더 나은 성능을 위해 볼 베어링이 기계의 마찰을 줄이는 방법 이해

최근 한 유지보수 엔지니어가 이상한 문제를 설명했습니다. 컨베이어 라인의 15kW 모터는 명판 온도보다 12K 높은 온도에서 계속 작동했습니다. 샤프트 씰 주변의 그리스가 변색되었고 월별 에너지 수치가 상승했습니다. 모터는 괜찮았습니다. 베어링은 그렇지 않았습니다. 적절한 크기의 깊은 홈 볼 베어링이 마모된 슬리브 부싱을 교체하자 모터 온도는 몇 시간 내에 정상으로 돌아왔습니다. 이것이 바로 "볼 베어링이 기계의 마찰을 어떻게 줄이는가"라는 질문이 실제 생활에서 나타나는 모습입니다.

짧은 대답은 볼 베어링이 미끄럼 마찰을 구름 마찰로 대체한다는 것입니다. 볼과 궤도 사이의 구름 접촉은 윤활된 슬라이딩 표면의 마찰 계수의 약 1/100이므로 볼 베어링은 마찰 손실을 극적으로 줄입니다. 이는 낭비되는 에너지가 적고, 열이 적고, 마모가 느려지고, 기계 수명이 길어진다는 의미입니다.

롤링 접촉이 슬라이딩 접촉을 능가하는 이유

서로 반대 방향으로 움직이는 두 표면은 마찰을 발생시킵니다. 두 개의 평면 또는 원통형 표면이 미끄러질 때 접촉 면적은 상대적으로 크고, 이를 계속 움직이게 하는 데 필요한 힘은 재료 간의 마찰 계수에 따라 달라집니다. 슬리브 베어링에서 회전하는 일반 샤프트는 윤활이 잘 된 경우에도 일반적으로 마찰 계수가 0.08에서 0.15 사이입니다. 윤활이 무너지면 그 값은 0.4 이상으로 올라갑니다.

볼 베어링은 그림을 완전히 바꿉니다. 하중은 곡선형 궤도 내부를 구르는 경화된 강철 볼에 의해 전달됩니다. 넓은 영역을 긁는 대신 각 공은 작은 접촉 패치를 가로질러 굴러갑니다. 이것이 적절하게 윤활된 깊은 홈 볼 베어링의 마찰 계수가 일반적으로 0.001~0.005인 이유이며, 이는 슬라이딩 접촉보다 1~2자리 더 낮습니다.

볼 베어링 내부에서 실제로 일어나는 일

볼 베어링이 마찰을 효과적으로 줄이는 이유를 이해하려면 움직이는 부품을 살펴보는 것이 도움이 됩니다. 볼 베어링에는 내부 링, 외부 링, 볼 세트 및 케이지의 네 가지 기능 그룹이 있습니다. 내부 링이 샤프트에 눌려져 있습니다. 외부 링은 하우징에 위치합니다. 샤프트가 회전하면 내부 링이 회전하고 볼이 두 링의 궤도 홈을 따라 굴러갑니다.

각 볼과 궤도 사이의 접촉은 단일 지점이 아니라 하중에 따른 탄성 변형에 의해 형성된 작은 타원형 영역으로, 일반적으로 헤르츠 접촉이라고 합니다. 적당한 하중에서도 해당 영역은 일반 베어링의 슬라이딩 접촉 영역에 비해 작습니다. 공은 미끄러지기보다는 굴러가기 때문에 접촉 시 상대 속도는 훨씬 낮고 마찰로 인해 소산되는 에너지는 급격히 떨어집니다.

볼 베어링은 마찰이 전혀 없는 것은 아닙니다. 구름 저항은 강철의 탄성 히스테리시스, 볼과 궤도 사이의 미세 미끄러짐, 케이지 마찰, 윤활막 전단으로 인해 발생합니다. 이러한 구성 요소는 작지만 정밀 응용 분야에서는 중요합니다. 이것이 베어링의 형상, 표면 마감 및 재료 품질이 베어링이 생성하는 마찰량에 직접적인 영향을 미치는 이유입니다.

베어링 마찰을 높이거나 낮추는 요인

원활하게 작동하는 베어링과 과열되는 베어링의 차이는 종종 몇 가지 작동 요소로 귀결됩니다. 이를 이해하면 엔지니어가 올바른 베어링을 선택하고 조기 고장을 방지하는 데 도움이 됩니다.

부하 및 속도

하중이 증가함에 따라 변형 접촉 면적이 증가하고 구름 저항이 증가합니다. 축방향 하중은 특히 영향을 미칩니다. 깊은 홈 베어링이 지속적인 스러스트 하중을 처리하도록 하면 마찰이 눈에 띄게 증가합니다. 더 높은 속도에서는 원심력이 볼을 바깥쪽으로 밀어 내부 하중을 추가하고 마찰 토크를 증가시킵니다.

윤활

올바른 그리스는 볼과 궤도 사이에 얇은 막을 유지하여 표면을 분리하고 마찰과 마모를 줄입니다. 과도한 그리스 공급은 흔한 실수입니다. 베어링 캐비티를 저속에서 약 30%, 고속에서 20% 이상 채우면 휘젓기가 발생하고 작동 온도가 높아집니다.

물개와 방패

ZZ로 지정된 비접촉 금속 실드는 큰 입자를 차단하고 마찰을 거의 추가하지 않습니다. 2RS로 지정된 접촉식 고무 씰은 습기와 미세 먼지에 대해 더 강력한 보호 기능을 제공하지만 내부 링과 마찰하여 저항을 추가합니다. 습하거나 세척된 환경에서는 추가 마찰이 일반적으로 보호를 위한 공정한 대가입니다.

장착 및 예압

하우징 보어와 샤프트 사이의 정렬 불량 또는 압입 설치 중 외부 링의 뒤틀림은 내부 응력과 마찰을 증가시킵니다. 예압 베어링은 틈새를 제거하기 위해 의도적으로 조여져 강성을 향상시키지만 마찰을 추가합니다. 애플리케이션에서 실제로 필요한 경우에만 예압을 적용하십시오.

올바른 베어링 설계 선택

대부분의 산업용 회전 장비의 경우 깊은 홈 볼 베어링이 가장 먼저 선택됩니다. 왜냐하면 반경방향 하중과 적당한 축방향 하중을 모두 전달하면서 일반 롤링 베어링 중 가장 낮은 마찰을 제공하기 때문입니다. 이는 또한 가장 경제적인 옵션이며 이 시리즈는 모터, 펌프, 기어박스 및 컨베이어 롤러에 대한 광범위한 보어 크기와 정격 부하를 포괄합니다. 일반적인 기계 설계에서는 6200 시리즈 깊은 홈 볼 베어링 신뢰할 수 있는 기준선 역할을 합니다.

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지속적인 축 하중이 있거나 추력 및 방사형 하중 패턴이 결합된 응용 분야에는 앵귤러 콘택트 베어링이 필요합니다. 내부 접촉각은 한 방향의 축 용량을 향상시키지만 각진 형상은 깊은 홈 베어링에 비해 마찰도 증가시킵니다. 올바르게 로드된 베어링은 과부하된 베어링보다 마찰이 적기 때문에 설계자는 이러한 절충안을 받아들입니다. 7000 시리즈 앵귤러 콘택트 볼 베어링 이러한 조건에 대한 표준 선택입니다.

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재료 선택은 마찰 이야기에 또 다른 레이어를 추가합니다. 부식은 기계가 화학 증기, 세척 세척, 해수 또는 높은 습도에 노출되는 경우 몇 주 만에 표준 크롬강 레이스웨이를 거칠게 만듭니다. 표면이 거칠다는 것은 마찰이 더 높다는 것을 의미하므로 재료 선택이 베어링의 장기적인 성능을 좌우할 수 있습니다.

실제로 낮은 마찰이 의미하는 것

낮은 베어링 마찰은 측정 가능한 방식으로 나타납니다. 즉, 전력 소비 감소, 작동 온도 감소, 그리스 성능 저하 감소, 베어링 수명 연장 등이 있습니다. 많은 유지보수 팀이 사용하는 경험적 법칙은 베어링 온도가 10K 감소할 때마다 그리스 수명이 두 배로 늘어나고 베어링 피로 수명이 크게 연장된다는 것입니다. 에너지 절약은 다소 미약하지만 여전히 현실적입니다. 6개 또는 8개의 베어링이 있는 기계에서는 손실이 큰 슬라이딩 베어링과 고품질 볼 베어링 간의 차이가 전체 모터 전력 소모의 몇 퍼센트를 차지할 수 있습니다.

이것이 베어링 선택이 기계적인 결정만큼이나 경제적인 결정인 이유입니다. 잘못된 형상, 거친 궤도 또는 작은 볼이 있는 베어링은 마찰을 증가시키고 열을 발생시키며 조기에 고장납니다. 베어링에 결함이 발생하면 교체 부품은 가동 중지 시간, 인건비, 연결된 장비 손상 등의 총 비용의 극히 일부에 불과합니다.

적용 환경은 올바른 베어링 제품군을 선택하기 위한 가장 강력한 신호 중 하나입니다. 식품 가공 라인, 제약 공장, 수처리 시설 및 화학 공장에서 세척액 및 부식성 증기는 몇 주 내에 표준 탄소강 베어링을 손상시킵니다. 궤도가 움푹 패이고 거칠어지고 마찰이 증가하며 모터는 더 많은 전류를 소비합니다. 이러한 조건에 대한 실용적인 대답은 접촉 씰이 있는 스테인리스강 베어링입니다. 해당 산업에서 우리가 계획하는 조건은 우리의 문서에 설명되어 있습니다. 화학 및 전기도금 애플리케이션 노트 . 세척 및 위생 표준이 결정적인 요소인 경우, SS 6200 시리즈 스테인레스 스틸 깊은 홈 볼 베어링 부식 공격을 받는 크롬강보다 훨씬 오랫동안 궤도를 매끄럽게 유지합니다.

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구름 접촉이 다양한 베어링 제품군에서 어떻게 마찰을 줄이는지 더 폭넓게 살펴보려면 깊은 홈 및 앵귤러 콘택트 볼 베어링 가이드 차이점을 자세히 설명합니다.

결론

기계의 마찰은 미스터리가 아니며 볼 베어링은 간단한 이유 때문에 마찰을 줄입니다. 구름 접촉은 미끄럼 접촉보다 훨씬 적은 에너지를 소모합니다. 모든 이점을 얻으려면 올바른 베어링 유형, 재료, 씰 및 윤활을 선택한 다음 정렬 불량 없이 설치해야 합니다. 이러한 모든 요소가 결합되면 볼 베어링은 거의 눈에 띄지 않게 제 역할을 수행하며, 이것이 바로 잘 설계된 기계가 작동해야 하는 방식입니다.