CN116123211B - 一种带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其包括内圈和外圈，在内圈的两端均设置有密封端盖，内圈、外圈和密封端盖之间形成轴承腔；内圈的环体的端面为第一密封面，在第一密封面上沿径向由内到外设置有密封坝、型槽区和扩压槽，在型槽区设置螺旋槽；螺旋槽有连通扩压槽、且与内圈旋转方向相反的流体出口；轴承腔经导流孔连通螺旋槽；密封端盖的侧面为第二密封面，螺栓经第二弹性密封垫圈、以设定压力将密封端盖安装在外圈上，密封端盖与外圈之间有第一弹性密封垫圈，静止时，第二密封面以密封端面比压抵压在密封坝上并构成密封界面。本申请能够保持密封、且避免内圈与密封端盖直接接触所造成的摩损，延长了设备的使用寿命。

Description

一种带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，涉及一种带有自适应密封的滚动轴承，特别适用于高速旋转机械的旋转轴的支承。

背景技术

滚动轴承是旋转机械主轴运转的主要支承方式。滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体、保持架和端面挡圈等五部分组成，滚动体与内、外圈之间的润滑方式包括脂润滑、和油润滑和油雾润滑。采用脂润滑的轴承不易泄漏、易于密封、使用时间长、维护简便且油膜强度高，但摩擦力矩比油润滑大，不宜用于高速。采用油润滑的轴承冷却效果好，摩擦力矩远比脂润滑小，但其密封和供油装置较复杂；高转速轴承，可选用低粘度的润滑油。采用油雾润滑方式的轴承，以压缩空气作为动力，使油液雾化，形成粒度在2μm以下的干燥油雾，然后经管道输送到轴承润滑部位；这种润滑既防止了轴承滚动体被过多润滑剂包裹，产生"液体摩擦"导致轴承温升，又避免了润滑不足，增加滚动体与内、外圈之间摩擦的问题。但油雾润滑方式轴承，运行时排出的压缩空气中，含有浮悬油粒，污染环境，对操作人员健康不利，需要设置相应的油雾回收系统，另外需要配备雾化油用的压缩空气供应系统。

现有技术中，大都是在轴承内、外圈两端设置骨架油封，将轴承内、外圈，以及与轴承外圈的内孔壁、内圈的外圆柱面配合的2个骨架油封，围成润滑油腔或润滑油雾腔，建立相对稳定的润滑环境的。如中国专利申请号CN201420172200.0公开的一种双密封轴承。为了实现骨架油封和内圈外圆柱面之间的密封，通常安装时将骨架油封包裹在内圈外圆柱面上，形成一定的密封接触比压。但是，运转过程中骨架油封与内圈外圆柱面之间的摩擦、磨损，会形成间隙，引起润滑剂泄漏，破坏相对稳定的润滑环境，导致轴承故障；特别是滚动体与内、外圈之间存在较大的径向间隙，以及内、外圈相对转速较大时，骨架油封与内圈外圆柱面之间的摩擦、磨损更甚。摩擦产生的温升，降低了骨架油封和内圈的力学性能，加重了骨架油封和内圈外圆柱面的磨损，进一步扩大了润滑剂泄漏；磨损形成的磨粒，不仅会加速骨架油封与内圈外圆柱面之间的磨损，还会进入滚动体与内、外圈之间，引发轴承润滑环境劣化，加速轴承的失效。

此外，为了克服因轴承径向间隙带来的径向跳动增大骨架油封磨损、引发轴承腔内润滑剂泄漏的不足，研究人员发明了具有补偿轴向磨损能力的滚动轴承。如ZL20202216606.5，通过接触唇紧贴在轴承内圈密封端面，形成了类似于接触式机械密封的结构，实现密封效果；在接触唇在磨损过程中，环形橡胶密封圈本体依靠自身的弹性恢复量补偿接触唇的磨损，使得接触唇一直紧贴在轴承内圈密封端面上；当主接触唇磨损失效后，副接触唇承接了主接触唇的密封功能，延长了轴承密封的寿命。但这种方式的效果是有限的，因为结构特点导致接触唇数不可能太多以及接触唇与轴承内圈密封端面维持密封的接触比压，终会在轴承运转过程中因接触唇的磨损而降低，造成轴承密封失效。

为此，202210979334.2的专利申请提出了将密封圈设计成类似于机械密封的带有引流孔的静环，与开设有螺旋槽的轴承内圈端面配合构成的轴承用非接触式机械密封结构；该密封结构依靠橡胶密封圈的弹力，形成闭合力，在轴承静止状态下，维持密封圈与轴承内圈端面密封的接触比压；轴承工作过程中，槽内流体在螺旋槽的作用下，升压增速，产生分离密封圈和轴承内圈端面的开启力，避免了密封圈与轴承内圈端面之间的摩擦、磨损。但该发明涉及的密封结构在工作时，形成的密封圈与轴承内圈端面间隙沿润滑剂泄漏方向是扩散的，不利于轴承腔密封；特别是未能考虑高转速运行条件下，轴承温度升高，致使润滑剂黏度降低，对轴承的承载力和轴承腔密封的密封性劣化影响；同时，没有明晰橡胶密封圈闭合力的设计方法，难以确定轴承静止状态下密封圈与轴承内圈端面的有效密封或者轴承工作过程中密封圈和轴承内圈端面的可靠分离。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其包括内圈和套设在该内圈外侧的外圈，该内圈和外圈沿一轴线同轴套设在一起，在内圈的轴向方向的两端均设置有一密封端盖，内圈、外圈和密封端盖所圈围的空间形成为密闭的轴承腔；在该轴承腔内设置有滚动子和保持架，保持架将滚动子均匀地分布在外圈和内圈之间；在该轴承腔内填充有润滑剂；

该内圈包括环体，环体的轴向方向的两个端面均形成为第一密封面，在每个第一密封面上，沿径向由内到外均设置有密封坝、型槽区和扩压槽，在型槽区设置有至少三个环绕该轴线均匀布置的螺旋槽，相邻的螺旋槽之间形成为密封堰；

该扩压槽由第一密封面的径向外侧部沿轴向向下凹陷所形成，扩压槽沿径向贯穿内圈的第一外周面，使该扩压槽具有一环绕该轴线的周向侧面和一沿径向方向延伸的呈环状的第一底面；每个螺旋槽均沿径向贯穿型槽区的周向侧面后连通该扩压槽、并形成螺旋槽的流体出口，该流体出口的朝向与该内圈的旋转方向相反；

对应于每个螺旋槽，在环体内均设置有一导流孔，该导流孔的进液口贯穿内圈的第一外周面、并连通轴承腔，导流孔的出液口贯穿所对应的螺旋槽的第二底面，且该出液口设置在螺旋槽的第二底面的径向内侧；

每一密封端盖的径向内端的朝向内圈的侧面形成为第二密封面，在密封端盖与外圈的轴向端面之间垫设有第一弹性密封垫圈，在密封端盖背离第一弹性密封垫圈的一侧设置有第二弹性密封垫圈，螺栓以设定压力压缩第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈后将密封端盖密封地抵压在外圈上，当该内圈与密封端盖相对静止时，使第二密封面以密封端面比压抵压在第一密封面的密封坝上；

该第二密封面与密封坝贴合构成密封界面，密封界面间存在着孔隙，第二密封面与扩压槽之间形成一呈环状的、具有径向开口的升压腔；

当内圈相对于密封端盖静止时，第二密封面与密封坝贴合构成的密封界面的孔隙率小于0.311，阻断密封界面中的空隙连成贯穿密封面的通道；

当内圈相对于密封端盖转动时，螺旋槽对槽内的润滑剂做功，将润滑剂增速增压甩出螺旋槽，使得螺旋槽的第二底面的径向内侧形成低压区，轴承腔内的润滑剂在压力差作用下经导流孔进入到螺旋槽内，继续被甩出螺旋槽；从螺旋槽甩出的润滑剂进入到升压腔内，由于流通面积的扩大，润滑剂的流速降低，润滑剂的动能部分被转化为静压能，形成静压力；升压腔中润滑剂的静压力和螺旋槽做功提升的润滑剂的动压力共同推动密封端盖压缩第二弹性密封垫圈沿轴线方向朝远离内圈的方向移动，第一弹性密封垫圈在自身弹性作用下压缩量部分释放恢复，使密封端盖仍然密封地抵压在外圈上，而第二密封面与第一密封面之间形成环形间隙；

当润滑剂从螺旋槽甩出时，螺旋槽的径向内侧的压力变低，缩小了螺旋槽的径向内侧与内圈内径侧大气的压力差，降低了润滑剂沿着环形间隙向外泄漏的推动力，螺旋槽的径向内侧的润滑剂受到离心力作用和密封坝的阻力的作用，保障轴承腔得以实现密封，避免了润滑剂的泄漏。

本申请中的密封原理为：

滚动轴承处于静止状态时，滚动轴承两端的密封端盖与内圈之间的密封是通过螺栓在第一密封面和第二密封面之间产生足够的密封端面比压，致使表面微凸体发生变形，填充密封界面的空隙，阻断密封界面中的空隙连成贯穿密封面的通道而实现的。当密封端面比压增大使得密封界面的空隙率小于0.311时，贯穿密封面的通道消失，滚动轴承两端的密封端盖与内圈能够实现密封。旋拧螺栓，对第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈进行挤压，即可在第一密封面和第二密封面之间产生足够的密封端面比压。

滚动轴承工作状态时，密封界面中的润滑剂受到三个力的作用，分别是内圈径向内外侧的压力差、离心力和密封坝的阻力，其中的压力差推动润滑剂的泄漏，离心力和密封坝的阻力是阻止润滑剂的泄漏。当压力差形成的推动力大于离心力和阻力的和，泄漏就会发生；当压力差形成的推动力小于离心力和阻力的和，轴承腔中的润滑剂则不会发生泄漏，此时，内圈的径向内侧的空气形成向轴承腔内吸入的趋势，当空气沿密封界面向轴承腔内流动时，密封坝具有阻碍空气的朝轴承腔内流动的阻力，密封坝对空气的阻力方向与压力差的作用力方向一致，共同阻止外部空气进入轴承腔。也即，密封坝同时具有阻碍轴承腔内润滑剂向外泄漏以及外部空气进入到轴承腔内的作用力，由此使得螺旋槽的径向内侧存在一个压力区间，在这个压力区间范围内，轴承腔内的润滑剂不会泄漏，外部空气也不会被吸入到轴承腔内。

因此，当内圈相对于密封端盖转动时，螺旋槽中的润滑剂被甩出螺旋槽，使得螺旋槽的径向内侧形成低压区，轴承腔内的润滑剂在压力差作用下经进液口、导流孔进入到螺旋槽的径向内侧，继续被甩出螺旋槽。从螺旋槽甩出的润滑剂进入到升压腔内，由于流通面积的扩大，润滑剂的流速降低，润滑剂的动能被转化为静压能，形成静压力；升压腔和螺旋槽中润滑剂的流体压力推动密封端盖沿轴向朝背离内圈的方向移动，从而在密封端盖与内圈之间形成一个的狭窄的环形间隙，由此避免了内圈与密封端盖的直接接触所造成的摩擦、磨损，延长了设备的使用寿命。由于螺旋槽的径向内侧压力变低，与内圈内径侧的大气压力差变小，降低了润滑剂沿着密封端盖与内圈之间形成的环形间隙向外泄漏的推动力，以及螺旋槽的第二底面的径向内侧润滑剂受到离心力作用和密封坝的阻力，轴承腔得以实现密封，避免了润滑剂的外渗。

在滚动轴承工作状态时，导流孔内的润滑剂受离心力的作用，具有朝轴承腔方向流动的趋势；螺旋槽中的润滑剂一方面受离心力的作用，同样具有朝轴承腔方向流动的趋势，另一方面被螺旋槽的向其内部凸出的内凸侧面做功，泵送至螺旋槽出口进入升压腔，在螺旋槽的第二底面的径向内侧形成负压区；导流孔的进液口处的润滑剂，在压力差的作用下进入导流孔，进一步流至螺旋槽的第二底面的径向内侧的负压区，再在螺旋槽的向其内部凸出的内凸侧面推动和离心力作用下泵送至螺旋槽出口进入升压腔升压后流入轴承腔，如此往复循环。

升压腔中润滑剂的静压力和螺旋槽做功提升的润滑剂动压力共同推动密封端盖压缩第二弹性密封垫圈沿轴线方向朝远离内圈的方向移动，第一弹性密封垫圈在自身弹性作用下压缩量部分释放恢复，使密封端盖仍然密封地抵压在外圈上，而第二密封面与第一密封面之间形成环形间隙，由此避免了内圈与密封端盖的直接接触所造成的摩擦、磨损，延长了设备的使用寿命。

有益效果：

(1)密封端盖的环形板两侧设置第一弹性密封垫圈、第二弹性密封垫圈，保证了轴承静止状态下第一密封面与第二密封面间的密封端面比压和运转状态下第一密封面与第二密封面的分离，实现了轴承的自适应密封和长寿命运行。

(2)第二密封面与第一密封面平行贴合设计避免第一密封面与第二密封面之间形成线密封，使得静止状态下的轴承得以通过螺栓拧紧控制密封界面的孔隙率，达到密封的目的；同时，也避免了轴承工作状态下第一密封面与第二密封面形成沿润滑剂泄漏方向呈扩散状的间隙，保证了密封坝上润滑剂膜厚的均匀性。

(3)该扩压槽底面设计能够使润滑剂较为平稳地由螺旋槽进入到升压腔，不至于流速突变形成涡流，导致后续静压力转化率的降低；扩压槽出口小深度设计保证了高速润滑剂降速升压的空间和时间，减少了扩压槽内高压润滑剂的外溢和轴承腔内低压润滑剂对扩压槽内高压润滑剂的稀释。

(4)轴承静止状态下密封界面孔隙率小于0.311和运转条件下第一密封面、第二密封面分离的设计要求，保证了轴承静止状态下密封圈与轴承内圈端面的有效密封或者轴承工作过程中密封圈和轴承内圈端面的可靠分离。

进一步，使扩压槽具有足够的长度，以及保证密封坝的足够宽度，以保证密封性，密封坝、型槽区和扩压槽的径向宽度分别为该内圈的环体的端面宽度的20～25％、50～60％和20～25％。径向宽度是指在径向方向上的宽度。

具体地，每一螺旋槽均包括两个相对设置的内侧面，其中一个内侧面为朝向螺旋槽的内部凸出的内凸侧面，另一个内侧面为朝向相邻密封堰的内部凹陷的外凸侧面；两个内侧面的型线均为螺旋线；沿径向方向，螺旋槽的宽度由内向外逐渐扩大。

螺旋槽的上述结构，使得润滑剂在流经螺旋槽时，流速能够均匀地逐渐降低，尽量减少润滑剂由螺旋槽进入升压腔时的流速变化量，避免在螺旋槽的出口处产生真空区域，形成气穴，造成润滑剂的气化。

进一步，沿径向方向，扩压槽的深度由内向外逐渐降低；在经过该轴线的轴向截面上，第一底面的截面线段为一椭圆线段，该椭圆线段的起点为第一底面的径向内端，椭圆线段的终点为第一底面的径向外端；

该椭圆线段位于一椭圆的相邻的两个象限点之间的椭圆线上，该椭圆线段的起点位于该椭圆的短轴上的象限点上，该椭圆线段的终点位于该短轴上的象限点与该椭圆的长轴上的象限点之间；该椭圆的长轴与该第一密封面共面；

螺旋槽的深度为20～50μm，且扩压槽的出口深度为螺旋槽的深度的10％～50％；螺旋槽的第二底面垂直于该轴线，且该第二底面与扩压槽的第一底面的径向内端相切。

该设计能够使润滑剂在由螺旋槽进入到升压腔、以及流经升压腔的过程中，能够最大限度地减少流速变化的突然性，流速的突变会使润滑剂产生涡流，造成润滑剂内部的摩擦，并由此发热，消耗了润滑剂的动能，并导致后续静压力的降低。本申请中，螺旋槽的第二底面与扩压槽的第一底面的径向内端相切，从螺旋槽排出的润滑剂能够平稳地进入到扩压槽的区域内，螺旋槽与扩压槽之间在轴向上不存在台阶部，避免了由此台阶部而产生的额外的动能损失。

在润滑剂流经扩压槽时，由于扩压槽的第一底面的截面为一椭圆的短轴与长轴之间的一部分，且第一底面的径向外端趋向于椭圆的长轴上的象限点，使得第一底面沿径向由内向外的曲率逐渐变大，该设计使得润滑剂在流经扩压槽，即流经升压腔时，其流速变化速率不断加大，润滑剂的流速也得以快速增加。即在润滑剂流经扩压槽时，在扩压槽的径向外端的流出快速增加，保证了在扩压槽的大部分区域内，润滑剂均具有更高的静压力，且避免了润滑剂的流速在扩压槽的出口区域产生剧烈的变化。

进一步，为保证密封性，当第二密封面抵压在第一密封面上时，第二密封面与第一密封面平行贴合。该设计能够避免第二密封面与第一密封面之间形成线密封，

进一步，为提高散热性能，密封端盖背离第二密封面的侧面设置有微型圆柱坑。微型圆柱坑在密封端盖上形成织构，强化了运转过程中轴承腔内润滑剂的摩擦热向外传递，降低了轴承温度。

当内圈相对于密封端盖转动时，润滑剂从轴承腔经导流孔引入到密封界面，吸收摩擦热，润滑剂在流经带有微型圆柱坑的密封端盖的表面、并返回轴承腔内时，热量经密封端盖散发。将润滑剂流体摩擦热带出，返回轴承腔内；热的润滑剂在轴承腔经由带有微型圆柱坑的密封端盖的散热而冷却，再被导流孔引入到密封界面，将润滑剂流体摩擦热带出，返回轴承腔内，循环往复。

微型圆柱坑在密封端盖背离第二密封面的侧面形成织构，增大了传热面积，强化了传热效果，能够有效地提高散热效果，避免润滑剂的粘度过低，设置微型圆柱坑后，能够使润滑剂的温度降低5～6℃。

具体地，为保证第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈在压力变化时，能够产生相同的弹性形变，所述第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈的材料相同，弹性模量均为6.1～100MPa。第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈的材料具体可以为氟橡胶、硅橡胶、氯丁橡胶和丙烯酸酯橡胶。

进一步，为提高密封端盖和内圈的使用寿命，内圈的第一密封面和密封端盖的第二密封面均具有碳化硅涂层。仅仅对第一密封面和第二密封面的接触部分施加碳化硅涂层即可，其他部分无需进行碳化硅涂层的施加。

进一步，为降低高速滚动轴承的体积，每一密封端盖均包括呈环状的密封板和设置在该密封板的径向外端的连接环，该连接环由密封板的径向外端沿轴向朝另一密封端盖的方向延伸，在连接环远离密封端的一端设置有一环形板；

在外圈的轴向方向的两个端面上均设置有一沿轴向凹陷、与外圈同轴的台阶部，该台阶部具有一周向内壁和第三底面，第三底面自台阶部的周向内壁沿径向向内贯穿该外圈的径向内周面；

第一弹性密封垫圈设置在环形板与第三底面之间，第二弹性密封垫圈设置在环形板背离第一弹性密封垫圈的一侧，在第二弹性密封垫圈背离环形板的一侧设置有钢质平垫，螺栓依次穿过钢质平垫、第二弹性密封垫圈、环形板和第一弹性密封垫圈后旋拧在外圈上，将环形板密封地安装在第三底面上。

进一步，为降低内圈在转动时，所产生的离心力对轴承腔内的润滑剂进入到导流孔内所造成不利影响，导流孔的进液口的朝向相对于径向方向倾斜设置，且该进液口的朝向与该内圈的旋转方向相同；或者在内圈的第一外周面上设置有呈环状的沉槽,该沉槽沿第一外周面环绕延伸,导流孔的进液口贯穿该沉槽的底面。

当将导流孔的进液口倾斜设置，且进液口的朝向与该内圈的旋转方向相同时，在内圈转动时，至少能够部分消除内圈转动时所产生的离心力的影响，从而使轴承腔内的润滑剂自动流入到导流孔内。当在内圈的第一外周面上设置沉槽时，能够有效地降低导流孔在进液口所生产的离心力，使得轴承腔内的润滑剂能够顺利地进入到导流孔内。

本申请的有益效果：

(1)密封端盖的两侧设置第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈，保证了轴承静止状态下第一密封面与第二密封面间的密封端面比压和运转状态下第一密封面与第二密封面的分离，实现了轴承的自适应密封和长寿命运行。

(2)第二密封面与第一密封面平行贴合设计避免第一密封面与第二密封面之间形成线密封，使得静止状态下的轴承得以通过螺栓拧紧控制密封界面的孔隙率，达到密封的目的；同时，也避免了轴承工作状态下第一密封面与第二密封面形成沿润滑剂泄漏方向呈扩散状的间隙，保证了密封坝上润滑剂膜厚的均匀性。

(3)该扩压槽底面设计能够使润滑剂较为平稳地由螺旋槽进入到升压腔，不至于流速突变形成涡流，导致后续静压力转化率的降低；扩压槽出口小深度设计保证了高速润滑剂降速升压的空间和时间，减少了扩压槽内高压润滑剂的外溢和轴承腔内低压润滑剂对扩压槽内高压润滑剂的稀释。

(4)轴承静止状态下密封界面孔隙率小于0.311和运转条件下第一密封面、第二密封面分离的设计要求，保证了轴承静止状态下密封圈与轴承内圈端面的有效密封或者轴承工作过程中密封圈和轴承内圈端面的可靠分离。

(5)密封端盖上设置微圆柱坑织构，强化了运转过程中轴承腔内润滑剂的摩擦热向外传递，降低了轴承温度。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的局部结构示意图，具体为静止状态时的示意图。

图2为图1拆除一侧密封端盖后的示意图。

图3为图1所示实施例在工作时的状态图。

图4为密封端盖的结构示意图。

图5为内圈的结构示意图。

图6为图5中A-A向的局部示图。

图7为图6中B-B向的示图。

图8为第一弹性密封垫圈的结构示意图。

图9为高速滚动轴承在静止状态下的第一密封面受力示意图。

图10为高速滚动轴承在运转状态下的第一密封面受力示意图。

图11为另一实施例的局部结构示意图。

具体实施方式

参阅图1～图8，一种带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其包括内圈100，套设在该内圈100外侧的外圈200，该内圈和外圈沿一轴线101同轴套设在一起，即该轴线101同时为内圈和外圈的中轴线，在内圈的轴向方向的两端均设置有一密封端盖30，内圈、外圈和密封端盖所圈围的空间形成为轴承腔310，在该轴承腔310内设置有滚动子300和保持架301，保持架将滚动子均匀地分布在外圈和内圈之间。在该轴承腔内填充有润滑剂，在附图中润滑剂未显示。

请参阅图5和图6，该内圈100包括环体10，环体的轴向方向的两个端面均形成为第一密封面11，在每个第一密封面11上，沿径向由内到外均设置有密封坝12、型槽区13和扩压槽14，在型槽区13设置有十个环绕该轴线101均匀布置的螺旋槽15，相邻的螺旋槽之间形成为密封堰16。

该扩压槽14由第一密封面11的径向外侧部沿轴向向下凹陷所形成，扩压槽14向外贯穿内圈的第一外周面18，使该扩压槽14具有一环绕该轴线的周向侧面142和一沿径向方向延伸的呈环状的第一底面141。每个螺旋槽15均沿径向贯穿型槽区的周向侧面142后连通该扩压槽、并形成螺旋槽的流体出口154，该流体出口的朝向与该内圈100的旋转方向相反。在附图中，箭头102的指向表示内圈的旋转方向。流体出口154同时形成为扩压槽的入口。

对应于每个螺旋槽15，在环体内均设置有一导流孔17，该导流孔17的进液口171贯穿内圈的第一外周面、并连通轴承腔，导流孔17的出液口172贯穿所对应的螺旋槽的第二底面151，且该出液口172设置在螺旋槽的第二底面151的径向内侧。

沿径向方向，扩压槽14的深度由内向外逐渐降低，在经过该轴线的截面上，第一底面141的截面为一椭圆线段，该椭圆线段的起点116为第一底面的径向内端，椭圆线段的终点117为第一底面的径向外端。

该椭圆线段为椭圆110的一部分，该椭圆线段的起点116位于该椭圆110的短轴上的第一象限点111上，即起点116的位置与该短轴上的第一象限点111重合，该椭圆线段的终点117位于该第一象限点111与该椭圆110的长轴119上的第二象限点112之间，即该椭圆线段位于该椭圆110的两个相邻的象限点之间的椭圆线上。为显示清楚，该起点116、终点117、第一象限点111和第二象限点112均采用一个小圆圈来表示，其中起点116和第一象限点111重合。

椭圆的长轴119与该第一密封面共面，使得扩压槽14的径向内端的深度为该椭圆110的短半轴的长度，且椭圆110的短轴位于扩压槽14的周向侧面142内。附图中，标记118表示椭圆的中心点，该中心点同样采用一个小圆圈表示，以显示清楚。

本实施例中，每一螺旋槽15均包括两个相对设置的内侧面，其中一个内侧面为朝向螺旋槽的内部凸出的内凸侧面153，另一个内侧面为朝向相邻密封堰的内部凹陷的外凸侧面152；两个内侧面的型线均为螺旋线，沿径向方向，螺旋槽的宽度由内向外逐渐扩大。

螺旋槽15的第二底面151垂直于该轴线101，且该第二底面151与扩压槽的第一底面的径向内端相切，使得螺旋槽的第二深度H也为该椭圆110的短半轴的长度。

本实施例中，内圈的环体的端面宽度WC为100mm，密封坝的第一径向宽度WA为25mm，扩压槽的第二径向宽度WB为21mm，即密封坝、型槽区和扩压槽的径向宽度分别为内圈的环体的端面宽度的25％、54％和21％。端面宽度WC为环体在径向上的宽度。

螺旋槽的第二深度H为45μm，扩压槽的出口深度M为22μm，即扩压槽的出口深度M为螺旋槽的第二深度H的48.9％，可以理解，在其它实施例中，扩压槽的出口深度M还可以为螺旋槽的第二深度H的10％、20％、30％或50％，或者为10～50％之间的其它比例。

根据上述数据，获得本实施例中的椭圆110的公式为：

17.256×10⁸x²+4.938×10⁸y²＝1。

本实施例中，每一密封端盖30均包括呈环状的密封板31和设置在该密封板的径向外端的连接环32，该连接环32由密封板的径向外端沿轴向朝另一密封端盖的方向延伸，在连接环远离密封板的一端设置有一环形板33，该环形板33与该外圈200同轴设置。该连接环32呈沿该轴线方向延伸的筒状，连接环32的一端密封地连接在环形板33的径向内端上，连接环的另一端朝远离轴承腔的方向延伸、并密封地连接在密封板31的径向外端上。在环形板上开设有沿轴线方向延伸的螺栓通孔35。

在外圈200的轴向方向的两个端面上均设置有一沿轴向凹陷、与外圈同轴的台阶部121，该台阶部具有一周向内壁122和第三底面123，第三底面123自台阶部的周向内壁沿径向向内贯穿该外圈的径向内周面201。即台阶部121沿径向向内贯穿该外圈的径向内周面201。

第一弹性密封垫圈41设置在环形板33与第三底面123之间，第二弹性密封垫圈42设置在环形板33背离第一弹性密封垫圈41的一侧，在第二弹性密封垫圈42背离环形板33的一侧设置有钢质平垫43，螺栓45依次穿过钢质平垫43、第二弹性密封垫圈42、环形板33的螺栓通孔35和第一弹性密封垫圈41后旋拧在外圈的螺纹孔44内上，将环形板密封地安装在第三底面上。该螺纹孔位于第三底面上。

本实施例中，第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈的材料相同，均采用硅橡胶材料制备，其弹性模量均为10MPa。

密封板31的径向内端朝向内圈的侧面形成为第二密封面36，本实施例中，当内圈与密封端盖相对静止时，第二密封面36密封地抵压在第一密封面11上，且密封板31的第一内周面37与内圈的第二内周面103平齐，使第二密封面与扩压槽之间形成一呈环状的、具有径向开口的升压腔。当第二密封面抵压在第一密封面上时，第二密封面与第一密封面平行贴合。本实施例中，第二密封面和内圈的第一密封面均具有碳化硅涂层38。

当内圈相对于密封端盖静止时，第二密封面与密封坝贴合构成的密封界面的孔隙率小于0.311，阻断密封界面中的空隙连成贯穿密封面的通道。

当内圈相对于密封端盖转动时，螺旋槽对槽内的润滑剂做功，将润滑剂增速增压甩出螺旋槽，使得螺旋槽的第二底面的径向内侧形成低压区，轴承腔内的润滑剂在压力差作用下经导流孔进入到螺旋槽内，继续被甩出螺旋槽；从螺旋槽甩出的润滑剂进入到升压腔内，由于流通面积的扩大，润滑剂的流速降低，润滑剂的动能部分被转化为静压能，形成静压力；升压腔中润滑剂的静压力和螺旋槽做功提升的润滑剂的动压力共同推动密封端盖压缩第二弹性密封垫圈沿轴线方向朝远离内圈的方向移动，第一弹性密封垫圈在自身弹性作用下压缩量部分释放恢复，使密封端盖仍然密封地抵压在外圈上，而第二密封面与第一密封面之间形成环形间隙。

当润滑剂从螺旋槽甩出时，螺旋槽的径向内侧的压力变低，缩小了螺旋槽的径向内侧与内圈内径侧大气的压力差，降低了润滑剂沿着环形间隙向外泄漏的推动力，而螺旋槽的径向内侧的润滑剂受到离心力作用和密封坝的阻力的作用，保障轴承腔得以实现密封，避免了润滑剂的泄漏。

本实施例中，密封端盖背离第二密封面的侧面设置有微型圆柱坑311，微型圆柱坑311均匀地满布在密封端盖背离第二密封面的侧面上，形成织构，当内圈相对于密封端盖转动时，润滑剂从轴承腔经导流孔引入到密封界面，吸收摩擦热，润滑剂在流经带有微型圆柱坑的密封端盖的表面、并返回轴承腔内时，热量经密封端盖散发。将润滑剂流体摩擦热带出，返回轴承腔内；热的润滑剂在轴承腔经由带有微型圆柱坑的密封端盖的散热而冷却，再被导流孔引入到密封界面，将润滑剂流体摩擦热带出，返回轴承腔内，循环往复。

本实施例中，当内圈与外圈保持相对静止状态下，第一密封面与第二密封面的密封端面比压0.3MPa，密封界面的孔隙率小于0.311，泄漏率为0；运转状态下，转速6000r/min，第一密封面与第二密封面之间的环形间隙为0～3μm，泄漏率为0；润滑剂为润滑油，压力为0MPa。

轴承处于静止状态下，第一密封面与第二密封面贴合，密封接触比压为0.3MPa，内圈上的第二密封面与密封端盖上的第一密封面之间的作用力示意图如图9。在第二密封面上微凸体对第一密封面的支承过程中，微凸体发生变形，此时，密封界面的孔隙率小于0.311，密封界面上不存在贯穿密封坝的通道，润滑油不能从轴承腔外泄。

滚动轴承工作状态时，密封界面中的润滑剂受到三个力的作用，分别是内圈径向内外侧的压力差、离心力和密封坝的阻力，其中的压力差推动润滑剂的泄漏，离心力和密封坝的阻力是阻止润滑剂的泄漏。当压力差形成的推动力大于离心力和阻力的和，泄漏就会发生；当压力差形成的推动力小于离心力和阻力的和，轴承腔中的润滑剂则不会发生泄漏，此时，内圈的径向内侧的空气形成向轴承腔内吸入的趋势，当空气沿密封界面向轴承腔内流动时，密封坝具有阻碍空气的朝轴承腔内流动的阻力，密封坝对空气的阻力方向与压力差的作用力方向一致，共同阻止外部空气进入轴承腔。也即，密封坝同时具有阻碍轴承腔内润滑剂向外泄漏以及外部空气进入到轴承腔内的作用力，由此使得螺旋槽的径向内侧存在一个压力区间，在这个压力区间范围内，轴承腔内的润滑剂不会泄漏，外部空气也不会被吸入到轴承腔内。

因此，当内圈相对于密封端盖转动，螺旋槽中的润滑剂被甩出螺旋槽，使得螺旋槽的第二底面的径向内侧形成低压区，轴承腔内的润滑剂在压力差作用下经进液口、导流孔进入到螺旋槽的第二底面的径向内侧，继续被甩出螺旋槽。从螺旋槽甩出的润滑剂进入到升压腔内，由于流通面积的扩大，润滑剂的流速降低，润滑剂的动能被转化为静压能，形成静压力；升压腔和螺旋槽中润滑剂的静压力推动密封端盖沿轴向朝背离内圈的方向移动，从而在密封端盖与内圈之间形成一个的狭窄的环形间隙104，由此避免了内圈与密封端盖的直接接触所造成的摩擦、磨损，延长了设备的使用寿命。由于螺旋槽的第二底面的径向内侧压力变低，与内圈内径侧的大气压力差变小，降低了润滑剂沿着密封端盖与内圈之间形成的环形间隙向外泄漏的推动力，以及螺旋槽的第二底面的径向内侧润滑剂受到离心力作用和密封坝的阻力，轴承腔得以实现密封，避免了润滑剂的外渗。滚动轴承工作状态时，内圈上的第二密封面与密封端盖上的第一密封面之间的作用力示意图如图10。图9和图10中的箭头数量表示受力的大小。

当内圈相对于密封端盖转动时，螺旋槽对槽内润滑剂做功，将其增速增压甩出螺旋槽，使得螺旋槽的第二底面的径向内侧形成低压区，轴承腔内的润滑剂在压力差作用下经进液口、导流孔进入到螺旋槽的第二底面的径向内侧，继续被甩出螺旋槽；从螺旋槽甩出的润滑剂进入到升压腔内，由于流通面积的扩大，润滑剂的流速降低，润滑剂的动能部分被转化为静压能，形成静压力；升压腔中润滑剂的静压力和螺旋槽做功提升的润滑剂动压力共同推动密封端盖的环形板压缩第二弹性密封垫圈沿轴线方向朝远离内圈的方向移动，第一弹性密封垫圈在自身弹性作用下压缩量部分释放恢复，使密封端盖仍然密封地抵压在外圈上，而第二密封面与第一密封面之间形成环形间隙，由此避免了内圈与密封端盖的直接接触所造成的摩擦、磨损，延长了设备的使用寿命；

螺旋槽的第二底面的径向内侧压力变低，缩小了其与内圈内径侧大气的压力差，降低了润滑剂沿着密封端盖与内圈之间形成的环形间隙向外泄漏的推动力，以及螺旋槽的第二底面的径向内侧的润滑剂受到离心力作用和密封坝的阻力，轴承腔得以实现密封，避免了润滑剂的泄漏。

当轴承停止转动时，内圈不再转动，润滑剂在螺旋槽中形成的流体动压和在扩压槽形成的流体静压转化成的对第一密封面的支承力将消失，第一密封面将在第二弹性密封垫圈的回弹力作用下向第二密封面贴合，达到原有的0.3MPa的密封端面比压，第一弹性密封垫圈被压缩。

请参阅图7，本实施例中，导流孔17包括相互连通的进口段173和出口段174，进口段173背离出口段的一端形成为进液口171，出口段174背离进口的一端形成为出液口172。为使轴承腔内的润滑剂能够顺利地进入到导流孔内，在一径向平面内，导流孔的进液口171的朝向相对于径向方向倾斜设置，使得进口段173的延伸线175偏离内圈的中轴线，即进口段的延伸线偏离轴线101，且使进液口171的朝向与该内圈的旋转方向相同。出口段174沿轴向延伸。在图7中，为显示清楚，轴线101采用一个小圆圈表示。进口段173的中心线与经过该进口段的径向内端的径向线之间的夹角α取30～50°，具体在本实施例中，夹角α为40°。上述径向平面为一垂直于轴线101的平面。

请参阅图11，可以理解，为使轴承腔内的润滑剂能够顺利地进入到导流孔内，在另一实施例中，还可以在内圈100的第一外周面18上设置呈环状的沉槽178,该沉槽沿第一外周面18环绕延伸,导流孔17的进液口171贯穿该沉槽178的底面。本实施例中，对应于内圈两端的导流孔，在内圈的两端均设置有一沉槽。

当然，也可以在设置沉槽的基础上，同时在一径向平面内，使导流孔的进液口171朝内圈的转动方向倾斜设置，且使进液口171贯穿该沉槽178的底面。

Claims (10)

1.一种带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，包括内圈和套设在该内圈外侧的外圈，该内圈和外圈沿一轴线同轴套设在一起，在内圈的轴向方向的两端均设置有一密封端盖，内圈、外圈和密封端盖所圈围的空间形成为密闭的轴承腔；在该轴承腔内设置有滚动子和保持架，保持架将滚动子均匀地分布在外圈和内圈之间；在该轴承腔内填充有润滑剂；

该内圈包括环体，环体的轴向方向的两个端面均形成为第一密封面，在每个第一密封面上，沿径向由内到外均设置有密封坝、型槽区和扩压槽，在型槽区设置有至少三个环绕该轴线均匀布置的螺旋槽，相邻的螺旋槽之间形成为密封堰；

该扩压槽由第一密封面的径向外侧部沿轴向向下凹陷所形成，扩压槽沿径向贯穿内圈的第一外周面，使该扩压槽具有一环绕该轴线的周向侧面和一沿径向方向延伸的呈环状的第一底面；每个螺旋槽均沿径向贯穿型槽区的周向侧面后连通该扩压槽、并形成螺旋槽的流体出口，该流体出口的朝向与该内圈的旋转方向相反；

对应于每个螺旋槽，在环体内均设置有一导流孔，该导流孔的进液口贯穿内圈的第一外周面、并连通轴承腔，导流孔的出液口贯穿所对应的螺旋槽的第二底面，且该出液口设置在螺旋槽的第二底面的径向内侧；

每一密封端盖的径向内端的朝向内圈的侧面形成为第二密封面，在密封端盖与外圈的轴向端面之间垫设有第一弹性密封垫圈，在密封端盖背离第一弹性密封垫圈的一侧设置有第二弹性密封垫圈，螺栓以设定压力压缩第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈后将密封端盖密封地抵压在外圈上，当该内圈与密封端盖相对静止时，使第二密封面以密封端面比压抵压在第一密封面的密封坝上；

该第二密封面与密封坝贴合构成密封界面，密封界面间存在着孔隙，第二密封面与扩压槽之间形成一呈环状的、具有径向开口的升压腔；

当内圈相对于密封端盖静止时，第二密封面与密封坝贴合构成的密封界面的孔隙率小于0.311，阻断密封界面中的空隙连成贯穿密封面的通道；

当内圈相对于密封端盖转动时，螺旋槽对槽内的润滑剂做功，将润滑剂增速增压甩出螺旋槽，使得螺旋槽的第二底面的径向内侧形成低压区，轴承腔内的润滑剂在压力差作用下经导流孔进入到螺旋槽内，继续被甩出螺旋槽；从螺旋槽甩出的润滑剂进入到升压腔内，由于流通面积的扩大，润滑剂的流速降低，润滑剂的动能部分被转化为静压能，形成静压力；升压腔中润滑剂的静压力和螺旋槽做功提升的润滑剂的动压力共同推动密封端盖压缩第二弹性密封垫圈沿轴线方向朝远离内圈的方向移动，第一弹性密封垫圈在自身弹性作用下压缩量部分释放恢复，使密封端盖仍然密封地抵压在外圈上，而第二密封面与第一密封面之间形成环形间隙；

当润滑剂从螺旋槽甩出时，螺旋槽的径向内侧的压力变低，缩小了螺旋槽的径向内侧与内圈内径侧大气的压力差，降低了润滑剂沿着环形间隙向外泄漏的推动力，螺旋槽的径向内侧的润滑剂受到离心力作用和密封坝的阻力的作用，保障轴承腔得以实现密封，避免了润滑剂的泄漏。

2.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，密封坝、型槽区和扩压槽的径向宽度分别为该内圈的环体的端面宽度的20～25％、50～60％和20～25％。

3.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，每一螺旋槽均包括两个相对设置的内侧面，其中一个内侧面为朝向螺旋槽的内部凸出的内凸侧面，另一个内侧面为朝向相邻密封堰的内部凹陷的外凸侧面；两个内侧面的型线均为螺旋线；沿径向方向，螺旋槽的宽度由内向外逐渐扩大。

4.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，沿径向方向，扩压槽的深度由内向外逐渐降低；在经过该轴线的轴向截面上，第一底面的截面线段为一椭圆线段，该椭圆线段的起点为第一底面的径向内端，椭圆线段的终点为第一底面的径向外端；

该椭圆线段位于一椭圆的相邻的两个象限点之间的椭圆线上，该椭圆线段的起点位于该椭圆的短轴上的象限点上，该椭圆线段的终点位于该短轴上的象限点与该椭圆的长轴上的象限点之间；该椭圆的长轴与该第一密封面共面；

螺旋槽的深度为20～50μm，且扩压槽的出口深度为螺旋槽的深度的10％～50％；螺旋槽的第二底面垂直于该轴线，且该第二底面与扩压槽的第一底面的径向内端相切。

5.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，当第二密封面抵压在第一密封面上时，第二密封面与第一密封面平行贴合。

6.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，密封端盖背离第二密封面的侧面设置有微型圆柱坑。

7.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，所述第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈的材料相同，第一弹性密封垫圈和第二弹性密封垫圈的弹性模量均为6.1～100MPa。

8.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，内圈的第一密封面和密封端盖的第二密封面均具有碳化硅涂层。

9.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，

每一密封端盖均包括呈环状的密封板和设置在该密封板的径向外端的连接环，该连接环由密封板的径向外端沿轴向朝另一密封端盖的方向延伸，在连接环远离密封端的一端设置有一环形板；

在外圈的轴向方向的两个端面上均设置有一沿轴向凹陷、与外圈同轴的台阶部，该台阶部具有一周向内壁和第三底面，第三底面自台阶部的周向内壁沿径向向内贯穿该外圈的径向内周面；

第一弹性密封垫圈设置在环形板与第三底面之间，第二弹性密封垫圈设置在环形板背离第一弹性密封垫圈的一侧，在第二弹性密封垫圈背离环形板的一侧设置有钢质平垫，螺栓依次穿过钢质平垫、第二弹性密封垫圈、环形板和第一弹性密封垫圈后旋拧在外圈上，将环形板密封地安装在第三底面上。

10.根据权利要求1所述的带有自适应密封和强化冷却结构的高速滚动轴承，其特征在于，导流孔的进液口的朝向相对于径向方向倾斜设置，且该进液口的朝向与该内圈的旋转方向相同；或者在内圈的第一外周面上设置有呈环状的沉槽,该沉槽沿第一外周面环绕延伸,导流孔的进液口贯穿该沉槽的底面。