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浪型保持器形状的改变以改善密封球轴承润滑脂的泄漏
NTNTECHNICALREVIEWNo.78(2010)论文
浪型保持器形状的改变以改善密封球轴承润滑脂的泄漏
ImprovementofGreaseLeakagePreventionforBallBearings
DuetoGeometricalChangeofRibbonCages
NTN要素技术研究所:
佐藤則秀NorihideSATO
坂口智也TomoyaSAKAGUCHI
润滑脂密封轴承的润滑油泄漏,导致轴承的寿命降低和对周囲的污染,密封结构的变更和润滑脂封入量削减等,都是防止润滑脂漏的有效对策。
相反,会造成泄露增加和寿命缩短等性能的降低。
润滑脂泄漏通常是在彼此相对旋转的密封圈内表面与密封槽之间产生,因此本文就对密封球轴承防润滑脂泄漏性能的提高,内部密封槽的润滑脂附着降低的新型保持器设计并测试的结果进行论述,确认了本文保持器是防止润滑脂泄漏的优秀产品。
Greaseleakagefromsealedbearingswithgreasemakesbearinglifeshortenedandtheambientparts
polluted.Therefore,changeofsealshapeanddecreaseofincludedgreaseamountwereconducted;however,
theywouldinducelowerperformancessuchashighertorqueorshorterbearinglife.
Generally,greaseleakagecomesoutbetweentheinnersealgrooveandseal,whicharerelativelyrotating
eachother.Then,inthisreport,inordertoimprovethepreventionperformanceofgreaseleakagefromsealed
deepgrooveballbearings,newgeometricaldesignsofcagesweredeveloped.Thesecageswere
experimentallyconfirmedtohaveexcellentperformancesongreaseleakageprevention.
1.引言
为了减少密封球轴承润滑脂的泄漏,接触型密封可以增加1)密封唇的紧贴力(密封唇对内圈密封沟的压紧力)和密封唇的形状改变2)等的对策被采纳,但担忧轴承力矩的增加和成本的提高。
还有,润滑脂封入量的削减也是对润滑脂泄漏降低是有效的,但润滑脂寿命降低是不可避免的。
上述的润滑脂泄漏,彼此相对旋转密封圈和内圈密封槽之间产生,所以考虑使该处润滑脂附着量得到控制使油脂泄漏的降低是有可能的,所以本文尝试对可以降低内圈密封槽润滑脂附着的新型状保持器设计,以提高防润滑脂泄漏。
2.润滑脂泄漏机制和铁板波形保持器的润滑脂附着状态
对接触形密封的深沟球轴承(6203LLU,铁板波形保持器,润滑脂:
锂皂+酯油,初期封入量:
870毫克),径向负载,3600min-1的速度在内圈旋转或外圈旋转情况下运转后的轴承重量比较,外圈旋转的油脂减少量约内圈旋转下的5倍,外圈回转下的轴承上,时从内圈密封槽处有润滑脂泄漏,也是轴承重量减小的主要原因。
可以说与内圈旋转相比,外圈旋转时轴承容易发生润滑脂泄漏。
本轴承3600min–1运转5秒后取下密封圈,润滑脂附着状态如图1所示。
内圈旋转时润滑油未附着到内圈密封槽上。
但是,在外圈旋转时确认有大量的润滑脂。
因此,上述的外圈旋转时有大量的润滑油泄漏,内圈密封槽的润滑脂附着有必要考虑改变之一。
密封槽内无润滑脂
a)内环旋转
密封环槽内有润滑脂
b)外圈旋转
图1铁板浪形保持器在旋转后的润滑脂附着状态
接触形密封圈的润滑脂泄漏,可推定为如图2所示的过程发生.
因轴承运转,润滑脂开始向内圈密封槽方向移动
由于轴承温度的上升导致内部空气膨胀
膨胀了的空气向密封圈的外侧扩张,因此在密封唇处将润滑脂排挤出来
据上所述,在外圈旋转的条件下,为防止接触密封形球轴承的润滑脂泄漏,作为减少内圈密封槽润滑脂的附着量的考虑,普遍认为是有效的,为实现这种想法,有必要讨论保持器的形状。
内部空气压力上升
推出来的
图2接触密封形密封滚珠轴承的润滑脂漏过程
3.内圈密封槽的润滑脂附着变动
为了把握外圈旋转时润滑脂向内圈密封槽迁移路径,将微量的润滑脂封入了轴承旋转5秒,观察润滑脂的附着状态。
深沟球轴承6203,60毫克的润滑脂注入外圈滚道和保持器之间,并旋转外圈,就可以看到图3那样的润滑脂附着状态。
保持器球兜外面的左侧,从内径向外径侧附着润滑脂。
附着在滚动体上的润滑脂,转移到球兜内径侧边缘,考虑着就是在球兜外表上附着的东西。
当变成为.320毫克的润滑脂同样封入的时候,润滑脂的附着状态如图4所示。
球兜的左侧的润滑脂增加,球兜的中央部和内圈外径部润滑脂附着。
以上的观察结果,对一般的铁板浪形保持器的球轴承,外圈旋转时润滑脂向内圈密封槽的转移路径做以下考虑。
外圈旋转
擦润滑脂
润滑脂擦拭位置
旋转
图3封入了60毫克润滑脂轴承外圈旋转后的附着状态
润滑脂在内圈密封槽上
润滑脂在球兜中心区
外圈旋转
旋转
图4封入了320毫克润滑脂轴承外圈旋转后的附着状态
!
)自转的滚动体上附着的润滑脂,保持器球兜内径边缘被挤出,图5a)的Gw那样在球兜边缘附着。
2)球兜边缘的润滑脂Gw聚集量增加,图5b)的Go那样内圈在外径部附着润滑脂。
3)内圈外径部的润滑脂Go一旦增加,与此对峙的保持器的内径面附着润滑脂。
但这个位置上,如图2那样,在轴方向上最膨出的在球兜的中央部位,结果如图5c)的Gt那样产生润滑脂的附着。
d)润滑脂移一部分到内圈密封槽
c)润滑脂转移部分到球兜中心区
b)润滑脂转移一部分到内圈外径上
a)挤出一部分吧
图5润滑脂从滚动体转移到内圈密封槽的过程
4)润滑脂Gt增加时,其中一部分的润滑脂从内圈部密封槽被挤出,图5d)的Gg那样附着.随保持器旋转一起继续本现象的话,内圈密封槽全周附着了润滑脂。
另外,内圈旋转时如图5那样,润滑脂Go由于离心力而飞散,润滑脂Gt不易改变,内圈密封槽没有附着润滑脂。
但是,内圈旋转速度如果不够,离心力变小,将与外圈旋转时同样的变动。
4.降低内部密封槽润滑脂附着的保持器开发
4.1改良保持器的方案
根据第3章节,内圈密封槽的润滑脂附着控制,考虑到下面3个概念是有用的。
减小球兜内径侧边缘对润滑脂的作用,使球兜边缘堆积的润滑脂减少。
球兜缘堆积的润滑脂增加的时候,防止润滑脂向内圈的外径部转移.
防止从球兜中央部和内圈外径部的间隙间被挤出的情况产生的向内圈部密封槽的润滑脂的转移.
于是,进行试作加进了3种概念的保持器,确认润滑脂的变动及影响。
另外这些保持器都是一般的铁板浪形保持器(以下称基准保持器)做一部分变更后制作的。
图6的保持器,球兜中央部大范围倒角的东西。
保持器球兜内径侧边缘的倒角的抑制作用(概念1),以及球兜中央部的内径侧的板厚减少,造成内圈密封槽对润滑脂移动的控制作用(概念3)为目标的东西(以下称中央凹保持器).
图7的保持器是内径侧,球兜边缘产生润滑脂挤出处加大了倒角的东西,是概念1具体化的例子(以下对角下凹保持器)与上述中央下凹保持器比较,预期的效果可能要小。
图8的保持器,仅球兜部,保持器的内径尺寸法扩大的东西。
球兜内径侧的边缘和球兜中央部,与内圈外径的间隙增加,是概念2和3的组合效果。
(以下称球兜处狭窄保持器).
基准保持器形状
图7对角处下凹的保持器
图8球兜处狭窄的保持器
图6中央部下凹的保持器
4.2防止内圈密封槽的润滑脂附着的效果
和图1一样,改良后的保持器同样是外圈旋转,其润滑脂的附着状态如图9至图11所示(润滑脂封入量:
870毫克)
.如图9中央下凹保持器的场合,确认没有润滑脂向内圈密封槽附着,内圈的外径部及球兜外表面的中央部,不承为有润滑脂,得到期待的效果。
图10对角下凹保持器的情况,确认没有润滑脂向内圈密封槽附着,仅概念只1.的具体化,得到良好的结果。
图11球兜中央狭窄保持器的场合,球兜边缘挤出润滑脂(如图5的Gw)的量多,但是,不认为有向内圈密封槽的润滑脂,也是期待的结果。
以上的这些保持器改良设计,都被确认具有控制内圈密封槽的润滑脂附着的效果
大量的油脂
图11球兜宽度狭窄保持器(图8)的润滑脂附着状态
图10对角处下凹坑保持器(如图7)的润滑脂附着状态
图9中央下凹的保持器(图6)的润滑脂附着状态
5.耐润滑脂泄漏及改良保持器的效果
确认了第4章中设计的改良保持器的耐润滑脂泄漏性的改善效果。
使用保持器是第4章中的加工过的东西,而是,量产一样在冲压加工试制。
中央下凹保持器,球兜内侧中央下凹为冲压加工制作的,外表面变膨大,轴承和密封圈空间狭小。
因此轴承的内部设计需要更改,所以对冲压加工的评价,只有对角下凹保持器和球兜中央部狭窄保持器2种了。
装配了钢球的各保持器(基准保持器,对角下凹保持器,球兜中央部狭窄保持器),从图12表示到图14.
图12已经组合了钢球的中央部狭窄的保持器
图13已经组合了钢球的对角下凹的保持器
图12已经组合了钢球的基准保持器
这3种保持器分别装到轴承中,采用润滑脂容易产生泄漏的外圈旋转的试験条件(表1),进行了润滑脂泄漏的有无判定,轴承外部附着泄漏的润滑脂可用目视确认。
润滑脂泄漏试验结果如表2.基准保持表示器,15個中6个润滑脂泄漏被认可,改良保持器中,对角下凹坑保持器1个,球兜中央部狭窄保持器0个,良好效果。
装配基准保持器和球兜中央部狭窄保持器的轴承,试验后的密封圈的内表面的状态如图15和图16所示.基准保持器轴承的密封唇部分确认有大量的润滑脂,球兜中央部狭窄保持器确认没有润滑脂。
由于保持器的形状的改良,润滑脂向内圈密封槽转移是可以控制的,根据本次效果,可以认为减少从轴承泄漏润滑脂。
据此,能减低润滑脂向内圈密封槽附着的保持器,也证实了有降低润滑脂泄漏的可能.
表1漏脂试验的条件
轴承
6203llu(密封球轴承)
外环的旋转速度,分钟-1
3600
试验时间,分钟
15
润滑脂
870毫克,soap-ester锂,
渗透255
泄漏检测
目视检查
表2漏脂试验的结果
保持器形状
泄漏/总量
基准保持器(图12)
6/15
球兜对角处下凹(图13)
1/15
球兜中央部狭窄(图14)
0/15
密封唇区没有润滑脂
图16球兜中央部狭窄(图14)密封圈内表面润滑脂附着状态
图15基准保持器(图12)密封圈内表面的润滑脂附着状态
密封唇区的润滑脂
6.改良保持器的强度検讨
被确认耐润滑脂泄漏性能出色的保持器,形状与基准保持器不同,因而可以想象产生的应力值和集中的位置也有变化,于是用有限要素法静的构造解析,进行了强度讨论。
解析的设想的物理模型,与滚动体公转方向作相对移动,采用对球兜面接触面施加载荷和摩擦力的条件。
根据解析的要求,基准保持器的主应力分布彩色光学图像如图17显示,仅显示一个铆钉孔之间的球兜作为解析对象,约束了分割的切断面圆周方向的位移,另外,铆压部的结合面一侧给予轴方向的位移约束。
在与轴承相同形式的力矩载荷下运转,在铆钉孔的平面部和球兜的过度部(以下称为球兜的过度部)产生裂纹的情况较多,图17的解析是同位置产生的最大主应力,所以考虑妥当的过度部的条件。
两个改良保持器中的主要应力分布如图18和图19显示,应力的上下限值3个图是统一的,图18的对角下凹坑保持器与基准保持器一样,球兜过度处产生最大主应力,但是,图19的群殴都中央部狭窄的保持器,在球兜中央部产生最大主应力。
基准保持器的最大主应力值对各保持器的球兜过度部和球兜中央部主应力值的比较如图20所示,半径方向的宽度相等的基准保持器和对角下凹保持器,为同等的应力值。
另一方面,球兜中部狭窄保持器,由于球兜中部半径方向的宽度很窄所以刚性低,球兜内侧中央部的应力相对增加,相对于基准保持器的最大值增加了6%。
最大应力点
作用区域接触载荷
b)球兜处
a)球兜外表面
图17基准保持器(图12)的主应力分布
最大应力点
作用区域接触载荷
b)球兜处
a)球兜外表面
图18球兜对角处下凹保持器(图13)主应力分布
最大应力点
作用区域接触载荷
a)球兜外表面
b)球兜处
图19球兜中央部狭窄保持器(图14)主应力分布
疲劳试验应力比
基准保持器(图12)
对角处下凹保持器(图13)
球兜中央部狭窄的保持器(图14)
图20有限要素法各种保持器的球兜边缘和球兜中央部的主要应力比
对基准保持器解析上增加的6%应力的球兜中央部狭窄保持器在使用时,作为使用条件,保持器强度是否充分满足应确认。
7.总结
为了减少密封球轴承润滑脂泄漏,调查润滑脂向内圈密封槽附着过程,进行了能降低迁移的改良保持器设计,试验的评价结论如下。
1)据认为:
对密封轴承而言,当轴承温度上升的时候,内圈密封槽一旦有润滑脂附着,就有可能产生润滑脂泄漏。
还有内圈密封槽的润滑脂的附着,
滚动体上附着了润滑脂的保持器球兜内径侧边缘积聚,
有此向内圈的外径部发生润滑脂的移动,
内圈密封槽的润滑脂被挤压出来。
2)保持器形状变更后,有效控制了内圈密封槽的润滑脂的附着,有控制效果的形状变更的特征是:
降低了附着在滚动体上的润滑脂在球兜中积聚到保持器内径侧的作用,这部分的积聚量被减少了,
保持器内径部的积聚与内圈的外径部的间隙的都会增加。
3)使用内圈密封槽的润滑脂附着可控制的保持器,润滑脂泄漏得到大幅改善.
4)保持器强度方面,球兜宽度狭窄保持器的最大应力比标准保持器在解析上增加了6%。
采用的时候,应进行使用条件下的保持器强度评価,确认具有充分的强度。
以前,有关润滑脂泄漏的改善都把工夫下在密封圈及润滑脂的封入量上,现在明白了保持器的形状的改良也可以大幅度的减少润滑脂泄漏。
另外,如果使用这次改良的保持器,不引起润滑脂泄漏的可能润滑脂的界限封入量有所增加,也能期待轴承的长寿命化。
参考文献
1)転がり軸受総合カタログ・CAT.NO.2202-7/J,NTN(1997).
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内輪シール溝へのグリース付着に及ぼす保持器形状の影響,トライボロジー会議予稿集東京,2008-5,(2008)135.
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玉軸受用の耐グリース漏洩鉄板波形保持器の開発,トライボロジー会議予稿集 名古屋,2008-9,(2008)323.
5)T.Sakaguchi&Y.Akamatsu:
SimulationforBallBearingVibration,Proc.Int.Trib.Cont.,
Nagasaki2000,3(2000)1795.
仅供参考
五洲新春集团有限公司
汪燮民翻译
2012-11-29
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