KR101832244B1 - 베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치 - Google Patents

베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101832244B1
KR101832244B1 KR1020160150156A KR20160150156A KR101832244B1 KR 101832244 B1 KR101832244 B1 KR 101832244B1 KR 1020160150156 A KR1020160150156 A KR 1020160150156A KR 20160150156 A KR20160150156 A KR 20160150156A KR 101832244 B1 KR101832244 B1 KR 101832244B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bearing
arm
test
measuring
bearing cap
Prior art date
Application number
KR1020160150156A
Other languages
English (en)
Inventor
이용복
최복성
곽원일
이전국
서우석
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020160150156A priority Critical patent/KR101832244B1/ko
Priority to US15/399,073 priority patent/US10247638B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101832244B1 publication Critical patent/KR101832244B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C19/00—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement
    • F16C19/02—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows
    • F16C19/04—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly
    • F16C19/06—Bearings with rolling contact, for exclusively rotary movement with bearing balls essentially of the same size in one or more circular rows for radial load mainly with a single row or balls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/38—Ball cages

Abstract

베어링의 시험 장치는 챔버와, 상기 챔버 내부에 배치되어, 시험의 대상이 되는 베어링("테스트 베어링")의 외륜에 결합되는 베어링 캡과, 상기 테스트 베어링의 내륜에 연결되어 상기 내륜을 회전시키는 구동축과, 상기 베어링 캡으로부터 상기 베어링 캡의 반경 방향으로 연장되어 상기 챔버 외부로 일 단부가 노출되는 연장암과, 상기 연장암의 일단부에 접촉하며, 상기 연장암에 의해 회전 가능하도록 형성되는 측정암을 포함하고, 상기 외륜에 의해 상기 베어링 캡에 회전력이 가해짐에 따라 상기 연장암을 통해 상기 측정암에 작용하는 힘을 측정하여 상기 테스트 베어링의 단독 토크를 측정한다.

Description

베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치{Bearing Test apparatus for testing behavior of the bearing}
본 발명은 베어링의 시험 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 베어링의 거동 특성을 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 내구성과 안정성의 평가를 위해서는 베어링이 작동하는 동안 나타내는 거동 특성에 대한 평가가 필요하다.
베어링의 내구 수명과 관련되어 평가되어야 하는 거동 특성 중 하나는 구동시 베어링이 감수하는 베어링의 토크이다. 종래 기술에 따르면 베어링 자체의 단독 토크를 직접적으로 측정하기 위한 효과적인 방법이 제안되지 못하고 있다.
아울러, 볼(ball)과 같은 베어링의 구동체를 지지하는 케이지의 휘돌림 모션을 측정하여, 베어링이 안정적으로 동작하고 있는지 여부를 평가할 필요가 있다.
한편, 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. 일반적으로 -183 ℃ 이하의 온도를 "극저온"이라고 일컫는다. 이는 일반적으로 액체 산소의 끓는점인 90 K를 의미한다.
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 등록특허 제10-1579282호
본 발명은 베어링의 내구 건전성 시험의 주요 요인인 베어링의 단독 토크 및 케이지의 휘돌림 모션을 효율적으로 측정할 수 있는 시험 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 나아가, 본 발명은 특히 극저온 환경에서 구동하는 극저온 베어링의 거동 특성을 효율적으로 평가할 수 있는 시험 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 챔버와, 상기 챔버 내부에 배치되어, 시험의 대상이 되는 베어링("테스트 베어링")의 외륜에 결합되는 베어링 캡과, 상기 테스트 베어링의 내륜에 연결되어 상기 내륜을 회전시키는 구동축과, 상기 베어링 캡으로부터 상기 베어링 캡의 반경 방향으로 연장되어 상기 챔버 외부로 일 단부가 노출되는 연장암과, 상기 연장암의 일단부에 접촉하며, 상기 연장암에 의해 회전 가능하도록 형성되는 측정암을 포함하고, 상기 외륜에 의해 상기 베어링 캡에 회전력이 가해짐에 따라 상기 연장암을 통해 상기 측정암에 작용하는 힘을 측정하여 상기 테스트 베어링의 단독 토크를 측정하는 베어링의 시험 장치가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 베어링의 시험 장치는 상기 측정암의 회전 방향의 반대 방향에서 상기 측정암에 접촉하여 상기 측정암에 작용하는 힘을 측정하는 로드 셀(load cell)을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 일 실시예에 따르면, 베어링의 시험 장치는 상기 로드 셀과 마주하는 위치에서 상기 측정암에 소정의 힘을 가하는 프리 로드(pre-load) 부재를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 측정암은 상기 구동축의 회전축과 평행한 회전축을 중심으로 회전 가능하다.
일 실시예에 따르면, 베어링의 시험 장치는 상기 측정암을 회전 가능하게 지지하는 반경 방향 로드를 포함하고, 상기 반경 방향 로드는 상기 연장암을 밀어 상기 베어링 캡에 반경 방향 하중을 가한다.
일 실시예에 따르면, 서로 접촉하는 상기 연장암의 일단부 및 상기 측정암의 일단부 중 하나는 구형 면으로 형성되어, 상기 연장암의 일단부와 상기 측정암의 일단부가 점 접촉한다.
일 실시예에 따르면, 상기 테스트 베어링은, 상기 외륜과 상기 내륜 사이에 배치되는 복수의 볼과, 상기 복수의 볼의 위치를 고정하는 케이지를 포함하는 볼 베어링이고, 상기 케이지는 상기 구동축의 축 방향으로 돌출되는 반사면을 포함하며, 상기 베어링 캡에는 상기 반사면을 향해 빛을 조사하는 광학 변위 센서가 삽입되고, 상기 광학 변위 센서를 통해 측정되는 상기 반사면까지의 거리를 통해 상기 케이지의 휘돌림 모션을 측정한다.
일 실시예에 따르면, 두 개의 광학 변위 센서가 90도를 이루어 상기 베어링 캡에 삽입된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링의 시험장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 베어링의 시험장치를 위에서 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 D 영역을 확대 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 A 영역을 확대 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 B 영역을 확대 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 C 영역을 확대 도시한 것이다.
도 8은 케이지의 휘돌림 모션을 측정한 결과 그래프이다.
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.
시험 장치(1)는 시험의 대상이 되는 베어링(이하, "테스트 베어링"이라고 함)(2)의 테스트 환경을 제공하여 테스트 베어링(2)의 거동 특성을 시험한다.
본 실시예에 따른 테스트 베어링(2)은 외륜(3), 내륜(4), 외륜(3)과 내륜(4) 사이에 배치되는 복수의 볼(ball)(6) 및 복수의 볼(6)의 위치를 고정하는 케이지(cage)(5)를 포함하는 볼 베어링이다.
시험 장치(1)는 제2 내부 공간(11)을 정의하는 챔버(10)와, 챔버(10)가 정의하는 제2 내부 공간(11) 내에 수용되는 베어링 캡(20)을 포함한다.
베어링 캡(20)은 제1 내부 공간(21)을 정의한다. 베어링 캡(20)은 테스트 베어링(2)을 감싸도록 테스트 베어링(2)을 제1 내부 공간(21) 내에 수용한다.
테스트 베어링(2)의 외륜(3)은 베어링 캡(20)과 탈부착 가능하게 결합되어, 베어링 캡(2)에 가해지는 하중이 테스트 베어링(2)에 모두 전달되도록 한다.
시험 장치(1)는 y축 방향으로 회전축(axis)이 형성되는 구동축(shaft)(30)을 포함한다.
구동축(30)은 메인 샤프트(310)를 포함하고, 메인 샤프트(310)의 일부는 챔버(10)의 하단을 통해 베어링 캡(20)의 내부로 연장되어 테스트 베어링(2)의 내륜(4)에 연결된다.
좀더 구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10) 및 베어링 캡(20)의 내부로 연장되는 메인 샤프트(310)의 일부분에는 스페이서(spacer)(621)가 로크 너트(312)에 의해 결합된다. 스페이서(621)의 하면은 챔버(10)의 하단 프레임(115)과 이격되어 메인 샤프트(310)(즉, 구동축(30))의 회전에 의해 스페이서(621)가 함께 회전하도록 되어 있다. 스페이서(621)에는 테스트 베어링(2)의 내륜(4)이 끼움 결합되어, 구동축(30)의 회전에 의해 테스트 베어링(2)의 내륜(4)이 회전하도록 한다.
스페이서(621)를 교체함으로써 다양한 크기의 테스트 베어링(2)을 같은 시스템에 적용하여 내구성 테스트가 가능하다.
본 실시예에 따른 시험 장치(1)는 테스트 베어링(2)의 내륜(4)을 회전시키면서, 베어링 캡(2)에 연결된 각종 장치를 통해 테스트 베어링(2)의 각종 거동 특성을 시험한다.
본 실시예에 따른 테스트 베어링(2)은 극저온 환경에서 구동하는 극저온 베어링이다.
본 실시예에 따르면, 극저온 베어링의 구동 환경을 구현하기 위해 테스트 베어링(2)을 극저온의 냉각 유체("극저온 유체")에 노출시킨 상태로 구동시킨다. 본 실시예에서 극저온 유체는 예를 들어, 액화 질소(LN2)이다.
극저온 유체(L)는 외부의 탱크(801)에서 유체 유입관(411)을 통해 베어링 캡(20)의 제1 내부 공간(21)으로 유입되고, 테스트 베어링(2)을 거치며 테스트 베어링(2)을 윤활 및 냉각시킨다. 극저온 유체(L)는 테스트 베어링(2)의 내륜(4)과 외륜(3) 사이를 통과하여, 챔버(10)의 제2 내부 공간(11)으로 유동하여 저류되었다가 유체 유출관(111)을 통해 외부로 빠져나간다(도 4 참조).
테스트 베어링(2)의 내구 수명과 관련되는 주요 요인 중 하나는 구동시 테스트 베어링(2)이 감수하는 베어링의 토크이다.
테스트 베어링(2)의 단독 토크는 구동축(30)과 함께 회전하는 내륜(4)의 회전력에 의해 전달되는 힘에 의해 외륜(3)이 받는 토크를 말한다. 외륜(3)과 결합된 베어링 캡(20)의 회전이 실질적으로 구속되지 않는다면, 외륜(3)이 받는 토크(즉, 테스트 베어링(2)의 단독 토크)는 곧 베어링 캡(20)의 토크를 의미한다.
본 실시예에 따르면, 챔버(10) 내부는 극저온 유체에 의해 극저온 환경이 형성되어 있으므로, 전자 장비를 이용해 토크를 측정하는 경우 비용과 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 시험 장치(1)는 극저온 환경의 영향을 최소화하면서도 테스트 베어링(2) 자체의 단독 토크를 측정할 수 있도록 구성된다.
도 2는 본 실시예에 따른 시험 장치(1)를 위에서 바라본 단면도이고, 도 3은 도 2의 D 영역을 확대 도시한 것이다.
본 실시예에 따르면, 테스트 베어링(2)의 단독 토크를 측정하기 위하여, 베어링 캡(20)에는 연장암(510)이 나사결합되어 있다. 연장암(510)은 베어링 캡(20)의 외면으로부터 베어링 캡(20)의 반경 방향(x축 방향)으로 연장되며, 그 일단부(512)는 챔버(10)를 관통하여 챔버(10)의 외부로 노출된다.
챔버(10)의 내부를 통과하는 연장암(510)은 튜브(511)를 통해 챔버(10)의 극저온 환경과 분리된다. 튜브(511)는 아코디언 형태의 주름진 형태를 가져서 베어링 캡(20)의 회전 자유도가 챔버(10)에 구속되는 것을 방지할 수 있다.
챔버(10)의 외부에는 x축을 길이방향 축으로 연장되는 반경 방향 로드(rod)(520)가 형성되어 있다.
반경 방향 로드(520)는 연장암(510)을 향하여 개구되는 공간을 구비하며, 해당 공간 내에는 측정암(521)이 배치된다. 측정암(521)은 베어링(522)을 통해 y 축과 평행한 y2 축을 중심으로 반경 방향 로드(520)에 대해 회전 가능하게 지지된다.
측정암(521)의 일단부(523)는 연장암(510)의 일단부(512)에 접촉한다. y2 축을 중심으로 일단부(523)의 반대편으로 연장되는 측정암(521)에는 측정암(521)의 회전 방향(도 3에서 시계 방향)의 반대 방향에서 로드 셀(load cell)(524)이 접촉하고 있다.
도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 테스트 베어링(2)의 외륜(3)에 토크가 작용하여 베어링 캡(20)에 회전력(F1)이 가해지면, 연장암(510)이 가하는 회전력(F1)에 의해 측정암(521)이 시계 방향으로 회전하려는 회전력(F2)을 받게 된다.
본 실시예에 따르면, 연장암(510)의 일단부(512)는 평평한 형태를 가지는 반면 측정암(521)의 일단부(523)는 구형 면으로 형성된다(이와 반대로도 형성될 수 있다는 것이 이해될 것이다). 따라서, 연장암(510)의 일단부(512)와 측정암(521)의 일단부(523)는 서로 점 접촉하게 된다.
이에 따라서, 측정암(521)과 연장암(510)의 접촉에 의해 연장암(510)의 회전이 방해받지 않고, 면 접촉에 따른 힘의 소실이 방지되어 정확한 토크 측정을 기대할 수 있게 된다.
시계 방향으로 회전하려는 회전력(F2)에 의해 측정암(521)은 소정의 힘(F3)으로 로드 셀(524)을 밀게 된다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따르면, 로드 셀(524)과 마주하는 위치에서 측정암(521)에 소정의 힘(F5)을 가하는 프리 로드(pre-load) 부재(525)를 포함한다. 프리 로드 부재(525)는 일종의 스프링으로서 측정암(521)을 밀어 로드 셀(524)과 측정암(521)이 접촉 상태를 유지하도록 한다. 아울러, 프리 로드 부재(525)는 정해진 프리 로드(F5)를 가하도록 형성되며, 프리 로드(F5)는 로드 셀(524)에서 측정되는 힘에서 연장암(510)을 통해 측정암(521)에 작용하는 힘(F3)의 크기를 계산하는 기준이 된다. 일 실시예에 따르면, 로드 셀(524)은 측정되는 힘(F4)에서 프리 로드(F5)를 감하여, 측정암(521)에 작용하는 힘(F3)을 측정하게 된다.
시험 장치(1)를 가동하기 앞서서, 렌치 등의 도구를 이용해 베어링 캡(20)에 소정의 토크를 가한 후, 로드 셀(524)에서 측정되는 측정암(421)에 작용하는 힘을 측정한 후, 가해진 토크와 측정된 힘 간의 관계식을 도출할 수 있다.
시험 장치(1)를 가동하였을 때, 로드 셀(524)을 통해 측정되는 힘을 기구축된 토크와의 관계식에 대입하여 테스트 베어링(2)의 단독 토크를 측정할 수 있다.
한편, 예를 들어 우주 발사체 등과 같이 테스트 베어링(2)이 사용되는 환경에 따라 테스트 베어링(2)에 큰 하중이 가해지는 경우가 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 반경 방향 로드(520)는 에어 실린더(501)와 연결되어 x 축 방향으로 이동 가능하게 형성된다. 에어 실린더(501)와 반경 방향 로드(520) 사이에는 반경 방향 로드(520)에 가해지는 반경 방향 하중을 측정할 수 있는 반경 방향 로드 셀(502)이 구비된다.
반경 방향 로드(520)는 측정암(521)을 통해 연장암(510)을 밀어 베어링 캡(20)에 반경 방향 하중을 가함으로서 테스트 베어링(2)에 가해지는 반경 방향 하중을 재현할 수 있다.
상술한 바와 같이, 연장암(510)의 일단부는 회전 가능한 측정암(521)의 일단부와 점 접촉하고 있으므로, 반경 방향 로드(520)가 연장암(510)을 강한 힘으로 미는 경우에도 연장암(510)의 회전 방향 자유도가 실질적으로 구속되지 않는다.
종래 기술에 따르면, 구동축의 축 중심으로부터 로드 셀까지의 거리와 측정된 힘을 곱하여 베어링의 단독 토크를 계산하고 있다. 하지만, 극저온 환경에서 노출된 부재들의 수축 등 여러 요인에 의해 정확한 토크를 계산하기 어려우며, 토크 계산을 위한 측정 로드가 베어링 캡의 회전 자유도를 구속하는 요인이 되었다.
본 실시예에 따르면, 연장암(510)과 분리된 측정암(521)을 통해 베어링의 단독 토크를 계산함으로써, 위와 같은 여러 오차 요인들을 해소할 수 있다.
한편, 극저온 유체(L)가 베어링 캡(20)의 측면에서 유입되는 경우, 극저온 유체(L)가 유입되는 과정에서 발생하는 압력에 의해 테스트 베어링(2)의 토크 측정에 오차가 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 유체 유입관(411)을 통해 유입되는 극저온 유체(L)를 베어링 캡(20)의 제1 내부공간(21)으로 유입시키는 냉각 유체관(410)을 베어링 캡(20)의 상단 중앙을 관통하도록 연장하여, 극저온 유체(L)가 테스트 베어링(2)의 상단 중앙으로 유도한다.
도 4는 도 1의 A 영역을 확대 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 베어링 캡(20)은 상단 프레임(201)과, 상단 프레임(201)으로부터 연장되어 테스트 베어링(2)을 감싸는 측면 프레임(202)을 포함한다.
상단 프레임(201)과 측면 프레임(202) 사이에는 테플론 재질의 가스켓(212)을 설치하여, 두 프레임 사이의 틈을 실링한다.
냉각 유체관(410)은 그 길이방향 중심축이 y축과 일치하여, 챔버(10)의 상단 프레임(112)의 중앙을 관통한다. 후술하는 바와 같이, 냉각 유체관(410)은 y축을 따라 직선 이동 가능하여야 하므로, 챔버(10)의 상단 프레임(112)과 냉각 유체관(410) 사이에는 소정의 틈이 형성되며, 상기 틈은 오링(113)을 통해 실링된다.
냉각 유체관(410)은 대경부(411)와, 대경부(411)의 단부에서 연장되는 소경부(412)를 포함한다. 본 명세서의 도면에서는 냉각 유체관(410)의 대경부(411)의 일부와 소경부(412)가 절개된 것으로 도시되었지만 이는 그 구조와 극저온 유체(L)의 흐름을 설명하기 위한 것이며, 냉각 유체관(410)는 전체적으로 원통형의 중공 튜브 형태를 가진다.
제어 밸브(802)와 압력 조절기(203)를 통해 탱크(801)로부터 일정한 양과 압력으로 유체 유입관(411)으로 공급된 극저온 유체(L)는 냉각 유체관(410)을 통해 테스트 베어링(2)의 상단 중앙으로 유도되어 제1 내부 공간(21)에 유입된다.
제1 내부 공간(21)으로 유입된 극저온 유체(L)는 균일한 압력과 분포로 구동축(30)을 중심으로 퍼져 테스트 베어링(2)으로 유동한다. 극저온 유체(L)는 테스트 베어링(2)의 내륜(4)과 외륜(3) 사이를 통과하여, 챔버(10)의 제2 내부 공간(11)으로 유동하여 저류되었다가 유체 유출관(111)을 통해 외부로 빠져나간다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 메인 샤프트(311)는 중공 형태로 이루어져 극저온 유체(L)가 메인 샤프트(311) 내부로 충진되도록 함으로써, 극저온 유체(L)를 통해 메인 샤프트(311)를 냉각시킬 수 있으며, 메인 샤프트(311)가 극저온 환경에서 구동하는 시험 환경을 재현할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 극저온 유체(L)가 제1 내부 공간(21) 내에 유입되도록 할 수 있어, 테스트 베어링(2)의 단독 토크 측정에 대한 오차를 줄일 수 있다. 아울러, 테스트 베어링(2)의 극저온 시험 환경을 균일하게 형성할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 베어링 캡(20)의 회전 자유도가 보장되어야 하므로, 베어링 캡(20)의 상단 프레임(201)으로 삽입되는 소경부(412)는 베어링 캡(20)의 상단 프레임(201)과 간극으로 가지도록 형성되며, 연결 베어링(70)을 통해 베어링 캡(20)의 상단 프레임(201)에 결합된다.
연결 베어링(70)은 소경부(412)에 끼움 결합되는 내륜(71)과, 베어링 캡(20)의 상단 프레임(201)에 고정되는 외륜(72) 및 내륜(71)과 외륜(72) 사이에 배치되는 볼(73)을 포함하는 볼 베어링이다.
연결 베어링(70)은 베어링 캡(20)과 냉각 유체관(410)을 회전 가능하게 고정하는 역할을 하지만, 베어링 캡(20)과 냉각 유체관(410)을 서로 실링하지는 못한다.
따라서, 본 실시예에 따른 시험 장치(1)는 냉각 유체관(410)의 소경부(412)의 둘레를 감싸는 링 형태의 가스켓(210)을 포함한다. 가스켓(210)은 고정 프레임(211)을 통해 베어링 캡(20)에 고정된다.
본 실시예에 따른 가스켓(210)은 가요성의 테플론 재질로 형성된다. 가스켓(210)은 제1 내부공간(21)으로 유입됨에 따라 형성되는 제1 내부공간(21)의 내외(즉, 제1 내부공간(21)과 제2 내부공간(11))의 압력차에 의해 굴절되어 베어링 캡(20)과 냉각 유체관(410) 사이의 틈을 실링한다.
도 5는 도 4의 B 영역을 확대 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 냉각 유체관(410)의 소경부(412)는 가스켓(210)이 외면 둘레를 감싸는 내측 연장부(413)과, 상기 내측 연장부(413)에 비해 짧게 형성되며 가스켓(210)의 상면을 향해 연장되는 외측 연장부(414)를 포함한다.
본 실시예에 따른 외측 연장부(414)의 단부는 뾰족하게 형성되고, 외측 연장부(414)와 내측 연장부(413)는 서로 이격되어 사이에 틈이 형성되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 극저온 유체(L)가 제1 내부공간(21)으로 유입되면, 제1 내부공간(21)에는 상대적으로 고압이 제2 내부공간(11)에는 저압이 형성된다.
도 6 및 도 7은 도 5의 C 영역을 확대도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 극저온 유체(L)가 제1 내부공간(21)으로 유입되기 전에는 가스켓(210)는 실질적으로 평평하게 형성되어 내측 연장부(413)의 둘레와 면접촉을 하고 있다. 이때, 가스켓(210)의 상면은 외측 연장부(414)의 뾰족 단부와 접촉하거나 살짝 이격될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 극저온 유체(L)가 제1 내부공간(21)으로 유입되어 제1 내부공간(21)의 내외에 압력차가 발생하면, 가스켓(210)의 단부는 저압인 쪽으로 굴절하면서, 외측 연장부(414)의 뾰족 단부와 접촉하게 된다.
이에 따라, 가스켓(210)은 가스켓(210)의 상면에서 외측 연장부(414)의 뾰족 단부에서 선접촉하게 되며, 가스켓(210)과 내측 연장부(413)는 이격되거나 선접촉하게 된다.
따라서, 가스켓(210)이 냉각 유체관(410)과 간섭하여 베어링 캡(20)의 회전 자유도를 저해하는 것을 최소화하면서도 제1 내부공간과 제2 내구공간 사이의 틈을 효과적으로 실링할 수 있다.
한편, 다시 도 1을 참조하면, 냉각 유체관(410)은 에어 실린더(401)와 연결되어 y축 방향으로 이동 가능하게 형성된다. 에어 실린더(401)와 냉각 유체관(410) 사이에는 축 방향 하중을 측정할 수 있는 축 방향 로드 셀(402)이 구비된다.
다시 도 5를 참조하면, 냉각 유체관(410)의 대경부(411)의 단부(415)는 연결 베어링(70)의 내륜(71)의 상단에 접하고 있다.
에어 실린더(401)를 통해 냉각 유체관(410)을 축 방향 아래로 밀면, 대경부(411)가 연결 베어링(70)을 밀러 베어링 캡(20)에 축 방향 하중을 가한다.
즉, 본 실시예에 따르면, 냉각 유체관(410)은 베어링 캡(20)에 축 방향 하중을 가하여 테스트 베어링(2)에 가해지는 반경 방향 하중을 재현하는 축 방향 로드(rod)를 겸용한다.
냉각 유체관(410)이 축 방향 로드를 겸용하도록 구성함으로써, 베어링 캡(20)에 유입되는 극저온 유체(L)의 유동을 최적화할 수 있으면서도, 테스트 베어링(2)에 균일한 축 방향 로드를 가할 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 시험 장치(1)는 테스트 베어링(2)의 거동 특성을 평가하는데 중요한 요소인 케이지(5)의 휘돌림 모션을 측정할 수 있는 수단을 포함한다.
다시 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 테스트 베어링(2)의 케이지(5)는 상하 방향(즉, 구동축의 축 방향)으로 돌출되는 반사면(7)을 포함한다. 본 실시예에서 휘돌림 측정에 이용되는 반사면(7)은 위쪽에 형성된 반사면이지만, 반사면을 케이지의 상하방향으로 대칭으로 형성함으로써, 테스트 베어링(2)의 대칭성에 영향을 주지 않도록 한다.
베어링 캡(2)에는 베어링 캡(2)의 측면 프레임(202)을 관통하는 광학 변위 센서(721)가 삽입된다. 광학 변위 센서(721)는 베어링 캡(2)을 관통하여 반사면(7)을 향해 빛을 조사하고 반사면(7)까지의 거리를 측정한다.
광학 변위 센서(721)는 너트(751)에 의해 베어링 캡(20)에 고정되는 시스(sheath)(741)에 의해 보호되며, 시스(741)의 둘레에는 아코디언 형태의 튜브(731)가 형성되어 광학 변위 센서(721)를 보호하는 한편, 광학 변위 센서(721)에 의해 베어링 캡(20)의 회전 자유도가 구속되지 않도록 한다.
도 2를 참조하면, 두 개의 광학 변위 센서(721)가 90도를 이루어 베어링 캡(20)에 삽입되며, 두 개의 광학 변위 센서(721)를 통해 특정되는 케이지(7)까지의 거리를 통해 도 8에 도시된 바와 같은 케이지(7)의 휘돌림 모션을 검출할 수 있다.
케이지(7)의 모션 등 테스트 베어링(2)의 구동 상태는 챔버(10)에 형성된 광측창(115)을 통해 육안으로도 확인 가능하다.
본 실시예에 따르면, 챔버(10) 내부에서 유동하는 극저온 유체(L)가 구동축(30)을 회전시키기 위한 구성에 영향을 주는 것을 방지하기 위해, 양 구성을 격리시킨다.
도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10) 외부로 연장되는 메인 샤프트(310)를 내부에 수용하도록 구동축 하우징(60)이 형성된다.
구동축 하우징(60) 내부에서 메인 샤프트(310)는 두 개의 지지 베어링(610)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
지지 베어링(610)은 내륜, 외륜 및 내외륜 사이의 볼을 구비하는 볼 베어링이다. 지지 베어링(610)의 내륜은 메인 샤프트(310)에 끼움 결합되고, 외륜은 구동축 하우징(60)과 결합된다.
구동축 하우징(60)의 상부 프레임과 챔버(10)의 하부 프레임(115) 사이는 실질적으로 이격되도록 간극이 형성되어 있어, 챔버(10)와 구동축 하우징(60)이 서로 격리된다.
구동축 하우징(60)의 내부는 상온 환경에 놓이며, 이에 따라 지지 베어링(610)은 상온 환경에서 오일로 윤활되는 일반적인 베어링이면 족하다.
구동축 하우징(60)의 하단 측벽에 형성된 오일 유입구(622)를 통해 오일이 구동축 하우징(60) 내부로 유입되고, 두 지지 베어링(610)을 통과하여 베어링(610)을 윤활한다. 지지 베어링(610)을 통해 유동한 오일은 챔버(10)와 구동축 하우정(60) 사이에 형성된 간극 통해 유동하고, 구동축 하우징(60)에 형성된 오일 유출구(621)를 통해 빠져나간다.
이와 같이, 테스트 베어링(2)과 지지 베어링(610)을 서로 격리된 공간에 분리 배치함으로써, 극저온 베어링(테스트 베어링)의 수를 저감할 수 있다. 또한, 테스트 베어링(2) 단품에 대한 특성파악이 가능해진다. 즉, 지지베어링(610))의 파손이 없을 때에는 상단에 장착되는 테스트 베어링(2)만 교체하여 실험을 진행할 수 있다.
메인 샤프트(310)를 회전시키는 구동 모터(350)는 유도 전동기로 인버터를 통해 회전계 RPM의 조절 및 가감속의 조절이 가능하다. 구동 모터(350)는 냉각수 유입구(906)에서 냉각수 유출구(907)로 유동하는 냉각수에 의해 냉각된다.
구동축(30)은 메인 샤프트(310)와 구동 모터(350)는 연결하는 연결부를 포함한다.
연결부는 메인 샤프트(310) 및 구동 모터(350)의 모터 회전축과 Y축을 따라 일렬로 연장되는 연결 회전축(330)을 구비한다. 연결 회전축(330) 및 메인 샤프트(310)와, 연결 회전축(330) 및 모터 회전축은 각각 유연한 재질의 유연 커플링(320, 340)에 의해 연결된다.
유연 커플링(320, 340)은 각 회전축의 중심이 서로 약간씩 어긋나는 것을 허용하여, 각 부간의 정렬불량을 최소화한다.
구동 모터(350)의 모터 회전축이 회전하면 유연 커플링(340)을 매개로 연결 회전축(330)이 회전하고, 연결 회전축(330)의 회전력은 유연 커플링(320)을 매개로 메인 샤프트(310)에 전달되어 메인 샤프트(310)를 회전시킨다.
본 실시예에 따른 시험 장치(1)는 위에서 설명한 토크 측정 수단, 휘돌림 측정 수단 및 하중 인가 수단 외에, 테스트 베어링(2) 및 시험 장치(1) 전반의 상태를 검지할 수 있는 각종 센서를 구비한다.
다시 도 1을 참조하면, 베어링 캡(20)으로 유입되는 극저온 유체(L)의 상태를 검지하기 위해, 유량계(804), 온도 센서(909) 및 압력 센서(908)가 유체 유입관(411)에 구비된다. 또한, 유출되는 냉각 유체의 압력 및 온도를 측정할 수 있는 압력 센서(910)와 온도 센서(902)가 구비된다.
이러한, 온도 센서, 압력 센서 및 유량계의 측정값을 이용하면, 유체의 입구와 출구부의 조건 및 실제 극저온 유체의 상 변화(기체, 액체)와 경계 조건을 확인할 수 있다.
베어링 캡(20)에는 테스트 베어링(2)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(901)가 형성된다. 도 2를 참조하면, 테스트 베어링(2)의 외륜(3)의 외경면과 닿는 부분에 작은 홀을 가공하고, 열전대(921)를 삽입하여 테스트 베어링(2)의 온도를 측정할 수 있다. 열전대(921)는 적어도 부분적으로 주름부를 구비하여 베어링 캡(20)의 회전 자유도를 구속하지 않는 튜브에 의해 보호된다. 온도 센서(901)를 이용해 테스트 베어링(2)의 발열량을 평가할 수 있다.
이와 같은 챔버(10) 및 베어링 캡(20) 외에도 시험 장치(1)의 각종 부품의 상태를 모니터링할 수 있는 각종 센서가 구비된다.
지지 베어링(610)에는 온도 센서(903)가 형성되어 지지 베어링(610)의 온도를 확인할 수 있다. 온도 센서(610)의 열전대가 지지 베어링(610)의 외륜에 직접 접촉되어 지지 베어링(610)의 외륜의 온도를 측정함으로서 지지 베어링의 운전 안정성을 확인한다.
연결 회전축(330)에는 회전계의 RPM을 측정할 수 있는 RPM 미터(900)와 토크를 측정할 수 있는 토크 미터(905)가 구비된다. 토크 미터(905) 상단부 전체의 토크를 측정함으로서 전체 테스트 환경(지지베어링부 및 테스트 베어링)의 안정성을 직접적으로 모니터링하며 실험에 임할 수 있다.
시험 장치(1)는, 시험 장치(1)로부터 발생하는 진동을 측정하는 진동 센서(904)를 포함한다. 진동 센서(904)는 구동축 하우징(60)에서 지지 베어링(610) 사이에 배치되는 변위 센서를 이용해 구성된다.
위와 같은 각종 센싱 장치 및 측정 장치를 통해 수집된 테스트 베어링(2) 및 각종 부품의 신호는 적절한 처리 장치를 통해 처리되어 컴퓨터를 통해 사용자에게 제공될 수 있다.
테스트 베어링(2)의 평가하기 위해 테스트 베어링의 구동에 따라 발생하는 테스트 베어링(2)의 고유 신호 주파수를 분류할 수 있으며, 테스트 베어링(2)의 파손 여부에 대한 정량적 평가가 가능하다.
본 실시예에 따른 베어링의 시험 장치(1)는 테스트 베어링에 반경, 축방향 부하 하중을 가하면서도, 정확한 테스트 베어링의 단독 토크 측정이 가능하다.
본 실시예에 따른 시험 장치(1)는 예를 들어, 극저온 환경이나 우주 발사체 등과 같이 특수한 환경에서 구동하는 특수 베어링의 내구성 시험에 효율적으로 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되어, 시험의 대상이 되는 테스트 베어링의 외륜에 결합되는 베어링 캡;
    상기 테스트 베어링의 내륜에 연결되어 상기 내륜을 회전시키는 구동축;
    상기 베어링 캡으로부터 상기 베어링 캡의 반경 방향으로 연장되어 상기 챔버 외부로 일 단부가 노출되는 연장암;
    상기 연장암의 일단부에 접촉하며, 상기 연장암에 의해 회전 가능하도록 형성되는 측정암을 포함하고,
    상기 외륜에 의해 상기 베어링 캡에 회전력이 가해짐에 따라 상기 연장암을 통해 상기 측정암에 작용하는 힘을 측정하여 상기 테스트 베어링의 단독 토크를 측정하고,
    서로 접촉하는 상기 연장암의 일단부 및 상기 측정암의 일단부 중 하나는 구형 면으로 형성되어, 상기 연장암의 일단부와 상기 측정암의 일단부가 점 접촉하고,
    상기 측정암의 회전 방향의 반대 방향에서 상기 측정암에 접촉하여 상기 측정암에 작용하는 힘을 측정하는 로드 셀(load cell)을 포함하고,
    상기 측정암을 회전 가능하게 지지하는 반경 방향 로드를 포함하고,
    상기 반경 방향 로드는 상기 연장암을 밀어 상기 베어링 캡에 반경 방향 하중을 가하며,
    상기 반경 방향 로드는 상기 연장암을 향하여 개구되는 공간을 구비하며, 상기 공간 내에는 상기 측정암이 상기 반경 방향 로드에 대해 회전 가능하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 시험 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 로드 셀과 마주하는 위치에서 상기 측정암에 소정의 힘을 가하는 프리 로드(pre-load) 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 시험 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정암은 상기 구동축의 회전축과 평행한 회전축을 중심으로 회전 가능한 것을 특징으로 하는 베어링 시험 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 테스트 베어링은, 상기 외륜과 상기 내륜 사이에 배치되는 복수의 볼과, 상기 복수의 볼의 위치를 고정하는 케이지를 포함하는 볼 베어링이고,
    상기 케이지는 상기 구동축의 축 방향으로 돌출되는 반사면을 포함하며,
    상기 베어링 캡에는 상기 반사면을 향해 빛을 조사하는 광학 변위 센서가 삽입되고,
    상기 광학 변위 센서를 통해 측정되는 상기 반사면까지의 거리를 통해 상기 케이지의 휘돌림 모션을 측정하는 것을 특징으로 하는 베어링 시험 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    두 개의 광학 변위 센서가 90도를 이루어 상기 베어링 캡에 삽입되는 것을 특징으로 하는 베어링 시험 장치.
KR1020160150156A 2016-11-11 2016-11-11 베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치 KR101832244B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160150156A KR101832244B1 (ko) 2016-11-11 2016-11-11 베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치
US15/399,073 US10247638B2 (en) 2016-11-11 2017-01-05 Bearing test apparatus for testing behavior of the bearing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160150156A KR101832244B1 (ko) 2016-11-11 2016-11-11 베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101832244B1 true KR101832244B1 (ko) 2018-02-27

Family

ID=61394630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160150156A KR101832244B1 (ko) 2016-11-11 2016-11-11 베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101832244B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101966270B1 (ko) * 2017-11-29 2019-04-05 제이에프이 어드밴테크 가부시키가이샤 전자 진동 성분의 제거 방법, 회전 기계 진단 방법, 및 회전 기계 진단 장치
KR20230015641A (ko) * 2021-07-23 2023-01-31 한국로봇융합연구원 웨이브제너레이터 베어링의 성능 시험 장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101579282B1 (ko) * 2014-07-23 2015-12-21 한국과학기술연구원 베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101579282B1 (ko) * 2014-07-23 2015-12-21 한국과학기술연구원 베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101966270B1 (ko) * 2017-11-29 2019-04-05 제이에프이 어드밴테크 가부시키가이샤 전자 진동 성분의 제거 방법, 회전 기계 진단 방법, 및 회전 기계 진단 장치
KR20230015641A (ko) * 2021-07-23 2023-01-31 한국로봇융합연구원 웨이브제너레이터 베어링의 성능 시험 장치
KR102578077B1 (ko) 2021-07-23 2023-09-12 한국로봇융합연구원 웨이브제너레이터 베어링의 성능 시험 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10247638B2 (en) Bearing test apparatus for testing behavior of the bearing
KR101579282B1 (ko) 베어링의 내구성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치
CN110160788B (zh) 一种滚动轴承打滑研究实验台
CN100478663C (zh) 一种测量轴承摩擦力矩的测试装置
KR101832244B1 (ko) 베어링의 거동 특성을 시험하기 위한 베어링의 시험 장치
CN111896259B (zh) 一种用于低温真空环境的陶瓷滚子轴承的加载及测试系统
Kim et al. Fault diagnosis of ball bearings within rotational machines using the infrared thermography method
JP2015175779A (ja) 摩擦試験機及び摩擦試験方法
KR101812546B1 (ko) 개선된 유체 공급 장치를 구비한 베어링의 시험 장치
US20160091403A1 (en) Apparatus for mapping liner wear of a bearing
JP2610605B2 (ja) ケーシング壁と軸との間の貫通部間隙の軸封装置
KR101789723B1 (ko) 볼 베어링의 트라이볼로지 특성 시험 장치
CN114878163B (zh) 一种高精度动压止推箔片轴承动静同步加载测试装置
STAN ON THE DURABILITY OF CENTRIFUGAL PUMPS.
JP2006177793A (ja) シース型計測器及び軸受、並びに回転機械
KR101859625B1 (ko) 회전 시스템의 비정상 거동 모사 장치
CN112945161B (zh) 深腔内孔零件安装质量的检测装置
CN113566693A (zh) 向心关节轴承径向游隙试验装置及试验方法
CN207946076U (zh) 一种可变径管道旋转检测装置
US9021855B2 (en) Torsional flow sensor
Wilkinson Measurements of the Static and Dynamic Load Performance of a Water Lubricated Hybrid Thrust Bearing
EP4269827A1 (en) Bearing lubrication monitoring probe device, system, method and assembly
KR100803068B1 (ko) 자동변속기 회전부품 동심도 검사시스템
Morad et al. Performance characterization of marine lip seals: Contact temperature and frictional torque
JP2022166613A (ja) メカニカルシール

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant