NTN轴承密封性能的影响因素

　　NTN轴承被广泛应用于各种电机、家用电器、机械设备、汽车、摩托车、航空和航天等领域，其轴承的性能、精度和寿命可靠性的水平直接影响配套主机的质量。NTN轴承的性能从某种意义上讲比疲劳寿命还重要，在一些配套主机上，NTN轴承因性能变化可引起轴承迅速失效破坏。因此，只有研究NTN轴承的性能，改进产品设计，加强工序间控制，提高产品质量，才能不断缩小与国际先进水平的差距。近几十年来，NTN轴承在世界各国发展迅速，产量猛增。深沟球轴承占总产量的50%以上，其中日本占80%以上，美国75%以上深沟球轴承是NTN轴承。我国NTN轴承的产量占深沟球轴承的比重由1985年的10%增长到1990年的30%，如今已达到70%，并且仍在继续增长，我国已成为NTN轴承的生产大国。研究开发NTN轴承是轴承行业的一项重要工作，现从以下两个方面进行介绍。影响NTN轴承性能的因素针对NTN轴承性能要求，通常主要表现在以下几个方面：摩擦力矩；高速性能（即速度性能，NSK分为接触、非接触式2种，KOYO为接触、非接触、轻接触式3种速度参数）；润滑脂NTN性；防火性；使用温度范围。因此无论从设计、制造以及试验评定及改进，都是围绕这些性能而展开的。而NTN轴承的可靠性（即在规定条件下达到或完成（满足）其规定性能的能力或水平），由于上述性能既是相互矛盾，又是相互统一的，因此在设计制造时必须综合考虑。 一、NTN轴承的产品设计 　　NTN轴承的产品设计是影响NTN水平最重要的一个环节，因其应用场合对象不同，应采用不同的NTN结构设计。但目前国内NTN轴承的结构品种还比较少，从产品设计的角度上看，我国的优化设计急需制定各种不同结构型谱以供选用。优化设计是基于80年代的科研成果，推荐给出了接触式和非接触式橡胶NTN圈2种结构形式和防尘覆盖结构形式，这样针对各种NTN轴承的应用场合就显得十分不足。对一般的中小型球轴承设计，国外一般均在内圈开槽并在槽内开以斜边，主要是为了加长其NTN曲径尺寸，以增强其NTN效果，对于非接触式NTN国外推行的NTN曲径尺寸要比我国现行优化设计的好。非接触式NTN的间隙是一个十分重要的指标，优化设计规定为0.2mm以上，而认为最好能控制在0.10~0.15mm。对于接触式NTN可又分为接触式、轻接触式和超轻接触式，以适用不同的直径系列和不同使用条件。在设计中，接触唇部与轴承内圈接触部位的过盈量，以及NTN圈的唇口部的形式是设计的关键，接触式从单唇、双唇发展到现在NSK和DDU结构的三唇式。不论NTN圈如何变化，但接触的形式始终遵循着这一原则，即在轴承内热胀时内部空气可从轴承内排出，反之不允许外部介质进入，因此接触部位为外侧斜面，这样过盈量所产生的摩擦力可以大大减轻，又可有效地防尘、防水。对于2RD超轻接触式一般是为超轻系列轴承设计的，现在也用于其他系列中（共结构比较简单）便于加工制造。对于我国优化设计方法的非接触式，近来看到国外用于接触型NTN，所不同的是在两唇部之间涂以少量的两种润滑脂，以减少摩擦提高NTN圈唇部与内圈外径之间的润滑效果，改善NTN性能。这类轴承主要用于承受径向、轴向和扭矩联合载荷，且对防尘防水有严格要求，其试验表明性能良好。国内某些轴承企业自行设计的一些NTN形式，从主观出发，在仿制改善国外结构形式方面由于没有很好地理解其内涵，加之没有进行试验验证，以致出现了较多质量问题，主要反映在漏脂与防尘方面。对于内、外圈NTN槽的尺寸与角度设计，应作较深入的系统研究，并应以试验验证为依据方可定型。 二、加工制造精度对NTN轴承的影响 　　NTN深沟球轴承虽然在精度等级上没有标明达到何种公差等级，但从NTN性能分析入手，笔者认为其旋转精度应达到P5级为宜，主要原因是相对于NTN轴承的性能而言。轴承的内、外圈端面对滚道的跳动影响NTN性能甚为突出，如果Sia、Sea不严加控制，NTN轴承在运转过程中产生轴向位移（窜动），将导致轴承内部的油脂沿轴向方面高频的反复出现吸入、吐出现象，加剧油脂泄出，对于防尘性能由于灰尘侵入或附着在NTN泄漏出的油脂上，在轴向窜动引出吸入、吐出交替过程中，就使带尘脂与内部脂交溶在一起，使防尘性能进一步恶化。即使唇部无泄漏的油脂，轴承的轴向窜动加剧轴承内空气的吐出和吸入仍将含有灰尘的空气吸入到轴承内部，因此必须从严控制Sia、Sea制造精度。为了提高Sia、Sea精度，必须改进相关尺寸精度和旋转精度，应对其他相关尺寸公差的制造提出严格的要求，例如内、外圈的沟位置公差、沟径公差和保持架的制造精度。现有的优化设计规定已不能满足低噪声轴承发展的需要，这已经引起轴承行业的重视。 三、各零件之间的配合与装配质量对NTN性能的影响 　　（1）、内外套圈的槽NTN深沟球轴承内外套圈的槽既是固定橡胶圈（外圈槽），又是保证间隙（内圈槽）的要求，其尺寸与形位公差都很重要，但在制造过程中不好检验，大部分靠成形刀具来保证。我国产品中槽深浅、宽窄不一，圆度、同轴度不好，在成品中出现非接触部位相磨，间隙过大，间隙不均现象，NTN圈在外圈NTN槽定不住位，产生转动情况，严重影响性能。在槽内，由于清洁度不好，严重影响轴承的振动噪声性能，这也是我国轴承产品的多发滚针对上述问题，国内轴承行业的专家提出如下解决方案。在现行设计中，一般只对外圈NTN槽的沟底尺寸公差有规定，而对槽宽尺寸公差未加限制（沟道在加工过程中，对小型中小型轴承检查困难，必须开发相应的专用仪器），建议控制其槽的宽度尺寸和位置公差。现在有的企业已这样做了，取得了良好的效果。对于内圈槽，在检测和控制方面比较方便，但现行设计中应增加NTN圈接触部位对沟道（或对基准端面）的跳动这一项目。由于NTN槽都是在热处理前加工的，槽的清洁度问题，一直影响NTN轴承的噪声。有关专家建议研究在热处理以后，采用硬车加工槽，目前有的企业对小型轴承进行了这方面的尝试。 　　（2）、内圈外径的倒角尺寸这个问题之所以单独列出，是由于出现的频率太高了。无论内圈采用何种结构，内圈外径与端面处的倒角必须从严控制。例如6204-2RS，优化设计图规定rmax=0.3mm×45°，而实际上有的产品已超过了1mm×45°，而实际上有的产品已超过了1.5mm，是按倒角0.3mm×45°计算的，现大于1mm×45°时，则宽度就小于0.99mm，由于倒角尺寸的差异，使NTN尺寸减少了1/3，双唇口迷宫式槽其缓冲作用将不复存在，严重影响了NTN效果，所以此处倒角应越小越好。 　　（3）、橡胶圈质量圈的结构、材质和制造精度是影响NTN轴承性能的重要因素。圈的骨架、材质要光洁，无锈蚀，无毛刺，尺寸、形位公差要好，具有足够的刚性；橡胶的硬度、弹力、耐磨性等要符合标准要求，骨架与橡胶粘接要牢固，尺寸精度与形位公差都有严格的要求。但有些圈出现的质量问题是：唇与外径（内圈）同轴度差，NTN唇的内径尺寸超差，使间隙难以保证设计要求，严重影响了轴承的性能。由于轴承在运转过程中内部温度高于外部，则内部压力高于外部压力，由于圈的刚性差，也将引起圈向外翘曲变形。圈因橡胶老化而出现变形和性能下降决定了NTN圈存放时间不宜过长，这一点尤其应注意。 　　（4）、圈的定位和间隙圈的定位一般是靠NTN圈外径与轴承外圈槽的内径过盈配合，若外圈槽尺寸超差（因一般企业在加工中不测量），定位就不可靠。在试验中就发生有些产品的圈存在轻微活动甚至转动现象，影响了NTN性能（多发生在接触）。有的企业在产品设计中除靠外圈槽的内部定位外，还增加NTN圈的端面厚度，利用橡胶的弹性变形，卡人轴承外圈槽内，使定位更为可靠。非接触式NTN轴承的内圈外径（槽）与圈唇口内径之间的间隙大小是影响NTN性能的重要因素之一。以6204作代表，优化设计最大间隙为0.534mm，最小间隙应为0.27mm（直径方向即2δ），国产轴承因唇的尺寸公差达不到设计要求，同时为减少轴承的摩擦力矩，而加大间隙。在试验中我们发现有的甚至超过1.4mm（直径方向2δ），这样造成漏脂防尘性能都很差，当注脂量较多时，漏脂严重，同时防尘性能不好，当注脂量较少时，漏脂量虽很小，但防尘性能不好，这说明防尘漏脂各有其特点，不能认为漏脂率低，防尘效果就好。 　　（5）、保持架与内外套相碰，与圈相磨深沟球轴承是由滚动体引导，如果保持架的制造精度达不到要求，就会在轴承运转过程中出现靠套现象，引起轴承振动、噪声加大，性能受到影响，同时易导致油脂发黑。虽然进入灰尘不一定很多，但油脂的寿命受到很大的影响，反过来使轴承精度很快丧失。由于槽加工过宽，致使圈与保持架相接触，两者相磨或相碰，NTN圈很快变形，严重地丧失轴承性能，制造中应列为重要质量控制点。 四、油脂（注脂量与注脂方法） 　　油脂是影响NTN轴承性能和寿命的主要因素之一，分析轴承损坏的原因，因润滑不良使轴承疲劳失效的约占43%，如果按噪声寿命和精度寿命，评定因润滑问题使轴承失效为50%以上。轴承性能差将很难保证轴承的良好润滑状态，使轴承的寿命、可靠性达不到预期的指标。国产轴承润滑脂主要是矿物锂基脂，其质量与进口产品相比还有一定差距，主要是降振降噪能力低、清洁度和质量稳定性差等问题，因而目前大量采用进口油脂。单从油脂而言从改善NTN的漏脂性能、防尘性能角度，选用粘度偏高的润滑脂较好，脂的粘度高，则不易流出。但对温升性能不利，脂的粘度高，轴承运转粘滞阻力增大，温升提高。因此要综合考虑，以保证轴承的性能和寿命、可靠性要求。 　　（1）、注脂量对NTN性能的影响大量的试验证明，当注脂量是轴承内部腔体容积的大约30%以下时，由于在轴承内部脂没有达到饱和状态，所以润滑脂漏失很少。注脂量超过30%时，轴承内部局部产生饱和状态，当注脂量达到50%时，轴承内润滑脂达到完全饱和状态，多余的脂被“挤”出。特别注意，有时尽管脂注的不多，但注脂方法不规范，科学，导致轴承腔内的脂不均匀，也会出现轴承内局部饱和，发生早期快速“挤”出现象。 　　（2）、注脂量对防尘性能的影响防尘性能与注脂量也有密切关系，润滑脂泄漏多，导致吸附在轴承NTN唇部的灰尘急剧增加，导入轴承内的灰尘量上升，油脂注入过多对防尘不利。 　　（3）、注脂量对温升性能的影响试验表明，注脂量增加，轴承的温升也将上升这是因为轴承油脂量增大，润滑脂粘滞阻力增大，轴承内的钢球、保持架的搅拌发热增加，从而导致轴承温升增高。 　　（4）、注脂量对摩擦力矩的影响也是随注脂量的上升而上升。 　　（5）、注脂方法及脂在轴承内的分布状态目前国内基本实现注脂机注脂，但由于注脂部位和油脂分布问题没有引起足够重视，也是影响NTN轴承性能的一个因素。为了使油脂在轴承腔内形成均匀分布，应采用两面注脂，注脂孔应尽可能靠近外圈滚道，注脂孔的数量应与轴承滚动体数量相同。在自动装配生产线上，为与其他装配生产节拍保持一致，均脂时间不可能太长，因此注脂过程最好形成一个较佳油脂分布就十分重要。为了保持NTN轴承最佳性能，又使油脂能不断补充到轴承内的工作部位，希望储存的油脂尽可能分布在圈的内侧，并靠近外圈挡边附近，形成一个较好的储脂区。至于均脂工序，建议转速可能提高一点。