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

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.09.017

摘要/Abstract

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。

关键词: 双列深沟球轴承, 密封单元, 接触特性, 多元统计分析, 失效准则

Abstract:

A 3D analysis of the sealing unit of a double-row deep groove ball bearing was carried out using finite element method. The degree to which the inner diameter of the sealing ring， the sealing ring fillet radius， the inner diameter of the retaining ring， and the inner ring fillet radius affect the contact characteristics of the sealing unit was revealed through multiple regression analyses and principal component analyses. The mechanisms by which these four parameters influence the contact characteristics of the double-row deep groove ball bearing sealing unit were also explored. Results show that the influence of structural parameters on the contact characteristics of the sealing unit decreases in the order： sealing ring inner diameter， inner ring fillet radius， sealing ring fillet radius， and retaining ring inner diameter. Changes in the first three parameters alter the contact morphology at the sealing ring-inner ring interface， thereby modifying the single-factor response trends. After optimization， the minimum effective contact stress increases by 16.28%， while the frictional force decreases by 30.95%. The accuracy of the finite element method and the calculated contact characteristics was verified by experiments.

Key words: double-row deep groove ball bearings, sealing unit, contact characteristic, multivariate statistical analysis, failure criterion

中图分类号:

TH133.33

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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.

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图/表 23

图1 密封单元结构示意图

Fig.1 Schematic diagram of the structure of the sealing unit

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r_c	0.5
密封圈圆角半径r_1c	0.06~0.14

表2 材料属性

Tab.2 Material properties

材料	聚四氟乙烯	1Cr17Ni7	40Cr15Mo2VN	GCr15
密度/（g·cm $- 3$ ）	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 $- 3$ ）	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

图2 密封单元三维有限元网格划分

Fig.2 3D finite element meshing of the sealing unit

图3 轴承密封单元二维轴对称有限元网格划分

Fig.3 2D axisymmetric finite element meshing of bearing sealing units

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

图4 密封圈三维有限元计算压力分布

Fig.4 3D model pressure distribution of the sealing ring

图5 MFT-5000型多功能摩擦磨损试验机

Fig.5 MFT-5000 multi-functional friction and wear testing machine

图6 摩擦力随载荷增大变化曲线

Fig.6 Frictional force changes with increase of load

图7 密封圈内径对接触特性的影响

Fig.7 Effect of the inner diameter of the sealing ring on the contact characteristics

图8 卡环内径对接触特性的影响

Fig.8 Effect of the inner diameter of the retaining ring on the contact characteristics

图9 内圈圆角半径对接触特性的影响

Fig.9 Effect of the radius of the inner ring fillet on the contact characteristics

图10 密封圈圆角半径对接触特性的影响

Fig.10 Effect of the radius of the sealing ring fillet on the contact characteristics

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
水平	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

图11 密封圈内径与内圈圆角半径的交互影响（a）有效接触应力（b）摩擦力（c）接触面积

Fig.11 Interaction between inner diameter of sealing ring and radius of inner ring fillet

图12 密封圈内径与密封圈圆角半径的交互影响（a）有效接触应力（b）摩擦力（c）接触面积

Fig.12 Interaction between inner diameter of sealing ring and radius of sealing ring fillet

图13 密封圈内径与卡环内径的交互影响（a）有效接触应力（b）摩擦力（c）接触面积

Fig.13 Interaction between inner diameter of sealing ring and inner diameter of clasp

图14 卡环内径与内圈圆角半径的交互影响（a）有效接触应力（b）摩擦力（c）接触面积

Fig.14 Interaction between inner diameter of clasp and radius of inner ring fillet

图15 卡环内径与密封圈圆角半径的交互影响（a）有效接触应力（b）摩擦力（c）接触面积

Fig.15 Interaction between inner diameter of retaining ring and radius of sealing ring fillet

图16 内圈圆角半径与密封圈圆角半径的交互影响（a）有效接触应力（b）摩擦力（c）接触面积

Fig.16 Interaction between radius of inner ring fillet and radius of sealing ring fillet

图17 轴承启动摩擦力矩试验装置

Fig.17 Testing device of bearing starting friction torque

图18 密封单元启动摩擦力矩仿真与试验值

Fig.18 Simulation and test values of starting friction torque in sealing unit

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