KR101221554B1 - 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하중조절이 용이할 뿐 아니라 정확한 축하중을 부여하여 볼베어링의 내구성시험을 효율화시킬 수 있는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치에 관한 것으로, 몸체를 이루는 메인프레임; 상기 메인프레임에 고정되고, 샤프트의 양단에 한쌍의 볼베어링의 내륜을 장착하고 상기 한쌍의 볼베어링의 외륜을 고정하여 상기 볼베어링의 외륜에 대하여 하중을 부여하는 베어링 고정부; 상기 베어링 고정부의 샤프트에 회전력을 가하는 구동부; 상기 베어링 고정부에 연결되어 상기 볼베어링에 수중환경을 제공하는 물순환부; 및 상기 볼베어링에 가해지는 토크와 회전속도와 하중의 정보를 수집하여 표시하는 상기 구동부 및 상기 물순환부의 작동을 제어하는 제어반을 포함하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치이다.

Description

고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치{Endurance test device for water lubrication ball bearing under high axial load}

본 발명은 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하중조절이 용이할 뿐 아니라 정확한 축하중을 부여하여 볼베어링의 내구성시험을 효율화시킬 수 있는 내구성 시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 볼베어링은 비교적 작은 하중을 받는 구조물의 그리스(grease) 윤활 환경에서 사용되며, 실제 사용 환경에서의 내구성 평가가 이루어지고 있다.

그러나, 일부 원자력관련 구조물에서 사용되는 볼베어링은 일반적인 산업현장에서 고려되는 것 이상의 큰 부하하중을 받을 뿐 아니라, 수중의 환경에서 작동하여야 한다. 따라서, 일반적인 볼베어링 시험장치로는 원자력에서 사용되는 볼베어링의 내구성을 측정하기 곤란하다. 그러므로, 원자력관련 구조물에서 사용되는 볼베어링에 관한 내구성평가 시스템의 개발이 필요하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 목적은, 하중조절이 용이할 뿐 아니라 정확한 축하중을 부여하여 볼베어링의 내구성시험을 효율화시킬 수 있는 내구성 시험장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 2개의 볼베어링을 동시에 시험하여 베어링 시험에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 몸체를 이루는 메인프레임; 상기 메인프레임에 착탈가능하게 고정되고, 샤프트의 양단에 한쌍의 볼베어링의 내륜을 장착하고 상기 한쌍의 볼베어링의 외륜을 고정하는 베어링 고정부; 상기 베어링 고정부의 샤프트에 회전력을 가하는 구동부; 상기 메인프레임에 고정되고, 상기 베어링 고정부의 일부가 삽입되는 케이싱을 가지며, 상기 케이싱을 상승시키는 것에 의해 상기 베어링 고정부에 장착된 볼베어링을 가압하는 하중부여부; 상기 하중부여부의 케이싱에 연결되어 상기 볼베어링에 수중환경을 제공하는 물순환부; 및 상기 볼베어링에 가해지는 토크와 회전속도와 하중의 정보를 수집하여 표시하는 상기 구동부 및 상기 물순환부의 작동을 제어하는 제어반을 포함하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치이다.

상기 베어링 고정부는, 상기 메인프레임에 탈착되고, 상측 중심부에 형성되고 상기 구동부와 연결돼서 회전하는 종동풀리와, 하측 중심부에 형성돼서 상기 종동풀리와 일체로 회전하고 상기 샤프트와 체결되는 커플러를 가지는 고정부캡; 상기 고정부캡에 고정되고, 일방의 볼베어링의 외륜이 설치되는 상부베어링커버; 일단에는 일방의 볼베어링의 내륜이 설치되고 타단에는 타방의 볼베어링의 내륜이 설치되며, 일단부의 단면에 저널이 돌출 형성되는 샤프트; 및 상기 타방의 볼베어링의 외륜이 설치되는 하부베어링커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하중부여부는, 상기 메인프레임에 고정되는 가압프레임; 상기 가압프레임 내부 하측에 수직방향으로 설치되는 가이드빔을 따라 수직방향으로 이동가능하게 배치되고 상부 중앙에 로드셀이 고정되는 가압블럭; 상기 로드셀의 상단에 고정되는 가압플레이트; 상기 가압플레이트에 고정되며, 상기 베어링 고정부의 하부 일부가 바닥면에 접하도록 삽입되며, 상기 물순환부와 연결되는 케이싱; 및 상기 가압프레임을 관통하여, 나사회전에 의해 상기 가압블럭을 하측에서 밀어올리는 가압스크류를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 가압스크류에는 회전을 방지하는 가압록너트가 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 구동부는 상기 메인프레임에 설치되는 구동모터와, 상기 구동모터와 연결되는 감속기와, 상기 감속기와 연결되는 구동풀리와, 상기 구동풀리를 상기 샤프트에 일체로 형성되는 종동풀리를 전동하는 구동벨트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 구동풀리 또는 상기 감속기에는 토크를 측정할 수 있는 토크센서가 장착되고, 상기 토크센서는 상기 제어반과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 물순환부는 상기 케이싱에 연결되는 급수관 및 출수관과, 상기 급수관에 연결되는 펌프와, 상기 펌프가 설치되고 상기 출수관과 연결되는 수조를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 원자력관련 구조물에서 사용되는 수윤활 볼베어링의 내구성 평가방법을 구축할 수 있다. 또, 2개의 볼베어링을 동시에 시험하므로 볼베어링의 측정시간을 단축시킬 수 있다.

또, 내구성시험의 현재상태를 실시간 감시할 수 있어서 볼베어링의 수명평가에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치의 외관사시도이다.
도 2는 도 1의 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치에 사용되는 베어링 고정부 및 하중부여부의 사시도이다.
도 3은 도 2의 정면도이다.
도 4는 도 2의 베어링 고정부에 베어링이 장착되는 모습을 상측에서 바라본 분해사시도이다.
도 5는 도 2의 베어링 고정부에 베어링이 장착되는 모습을 하측에서 바라본 분해사시도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치(100)는 크게, 한쌍의 볼베어링(136,146)을 장착하는 베어링 고정부(120)와, 상기 베어링 고정부(120)에 회전력을 가하는 구동부와, 상기 베어링 고정부(120)에 장착된 볼베어링(136,146)에 하중을 가하는 하중부여부(121)와, 상기 베어링 고정부(120), 상기 하중부여부(121) 및 상기 구동부가 설치되는 메인프레임(102)과, 상기 볼베어링(136,146)의 데이터의 수집 및 표시하고 상기 구동부를 제어하는 제어반(174)과, 상기 볼베어링(136,146)에 수중환경을 제공하는 물순환부를 포함한다.

상기 볼베어링(136,146)은 원자력관련 구조물에서 사용되는 수윤활베어링으로써, 한쌍을 사용하는 것에 의해 축력에 의한 편부하를 막아서 정확한 측정이 가능하도록 한다.

상기 베어링 고정부(120)는 상기 메인프레임(102)에 착탈되는 고정부캡(126)과, 상기 고정부캡(126)에 일체로 형성되고 상기 고정부캡(126)의 상측에 설치되는 종동풀리(122)와 연결되는 커플러(130)가 내부에 형성되는 상부링(128)과, 상기 상부링(128) 내에 삽입되어 상기 볼베어링(136)의 외륜을 고정하는 상부베어링커버(132)와, 일단이 상기 볼베어링(136)의 내륜과 고정되고 타측이 상기 볼베어링(146)의 내륜과 고정되며 상단부에 상기 커플러(130)와 연결되는 저널(142)이 형성된 샤프트(138)와, 상기 볼베어링(146)의 외륜을 고정하는 하부베어링커버(150)를 포함한다.

상기 샤프트(138)는 상기 볼베어링(136,146)을 설치하기 위하여 직경이 축소되는 축경부(140,144)가 양단부에 형성된다. 따라서, 상기 볼베어링(136,146)은 상기 축경부(140,144)에 안착돼서 상기 샤프트(138)에 대해 위치가 고정된다.

상기 커플러(130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 저널(142)의 삽입이 용이하도록 단부가 상기 커플러(130)의 축선방향에 직각방향으로 분할되어 있다.

상기 상부베어링커버(132)와 상기 하부베어링커버(150)는 상기 볼베어링(136,146)의 이탈을 방지하기 위한 베어링자리(133,152)가 형성된다. 그리고, 상기 상부베어링커버(132)에 대하여 상기 볼베어링(136)을 완전고정하는 상부내륜고정너트(134)와 상기 하부베어링커버(150)에 대하여 상기 볼베어링(146)을 완전고정하는 하부내륜고정너트(148)가 배치된다.

또, 상기 고정부캡(126)에는 상기 베어링 고정부(120)를 들어서, 상기 메인프레임(102)에 장착하기 용이하도록 손잡이(124)가 형성된다. 특히, 상기 베어링 고정부(120)의 하부는 상기 하중부여부(121)의 케이싱(154)에 삽입되므로, 상기 손잡이(124)는 이러한 작업시 편리하게 활용될 수 있다.

상기 하중부여부(121)는, 상기 메인프레임(102)에 고정되는 가압프레임(156)과, 상기 가압프레임(156) 내부 하측에 수직방향으로 설치되는 가이드빔(162)을 따라 수직방향으로 이동가능하게 배치되고 상부 중앙에 로드셀(158)이 고정되는 가압블럭(164)과, 상기 로드셀(158)의 상단에 고정되는 가압플레이트(160)와, 상기 가압플레이트(160)에 고정되며, 상기 하부베어링커버(150)의 저면이 바닥면에 접하도록 삽입되며 상기 물순환부와 연결되는 케이싱(154)과, 상기 가압프레임(156)을 관통하여 나사회전에 의해 상기 가압블럭(164)을 하측에서 밀어올리는 가압스크류(171)를 포함한다.

상기 가압프레임(156)은 대략 상측이 개방된 'U'형태를 가지며, 하부 중앙에 상기 가압스크류(171)가 나사결합된다. 상기 가압프레임(156)의 내부 하측에는 상기 케이싱(154)의 하측으로 상기 케이싱(154)의 길이방향과 동일한 가이드빔(162)이 설치된다. 상기 가이드빔(162)에는 가압블럭(164)이 설치돼서 수직방향으로 이동이 가능하고, 상기 가압블럭(164)의 상부에는 상기 로드셀(158)이 고정된다.

상기 가압스크류(171)의 하단부에는 가압핸들(172)이 설치된다. 그리고, 상기 가압블럭(164)의 하부에는 상기 가압프레임(156)에 관통하여 나사결합되는 가압스크류(171)의 상측단부가 자유회전할 수 있는 회전조인트(166)가 설치된다. 상기 가압핸들(172)과 상기 가압프레임(156)의 하면 사이에는 상기 가압스크류(171)의 회전을 고정하는 가압록너트(170)가 배치된다.

따라서, 가압핸들(172)을 일방향으로 돌리는 것에 의해, 상기 가압스크류(171)는 상측으로 전진하게 되고, 이에 따라 상기 가압블럭(164)은 상승하게 된다. 따라서, 상기 가압블럭(164)과 일체인 상기 로드셀(158)은 상기 가압플레이트(160)를 밀어올리는 것에 의해 상기 케이싱(154)을 상승시키고, 상기 메인프레임(102)에 고정되어 있는 고정부캡(126)과의 사이에서 상기 하부베어링커버(150)를 상측으로 밀어올리게 된다. 이를 통해, 상기 볼베어링(136,146)에 축방향의 힘이 작용하게 된다. 즉, 상기 가압블럭(164)에 일체인 로드셀(158)에 공급되는 가압스크류(171)의 축력은 그대로 상기 가압플레이트(160)와 상기 케이싱(154)의 바닥면을 통해 상기 하부베어링커버(150)에 전달이 가능하다. 더 큰 가압을 위해서 상기 가압핸들(172)이 아닌 전기 등에 의해 구동하는 회전장치를 이용하는 것도 가능하다.

상기 케이싱(154)은 내부의 모습을 볼 수 있도록 투명 재질로 제작되는 것이 바람직하며, 도 4에 도시된 바와 같이 상단은 상기 고정부캡(126)의 저면에 대하여 약간의 간격을 가질 수 있는 전체높이를 가진다. 상기 케이싱(154)은 전체를 하나의 사출물로 제작하거나, 도 4에 도시된 것처럼 단단한 금속재질의 밑판의 주위로 원통형의 사출물을 끼우고, 그 사이에 오링(155)을 삽입하여 밀폐시키는 것도 가능하다.

상기 구동부는 상기 메인프레임(102)에 고정되는 구동모터(104)와 상기 구동모터(104)의 회전을 감속시켜 토크를 증대시키는 감속기(108)와, 상기 감속기(108)의 구동풀리(110)와 상기 베어링 고정부(120)의 종동풀리(122)를 연결하는 구동벨트(111)를 포함한다. 상기 구동모터(104)의 출력에 따라서 상기 감속기(108)는 생략될 수 있다. 상기 감속기(108)와 상기 구동모터(104)는 연결벨트(106) 또는 다른 전동수단에 의해 연결될 수 있다.

그리고, 상기 케이싱(154) 내부에 물을 순환시킬 수 있는 물순환부는, 상기 케이싱(154)과 연결되는 급수관(116) 및 출수관(114)과 물이 저장되는 수조(118) 및 물을 밀어올리는 펌프(119)를 포함한다. 도면에 도시된 도면부호 112는 상기 펌프(119)를 구동시키는 펌프모터이다.

상기 제어반(174)은 상기 메인프레임(102)의 일측에 설치되고, 상기 로드셀(158)과 상기 펌프(119)에 전기적으로 연결된다. 또, 상기 제어반(174)은 상기 구동모터(104) 또는 상기 감속기(108)에 설치되는 엔코더(미도시)에 전기적으로 연결된다. 그리고, 토크를 표시하기 위하여 상기 구동벨트(111) 또는 감속기(108)에 토크센서(123)를 연결시키고, 상기 토크센서(123)를 상기 제어반(174)에 전기적으로 연결시킬 수 있다. 따라서, 상기 토크센서(123)의 측정값, 상기 엔코더의 측정값, 상기 로드셀(158)의 측정값에 의해, 상기 제어반(174)은 현재 상기 볼베어링(136,146)에 가해지는 하중, 토크, 회전속도를 표시할 수 있다. 또는 토크센서 없이, 상기 구동모터(104)의 출력과 상기 감속기(108)의 기어비, 그리고 상기 구동풀리(110)와 상기 종동풀리(122)의 회전비를 이용하여 토크를 계산하는 것도 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 상기 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치(100)의 작동과정에 대해 설명한다.

먼저, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상측에서부터 고정부캡(126), 상부베어링커버(132), 상부내륜고정너트(134), 볼베어링(136), 샤프트(138), 볼베어링(146), 하부내륜고정너트(148), 및 하부베어링커버(150)의 순으로 결합하여 베어링 고정부(120)를 완성한다.

이 상태에서 상기 하중부여부(121)의 케이싱(156) 안에 상기 베어링 고정부(120)의 하부를 넣으면서 상기 베어링 고정부(120)의 고정부캡(126)을 상기 메인프레임(102)에 고정시킨다. 위 결합된 것을 넣으면서, 상기 고정부캡(126)과 상기 케이싱(154)을 서로 결합한다. 상기 고정부캡(126)과 상기 메인프레임(102)의 결합은 나사결합에 의해 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 가압핸들(172)을 회전시켜 상기 볼베어링(136,146)에 시험하고자 하는 하중을 가한다. 이 때, 하중의 크기는 상기 로드셀(158)에 의해 측정되고, 측정된 하중은 상기 제어반(174)에 표시된다. 따라서, 제어반(174)을 보면서 상기 가압핸들(172)을 회전시켜 목표하중까지 이르도록 한다. 상기 볼베어링(136,146)에는 상기 가압핸들(172)에 의해 제공되는 하중이 상기 하부베어링커버(150) 및 상기 상부베어링커버(132)에서 발생되는 반력에 의해 동일한 크기의 축방향 하중이 부여된다.

그리고, 상기 펌프(119)를 작동시켜 상기 케이싱(156) 내부에 물을 공급 및 순환시킨다. 이 상태에서 상기 구동모터(104)를 작동시켜 상기 종동풀리(122)를 통해 커플링된 샤프트(138)를 회전시키는 것에 의해 상기 볼베어링(136,146)의 내륜을 고정된 상기 볼베어링(136,146)의 외륜에 대하여 회전시킬 수 있다.

시험은 요구되는 하중에서 일정한 회전속도로 정해진 회전수 혹은 시간동안 행해진다. 또한 시험을 수행하는 동안 상기 제어반(174)에 표시되는 토오크에 급격한 변화가 있거나 소음이 발생하면 베어링의 원활한 회전에 이상이 발생한 것으로 판단하며, 그때 까지의 회전수를 베어링의 내구수명으로 평가할 수 있다. 정해진 회전수까지의 시험이 완료되면, 상기 베어링 구동부(120)로부터 상기 볼베어링(136,146)을 분해하여 내륜, 외륜, 볼에 대한 정밀측정으로 통하여 변형량 및 마모량의 데이터를 얻을 수 있으며, 이러한 데이터를 종합하여 상기 볼베어링(136,146)의 내구성능을 평가할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 내구성 시험장치 102: 메인프레임
104: 구동모터 106: 연결벨트
108: 감속기 110: 구동풀리
111: 구동벨트 112: 펌프모터
114: 출수관 116: 급수관
118: 수조 119: 펌프
120: 베어링 고정부 121: 하중부여부
122: 종동풀리 123: 토크센서
124: 손잡이 126: 고정부캡
128: 상부링 130: 커플러
132: 상부베어링커버 133,152: 베어링자리
134: 상부내륜고정너트 136,146: 볼베어링
138: 샤프트 140,144: 축경부
142: 저널 148: 하부내륜고정너트
150: 하부베어링커버 154: 케이싱
155: 오링 156: 가압프레임
158: 로드셀 160: 가압플레이트
162: 가이드빔 164: 가압블럭
166: 회전조인트 170: 가압록너트
171: 가압스크류 172: 가압핸들
174: 제어반

Claims (7)

1. 몸체를 이루는 메인프레임;
   상기 메인프레임에 착탈가능하게 고정되고, 샤프트의 양단에 한쌍의 볼베어링의 내륜을 장착하고 상기 한쌍의 볼베어링의 외륜을 고정하는 베어링 고정부;
   상기 베어링 고정부의 샤프트에 회전력을 가하는 구동부;
   상기 메인프레임에 고정되고, 상기 베어링 고정부의 일부가 삽입되는 케이싱을 가지며, 상기 케이싱을 상승시키는 것에 의해 상기 베어링 고정부에 장착된 볼베어링을 가압하는 하중부여부;
   상기 하중부여부의 케이싱에 연결되어 상기 볼베어링에 수중환경을 제공하는 물순환부; 및
   상기 볼베어링에 가해지는 토크와 회전속도와 하중의 정보를 수집하여 표시하는 상기 구동부 및 상기 물순환부의 작동을 제어하는 제어반을 포함하고,
   상기 베어링 고정부는,
   상기 메인프레임에 탈착되고, 상측 중심부에 형성되고 상기 구동부와 연결돼서 회전하는 종동풀리와, 하측 중심부에 형성돼서 상기 종동풀리와 일체로 회전하고 상기 샤프트와 체결되는 커플러를 가지는 고정부캡;
   상기 고정부캡에 고정되고, 일방의 볼베어링의 외륜이 설치되는 상부베어링커버;
   일단에는 일방의 볼베어링의 내륜이 설치되고 타단에는 타방의 볼베어링의 내륜이 설치되며, 일단부의 단면에 저널이 돌출 형성되는 샤프트; 및
   상기 타방의 볼베어링의 외륜이 설치되는 하부베어링커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 하중부여부는,
   상기 메인프레임에 고정되는 가압프레임;
   상기 가압프레임 내부 하측에 수직방향으로 설치되는 가이드빔을 따라 수직방향으로 이동가능하게 배치되고 상부 중앙에 로드셀이 고정되는 가압블럭;
   상기 로드셀의 상단에 고정되는 가압플레이트;
   상기 가압플레이트에 고정되며, 상기 베어링 고정부의 하부 일부가 바닥면에 접하도록 삽입되며, 상기 물순환부와 연결되는 케이싱; 및
   상기 가압프레임을 관통하여, 나사회전에 의해 상기 가압블럭을 하측에서 밀어올리는 가압스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 가압스크류에는 회전을 방지하는 가압록너트가 배치되는 것을 특징으로 하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 구동부는 상기 메인프레임에 설치되는 구동모터와, 상기 구동모터와 연결되는 감속기와, 상기 감속기와 연결되는 구동풀리와, 상기 구동풀리를 상기 샤프트에 일체로 형성되는 종동풀리를 전동하는 구동벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 구동풀리 또는 상기 감속기에는 토크를 측정할 수 있는 토크센서가 장착되고, 상기 토크센서는 상기 제어반과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 물순환부는 상기 케이싱에 연결되는 급수관 및 출수관과, 상기 급수관에 연결되는 펌프와, 상기 펌프가 설치되고 상기 출수관과 연결되는 수조를 포함하는 것을 특징으로 하는 고하중 수윤활 볼베어링의 내구성 시험장치.

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