KR101579282B1 - 베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치 - Google Patents

베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치 Download PDF

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Abstract

베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치는, 시험의 대상이 되는 베어링("테스트 베어링")의 외륜에 결합되는 베어링 캡과, 상기 테스트 베어링의 내륜에 결합되어 상기 내륜을 회전시키는 구동 회전축 및 상기 테스트 베어링의 단독 토크를 측정하기 위한 베어링 토크 미터를 포함한다. 상기 베어링 캡에는 연장 바(bar)가 돌출 형성되고, 상기 베어링 토크 미터는, 상기 연장 바에 접촉하며, 상기 구동 회전축의 회전 방향의 반대방향에서 상기 연장 바를 지지하도록 고정 배치되는 측정 로드(rod) 및 상기 측정 로드에 가해지는 힘을 측정하는 힘 센서를 포함하고, 상기 구동 회전축에서 상기 측정 로드까지의 거리와, 상기 측정 로드에 가해지는 힘을 통해 상기 테스트 베어링의 단독 토크를 계산한다.

Description

베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치{Bearing Test appratus for testing durability of the bearing}
본 발명은 베어링의 시험 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베어링의 내구성을 시험하기 위한 시험 장치에 관한 것이다.
베어링은 회전하고 있는 기계의 축을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축의 회전을 보호하는 역할을 하는 기계 요소이다.
이러한 산업용 베어링은 산업사회 전반에서 제조 및 생산라인에 관계하는 모든 장비나 설비를 구성하는 기계류들 중에서 중요한 부품을 이룬다.
동적 안정성이 우수하고, 떨림 현상 및 진동 발생을 줄여주기 위해서는 베어링의 내구성과 안정성이 먼저 확보되어야 하며 이를 위해 설계 제조된 베어링의 내구성과 안정성의 평가가 이루어져야 한다.
베어링의 내구 수명과 관련되는 주요 요인 중 하나는 구동시 베어링이 감수하는 베어링의 토크이다. 종래 기술에 따르면 베어링 자체의 단독 토크를 직접적으로 측정하기 위한 효과적인 방법이 제안되지 못하고 있다.
또한, 일반적인 산업용 베어링은 주로 그리스 윤활이나 오일 윤활 상태에서 구동되며, 내구성 평가 역시 실제 사용 환경과 유사한 조건에서 이루어지고 있다.
하지만, LNG 펌프나 극저온 터보 펌브 등 극저온 환경에서 동작하는 소위 "극저온 베어링"이 중요한 부품으로 사용되고 있다. 극저온 베어링은 우주 산업 분야 등에서 각광받고 있다.
종래 기술에 따른 베어링의 내구성 평가 장치나 방법은 극저온 베어링에 그대로 적용되기 적절하지 않으며, 극저온 베어링에 대한 평가 기술 및 방법은 아직 체계화되어 있지 않다.
극저온 베어링은 극저온 환경이라는 극한 조건 속에서 실험을 수행해야 하기 때문에 제한적인 접근만이 가능하고, 전기적 장비를 이용해서는 데이터 취득도 용이하지 않다.
한국 특허공개 제10-2004-0033827호
본 발명은 베어링의 내구 건전성 시험의 주요 요인인 베어링의 단독 토크를 효율적으로 측정하고, 특히 극저온 환경에서 구동하는 극저온 베어링이 내구성 시험을 효율적으로 할 수 있는 시험 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치는, 시험의 대상이 되는 베어링("테스트 베어링")의 외륜에 결합되는 베어링 캡과, 상기 테스트 베어링의 내륜에 결합되어 상기 내륜을 회전시키는 구동 회전축 및 상기 테스트 베어링의 단독 토크를 측정하기 위한 베어링 토크 미터를 포함한다. 상기 베어링 캡에는 연장 바(bar)가 돌출 형성되고, 상기 베어링 토크 미터는, 상기 연장 바에 접촉하며, 상기 구동 회전축의 회전 방향의 반대방향에서 상기 연장 바를 지지하도록 고정 배치되는 측정 로드(rod) 및 상기 측정 로드에 가해지는 힘을 측정하는 힘 센서를 포함하고, 상기 구동 회전축에서 상기 측정 로드까지의 거리와, 상기 측정 로드에 가해지는 힘을 통해 상기 테스트 베어링의 단독 토크를 계산한다.
일 실시예에 따르면, 베어링의 시험 장치는, 상기 구동 회전축의 반경방향으로 연장되어 상기 베어링 캡에 반경 방향 하중을 가하는 반경 방향 로드와, 상기 구동 회전축의 축 방향으로 연장되어 상기 베어링 캡에 축 방향 하중을 가하는 축 방향 로드를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 베어링 캡의 측면에 접촉하는 상기 반경 방향 로드의 단부에는 상기 구동 회전축과 평행한 축을 중심으로 회전할 수 있는 바퀴가 구비된다.
일 실시예에 따르면, 상기 축 방향 로드와 상기 구동 회전축은 동심으로 배치되고, 상기 베어링 캡의 상면에 접촉하는 상기 축 방향 로드의 단부는 뾰족하게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 베어링 캡, 상기 테스트 베어링 및 상기 구동 회전축의 일부를 내부에 수용하는 챔버를 포함하고, 상기 테스트 베어링은 극저온 환에서 구동하는 극저온 베어링이며, 상기 챔버 내부에는 극저온 유체가 주입된다.
일 실시예에 따르면, 상기 시험 장치는, 상기 챔버와 결합되며 상기 챔버 밖으로 연장되는 상기 구동 회전축을 감싸는 회전축 하우징을 더 포함하고, 상기 구동 회전축은 지지 베어링을 통해 상기 회전축 하우징에 회전 가능하게 지지되며, 상기 챔버와 상기 회전축 하우징의 연결부에는 밀봉 부재가 형성되어 상기 챔버와 상기 회전축 하우징을 격리시킨다.
일 실시예에 따르면, 상기 시험 장치는, 상기 챔버의 외부에서 상기 챔버 내부로 연장되는 극저온 유체 주입관과, 상기 챔버의 내부에서 상기 챔버 외부로 연장되는 극저온 유체 유출관을 포함하고, 상기 극저온 유체 주입관은 상기 베어링 캡과 연통된다.
일 실시예에 따르면, 상기 연장 바는 상기 베어링 캡 내부로 연통되는 중공의 파이프이고, 상기 극저온 유체 주입관은 상기 연장 바와 연결되어 서로 연통된다.
일 실시예에 따르면, 상기 챔버 내부에 형성된 상기 극저온 유체 주입관의 적어도 일부는 유연한 부재로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 구동 회전축에 회전력을 전달하는 구동 모터는 연결 회전축을 매개로 상기 구동 회전축과 연결되고, 상기 구동 회전축과 상기 연결 회전축, 및 상기 연결 회전축과 상기 구동 모터는 유연 커플링에 의해 연결된다.
일 실시예에 따르면, 상기 시험 장치는, 상기 시험 장치로부터 발생하는 진동을 측정하는 진동 센서, 또는 상기 시험 장치에서 발생하는 소리를 측정하는 음향 센서, 또는 상기 진동 센서 및 상기 음향 센서를 포함하고, 상기 진동 센서와 상기 음향 센서에서 측정되는 신호의 주파수를 분석하는 주파수 분석기를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 주파수 분석기는, 상기 테스트 베어링이 장착되지 않은 상태에서 상기 구동 회전축을 구동할 때 나타나는 신호 주파수를 상기 테스트 베어링이 장착된 상태에서 상기 구동 회전축을 구동할 때 나타나는 신호 주파수에서 제거하여, 상기 테스트 베어링의 구동에 따라 발생하는 신호 주파수를 분류한다.
일 실시예에 따르면, 상기 시험장치는, 상기 테스트 베어링의 토크의 변화율이 소정 값 이상일 경우, 상기 테스트 베어링의 이상으로 판단하여 경고 알람을 하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 상기 시험장치는, 상기 극저온 유체 주입관의 입구와 상기 극저온 유체 유출관의 출구의 온도및 압력을 측정하는 온도 센서와 압력 센서 및 상기 극저온 유체 주입관의 유량을 측정하는 유량계를 더 포함하고, 상기 온도 센서, 압력 센서 및 유량계의 측정값을 이용해 상기 극저온 유체의 상 변화를 확인한다.
일 실시예에 따르면, 상기 온도 센서, 압력 센서 및 유량계의 측정값을 모니터에 디스플레이한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링의 시험 장치의 개념도이다.
도 2는 도 1의 시험 장치의 상단 일부분을 측면에서 바라본 단면도이다.
도 3은 도 1의 시험 장치를 위에서 바라본 단면도이다.
도 4는 모니터 패널에 디스플레이되는 시험 장치(1)에 대한 데이터의 예를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링의 시험 장치(1)의 개념도이다. 도 2는 도 1의 시험 장치(1)의 상단 일부분을 측면에서 바라본 단면도이고, 도 3은 도 1의 시험 장치(1)를 위에서 바라본 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 베어링의 시험 장치(1)는 시험의 대상이 되는 베어링(이하, "테스트 베어링"이라고 함)(40)에 대한 시험을 수행하는 측정부(10)와, 상기 측정부(10)에서 측정되는 각종 신호를 수집 및 분석하는 분석부(20), 및 베어링 시험 장치(1)를 제어하고 분석부(20)에서 수집 및 분석된 신호를 디스플레이하는 제어부(30)를 포함한다.
측정부(10)는, 테스트 베어링(40)이 장치되는 테스트부(100)와, 테스트 베어링(40)에 연결되는 구동 회전축(110)을 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부(300) 및 상기 구동부(300)와 구동 회전축(110)을 연결하는 연결부(200)를 포함한다.
테스트부(100)는 회전축(110)을 수직한 방향으로 고정지지하는 회전축 하우징(140)과, 회전축 하우징(140)에 결합되는 챔버(120)를 포함한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 챔버(120)는 회전축 하우징(140)의 위쪽으로 돌출되는 구동 회전축(110)의 일부를 내부 공간에 수용한다.
챔버(120) 내부에 위치하는 구동 회전축(110)의 일 단부(111)에는 테스트 베어링(40)이 장착된다. 구동 회전축(110)의 타단부(112)는 회전축 하우징(140)의 아래쪽으로 돌출되어 연결부(200)와 연결된다.
테스트 베어링(40)에는 테스트 베어링(40)을 감싸도록 베어링 캡(150)이 결합된다.
본 실시예에 따른 테스트 베어링(40)은 내륜(41)과 외륜(42) 및 내외륜 사이의 볼(43)을 구비하는 볼 베어링이다. 테스트 베어링(40)의 내륜(41)은 구동 회전축(110)의 단부(111)에 끼움 결합된다.
테스트 베어링(40)의 외륜(42)은 베어링 캡(150)과 탈부착 가능하게 결합된다. 베어링 캡(150)은 테스트 베어링(40)의 외륜(42)에만 고정되어 베어링 캡(150)에 가해지는 하중이 테스트 베어링(40)에 모두 전달되도록 한다.
또한, 본 실시예에 따른 테스트 베어링(40)은 극저온 환경에서 구동하는 극저온 베어링이다.
본 실시예에 따르면, 극저온 베어링의 구동 환경을 구현하기 위해 테스트 베어링(40)을 극저온 유체에 노출시킨 상태로 구동시킨다. 본 실시예에서 극저온 유체는 예를 들어, 액화 질소(LN2)이다.
챔버(30)의 외벽에 형성된 통공을 통해 챔버(30)의 외부에서 내부로 극저온 유체 주입관(121)이 형성되어 있으며, 챔버(30)의 내부에서 극저온 유체 주입관(121)은 베어링 캡(150)과 연통되어 있다
구체적으로, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 베어링 캡(150)의 측면에는 연장 바(bar)(153)가 돌출되어 있다.
연장 바(153)는 일측 단부가 베어링 캡(150)의 측벽에 형성된 유체 유입구(151)로 연통되는 중공의 파이프이고, 연장 바(153)의 타측 단부는 챔버(120)의 내부로 수직하게 연장되는 극저온 유체 주입관(121)과 연결되어 서로 연통된다.
또한, 챔버(30)의 외벽에 형성된 통공을 통해 챔버(30)의 내부에서 외부로 극저온 유체 유출관(122)이 형성되어 있다.
외부에서 극저온 유체가 극저온 유체 주입관(121)을 통해 주입되어 베어링 캡(150) 내부로 유입되고, 극저온 유체는 테스트 베어링(40)을 거치며 테스트 베어링(40)을 윤활 및 냉각시킨다. 극저온 유체는 테스트 베어링(40)의 내륜(41)과 외륜(42) 사이를 통과하여, 베어링 캡(150) 부근에 형성된 유체 유출구(152)를 통해 베어링 캡(150)으로부터 빠져나온다. 베어링 캡(150)에서 빠져나온 극저온 유체는 챔버(120)의 내부 공간에 저류되었다가 극저온 유체 유출관(122)을 통해 빠져나간다.
본 실시예에 따르면, 챔버(120) 내부를 유동하는 극저온 유체가 챔버(120) 내부의 구성을 제외한 다른 구성에 영향을 주는 것을 방지하기 위해, 챔버(120)와 회전축 하우징(140)의 연결부에는 밀봉 부재(130)가 형성되어, 챔버(120)와 회전축 하우징(140)을 서로 격리시킨다.
밀봉 부재(130)는 챔버(120) 내에 수평 방향으로 격벽을 형성하는 플레이트(131)와, 구동 회전축(110)을 감싸는 너트(132) 및 상기 너트(132)와 구동 회전축(133)의 사이 틈을 밀봉하는 립실(133)을 포함한다.
밀봉 부재(130)는 챔버(120) 내부와 회전축 하우징(140) 사이에 소정의 간극(135)을 형성하여, 챔버(120) 내부의 극저온 환경이 회전축 하우징(140)과 분리되도록 한다.
회전축 하우징(140) 내부에서 구동 회전축(110)은 두 개의 지지 베어링(50)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
지지 베어링(50)은 내륜(51)과 외륜(52) 및 내외륜 사이의 볼(53)을 구비하는 볼 베어링이다. 지지 베어링(50)의 내륜(51)은 구동 회전축(110)의 몸체에 끼움 결합되고, 외륜(52)은 회전축 하우징(140)과 결합된다.
회전축 하우징(140)의 내부는 상온 환경에 놓이며, 지지 베어링(50)은 상온 환경에서 오일로 윤활되는 일반적인 베어링이면 족하다.
이는 상술한 밀봉 부재(130)를 통해 극저온 환경의 챔버(120)와 상온 환경의 회전축 하우징(140)을 격리시키는 것에 의해 가능해진다.
테스트부(100)에 설치되는 베어링을 극저온 테스트 베어링(40)과 두 개의 오일 윤활 지지 베어링(50)으로 분리함으로써, 테스트 베어링과 지지 베어링이 모두 극저온 베어링이 이용되는 종래기술과는 달리, 실험시마다 소모되는 극저온 베어링의 수를 적어도 1/3로 저감할 수 있다.
또한, 테스트 베어링(40) 단품에 대한 특성파악이 가능해진다. 즉, 지지베어링(50)의 파손이 없을 때에는 상단에 장착되는 테스트 베어링(40)만 교체하여 실험을 진행할 수 있다. 또한, 스패이서(spacer) 등을 이용하여 다양한 크기의 테스트 베어링(40)을 같은 시스템에 적용하여 내구성 테스트가 가능하다.
지지 베어링(40)은 회전축 하우징(140)의 내부로 공급되는 오일에 의해 윤활된다.
밀봉 부재(130)의 너트(132)에는 오일 통로(134)가 관통 형성되어 있으며, 회전축 하우징(140)의 상면에는 오일 유출구(142)가 관통 형성되어 있다.
회전축 하우징(140)의 하단 측벽에 형성된 오일 유입구(미도시)를 통해 오일이 회전축 하우징(140) 내부로 유입되고, 지지 베어링(50)을 통과하여 베어링(50)을 윤활한다. 지지 베어링(50)이 내외륜 틈새를 통과한 오일은 오일 통로(134)를 통해 유동하여 오일 유출구(142)를 통해 외부로 빠져나간다. 공급되는 오일은 오일펌프(미도시)를 통하여 공급되고, 쿨러(cooler)를 통해 냉각된 후 다시 회전축 하우징(140) 내부로 공급된다.
한편, 테스트 베어링(40)의 내구 수명과 관련되는 주요 요인 중 하나는 구동시 테스트 베어링(40)이 감수하는 베어링의 토크이다. 본 실시예에 따르면, 테스트 베어링(40) 자체의 단독 토크를 직접적으로 측정하기 위한 베어링 토크 미터(180)가 구비된다.
챔버(120) 내부는 극저온 유체에 의해 극저온 환경이 형성되어 있으므로, 전자 장비를 이용해 토크를 측정하는 경우 비용과 효율이 떨어질 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 베어링 토크 미터(180)는 극저온 환경에 노출되는 전자 장비를 최소화하도록 기계적으로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 베어링 토크 미터(180)는 챔버(120)를 관통하여 연장되는 측정 로드(rod)(181)와, 챔버(120) 밖으로 노출되는 측정 로드(181)의 단부에 연결되는 힘 센서(182)를 포함한다.
측정 로드(181)는 구동 회전축(110)의 축 방향과 반경 방향 모두에 직교하는 방향으로 연장된다. 즉, 측정 로드(181)는, 구동 회전축(110)의 축 방향과 직교하고 반경 방향과 평행하게 연장되는 연장 바(153)와 직교한다.
측정 로드(181)는 챔버(120)의 외벽에 형성된 통공을 통해 챔버(120)를 관통한다. 측정 로드(181)가 관통하는 챔버(120)의 통공에는 유연한 재질의 씰(seal)이 구비되어, 챔버(120) 내부를 밀봉하는 한편 측정 로드(181)가 챔버(120)에 대해 구속되지 않도록 한다.
측정 로드(181)의 단부는 연장 바(153)의 단부측에 접촉한다. 측정 로드(181)는 구동 회전축(110)의 회전 방향(도면에서 시계 방향)과 반대방향에서 연장 바(153)를 지지하도록 고정 배치된다.
힘 센서(182)는 베어링 캡(150)에 의해 측정 로드(181)에 전달되는 힘을 측정한다.
테스트 베어링(40)의 단독 토크는 구동 회전축(110)과 함께 회전하는 내륜(41)의 회전력에 의해 전달되는 힘에 의해 외륜(42)이 받는 토크를 말한다.
본 실시예에 따르면, 베어링 캡(150)은 챔버(120)에 대해 구속되어 있지 않고 테스트 베어링(40)의 외륜(42)에 결합되어 있으므로, 외륜(52)의 토크는 곧 베어링 캡(150)의 토크를 의미한다.
구동 회전축(110)의 축 중심(O1)에서 측정 로드(181)가 접촉한 연장 바(153)의 끝단(O2) 까지의 거리(L)를 알고 있으므로, 분석부(20)는 거리(L)과 힘 센서(181)에서 측정된 힘(F)의 곱을 통해 테스트 베어링(40)의 단독 토크를 계산할 수 있다.
본 실시예에 따른 베어링 토크 미터(180)에 따르면 극저온 환경에 의한 측정 효율 저하를 방지할 뿐 아니라, 테스트 베어링(40) 단품의 독립적인 토크를 측정하여, 테스트 베어링 자체의 내구 건전성을 정량적으로 평가할 수 있다.
또한, 챔버(120)에 제공되는 극저온 유체는 베어링 캡(150) 내부로 유입되었다가 테스트 베어링(40)을 통해 빠져나가므로, 테스트 베어링(40)의 내외륜 사이를 통과하는 극저온 유체의 유량에 따른 베어링 토크의 변화를 효과적으로 감지할 수 있다.
한편, 예를 들어 우주 발사체 등과 같이 테스트 베어링(40)이 사용되는 환경에 따라 테스트 베어링(40)에 큰 하중이 가해지는 경우가 있다.
본 실시예에 따르면, 테스트 베어링(40)에 가해지는 하중을 재현하기 위해, 테스트 베어링(40)에 반경 방향 및/또는 축 방향의 하중을 가해주는 장치가 구비된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 축 방향 하중 생성 장치(160)는 구동 회전축(110)의 축 방향으로 연장되는 축 방향 로드(rod)(162)와, 상기 축 방향 로드(162)를 구동 회전축(110)의 축 방향으로 전후진 이동시키는 유압 실린더(161)를 포함한다.
반경 방향 하중 생성 장치(170)는 구동 회전축(110)의 반경 방향으로 연장되는 반경 방향 로드(172)와, 상기 반경 방향 로드(172)를 구동 회전축(110)의 반경 방향으로 전후진 이동시키는 유압 실린더(171)를 포함한다.
축 방향 로드(162) 및 방경 방향 로드(172)는 챔버(120)의 외벽에 형성된 통공을 통해 챔버(120)를 관통한다.
축 방향 로드(162) 및 방경 방향 로드(172)가 관통하는 챔버(120)의 통공에는 유연한 재질의 씰이 형성되어, 챔버(120) 내부를 밀봉하는 한편 축 방향 로드(162) 및 방경 방향 로드(172)가 챔버(120)에 대해 구속되지 않도록 한다.
축 방향 로드(162) 및 반경 방향 로드(172)는 베어링 캡(150)을 밀어 하중으로 가하여, 테스트 베어링(40)에 가해지는 축 방향 하중과 반경 하중을 각각 재현한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 축 방향 로드(162)는 베어링 캡(150)의 상면에 접촉하는 단부가 뾰족하게 형성되고, 그 중심축이 구동 회전축(110)의 중심축과 일치하여 동심으로 배치된다. 따라서, 테스트 베어링(40)에 의해 힘을 받는 베어링 캡(150)의 자유도가 축 방향 로드(162)에 의해 영향을 받지 않도록 해준다.
베어링 캡(150)의 측면에 접촉하는 반경 방향 로드(162)의 단부에는 구동 회전축(110)과 평행한 축을 중심으로 회전할 수 있는 바퀴(173)가 구비된다. 본 실시예에 따르면 바퀴(173)는 볼 베어링에 의해 형성된다.
바퀴(173)는 베어링 캡(150)의 측면에 대해 구름 운동이 가능하므로, 베어링 캡(150)의 자유도가 반경 방향 로드(162)에 의해 영향을 받지 않도록 해준다.
도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 챔버(120)의 내부로 연장된 극저온 유체 주입관(121)의 적어도 일부는 유연한 재질의 유연 관(123)으로 형성되어, 극저온 유체 주입관(121)이 자유롭게 구부러질 수 있도록 한다.
따라서, 축 방향 로드 및/또는 반경 방향 로드에 의해 하중이 베어링 캡(150)에 가해지더라도, 연장 바(153)와 극저온 유체 주입관(121)을 통해 챔버(120)와 연결되는 베어링 캡(150)의 전체 자유도가 챔버(120)에 구속되지 않도록 할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 구동부(300)는 유도 전동기인 구동 모터(304)로 이루어지고, 인버터를 통해 회전계 RPM의 조절 및 가감속의 조절이 가능하다. 구동 모터(304)는 냉각수 유입구(301)에서 냉각수 유출구(302)로 유동하는 냉각수에 의해 냉각된다.
구동부(300)와 측정부(100)는 연결부(200)를 매개로 서로 연결된다.
연결부(200)는 구동 회전축(110) 및 구동 모터(304)의 모터 회전축(303)과 일렬로 연장되는 연결 회전축(231)을 구비한다.
연결부(200)의 연결 회전축(231) 및 구동 회전축(110)과, 연결 회전축(231) 및 모터 회전축(303)은 각각 유연한 재질의 유연 커플링(210, 220)에 의해 연결된다.
유연 커플링(210, 220)은 각 회전축의 중심이 서로 약간씩 어긋나는 것을 허용하여, 각 부간의 정렬불량을 최소화한다.
구동 모터의 모터 회전축(303)이 회전하면 유연 커플링(220)을 매개로 연결부(220)의 연결 회전축(231)이 회전하고, 연결 회전축(231)의 회전력은 유연 커플링(210)을 매개로 구동 회전축(110)에 전달되어 구동 회전축(110)을 회전시킨다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 극저온 유체 유입관(121)과 극저온 유체 유출관(122)의 내부에는 열전대가 삽입되어 관 내부의 극저온 유체의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(191, 194)가 형성된다. 또한, 극저온 유체 유입관(121)과 극저온 유체 유출관(122)의 내부에는 관 내부 압력을 측정할 수 있는 압력 센서(192, 193)가 형성된다. 또한, 극저온 유체 우입관(121)에는 극저온 유체의 유량을 확인할 수 있는 유량계(198)가 구비된다.
온도 센서(191, 194), 압력 센서(192) 및 유량계(198)의 측정값을 이용하면, 테스트부(100)의 입구와 출구부의 조건 및 실제 극저온 유체의 상 변화(기체, 액체)와 경계 조건을 확인할 수 있다.
베어링 캡(150)에는 테스트 베어링(40)의 외륜(42)의 외경면과 닿는 부분에 작은 홀을 가공하고, 열전대를 삽입하여 테스트 베어링(42)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(195)가 형성된다. 온도 센서(195)를 이용해 테스트 베어링(40)의 발열량을 평가할 수 있다.
오일로 윤활되는 두 개의 지지베어링(50)에도 온도 센서(196, 197)이 형성되어 두 지지 베어링(50)의 온도를 확인할 수 있다. 온도 센서(196, 197)의 열전대가 지지 베어링(50)의 외륜(52)에 직접 접촉되어 지지 베어링(50)의 외륜(52)의 온도를 측정함으로서 지지 베어링의 운전 안정성을 확인한다.
연결부(200)에는 회전계의 RPM을 측정할 수 있는 RPM 미터(233)와 토크를 측정할 수 있는 토크 미터(232)가 구비된다.
회전계의 RPM과 구동부(300)를 제외한 토크 미터(232) 상단부 전체의 토크를 측정함으로서 전체 테스트 환경(지지베어링부 및 테스트 베어링)의 안정성을 직접적으로 모니터링하며 실험에 임할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 시험 장치(1)는, 시험 장치(1)로부터 발생하는 진동을 측정하는 진동 센서(201)를 포함한다. 진동 센서(201)는 회전축 하우징(100)에서 지지 베어링(50) 사이에 배치되는 변위 센서를 이용해 구성된다.
또한, 시험 장치(1)는, 시험 장치(1)로부터 발생하는 소리를 측정하는 음향 센서(204)를 포함할 수도 있다.
분석부(20)는 진동 센서(201) 및 음향 센서(204)와 전기적으로 연결되어 진동 센서(201)와 음향 센서(204)를 통해 측정된 신호의 주파수를 분석하는 주파수 분석기(FFT analyzer)(203)를 포함한다. 진동 센서(201)에서 측정된 진동은 오실로스코프(202)를 통해 신호화된다.
주파수 분석기(203)는 진동 및 음향 신호를 스펙트럼화하여 분석한다. 진동 센서(201) 및 음향 센서(204)에서 측정된 신호 주파수를 스펙트럼하여 분석하면, 시험 장치(1)의 각 부품이 발생시키는 신호가 해당 부품의 고유한 주파수 대역으로 분류될 수 있다.
테스트 베어링(40)의 내구성을 평가하기 위해서는 테스트 베어링의 구동에 따라 발생하는 테스트 베어링(40)의 고유 신호 주파수를 분류할 필요가 있다.
본 실시예에 따르면, 먼저 테스트 베어링(40)이 장착되지 않은 상태에서 구동 회전축(110)을 구동시켰을 때 시험 장치(1)로부터 측정되는 진동 및/또는 음향 신호 주파수("초기 신호 주파수")를 수집한다. 다음으로, 테스트 베어링(40)을 장착한 상태에서 구동 회전축(110)을 구동시켰을 때 시험 장치(1)로부터 측정되는 진동 및/또는 음향 신호 주파수("테스트 신호 주파수")를 수집한다.
주파수 분석기(203)는 테스트 신호 주파수로부터 초기 신호 주파수를 제거하여 테스트 베어링(40)의 고유 신호 주파수를 추출해낸다.
테스트 베어링(40)의 고유 신호 주파수를 분석하면 테스트 베어링(40)의 파손 여부에 대한 정량적 평가가 가능하며, 그에 따라 테스트 베어링(40)의 내구 건전성을 판단할 수 있다.
한편, 시험 장치(1)의 베어링 토크 미터(180), 각종 온도 센서 및 압력 센서 등에서 관측된 모든 신호는 분석부(20)를 통해 제어부(30)로 전달된다.
제어부(30)는 모니터 패널(31)과 키보드(32)을 포함하는 컴퓨터 시스템이다.
도 4는 모니터 패널에 디스플레이되는 시험 장치(1)에 대한 데이터의 예를 도시한 것이다.
시험 장치(1)의 미터 및 센서의 전압신호를 읽어 모든 데이터를 모니터(31)를 통해 사용자가 육안으로 확인 및 평가를 할 수 있다.
본 실시예에 따른 시험 장치(1)는, 기동 후 테스트 베어링(40)의 토크의 변화율이 안정화된 토크로부터 10% 이상 변화할 경우, 테스트 베어링(40)에 이상이 발생한 것으로 판단하여 제어부(30)를 통해 경고 알람함으로써, 시험을 중단할 수 있게 해준다.
토크 변화량에 이상이 발생하는 경우, 진동 및 음향 신호를 분석하여, 테스트 베어링(40)의 미세한 파손여부에 대한 정량적 평가가 가능하다.
본 실시예에 따른 베어링의 시험 장치(1)는 유압 실린더를 이용하여 테스트 베어링의 반경, 축방향 부하 하중 조절이 가능하며, 테스트부(100)는 지지 베어링부과 테스트 베어링 부로 구분되어 테스트 베어링(40)의 단품 특성 시험을 효율적으로 할 수 있도록 해준다.
또한, 테스트 베어링 부와 지지 베어링을 격리시키도록 구성되어, 예를 들어, 극저온 환경이나 우주 발사체 등과 같이 특수한 환경에서 구동하는 특수 베어링의 내구성 시험에 효율적으로 이용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치(1)로서,
    시험의 대상이 되는 베어링("테스트 베어링")(40)의 외륜(42)에 결합되는 베어링 캡(150);
    상기 테스트 베어링(40)의 내륜(41)에 결합되어 상기 내륜(41)을 회전시키는 구동 회전축(110);
    상기 베어링 캡(150), 상기 테스트 베어링(40) 및 상기 구동 회전축(110)의 일부를 내부에 수용하는 챔버(120); 및
    상기 챔버(120)와 결합되며, 상기 챔버(120) 밖으로 연장되는 상기 구동 회전축(110)을 감싸는 회전축 하우징(140)을 포함하고,
    상기 테스트 베어링(40)은 극저온 환경에서 구동하는 극저온 베어링이며,
    상기 챔버(120) 내부에는 극저온 유체가 주입되고,
    상기 구동 회전축(110)은 지지 베어링(50)을 통해 상기 회전축 하우징(140)에 회전 가능하게 지지되며,
    상기 챔버(120)와 상기 회전축 하우징(140)의 연결부에는 밀봉 부재(130)가 형성되어 상기 챔버(120)와 상기 회전축 하우징(140)을 격리시키는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  2. 베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치로서,
    시험의 대상이 되는 베어링("테스트 베어링")(40)의 외륜(42)에 결합되는 베어링 캡(150);
    상기 테스트 베어링(40)의 내륜(41)에 결합되어 상기 내륜(41)을 회전시키는 구동 회전축(110);
    상기 베어링 캡(150), 상기 테스트 베어링(40) 및 상기 구동 회전축(110)의 일부를 내부에 수용하는 챔버(120); 및
    상기 챔버(120)의 외부에서 상기 챔버(120) 내부로 연장되는 극저온 유체 주입관(121)과,
    상기 챔버(120)의 내부에서 상기 챔버(120) 외부로 연장되는 극저온 유체 유출관(122)을 포함하고,
    상기 테스트 베어링(40)은 극저온 환경에서 구동하는 극저온 베어링이며,
    상기 챔버(120) 내부에는 극저온 유체가 주입되고,
    상기 극저온 유체 주입관(121)은 상기 베어링 캡(150)과 연통되며,
    상기 베어링 캡(150)에는 연장 바(bar)(153)가 돌출 형성되고,
    상기 연장 바(153)는 상기 베어링 캡(150) 내부로 연통되는 중공의 파이프이고,
    상기 극저온 유체 주입관(121)은 상기 연장 바(153)와 연결되어 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구동 회전축(110)의 반경방향으로 연장되어 상기 베어링 캡(150)에 반경 방향 하중을 가하는 반경 방향 로드(172)와,
    상기 구동 회전축(110)의 축 방향으로 연장되어 상기 베어링 캡(150)에 축 방향 하중을 가하는 축 방향 로드(162)를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베어링 캡(150)의 측면에 접촉하는 상기 반경 방향 로드(172)의 단부에는 상기 구동 회전축(110)과 평행한 축을 중심으로 회전할 수 있는 바퀴(173)가 구비되는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 축 방향 로드(162)와 상기 구동 회전축(110)은 동심으로 배치되고,
    상기 베어링 캡(150)의 상면에 접촉하는 상기 축 방향 로드(162)의 단부는 뾰족하게 형성된 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구동 회전축(110)에 회전력을 전달하는 구동 모터(304)는 연결 회전축(231)을 매개로 상기 구동 회전축(110)과 연결되고,
    상기 구동 회전축(110)과 상기 연결 회전축(231), 및 상기 연결 회전축(231)과 상기 구동 모터(304)는 유연 커플링(210, 220)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 구동 회전축(110)을 고정 지지하는 회전축 하우징(140)에 설치되어 상기 시험 장치로부터 발생하는 진동을 측정하는 진동 센서(201), 또는
    상기 회전축 하우징(140)의 외부에 설치되어 상기 시험 장치에서 발생하는 소리를 측정하는 음향 센서(204), 또는
    상기 진동 센서(201) 및 상기 음향 센서(204)를 포함하고,
    상기 진동 센서(201) 및 상기 음향 센서(204)와 전기적으로 연결되어 상기 진동 센서(201)와 상기 음향 센서(204)에서 측정되는 신호의 주파수를 분석하는 주파수 분석기(203)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주파수 분석기(203)는,
    상기 테스트 베어링(40)이 장착되지 않은 상태에서 상기 구동 회전축(110)을 구동할 때 나타나는 신호 주파수를 상기 테스트 베어링(40)이 장착된 상태에서 상기 구동 회전축(110)을 구동할 때 나타나는 신호 주파수에서 제거하여, 상기 테스트 베어링(40)의 구동에 따라 발생하는 신호 주파수를 분류하는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 챔버(120) 내부에 형성된 상기 극저온 유체 주입관(121)의 적어도 일부는 유연한 부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 테스트 베어링(40)의 단독 토크를 측정하기 위한 베어링 토크 미터(180); 및
    상기 베어링 토크 미터(180)로부터 측정되는 신호를 수집 및 분석하는 분석부(20)를 포함하고,
    상기 베어링 토크 미터(180)는,
    상기 연장 바(153)에 접촉하며, 상기 구동 회전축(110)의 회전 방향의 반대방향에서 상기 연장 바(153)를 지지하도록 고정 배치되는 측정 로드(rod)(181); 및
    상기 측정 로드(181)에 가해지는 힘을 측정하는 힘 센서(182)를 포함하고,
    상기 분석부(20)는,
    상기 구동 회전축(110)에서 상기 측정 로드까지의 거리와, 상기 측정 로드에 가해지는 힘을 통해 상기 테스트 베어링(40)의 단독 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분석부(20)로부터 분석된 신호를 전달받는 제어부(30)를 더 포함하고,
    상기 제어부(30)는,
    상기 테스트 베어링(40)의 토크의 변화율이 소정 값 이상일 경우, 상기 테스트 베어링(40)의 이상으로 판단하여 경고 알람을 하는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 극저온 유체 주입관(121)의 입구와 상기 극저온 유체 유출관(122)의 출구의 온도 및 압력을 측정하는 온도 센서(191, 194)와 압력 센서(192); 및
    상기 극저온 유체 주입관(121)의 유량을 측정하는 유량계(198)를 더 포함하고,
    상기 온도 센서(191, 194), 압력 센서(192) 및 유량계(198)의 측정값을 이용해 상기 극저온 유체의 상 변화를 확인하는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 온도 센서(191, 194), 압력 센서(192) 및 유량계(198)의 측정값을 모니터(31)에 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 베어링의 시험장치.
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