设计的密封件,它们都将被新设计的密封件所代替。新密封件的型号后缀为RS,共有37种外径不大于180mm的轴承将成为新的密封解决方案的受益者 (图 2)。

新密封设计面面观
有两种密封件材料可供选择,它们是两种不同的橡胶化合物:丁腈橡胶(NBR)和氢化丁腈橡胶(HNBR)。NBR具有优异的工程特性,是一种通用的密封唇材料。它是用丙烯腈和丁二烯制成的共聚物,对多数矿物油及以矿物油为基油的润滑脂、汽油、柴油和轻质燃料油等燃料、动物油和植物油及脂肪、以及热水具有出色的耐受性。HNBR是丙烯腈和丁二烯组成的饱和共聚物,适用于脂肪烃和矿物油应用,其物理性质和化学性质会因聚合物的构成而发生变化。

从本质上说,密封件性能的改进得益于三个设计因素(图 3)。外圈上的新密封沟槽设计改善了密封件的紧固性,使其更加贴合,并且易于安装。首先,它能实现较高的保持力矩,从而降低了密封件在固定沟槽内转动的风险。其次,全新设计的橡胶密封端面,能更好抵抗腐蚀和刮擦。最后,新密封唇的接触压力得到优化,有助于降低密封摩擦力矩。“SKF密封设计师(SKF Seal Designer)”工具对该解决方案进行了标准化。

减少摩擦力矩能获得更高速度,同时不损坏密封唇。新的极限转速以密封唇口速度为10 m/s作为设计依据,在这之前密封轴承的极限转速为开式轴承极限转速的20%左右。对大多数轴承来说,这意味着极限转速是以前的两倍左右。

当选择密封球面滚子轴承运行在高速条件下时,保证工作温度不超过密封材料的最大建议温度很重要。标准NBR材料(后缀RS)的极限温度为90˚C,HNBR材料(后缀RS5)为150˚C。降低轴承密封件的摩擦力矩可减少发热,从而相应地降低工作温度。在典型运行条件的测试中,带有新设计密封的轴承温度下降约15至20˚C(图 4)。在实
际应用中,较低的工作温度意味着润滑脂老化速度减慢,相应的再润滑的间隔时间变长。工作温度降低15˚C,再润滑时间间隔会翻倍。再润滑时间间隔变长的另外一个好处是,更多轴承在运行中无需再润滑。

严格的测试程序
SKF进行了严格的测试,以确认新密封设计的性能,包括在不同速度下对三种不同尺寸轴承的密封摩擦力矩进行测量(图 5)。测试发现,密封摩擦平均降低了约50%。亚利桑那尘土测试是衡量密封件抗污染能力非常成熟的的方法。该测试在一个集尘室内进行,测量轴承内污染物的数量。结果显示,新密封唇与当前使用的设计一样高效,在抗干燥污染物方面甚至性能更佳。

为确保密封件能在外圈牢固固定,研究人员进行了三次试验来验证紧固情况。结果显示,密封紧固性得到了改善(图 6)。

SKF供应的密封球面滚子轴承已经预先填充了润滑,直接安装即可。橡胶密封件需要润滑剂,而在密封球面滚子轴承中,密封件是用轴承的润滑脂来润滑的,因此会有少量润滑剂溢出是正常的。影响润滑剂泄露的因素包括速度、温度、轴的不对中以及安装方向,因此很难提前估计泄露量。

在电梯的典型应用条件下进行的测试表明,新密封件的润滑脂保持性能与目前设计完全一样。

益处多多
综上所述,新密封设计改进了密封性能,从而使更多应用无需再润滑。新的设计除了帮助SKF自身提高生产效率,在性能和延长使用寿命方面也能让最终用户受益匪浅。

机场行李输送机是小型密封SKF Explorer球面滚子轴承的应用典范。 图1:小型球面滚子轴承的新密封设计。图2:图中蓝色部分是采用新RS密封设计的球面滚子轴 承,用于代替现有的CS密封设计的轴承。 图3:使用新密封设计的小型密封SKF Explorer球面滚子轴承特点概览。 图4:密封23022轴承在不同速度下的运行温度。图5:凭借改进的密封唇口设计,在保持密封性能的同时还 可减少摩擦。 图6:三唇设计提高了外圈密封件的紧固性,使密封件装配 变得简便。

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