성능의 300%에 도달할 때까지 테스트하는 구름 베어링

정의된 명세서의 구름 베어링 수명을 평가하기 위해, 순수한 반경방향 부하조건과 반경방향 부하와 축방향 부하가 조합된 조건에서 매우 까다롭게 테스트하는, 새로운 구름 베어링 테스트 벤치가 있다. 이 테스트 벤치는 구름 베어링 성능을 100%를 초과하여 300%에 도달할 때까지 테스트를 진행한다.

공학박사 미하엘 노이하우스(Michael Neuhaus): LFD Wälzlager GmbH 기술 책임자 및 대리인

구름 베어링 전문업체인 LFD는 대학과 협력하여 새로운 테스트 벤치를 개발하였다. 이 테스트 벤치는 순수한 반경방향 부하 조건에서 그리고 반경방향 부하와 축방향 부하를 조합한 조건에서 구름 베어링을 테스트하는 데에 사용할 수 있다. 이 테스트 벤치는 구체적으로 정의된 명세서에 따라 구름 베어링의 수명을 평가하기 위한 LFD의 특수한 요건을 충족한다. LFD 그룹의 모든 생산 분과에 있어서 독일 표준에 따른 품질 관리는 당연한 일이다. 이러한 높고도 까다로운 품질 요건을 맞추려면 최신 측정 기술이 필요하다. LFD는 긴밀한 협력을 통해 수명은 길고, 내부식성, 작동 정숙성, 정비로부터의 자유 그리고 각각의 요구 조건에 맞추어 조정되는 에너지 효율성을 갖춘 구동 기술을 위한 제품과 솔루션을 구상하고 있다.

자동화된 자체 제조 라인으로 뛰어난 품질이 지속적으로 유지되는 구름 베어링을 보장할 수 있다. 점검, 최적화, 신규 개발을 위해 최신 측정 기술을 구비한 개발 연구실에 테스트 벤치를 더욱 보강하였다. 대학과 협력하여 만든 이 새로운 베어링 테스트 벤치 WAH 1402는 특정 지오메트리 한계 내에서 구름 베어링을 연구할 수 있도록 개발하고 설계되었다. 수명이 다해 간다는 것은 광대역 특성값 또는 주파수 선택적 특성값을 설정된 한계값과 비교하여 감지한다. 자동 차단장치는 테스트 베어링의 외부링에서 구조기인 소음 신호와 온도 신호를 평가하여 통제된다. 동시에 베어링 신호 기록은 세부적인 조사와 정밀한 진단을 위한 근거를 제공한다.

그림 2: 테스트 벤치의 장치 교체와 새로운 구름 베어링 설치에 최대 180분이 소요된다.

수명 시험과 성능 비교가 가능하다

테스트 벤치에 테스트 베어링을 탈거하고 새로 장착하는 데에 최대 180분 정도 시간이 소요된다. 이 테스트 벤치는 최신 기술을 충족하고 유효한 기술 규칙 (규격, 가이드 라인)에 따라 설계하였다. 기계류 지침 2006/42/EC에 따른 리스크 평가도 성공적으로 거쳤다. 이러한 자체 테스트 벤치와 테스트 스탠드로 LFD는 현장에서 원통형 롤러 베어링, 테이퍼 롤러 베어링, 깊은 홈 볼 베어링을 테스트한다. 대부분 이론상 계산된 값과 비교하는 수명 시험이다. 반복 시험을 통해 유럽 내 다른 메이커 제품들과 성능을 비교하는 것도 가능하다. 지오메트리를 비교하는 것 외에 실질적인 수명 테스트를 통해 일정한 회전 속도일 때 지정된 힘 부하 및 온도 부하에서 구름 베어링의 성능 거동을 구체적으로 확인할 수 있다.

기계 테스트 작동 중에는 회전속도 부하와 힘 부하가 결합하여 구름 베어링 내에 온도가 상승한다. 이러한 열은 전체 테스트 장치를 내부에서 가열한다. 장치 내부에는 가열 코일과 팬이 내장되어 있다. 윤활유 오일은 순환로에서 정확하게 유지된다. 대체로 테스트 벤치에서 사용하는 씰 재료를 고려하여 온도는 80°C 미만으로 조정된다. 씰은 최대 100°C를 고려하여 설계되었다. 시험을 위해 예정된 목표 온도에 도달하지 못하면 추가로 열을 가한다. 베어링에서 발생하는 열에 의해 목표 온도를 초과하면, 윤활유가 테스트 장치 내에서 냉각된다. 해당 센서가 정지해 있는 외부링에서 직접 온도를 측정한다.  테스트 벤치에 구름 베어링 네 개를 장착하면 그에 따라 온도도 네 개의 센서가 측정한다. 진동 신호는 센서 세 개로 파악된다.

유압 실린더의 압력도 조절된다. 유압 방식으로 부가되는 힘을 일정하게 유지하기 위해, 압력 용기는 사실상 보상 저장소로 이용된다. 압력 강하가 근소한 경우 펌프를 통해 저장소에 압력이 다시 채워진다. 그림 3은 세 개의 파트로 이루어진 하우징이다. 전체적으로 이 하우징은 네 개의 구름 베어링을 갖추고 있으며, 이들 베어링은 세 개의 센서로 측정된다. 안쪽 가운데에 베어링 두 개가 기밀하게 배치되어 있고, 이 두 베어링을 하나의 센서가 측정한다. 손상이 발생하는 경우에는 추후 평가를 통해 상태를 분류한다. 테스트 종료 후 베어링을 탈거하고 분해한 후 콤포넌트를 평가한다.

손상이 발생한 경우에는 어떻게 생각할 수 있을까

손상의 증상은 대체로 피로에 의한 것으로 육안으로도 식별이 가능하다. 베어링으로부터 떨어진 파편은 윤활유에 의해 베어링으로부터 씻겨 나오고 미세 필터를 통해 순환로에서 걸러진다. 최종적으로 테스트 장치를 멈추게 하는 것은, 유효 전력, 온도, 소음이다. 정상적인 수명을 넘어선 상태에서 계속 작동하는 중 일부 구름 베어링의 손상이 이어지면, 정해진 특정 한계를 초과하는 진동이 발생한다. 테스트 벤치는 센서를 이용하여 광대역으로 진동을 측정하고 스스로 손상을 알아챈다. 주파수 선택적 측정도 당연히 가능하고 이 방법이 더 정확하다. 주파수를 통해 세부적 구성품까지 분류하여 파악하기 때문이다. 진행 중인 측정 작업의 설정과 평가를 그래픽으로 묘사하고 또한 개별 측정값을 자세하게 표 형태로도 보여줄 수 있는 모니터는 판독기 역할을 한다. 연구원은 경고 한계와 정지 한계를 일일이 입력한다. 그렇게 구름 베어링의 테스트 요건이 정해지면, 센서는 음향신호를 감지하고 진동은 음량패턴으로 묘사된다. 이때 각각의 피크 자체도 정확하게 묘사된다.

손상을 그래픽과 표로 묘사한다

시험장치에 장착된 램프(초록색, 노란색 또는 빨간색)가 추가로 상태를 표시한다. 이를 통해 경고 한계에 도달했는지 또는 한계를 초과한 손상으로 인해 테스트 벤치가 차단되었는지를 알려준다. 피크가 반복적으로 나타나고 점차 올라가면 이는 손상을 의미하는 것이다. 장시간에 걸쳐 지속적으로 신호가 높아지고 지정된 한계를 초과하면 이로 인해 손상이 맞다고 증명된다. 이 경우 그 정도를 정확히 판독할 수 있다. 비록 광대역 진동 기록을 이용하여 어느 베어링 콤포넌트에 손상이 있는지 정성적으로 확인할 수는 없지만, 이 부분은 LFD 엔지니어가 조사하여 밝힐 수 있다.

그림 3: 테스트가 진행되는 동안 온도와 진동을 센서가 측정하고 있다.

모든 LFD 구름 베어링은 제조 과정에서 기록하고 품질을 검사한다. 보어홀, 외경, 베어링 유격, 이 모든 것을 검사한다. 또한 구조기인 소음도 측정한다. 베어링은 바로 납품할 수 있는 일관되고 훌륭한 품질을 갖게 된다. 테스트를 위해 창고에서 100% 무작위로 표본을 추출 구름 베어링을 선택하여 테스트에 사용할 수 있다.

테스트 벤치에서 관건은 수명 시험과 관련하여 적절히 다양한 부하를 가하는 것이다. 정교한 품질 관리 시스템 덕분에 예상되는 바와 같이 LFD에서는 시험 절차 중에 동일한 콤포넌트에서 고장이 발생하지 않는다. 오히려 손상은 무작위적으로 일어나고 어느 부품이든 해당될 수 있다. 이는 통계학적으로도 정확하다. 장애는 어느 콤포넌트에서든 일어날 수 있다. 즉 외부링이나 내부링 그리고 구름 요소도 장애를 일으킬 수 있다. 볼인 경우, 선별된 품질에 맞지 않게 장착하면 장애를 유발한다. 구름 베어링에서는 완벽한 구름을 위해 선별된 품질이 중요한 역할을 하기 때문이다.

성능 벤치마크보다 이론상 300%의 용량 가능

이 테스트에서 얻은 결과, 구체적인 부하 조건에서 구름 베어링의 수명에 대한 정밀한 정보는 연속 생산과 제품 개선에 이용된다. 또한 고객 사례에 대한 사용 가능성을 증명하기 위해 고객의 신청에 따라 시험하는 것도 가능하다. 이 테스트의 경우 LFD가 성능 한계를 완전히 끌어올리기 때문에, 재료에 미묘한 오차만 있어도 크게 작용한다. LFD는 이론만 충족하는 것이 아니라 100% 요건을 달성하는 것을 목적으로 한다. 따라서 테스트 절차는 성능의 100%에 도달했다고 끝나지 않으며, 성능의 무려 300%에 도달할 때까지 테스트 절차가 진행된다. 일단은 이론상 기대 수명은 규격에 따라 정의된 고장 확률로 산출하고 이를 100% 수명으로 설정한다. 구름 베어링의 성능 거동은 테스트 벤치에서 특정 힘, 회전속도 그리고 윤활 조건에서 테스트하여 점검하고, 경우에 따라 손상이 발생하지 않으면 수명의 300% 한계까지 올라갔을 때 LFD가 종료한다.