中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (9): 2251-2258.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.09.017
• 机械基础工程 • 上一篇
收稿日期:2025-05-12
出版日期:2026-09-25
发布日期:2026-10-21
通讯作者:
邱明
作者简介:李佳琪,女,2000年生,硕士研究生。研究方向为滚动轴承设计与性能分析。E-mail:15137938932@163.com基金资助:
LI Jiaqi1(
), QIU Ming1(
), DONG Yanfang1, QU Qiong2, LIU Qiang2
Received:2025-05-12
Online:2026-09-25
Published:2026-10-21
Contact:
QIU Ming
摘要:
借助有限元方法对双列深沟球轴承密封单元进行三维分析,采用多元回归分析和主成分分析,揭示了密封圈内径、密封圈圆角半径、卡环内径和内圈圆角半径对密封单元接触特性影响程度的强弱;探究了这4种参数对双列深沟球轴承密封单元接触特性的影响机理。结果表明:结构参数对密封单元接触特性的影响程度由大到小依次为密封圈内径、内圈圆角半径、密封圈圆角半径、卡环内径;改变前3个因素会改变密封圈与内圈接触部位的接触形貌,进而改变单一因素的梯度变化规律。优化后最小有效接触应力提高16.28%,摩擦力降低30.95%。通过试验验证了有限元计算方法及密封单元接触特性计算结果的准确性。
中图分类号:
李佳琪, 邱明, 董艳方, 曲琼, 刘强. 非轴对称双列深沟球轴承密封单元接触特性影响机理与失效准则[J]. 中国机械工程, 2026, 37(9): 2251-2258.
LI Jiaqi, QIU Ming, DONG Yanfang, QU Qiong, LIU Qiang. Influence Mechanism of Contact Characteristics and Failure Criterion for Sealing Units in Non-axisymmetric Double-row Deep Groove Ball Bearings[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(9): 2251-2258.
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 密封圈外径D1 | 19.4 |
| 密封圈内径d1 | 10.9 |
| 密封圈厚度t1 | 0.3 |
| 卡环外径D2 | 19.6 |
| 卡环内径d2 | 14.0 |
| 卡环厚度t2 | 0.3 |
| 轴承内圈圆角半径rc | 0.5 |
| 密封圈圆角半径r1c | 0.06~0.14 |
表1 密封单元主要结构参数 (mm)
Tab.1 The main structural parameters of the sealing unit
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 密封圈外径D1 | 19.4 |
| 密封圈内径d1 | 10.9 |
| 密封圈厚度t1 | 0.3 |
| 卡环外径D2 | 19.6 |
| 卡环内径d2 | 14.0 |
| 卡环厚度t2 | 0.3 |
| 轴承内圈圆角半径rc | 0.5 |
| 密封圈圆角半径r1c | 0.06~0.14 |
| 材料 | 聚四氟乙烯 | 1Cr17Ni7 | 40Cr15Mo2VN | GCr15 |
|---|---|---|---|---|
| 密度/(g·cm | 2.3 | 7.7 | 7.81 | 7.80 |
| 弹性模量/GPa | 1.21 | 203.4 | 205 | 207 |
| 泊松比 | 0.46 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
表2 材料属性
Tab.2 Material properties
| 材料 | 聚四氟乙烯 | 1Cr17Ni7 | 40Cr15Mo2VN | GCr15 |
|---|---|---|---|---|
| 密度/(g·cm | 2.3 | 7.7 | 7.81 | 7.80 |
| 弹性模量/GPa | 1.21 | 203.4 | 205 | 207 |
| 泊松比 | 0.46 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| 二维计算结果 | 三维计算结果 | |
|---|---|---|
| 接触面积/mm2 | 0.31 | 0.25 |
| 接触压力/N | 3.68 | 3.36 |
| 摩擦力/N | 0.91 | 0.84 |
表3 二维与三维计算结果
Tab.3 2D and 3D calculations
| 二维计算结果 | 三维计算结果 | |
|---|---|---|
| 接触面积/mm2 | 0.31 | 0.25 |
| 接触压力/N | 3.68 | 3.36 |
| 摩擦力/N | 0.91 | 0.84 |
| 水平 | 因素及水平值 | |||
|---|---|---|---|---|
密封圈 内径X1 | 密封圈圆角 半径X2 | 卡环内径 X3 | 内圈圆角 半径X4 | |
| 1 | 10.6 | 0.06 | 13.2 | 0.44 |
| 2 | 10.7 | 0.08 | 13.6 | 0.48 |
| 3 | 10.8 | 0.10 | 14.0 | 0.52 |
| 4 | 10.9 | 0.12 | 14.4 | 0.56 |
| 5 | 11.0 | 0.14 | 14.8 | 0.60 |
表4 正交设计中的结构参数
Tab.4 Structural parameters in orthogonal design mm
| 水平 | 因素及水平值 | |||
|---|---|---|---|---|
密封圈 内径X1 | 密封圈圆角 半径X2 | 卡环内径 X3 | 内圈圆角 半径X4 | |
| 1 | 10.6 | 0.06 | 13.2 | 0.44 |
| 2 | 10.7 | 0.08 | 13.6 | 0.48 |
| 3 | 10.8 | 0.10 | 14.0 | 0.52 |
| 4 | 10.9 | 0.12 | 14.4 | 0.56 |
| 5 | 11.0 | 0.14 | 14.8 | 0.60 |
| 自变量 | X1 | X2 | X3 | X4 |
|---|---|---|---|---|
| 对于Y1的贡献率/% | 48.22 | 14.51 | 13.06 | 24.21 |
| 对于Y2的贡献率/% | 49.16 | 20.81 | 12.22 | 17.81 |
| 对于Y3的贡献率/% | 48.49 | 16.33 | 12.82 | 22.37 |
表5 不同影响变量对Y1、Y2、Y3的贡献率
Tab.5 Contribution rate of different variables to frictional force Y1,Y2,Y3
| 自变量 | X1 | X2 | X3 | X4 |
|---|---|---|---|---|
| 对于Y1的贡献率/% | 48.22 | 14.51 | 13.06 | 24.21 |
| 对于Y2的贡献率/% | 49.16 | 20.81 | 12.22 | 17.81 |
| 对于Y3的贡献率/% | 48.49 | 16.33 | 12.82 | 22.37 |
| [1] | 李婷, 马吉恩, 章禹, 等. 基于CFD的磁流体轴承润滑膜特性分析[J]. 中国机械工程, 2016, 27(7): 939-944. |
| LI Ting, MA Jien, ZHANG Yu, et al. Lubrication Characteristics Analyses of Ferrofluid Bearing Based on CFD Simulation[J]. China Mechanical Engineering, 2016, 27(7): 939-944. | |
| [2] | 解芳, 冯长虹, 王召兴, 等. 宽温度域工况下汽车水泵O形密封圈的密封性研究[J]. 中国机械工程, 2014, 25(15): 2013-2016. |
| XIE Fang, FENG Changhong, WANG Zhaoxing, et al. Study on Sealing Property of O-ring Seal of Automobile Water Pump under Broad Temperature Region[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(15): 2013-2016. | |
| [3] | 胡永乐, 邓四二, 李影, 等. 汽车轮毂轴承唇形密封圈密封性能优化研究[J]. 润滑与密封, 2018, 43(9): 54-61. |
| HU Yongle, DENG Sier, LI Ying, et al. Optimized Study on Sealing Performance of Automotive Wheel Hub Bearing Lip Seal[J]. Lubrication Engineering, 2018, 43(9): 54-61. | |
| [4] | ZHANG Shuai, DENG Sier, ZHANG Wenhu, et al. Simulation and Experiment on Sealing Mechanism with Rigid-Flexible Combined Seal Groove in Hub Bearing[J]. Tribology International, 2019, 136: 385-394. |
| [5] | 孙烨彤, 孟祥铠, 赵文静, 等. 超低温弹簧蓄能密封圈的三维接触行为分析[J]. 润滑与密封, 2025, 50(1): 68-76. |
| SUN Yetong, MENG Xiangkai, ZHAO Wenjing, et al. Three-dimensional Contact Behavior Analysis of Spring Energized Seal at Ultra-low Temperature[J]. Lubrication Engineering, 2025, 50(1): 68-76. | |
| [6] | GONG Ran, WANG Heng, ZHANG He, et al. Influence of Wear on Hot Banding Migration of Sealing Ring Using FEM[J]. Wear, 2019, 428/429: 449-456. |
| [7] | 张帅, 杜学芳, 马纯, 等. 高速脂润滑滚动轴承密封结构优化与漏脂试验[J]. 润滑与密封, 2022, 47(9): 111-117. |
| ZHANG Shuai, DU Xuefang, MA Chun, et al. Sealing Structure Optimization and Grease-leakage Test of High-speed Grease-lubricated Rolling Bearing[J]. Lubrication Engineering, 2022, 47(9): 111-117. | |
| [8] | 姜金裕, 孙丹, 赵欢, 等. 新型涡流槽密封泄漏特性与动力特性研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2306-2316. |
| JIANG Jinyu, SUN Dan, ZHAO Huan, et al. Study on Leakage Characteristics and Dynamic Characteristics of New Type of Vortex Groove Seals[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(19): 2306-2316. | |
| [9] | 崔颖, 王大玮, 于颖嘉, 等. 形状记忆合金梁式管接头密封性能数值研究[J]. 航空动力学报, 2023, 38(3): 513-521. |
| CUI Ying, WANG Dawei, YU Yingjia, et al. Numerical Study on the Sealing Performance of Shape Memory Alloy Beam Seal[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(3): 513-521. | |
| [10] | 崔颖, 于颖嘉, 王永亮, 等. 一种梁式管接头密封性能与结构参数敏感性分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(3): 147-155. |
| CUI Ying, YU Yingjia, WANG Yongliang, et al. Sealing Performance and Sensitivity Analysis of Structure Parameters for a New Beam Seal[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(3): 147-155. | |
| [11] | 王衍, 谢雪非, 徐慧, 等. 新型非接触式自冲击密封结构设计与性能分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(15): 204-215. |
| WANG Yan, XIE Xuefei, XU Hui, et al. Design and Performance Analysis of a New Non-contact Self-impact Seal[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(15): 204-215. | |
| [12] | CHENG Ganlin, GUO Fei, ZANG Xiaohua, et al. Failure Analysis and Improvement Measures of Airplane Actuator Seals[J]. Engineering Failure Analysis, 2022, 133: 105949. |
| [13] | MAHANKAR P S, DHOBLE A S, PRABHU R. Experimental Investigation of Polyurethane Seal Failure Used in Hydraulic System[J]. Engineering Failure Analysis, 2023, 150: 107319. |
| [14] | 张付英, 杨朋伟, 吴继豪, 等. Y形组合密封的密封性能研究[J]. 润滑与密封, 2024, 49(3): 126-132. |
| ZHANG Fuying, YANG Pengwei, WU Jihao, et al. Research on the Sealing Performance of Y-shaped Combined Sealing[J]. Lubrication Engineering, 2024, 49(3): 126-132. | |
| [15] | 鲁寨军, 孙永龙, 钟睦. 基于PTFE矩形密封圈的高压容器密封结构设计[J]. 润滑与密封, 2024, 49(4): 95-102. |
| LU Zhaijun, SUN Yonglong, ZHONG Mu. Sealing Structure Design of High Pressure Vessel Based on PTFE Rectangular Sealing Ring[J]. Lubrication Engineering, 2024, 49(4): 95-102. | |
| [16] | 祝效华, 敬洋. 基于三维接触的滑环式旋转组合密封性能主控因素分析[J]. 中国机械工程, 2017, 28(13): 1548-1553. |
| ZHU Xiaohua, JING Yang. Analysis of Main Influence Factors for Slip Ring Combined Rotating Seals Based on 3D Contact[J]. China Mechanical Engineering, 2017, 28(13): 1548-1553. | |
| [17] | 任全彬, 蔡体敏, 王荣桥, 等. 橡胶 “O” 形密封圈结构参数和失效准则研究[J]. 固体火箭技术, 2006, 29(1): 9-14. |
| REN Quanbin, CAI Timin, WANG Rongqiao, et al. Investigation on Structure Parameters and Failure Criteria of “O” -type Rubber Sealing Ring[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2006, 29(1): 9-14. |
| [1] | 王旭东, 赵京. 自锁状态下钳剪抓一体属具接触性能研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 2117-2125. |
| [2] | 叶绍干, 陈天星, 陈鼎, 苗克非, 赵守军, 刘会祥. 柱塞泵缸体-主轴花键齿面修形及抗磨损研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(08): 1767-1773. |
| [3] | 郑颢, 欧阳俊, 王玉超, 李伟, 曾子聪, 黄毅, 刘衡. 面向小偏置碰的轮毂断裂模拟研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(13): 1571-1576,1583. |
| [4] | 聂昕;陈焕焕. 热成形钢板与双相钢板焊点失效模式研究[J]. 中国机械工程, 2019, 30(21): 2636-2642. |
| [5] | 单小彪, 谢涛, 刘军考, 陈维山. 大型钢丝滚道球轴承的接触特性研究[J]. 中国机械工程, 2007, 18(20): 2429-2432. |
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