회전 기계의 주력 제품: 깊은 홈 볼 베어링 엔지니어링

평결: 깊은 홈 볼 베어링은 모든 회전 샤프트 부하의 70%를 지탱합니다.

방사형 및 축방향 하중이 결합된 고속 작동이 필요한 응용 분야의 경우 깊은 홈 볼 베어링이 가장 널리 사용되는 롤링 요소 베어링입니다. 전기 모터, 펌프, 기어박스 및 컨베이어의 모든 베어링 응용 분야의 약 70% . 직접적인 결론: 다음을 기반으로 깊은 홈 볼 베어링을 선택하십시오. 동정격 하중(C, kN), 정정격 하중(C0, kN), 속도 제한(그리스 또는 오일 윤활) 및 내부 틈새(C2, CN, C3, C4) . 동적 하중 정격이 부족한 베어링은 조기에 피로해집니다(L10 수명이 10,000시간 미만). 과도한 간격이 있는 베어링은 소음, 진동을 발생시키고 위치 정확도가 감소합니다.

기본 설계 및 로드 기능

깊은 홈 볼 베어링 내부 링, 외부 링, 케이지(리테이너) 및 깊은 궤도 홈에서 구르는 볼 세트로 구성됩니다. "깊은 홈"은 홈 반경이 볼 자체보다 약간 더 큰(일반적으로 볼 직경의 52%) 궤도 형상을 말하며 더 넓은 영역에 응력을 분산시키는 등각 접촉을 생성합니다. . 이 설계를 통해 베어링은 상당한 반경방향 하중(1차), 양방향의 적당한 축방향(추력) 하중(2차) 및 결합 하중을 동시에 수용할 수 있습니다. 축방향 하중을 받는 접촉각은 축방향 하중 크기에 따라 일반적으로 5~15도입니다.

부하율 지침: 최적의 수명을 위해서는 표준 깊은 홈 볼 베어링의 축방향 하중 대 반경방향 하중의 비율(Fa/Fr)이 0.5를 초과해서는 안 됩니다. . Fa/Fr이 0.5를 초과하는 경우 앵귤러 콘택트 볼 베어링(더 높은 축 용량)을 고려하거나 베어링 크기를 늘리십시오. 순수 축 하중(Fr=0)의 경우 깊은 홈 볼 베어링은 정 정격 하중의 최대 50%까지 축 하중을 처리할 수 있지만, 볼이 궤도의 숄더 모서리에 접촉하여 응력 상승이 발생하기 때문에 수명이 단축됩니다. 상당한 축 하중이 있는 응용 분야(예: 수직 샤프트 펌프, 추력 응용 분야)의 경우 앵귤러 콘택트 베어링이 선호됩니다.

동정격하중 및 L10 베어링 수명

동정격하중(C)은 동일한 베어링 그룹(L10 수명)의 90%가 100만 회전(3,330RPM에서 약 500시간) 동안 견딜 수 있는 일정한 레이디얼 하중입니다. 기본 L10 수명 공식: L10 = (C / P)^3 × 1,000,000회전, 여기서 P는 등가 동적 베어링 하중입니다. . C = 14kN이고 적용된 하중 P = 2kN인 베어링의 경우 L10 = (14/2)^3 × 10^6 = 7^3 × 10^6 = 343 × 10^6 회전입니다. 3,000RPM에서는 343,000,000 / (3,000 × 60) = 1,905시간입니다. 대부분의 산업 응용 분야에서 허용되는 최소 L10 수명은 10,000~20,000시간(1~2년 연속 작동)입니다. 중요한 애플리케이션(펌프, 팬, 컨베이어)의 경우 L10을 50,000시간으로 지정하십시오.

신뢰성 조정(비표준 L10): 95% 신뢰도(L5)를 얻으려면 L10에 0.62를 곱합니다. 99% 신뢰도(L1)를 얻으려면 0.21을 곱하세요. . L10 = 20,000시간인 베어링의 경우 L1 = 4,200시간입니다(베어링의 1%가 4,200시간 이전에 고장난다는 의미). 오류가 치명적인 애플리케이션(의료 기기, 항공기, 엘리베이터)의 경우 L10이 아닌 L1 수명을 고려하여 설계하세요. 표준 산업 기계의 경우 L10이면 충분합니다. 또한 ISO 281에 따라 적용 계수(윤활의 경우 a2, 오염의 경우 a3)를 적용합니다. 깨끗하고 윤활이 잘 된 베어링은 a2 = a3 = 1.0을 달성합니다. 한계 윤활 또는 오염이 있는 베어링의 계수는 0.3-0.5로 유효 수명이 50-70% 감소할 수 있습니다.

정정격하중 및 영구변형

정정격 하중(C0)은 볼과 궤도의 영구 변형이 볼 직경의 0.0001배(일반적으로 10mm 볼의 경우 0.1~0.2미크론)에 도달하는 하중입니다. 부드럽고 조용한 작동을 위해 적용된 정적 하중(충격 하중 포함)은 C0의 50%를 초과해서는 안 됩니다. . 간헐적인 작동 또는 저속 진동(10RPM 미만)이 있는 애플리케이션의 경우 정적 부하는 C0의 100%에 접근할 수 있지만 가청 소음과 진동은 증가합니다. C0 = 7.8kN인 베어링의 경우 원활한 작동을 위해 권장되는 최대 정적 하중은 3.9kN(약 400kg)입니다. 이를 초과하면 진동이 발생하고 수명이 단축되는 브리넬링(영구 압입)이 발생합니다.

충격 하중은 특히 손상됩니다. 5kN의 정적 하중이 점차적으로 가해지면 무시할 만한 손상이 발생합니다. 1밀리초 충격(해머 타격)과 동일한 5kN 하중이 가해지면 10~20배 더 높은 순간 응력이 발생하여 궤도가 영구적으로 변형됩니다. . 충격 하중이 있는 응용 분야(컨베이어, 파쇄기, 자재 취급)의 경우 계산된 정상 상태 하중의 최소 10배인 정적 정격 하중을 갖는 베어링을 선택하십시오. 또한 볼 크기가 더 큰 깊은 홈 볼 베어링을 지정하십시오(동일 보어의 경우 6000 시리즈 대 6200 시리즈). 더 큰 볼이 충격 응력을 더 넓은 영역에 분산시켜 브리넬링 위험을 줄이기 때문입니다.

내부 틈새: C2, CN, C3, C4 선택

내부 틈새(반경 방향 유격)는 무부하 상태에서 내부 링이 외부 링에 대해 반경 방향으로 이동할 수 있는 총 거리입니다. 클리어런스 등급: C2(보통보다 작음), CN(보통, 가장 일반적), C3(보통보다 큼), C4(C3보다 큼) . 온도 변화와 끼워 맞춤으로 인해 설치된 간격이 줄어들기 때문에 올바른 간격을 선택하는 것이 중요합니다. 작동 온도가 80°C 미만이고 강철 샤프트/하우징을 사용하는 대부분의 응용 분야에서는 CN 간격이면 충분합니다. 고온 응용 분야(100°C 이상)의 경우 내부 링이 외부 링보다 빠르게 팽창하여 간격이 줄어듭니다. 온도에 따라 C3 또는 C4를 지정하십시오. 하우징 확장이 샤프트 확장을 초과하는 벽이 얇은 하우징(플라스틱 또는 알루미늄)의 경우 C2 간격을 지정하십시오.

클리어런스 선택에 대한 경험 법칙: 내륜과 외륜 사이의 온도차(ΔT)가 30°C인 경우 틈새 감소는 베어링 내경 10mm당 약 0.003mm입니다. . 6205 베어링(25mm 보어)의 경우 ΔT = 30°C는 반경방향 틈새를 25 × 0.000011 × 30 = 0.0083mm(약 8미크론)만큼 줄입니다. 초기 틈새(6205의 경우 CN)가 5~15미크론인 경우 베어링은 온도에서 음의 틈새(예압)로 작동하여 과열 및 조기 고장을 일으킬 수 있습니다. ΔT > 30°C인 경우 C3 간격을 지정합니다(6205의 경우 15~25미크론). ΔT > 60°C인 경우 C4(25-35미크론)를 지정합니다. 중요한 응용 분야에 대한 최종 간격을 선택하기 전에 설치 후 실제 작동 온도를 측정하십시오.

속도 제한 및 윤활

깊은 홈 볼 베어링에는 케이지 설계, 윤활 방법 및 발열에 따라 속도 제한이 있습니다. 그리스 윤활의 경우 속도 제한(n)은 일반적으로 오일 윤활 제한의 60-80%입니다. . 속도 계수(dn 값 = 베어링 보어(mm × RPM))는 표준 비교 측정항목입니다. 스탬프 강철 케이지가 있는 그리스 윤활 강철 베어링의 경우 최대 dn은 약 300,000-400,000입니다. 25mm 보어 베어링의 경우 이는 최대 12,000-16,000RPM에 해당합니다. 가공된 황동 또는 폴리아미드 케이지가 있는 오일 윤활 베어링의 경우 dn은 600,000-800,000에 도달할 수 있습니다.

윤활유 선택: 작동 온도 -20 ~ 80°C의 경우 표준 리튬 기반 NLGI 등급 2 그리스(ISO VG 150-220 기유)가 적합합니다. . 고온(80~120°C)의 경우 폴리우레아 또는 PTFE 증점 그리스와 합성 오일(PAO 또는 에스테르)을 지정하십시오. 저온(-20°C 이하)의 경우 합성기유를 함유한 저점도 그리스(NLGI 1등급 또는 0등급)를 지정하십시오. 그리스 충전: 밀봉형 베어링(2RS 또는 2Z)의 경우 제조업체는 여유 공간의 25-35%를 채웁니다. 재급유 가능한 베어링(개방형)의 경우 초기 윤활 시 여유 공간의 30~50%를 채운 다음 작동 조건에 따라 500~2,000시간마다 재급유합니다. 과도한 그리스 주입(60% 이상 충전)은 휘젓기, 과열 및 그리스 성능 저하를 유발합니다.

쉴드, 씰 및 오염 방지

깊은 홈 볼 베어링은 실드(Z 또는 ZZ) 또는 접촉 씰(RS 또는 2RS)과 함께 사용할 수 있습니다. 실드(금속)는 그리스가 약간 빠져나가고 마찰 증가가 미미할 정도로 큰 잔해로부터 보호해 줍니다(개방보다 토크가 5-10% 더 높음). . 실드는 가끔 윤활유 교환이 필요한 청정 환경(예: 전기 모터)에 적합합니다. 씰(고무, 일반적으로 니트릴 또는 불화탄성중합체)은 먼지와 습기에 대한 접촉 밀봉을 제공하지만 마찰 토크를 50-100% 높이고 속도 제한을 20-30% 줄입니다. 더러운 환경(제재소, 건설 장비, 식품 가공)의 경우 2RS(이중 씰)를 지정하십시오. 세척 용도(식품 가공, 세차)의 경우 녹 방지를 위해 스테인레스 스틸 베어링(마르텐사이트 또는 440C 등급)이 포함된 2RS를 지정하십시오.

씰 온도 제한: 니트릴 고무(표준) 씰의 정격 온도는 100°C입니다. 플루오로엘라스토머(Viton)는 200°C까지 밀봉됩니다. . 고온 응용 분야(오븐, 건조기, 용광로)의 경우 Viton 씰을 지정하십시오. 진공 응용 분야(10⁻³ mbar 미만)의 경우 밀봉이 가스를 배출하고 진공 상태에서는 밀봉에 실패하므로 차폐 베어링(밀봉되지 않음)을 지정하십시오. 물이나 증기에 노출된 베어링의 경우 방수 그리스(황산칼슘 또는 알루미늄 복합체)가 포함된 밀봉 베어링을 지정하십시오. 현장 데이터에 따르면 씰은 부식과 윤활유 유실을 유발하는 물의 유입을 방지하기 때문에 습한 환경에서 밀봉형 베어링이 차폐형 베어링보다 3~5배 더 오래 지속되는 것으로 나타났습니다.

재료: 크롬강 vs. 스테인리스 vs. 하이브리드 세라믹

깊은 홈 볼 베어링 링 및 볼의 표준 재료는 SAE 52100 크롬강(고탄소 크롬 합금강)입니다. 52100 강철은 경도가 60-64 HRC이고 구름 접촉 피로 강도가 우수하며 내식성이 적당합니다. . 내식성이 요구되는 응용 분야(식품 가공, 해양, 화학)의 경우 링 및 볼에 AISI 440C 스테인레스 스틸(경도 58-60 HRC)을 지정하십시오. 440C 스테인리스는 52100의 부하 용량의 70-80%를 갖지만 대부분의 응용 분야에 적합합니다. 극도의 내식성(염수, 산성 용액)을 위해서는 질화 규소(세라믹) 볼이 포함된 316 스테인리스 링을 지정하십시오. 이 하이브리드 베어링은 비자성이며 완전히 내부식성이 있지만 가격은 표준 강철의 5~10배입니다.

하이브리드 베어링(스틸 링, 세라믹 볼)은 더 높은 속도 성능(세라믹 볼은 더 가벼워 원심력 감소)과 전기 절연 기능을 제공합니다. 질화규소(Si3N4) 세라믹 볼은 강철보다 밀도가 60% 낮고 속도 제한이 30~50% 더 높습니다. . 하이브리드 베어링은 또한 전기 모터의 전기 홈 손상을 방지합니다(세라믹 볼은 비전도성임). 가변 주파수 구동(VFD) 모터의 경우 홈(전동면의 빨래판 패턴)을 유발하는 베어링 전류를 방지하기 위해 하이브리드 깊은 홈 볼 베어링을 지정합니다. 하이브리드 베어링이 없는 VFD 모터에서는 베어링 고장이 6~18개월 내에 발생합니다. 하이브리드 베어링의 수명은 5~10년입니다.

케이지(리테이너) 종류

케이지는 볼을 분리하고 로드 존을 통해 안내하며 볼과 볼의 접촉을 방지합니다. 스탬핑된 강철 케이지(리벳 또는 스냅)는 깊은 홈 볼 베어링의 70-80%에 표준입니다. . 경제적이고 강력하며 최대 150°C의 온도에서 작동합니다. 그러나 속도 성능이 제한되어 있으며(dn = 최대 300,000) 극도로 빠른 속도나 진동에는 권장되지 않습니다. 가공된 황동 케이지(2피스 리벳)는 고속 응용 분야(dn = 600,000), 고온(300°C) 및 심각한 진동 환경에 사용됩니다. 황동 케이지는 강철 케이지보다 3~5배 비싸지만 윤활 상태가 좋지 않은 경우 속도 제한이 30~50% 더 높고 수명도 더 깁니다.

폴리아미드(나일론) 케이지는 가볍고 고속 특성이 뛰어나며 작동이 조용합니다. 폴리아미드 케이지는 전기 모터 및 가전 제품에 사용되는 중소형 베어링(내경 100mm 미만)에 표준으로 사용됩니다. . 그러나 폴리아미드는 120°C 이상에서 분해되며 특정 윤활제(공격적인 EP 첨가제)의 영향을 받습니다. 100°C 이상의 온도 또는 극압 윤활제의 경우 황동 또는 강철 케이지를 지정하십시오. 진공 응용 분야의 경우 폴리아미드는 가스를 방출하고 부서지기 쉽습니다. 강철 또는 황동을 지정하십시오. 윤활제 호환성이 중요한 의료 및 식품 가공 응용 분야의 경우 특정 윤활제를 테스트한 경우 폴리아미드가 허용됩니다.

장착: 샤프트 및 하우징 맞춤

올바른 샤프트 및 하우징 맞춤은 올바른 베어링 작동에 필수적입니다. 회전하는 내부 링 하중(대부분의 응용 분야)의 경우, 크리프(샤프트의 회전)를 방지하기 위해 샤프트에 억지 끼워 맞춤(샤프트 공차 k5, k6 또는 m6)이 있어야 합니다. . 25mm 샤프트의 경우 k6 공차는 2~15미크론 간섭을 제공하여 대부분의 응용 분야에 적합합니다. 하우징에는 열팽창을 위한 축방향 이동을 허용하기 위한 여유 끼워 맞춤(H7 공차)이 있어야 합니다. 외륜 회전 하중(편심 샤프트, 불균형 하중)의 경우 하우징에는 억지끼워맞춤(P7 또는 N7)이 있어야 하고 샤프트에는 헐거운 끼워맞춤(h6)이 있어야 합니다. 잘못된 맞춤 선택은 마모 부식(느슨한 맞춤) 또는 과도한 예압(단단한 맞춤)을 유발합니다.

캘리퍼스가 아닌 마이크로미터로 측정하세요. 25mm 샤프트의 경우 k6(최대 25.015mm, 최소 25.002mm)과 h6(최대 25.000mm, 최소 24.987mm)의 차이는 15-28미크론입니다. 이는 마이크로미터로 쉽게 측정할 수 있지만 캘리퍼 정확도의 한계에 있습니다. . 설치하기 전에 샤프트에 흠집, 거친 부분 또는 긁힌 자국이 있는지 검사하십시오. 5미크론 이상의 결함은 베어링 보어에 함몰되어 작동 정확도에 영향을 미칩니다. 알루미늄 또는 플라스틱 하우징의 경우 간섭으로 인해 하우징이 변형될 수 있으므로 간섭 끼워 맞춤 대신 접착 본딩(고정 화합물)을 사용하십시오.

설치 방법: 기계적 vs. 열적

베어링을 샤프트에 망치로 두드리지 마십시오. 브리넬이 궤도에 충격을 가하는 경우가 있습니다. 기계식 프레스(최대 40mm 보어의 작은 베어링의 경우) 또는 열팽창(큰 베어링의 경우)을 사용하십시오. 열 설치의 경우 유도 히터 또는 오일 배스를 사용하여 베어링을 80-100°C(120°C 이하)로 가열합니다. . 가열하면 내부 링이 확장되어 샤프트에 슬립핏이 가능해집니다. 샤프트 장착의 경우 베어링을 가열하고 안착될 때까지 샤프트 위로 밀어 넣습니다. 하우징 장착의 경우 베어링(드라이아이스 또는 냉동고 -40°C)을 냉각시켜 외부 링을 수축시킨 다음 하우징에 떨어뜨립니다. 밀봉되거나 차폐된 베어링을 80°C 이상으로 가열하지 마십시오. 밀봉 또는 그리스가 손상될 수 있습니다.

장착되는 링에만 힘을 가하십시오. 샤프트에 장착할 때는 내부 링에만 힘을 가하십시오. 외부 링을 누르면 볼을 통해 힘이 전달되어 궤도가 찌그러집니다. . 하우징에 장착할 때는 외부 링에만 힘을 가하십시오. 베어링 표면의 손상을 방지하려면 장착 슬리브나 부드러운 금속 도구(황동 또는 알루미늄)를 사용하십시오. 설치 후 베어링을 손으로 회전시키십시오. 울퉁불퉁한 부분(거친 부분)이나 바인딩(과도한 저항) 없이 부드럽게 회전해야 합니다. 노치(Notchiness)는 부적절한 장착으로 인한 브리넬링을 나타냅니다. 바인딩은 잘못된 간격이나 정렬 불량을 나타냅니다.

윤활 재급지 간격

재급유 가능한(개방형) 깊은 홈 볼 베어링의 경우 재급유 간격은 작동 조건에 따라 다릅니다. 일반 조건(온도 40~70°C, 깨끗한 환경, 수평 샤프트)의 경우 2,000~4,000시간마다 또는 6개월마다 그리스를 다시 바르십시오. . 가혹한 조건(온도 >80°C, 높은 습도, 오염, 수직 샤프트)의 경우 500~1,000시간마다 또는 매월 다시 그리스를 바르십시오. 전기 모터(연속 작동, 40~60°C)의 경우 3,000~5,000시간(4~6개월)마다 그리스를 다시 바르십시오. 팬 및 송풍기(경부하, 깨끗한 공기)의 경우 4,000~8,000시간마다 그리스를 다시 바르십시오. 펌프(청수, 20~40°C)의 경우 2,000~4,000시간마다 그리스를 다시 바르십시오.

그리스 양: 6205 베어링(OD 47mm, ID 25mm)의 경우 그리스를 다시 바르는 동안 1.5-2.5g의 그리스를 추가하십시오. . 그리스가 너무 적으면(1g 미만) 기아 상태가 발생하고 빠르게 마모됩니다. 너무 많이(5g 이상) 사용하면 휘젓기, 과열, 그리스 누출의 원인이 됩니다. 그리스 피팅(저크 피팅)이 있는 베어링의 경우 씰에 깨끗한 그리스가 나타날 때까지 또는 약간의 저항이 느껴질 때까지 천천히 펌핑합니다(초당 1펌프). 피팅이 없는 베어링의 경우 분해하여 그리스를 다시 바르십시오. 실용적이지 않습니다. 밀봉형 베어링(2RS)을 지정하고 그리스 품질이 저하되면 베어링을 교체하십시오.

고장 모드 및 근본 원인 분석

깊은 홈 볼 베어링 고장은 육안 검사로 진단할 수 있습니다. 궤도의 박리(쪼개짐): 고전적인 피로 파괴; L10 수명 초과 또는 부하 초과 설계를 나타냅니다. . 브리넬링(볼 피치 간격으로 패인 자국): 설치 중 충격 하중이나 망치질로 인해 발생합니다. 번짐(볼과 궤도 사이의 용접): 윤활이 부족하거나 속도가 너무 높습니다. 폴스 브리넬링(볼 위치의 얕은 마모 자국): 정지 상태에서 진동(운송 기계). 변색(링/볼의 파란색/갈색 링): 과열(>150°C), 종종 고속, 낮은 윤활유 또는 과도한 예압으로 인해 발생합니다.

부식(적색/갈색 녹): 습기 침투; 밀봉을 개선하거나 스테인리스 베어링을 사용하십시오. 전기 홈(반투명 외관의 전선면에 있는 빨래판 패턴): 전류 통과; 하이브리드 베어링 또는 절연 베어링 사용 . 케이지 손상(케이지 깨짐 또는 부러짐): 과도한 진동, 케이지 한계를 넘는 속도 또는 충격 부하를 유발하는 윤활유 부족. 각 고장 모드에 대해 베어링을 교체하기 전에 근본 원인을 식별하십시오. 동일한 조건에서 새 베어링을 설치하면 오류가 재현됩니다. 중요한 장비의 경우 분석을 위해 고장난 베어링을 실험실로 보냅니다(오염 식별을 위한 SEM/EDX, 지하 피로를 위한 금속 절편).