효과적인 그리스 윤활로 베어링 수명 연장

SKF의 연구 개발 노력은 대부분의 베어링 고장이 부적절한 윤활로 인해 발생하기 때문에 그리스 윤활에 대한 이해가 중요한 베어링 및 씰의 제품 개발을 지원하는 데 중점을 두고 있습니다.

SKF는 광범위한 정교한 화학 물질, 측정 및 테스트 장비를 사용하여 윤활유와 윤활이 베어링 성능에 미치는 영향을 분석할 수 있는 자체 역량을 보유하고 있습니다.

윤활유 및 윤활 시스템은 베어링 시스템에 통합되는 경우가 많으며 이 경우 해당 용도에 적합한 특정 그리스가 선택됩니다. SKF는 그리스를 제조하지 않지만 선호하는 공급업체와 협력하여 초기 충전 및 애프터마켓용으로 다양한 그리스를 개발했습니다.

윤활 지식은 자동 윤활기, 다점 및 단일점 윤활기, 중앙 집중식 윤활 시스템, 전손 및 순환 집중식 윤활 시스템에도 적용됩니다.

SKF는 또한 윤활유 선택, 윤활유 취급, 검사, 폐기 및 신뢰성 유지에 대한 교육을 제공합니다. 별도의 SKF 사업부인 엔지니어링 및 컨설팅 서비스는 회전 샤프트 또는 베어링 애플리케이션과 관련된 제품 개발을 지원합니다. 분명히 윤활(특히 그리스 윤활)은 여기서 매우 중요합니다. 애플리케이션 엔지니어링, 컨설팅 서비스, 교육, 윤활 관리, 상태 모니터링, 신뢰성 유지, 기술 지원, 도구, 제품 및 시스템이 함께 완전한 SKF 윤활 솔루션을 구성합니다.

베어링 적용을 위한 그리스 윤활
완벽한 베어링은 무급유입니다. 그러나 (마이크로) 슬립으로 인한 손상을 방지하기 위해 전동체를 궤도에서 분리하기 위해 윤활제가 필요합니다. 이상적인 분리 매체는 낮은 마찰 손실로 전단력을 수용할 수 있고 베어링 표면을 보충할 수 있는 액체입니다(자가 치유 작용).

윤활 그리스는 일관성을 위해 널리 사용되어 사용하기 쉽습니다. 쉽게 누출되지 않으며 약간의 밀봉 작용을 제공합니다. 그리스는 오일 윤활에 비해 부식을 방지하고 마찰 값을 낮춥니다. 좋은 품질과 충전율의 그리스를 사용하는 경우입니다.

윤활 그리스는 수명이 유한하며[2,3] 일반적으로 베어링 피로 수명[1]보다 짧습니다. 고급 베어링 수명 모델이 있으며 그리스 수명이 베어링 수명을 지배하는 경우가 많으므로 그리스 수명 모델이 매우 바람직합니다. 불행히도 그리스 윤활의 복잡성[2]은 오늘날 그리스 수명 예측을 위한 물리적 모델이 없다는 것을 의미합니다. SKF는 "양질의 그리스"에 대해 그리스 수명(또는 재윤활 간격)을 계산할 수 있는 경험적 모델을 개발했습니다.

그림 1.

깊은 홈 볼 베어링의 경우 SKF는 데이터가 있는 잘 알려진 그리스의 수명 예측을 위해 GPF(그리스 성능 계수) 개념[3](그림 1)을 개발했습니다. GPF=1은 "양질의 그리스" 성능에 해당합니다. 많은 그리스 유형이 표준 "우수 품질"을 능가하며 1보다 큰 GPF를 갖습니다. 그림 1은 그리스 수명을 온도, 속도(n dm) 및 그리스 품질의 함수로 보여줍니다[3].

SKF는 표준화된 온도 한계 내에서 온도 성능 한계를 권장합니다(그림 2). 권장 성능 한계인 SKF 신호등 개념의 "녹색 영역" 사이에서 그리스가 안정적으로 작동하고 그리스 수명(및 재윤활 간격)이 결정될 수 있습니다[8].

그림 2.

녹색 영역의 양쪽에 있는 호박색 영역의 온도는 매우 짧은 기간 동안만 발생해야 합니다. 시간, 온도, 기계적 작업, 노화 및 오염 물질의 침투 가능성이 있는 베어링의 그리스는 열화되고 윤활 특성을 잃습니다. 설치 중 초기 그리스 충전 후 추가 그리스 재윤활을 통해 원하는 서비스 수명을 실현할 수 있습니다. 재윤활을 위한 세 가지 요소는 신뢰성을 달성하는 데 중요합니다:그리스 유형, 그리스 양 및 적용 빈도. 공급되는 그리스의 양과 빈도는 작동 조건과 공급 방법에 따라 다릅니다. 수동 또는 자동 윤활 장치 또는 윤활 시스템. 이 지식은 인터넷을 통해 사용할 수 있는 LubeSelect, LuBase 및 DialSet과 같은 전문가 시스템에 구현되어 있습니다.

그리스 윤활 물리학
그리스 윤활의 물리 및 화학을 이해하는 것은 베어링의 그리스 성능을 예측하는 데 중요합니다. 적용 조건에서 그리스 수명 테스트는 일반적으로 불가능합니다. 애플리케이션이 허용할 수 없을 정도로 긴 테스트 시간으로 이어지는 매우 긴 내구성을 위해 설계되기 때문입니다. 실제로 테스트 조건은 애플리케이션보다 더 가혹한(예:더 높은 온도 및/또는 더 높은 속도) 선택됩니다. 또한 그리스 수명 테스트 장비는 애플리케이션과 다른 표준화된 베어링으로 ​​작동되는 경우가 있습니다.

윤활 그리스 성능은 그리스 속성뿐만 아니라 특정 베어링 유형의 내부 형상에 따라 달라집니다. 베어링 유형 내에서도 성능은 내부 치수, 밀봉 솔루션, 케이지 구성 및 케이지 재료가 가장 중요한 내부 형상에 따라 다릅니다.

윤활 그리스의 물리학 및 화학을 알면 테스트 데이터를 사용할 수 없는 조건으로 테스트 결과를 "외삽"할 수 있습니다. 또한 그리스 수명 테스트 데이터는 그리스 윤활을 위해 개발된 물리적 모델을 검증하는 데 사용됩니다. SKF의 엔지니어링 및 연구 센터는 그리스 윤활에 대한 이해를 지원하는 마찰학/윤활 및 물리/화학 분야의 최신 지식과 모델을 개발했습니다. 그리스 예측 모델의 개발을 지원하는 과학 분야에는 유변학, 유체 역학, 화학, 탄성 유체 역학 윤활 및 통계가 포함됩니다.

베어링 작동 초기에는 그리스가 흐릅니다. 대부분의 그리스는 결국 레이스웨이에 인접하게 되고 일부는 "스윕 영역" 내부에 남아 있습니다. 이 단계 동안과 이후에 베어링 내부 그리스의 내부 분포는 유체 역학과 그리스의 유변학적 특성에 대한 이해가 필요합니다. 그리스 흐름에 유체 역학 이론을 적용하는 것은 간단하지 않습니다. 결국 윤활 그리스는 실제로 유체가 아닙니다. 그리스는 베어링에서 심각한 기계적 및 열적 작업에 의해 노화되어 문제를 복잡하게 만듭니다. 유체 역학/유변학 이론은 그리스의 오일 블리딩 특성을 예측하는 데에도 사용됩니다. 그리스 윤활의 화학적 성질을 이해하는 것은 기유와 증점제의 산화를 예측하는 데 중요합니다[4]. 또한 그리스 화학은 경계 윤활 특성을 결정합니다.

윤활 그리스는 경계막이거나 유체역학적 작용에 의해 형성될 수 있는 분리막을 형성해야 합니다. 구름 베어링에서 접촉하는 몸체의 탄성 변형은 필름 형성에 유리한 입구 형상을 생성하며 이러한 현상을 "탄성 유체 윤활"(EHL)이라고 합니다. 이 이론은 오일 윤활에 대해 잘 개발되었지만 아직 그리스 윤활에 대해서는 개발되지 않았습니다. 여기서 막 두께는 주행 트랙(일반적으로 "starved EHL"[5]라고 함)과 증점제 "입자"의 윤활유 가용성에 의해 지배됩니다. 그림 3은 그리스 윤활 접점의 간섭계 사진을 보여줍니다. 증점제 입자가 접촉부에 유입되어 필름이 매끄럽지 않습니다.

마지막으로, 그리스 윤활 프로세스는 결정적이지 않습니다. 실패에는 통계적 분포가 있어 예측을 더욱 복잡하게 만듭니다. SKF는 베어링 수명 및 그리스 수명 테스트 데이터를 평가하는 데 사용되는 Weibull 통계에 대한 건전한 지식을 개발했습니다[6].

그리스 테스트
베어링의 윤활 그리스 수명을 예측하기 위해 SKF는 산업 전반에 걸쳐 사용되는 시험기를 개발했습니다. 전통적으로 이들은 R0F(볼 베어링) 및 R2F(구면 롤러 베어링) 테스트 장비였습니다. R0F 테스트 장비가 업그레이드되어(R0F+) 속도, 부하 및 온도 측면에서 매우 유연합니다. 다수의 R0F 및 R0F+가 SKF 엔지니어링 및 연구 센터에서 발견되어 140개의 테스트를 동시에 수행할 수 있습니다(그림 4).

그림 4.

그리스 수명 테스트 외에도 시동 토크, 마찰, 내부식성, 진동(V2F), 그리스 소음(BeQuiet+) 등에 대한 기능 테스트가 수행됩니다. 완비된 화학 실험실에서 테스트 결과 평가를 지원합니다.

제품 개발 및 그리스 윤활
몇 가지 예는 그리스 윤활에 대한 이해가 차세대 SKF 에너지 효율 베어링을 비롯한 신제품 개발에 어떤 영향을 미쳤는지 보여줍니다. 그림 5는 SKF 에너지 효율(E2) 깊은 홈 볼 베어링을 보여줍니다. SKF E2 깊은 홈 볼 베어링은 동일한 크기의 표준 SKF 베어링과 비교할 때 마찰 손실이 최소 30% 더 낮습니다. 그리스 윤활 적용을 위해 개발된 SKF E2 베어링은 윤활유 소모량이 적습니다.

그림 5.

표준과 SKF E2 깊은 홈 볼 베어링의 그리스 수명을 비교하면(그림 6) 그리스 수명이 2배가 되어 베어링 수명이 효과적으로 2배가 된다는 것을 알 수 있습니다. 마찰 감소는 개선된 그리스 윤활에 기인할 수 있습니다. 즉, 개선된 내부 형상 및 새로운 케이지 디자인과 결합된 고유한 그리스입니다. 이것은 그리스 개발이 베어링 설계에 통합된 방법의 좋은 예입니다.

그림 6.

풍력 터빈 블레이드 및 요 베어링에 대한 우수한 위조 방지 브리넬링 특성을 가진 새로운 그리스는 SKF가 자체 테스트 장비 및 허위 브리넬링 방법을 개발했을 때 나타났습니다. 그림 7은 마찰이 진동 수의 함수로 모니터링되는 표준 그리스와 새로운 블레이드 및 요 베어링 그리스를 사용한 테스트 결과를 보여줍니다. 시간이 지남에 따라 마찰이 지속적으로 증가하면 실패가 발생합니다. 파란색 선은 상업용 그리스의 측정치를 나타냅니다. 녹색 선은 SKF LGBB 2 그리스로 측정한 것으로, 보호 마찰층을 형성하고 여러 사이클 동안 마찰 값이 매우 낮고 베어링의 수명을 연장합니다.

그림 7.

그림 8은 블레이드 베어링과 같은 조건에서 다양한 그리스에 대한 작동 창을 보여줍니다. 부분 슬립의 경우 진동이 너무 작아서 헤르츠 접점의 중심이 달라붙어 접점의 가장자리에서만 슬립이 발생합니다. 그로스 슬립은 진동이 너무 심하여 접점의 중심조차 미끄러질 때 발생합니다. 프레팅은 일반적으로 고정되도록 의도된 표면 사이에서 발생하지만 작은 진동을 받으며 접촉 영역 내부에 갇힌 상태로 유지되는 생성된 마모 파편이 특징입니다. SKF LGBB 2 그리스는 내프렛팅성이 우수하며 큰 진동에도 사용할 수 있습니다. 그리스는 저온에서 잘 작동하고 부식 방지 특성이 우수하여 풍력 터빈 블레이드 및 요 베어링 응용 분야에 매우 적합합니다.

그림 8.

제지 공장 적용을 위해 SKF는 기존의 비누 증점제를 폴리머로 대체하는 "SKF 폴리머 농축 윤활제" 또는 폴리머 그리스를 개발했습니다. 폴리머는 비극성입니다. 즉, 비누는 첨가제를 끌어들이기 위해 금속 표면과 경쟁하지 않습니다. 기존 그리스는 첨가제 패키지를 포함하여 10~20%의 금속 기반 비누 증점제(극성)와 80~90%의 기유를 포함합니다. 폴리머 농축 윤활제는 첨가제 패키지를 포함하여 비극성 물질인 폴리프로필렌(PP) 10~13%, 오일 87~90%를 포함합니다. 폴리머 농축 그리스 형성을 위한 독특한 프로세스는 오일에 용해된 폴리머의 혁신적인 가열 및 급냉 작업입니다. 그 결과 "일반" 금속 비누 농축 그리스와 같은 기능을 하는 3차원 그물 구조가 생성됩니다. 그리스는 첨가제가 없는 경우에도 R0F 테스트 장비에 긴 수명을 제공하여 장기간의 재윤활 간격으로 더욱 친환경적입니다. 이렇게 하면 그리스 소비가 줄어듭니다. 새로운 폴리머 그리스는 저온 성능이 우수하고 생산에 필요한 에너지가 적습니다.

풍력 터빈의 메인 샤프트 베어링에 대한 그리스 요구 사항은 무거운 접촉 하중, 낮은 속도, 진동 및 정지 조건에서 높은 신뢰성을 달성해야 하는 열악한 환경과 관련이 있습니다. 연안 및 추운 기후에 설치된 풍력 터빈의 경우 추가적인 문제가 발생합니다. SKF는 풍력 터빈 메인 샤프트 애플리케이션을 위해 세 가지 다른 그리스를 개발했습니다. 표 1은 그리스의 특성을 보여줍니다. 세 가지 그리스는 모두 다양한 풍력 터빈 OEM에서 널리 사용되고 승인되었습니다. 그리스 선택은 밀봉 유형, 작동 조건 및 환경에 따라 다릅니다.

표 1.

SKF는 그리스, 하우징, 씰, 베어링 구성, 윤활 시스템, 잠금 너트, 마운팅 서비스, 윤활유, 분석 및 상태 모니터링을 포함하는 메인 샤프트 애플리케이션을 위한 완벽한 고객 솔루션을 제공합니다.

결론
SKF는 그리스 윤활에 대한 지식을 더욱 발전시키고 적용함으로써 지속 가능성에 기여하고 환경 친화적인 솔루션을 지원하여 베어링 시스템의 수명을 연장하고 마찰을 줄여 에너지 소비를 줄입니다. 연장된 서비스 수명과 재윤활 주기는 유지보수의 필요성을 줄이고 폐기물을 줄입니다. 이는 제품 개발과 함께 기초 R&D 및 모델 개발에서 얻은 지식을 사용하여 달성됩니다.

참조

[1] E. Ioannides, G. Bergling 및 A. Gabelli. 구름 베어링의 수명에 대한 분석 공식. Acta Polytechnica Scandinavia, 기계 공학 시리즈, Finnish Academy of Technology, (137), 1999.

[2] 오후 러그트. 구름 베어링의 그리스 윤활에 대한 검토. Tribology Transactions, 52(4):470-480, 2009.

[3] B. Huiskamp. 평생 윤활 처리된 깊은 홈 볼 베어링의 그리스 수명. 진화, 2:26–28, 2004.

[4] A. van den Kommer 및 J. Ameye. 잔류 그리스 수명 예측 - 선형 스위프 전압 전류법에 의한 새로운 접근 방식 및 방법. Proceedings Esslingen Conference, 891–896페이지, 2001년.

[5] M.T. 반 졸렌, C.H. 베너, 그리고 P.M. 러그트. 박막 층 모델을 사용하여 굶주린 탄성-유체역학적으로 윤활된 접점에서 필름 두께 감소 예측. 기계 공학 협회의 절차. Part J, Journal of engineering tribology, 223(3):541-552, 2009.

[6] T. 앤더슨. 이론상의 내구성 테스트. 볼 베어링 저널, 217:14–23, 1983.

[7] D. Meijer, D. 폴리머 농축 윤활 그리스. 유럽 ​​특허 출원(EP 0 700 986 A3), 1996.

[8] SKF 일반 카탈로그, 6000/I(2008)