베어링 수명 계산: 공식, 부하율 및 실제 서비스 시간

9개월 후에 고장이 나는 기어박스 베어링은 잘못된 연산의 결과인 경우가 거의 없습니다. 베어링 수명 계산은 간단한 공식이지만 생성되는 숫자는 카탈로그가 아닌 기계에서 제공되는 입력, 즉 등가 동적 하중, 실제 작동 속도, 윤활막 및 오염 수준에 따라 달라집니다.

앞에 언급된 대답은 기본 정격 수명이 L10 = (C / P)^p를 따른다는 것입니다. 여기서 C는 동정격 하중, P는 등가 동적 하중, p는 볼 베어링의 경우 3, 롤러 베어링의 경우 10/3입니다. 부하 비율이 거듭제곱되기 때문에 결과는 방정식의 다른 것보다 P에 훨씬 더 민감합니다. 부하 비율을 0.10에서 0.12로 이동하면 계산된 수명의 약 42%가 제거되며 고급 그리스는 이를 되돌려주지 않습니다.

다음 내용은 공식 자체, 이론적 L10을 유지 관리 계획을 세울 수 있는 숫자로 바꾸는 조정 요소, 부하, 조건 및 베어링 유형에 대한 4가지 시각적 비교, 서비스 간격을 확정하기 전에 실행할 짧은 체크리스트를 다룹니다.

기본 공식과 실제 사례

기본 정격 수명 L10은 동일한 베어링 그룹의 90%가 재료 피로의 첫 징후가 나타나기 전에 도달하거나 초과하는 수명입니다. 일반적으로 수백만 회전으로 표시되며, 속도를 알면 시간으로 변환됩니다.

L10 = (C / P)^p, 수백만 회전. L10h = (1,000,000 / (60 n))에 (C / P)^p를 곱합니다(작동 시간). 여기서 n은 분당 회전수로 표시되는 속도입니다.

동적 용량 C가 14kN, 등가 하중 P가 1.4kN, 샤프트 속도가 1,500rpm인 작은 깊은 홈 볼 베어링을 사용합니다. 부하율은 0.10이므로 L10은 10억 회전, L10h는 약 11,111시간, 즉 약 15개월 연속 운전에 해당합니다. 실제 하중을 1.68kN으로 올리면 비율이 0.12가 되므로 동일한 베어링을 사용하면 약 6,400시간이 됩니다. 그 외에는 아무것도 바뀌지 않았습니다.

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공식은 완전히 발달된 윤활막, 올바른 피팅, 정렬 불량 및 오염이나 표류 전류로 인한 마모가 없다고 가정합니다. 기본 정격 수명은 이를 이상적인 조건으로 간주하므로 각 가정을 별도로 확인해야 합니다.

부하 비율이 결과를 지배하는 이유

수명은 부하율을 p만큼 높인 것에 비례하므로 결과적으로 부하의 변화가 증폭됩니다. 하중을 두 배로 늘리면 볼 베어링의 수명이 그 값의 8분의 1로 줄어들고, 동일한 두 배로 인해 롤러 베어링은 약 10분의 1로 줄어듭니다. 그 관계의 모양은 숫자표보다 차트에서 읽기가 더 쉽습니다.

부하율 대비 기본 정격 수명

곡선은 1,500rpm에서의 기본 정격 수명을 시간 단위로 보여주며, 0.05~0.30의 부하 비율에 대해 표시됩니다. 수직 축은 대수이므로 각 그리드 선은 고정된 단계가 아닌 10배의 변화를 나타냅니다. 부하율을 0.05에서 0.10으로 낮추면 수명이 88,889시간에서 11,111시간으로 8배가 됩니다. 0.20과 0.30 사이에서는 이 척도에서 곡선이 더 평평해 보이지만 값은 여전히 ​​1,389시간에서 411시간으로 떨어집니다. 실용적인 점은 추가 로드의 처음 몇 퍼센트가 마지막 몇 퍼센트보다 훨씬 더 많은 수명을 소비한다는 것입니다. 이것이 바로 로드 측정이 산술보다 더 많은 관심을 받을 가치가 있는 이유입니다.

등가 동적 하중: 대부분의 계산이 잘못된 경우

P는 베어링이 회전하는 내부 링과 함께 순수 레이디얼 하중을 전달하지 않는 한 도면에서 읽은 레이디얼 하중이 아닙니다. 방사형 힘과 축방향 힘이 함께 작용할 때 P = X 곱하기 Fr 더하기 Y 곱하기 Fa, X 및 Y 계수는 베어링 데이터 시트에서 나옵니다.

깊은 홈 볼 베어링의 경우 일반적으로 0.22에서 0.44 사이인 값 e에 대한 축방향 하중과 반경방향 하중의 비율에 따라 축항이 포함되는지 여부가 결정됩니다. 앵귤러 콘택트 베어링은 1.0~2.2 범위의 Y 값을 사용합니다. 따라서 헬리컬 기어, 수직 펌프 또는 잘못 정렬된 커플링으로 인한 적절한 축력은 유효 하중에 30~60%를 추가할 수 있으며, 3차 지수는 이를 훨씬 더 짧은 수명으로 전환합니다.

레이아웃 도면에는 전혀 나타나지 않는 힘(벨트 당김, 불균형 질량, 체인 장력, 내부 여유 공간을 소모하는 억지 끼워맞춤으로 생성되는 추가 하중)도 그만큼 중요합니다. 기계 설계자와의 짧은 대화가 계산 실패보다 더 저렴합니다.

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결합된 하중이 불가피하고 공간이 좁은 경우 복열 앵귤러 콘택트 설계는 반경 방향 힘과 축 방향 힘을 하나의 장치로 전달하므로 계산에서 설명해야 하는 베어링 배열과 하중 사례가 모두 단순화됩니다.

여유 공간, 예압 및 온도는 가정한 하중을 변경합니다.

예압 베어링은 이미 일정한 축 하중이 적용된 상태로 사용되며 예압이 P의 가장 큰 단일 구성요소가 될 수 있는 경부하 위치에서 사용됩니다. 예압은 강성을 높이고 소음을 낮추지만 수명 목표에 맞춰 선택해야 하므로 이해하는 데 도움이 됩니다. 예압과 틈새가 작동 하중을 어떻게 변화시키는가 값이 확정되기 전에.

온도는 다른 방향에서 작용합니다. 하우징보다 40도 더 따뜻하게 작동하는 샤프트는 하우징에 비해 커지며, 내부 틈새가 작으면 베어링이 축 방향으로 끼게 됩니다. 이 참고 사항에 설명된 대로 온도 상승이 간격을 소비하고 접촉각을 이동하기에 충분할 만큼 일반적인 모터 응용 분야에서도 동일한 메커니즘이 나타납니다. 깊은 홈 볼 베어링의 열팽창 .

두 효과 모두 종이에 사용된 값보다 실제 부하를 증가시키므로 계산을 설계 결정을 대체하는 것이 아니라 설계 결정에 대한 확인으로 취급하십시오.

조정된 정격 수명: 신뢰성, 윤활 및 재료

10%의 실패 확률을 허용할 수 있는 애플리케이션은 거의 없습니다. 수정된 정격 수명은 기본 값에 조정 계수를 곱합니다. Lnm = a1 곱하기 aISO 곱하기 L10. 신뢰도 인자 a1은 목표가 높아질수록 급격하게 떨어진다.

작동 조건 계수 aISO는 모든 것 중에서 가장 넓은 범위를 생성합니다. 깨끗한 오일과 두꺼운 윤활막이 있는 기계에서는 계수가 1.5를 초과할 수 있는 반면, 물이 침투하는 경계막은 이를 0.3 이하로 낮출 수 있습니다. 아래 막대는 기본 수명이 8,000시간인 베어링에 대한 스프레드가 시간 단위로 무엇을 의미하는지 보여줍니다.

다양한 작동 조건에서 조정된 수명

5개 바 모두 동일한 기본 수명 8,000시간에서 시작하며 서로 다른 작동 조건 요소를 적용합니다. 깨끗한 오일에서 작동하는 밀봉된 베어링은 13,600시간에 달하는 반면, 심하게 오염된 하우징에서 동일한 베어링은 2,000시간으로 떨어집니다. 상단바와 하단바 사이의 간격은 윤활과 오염만으로 수명이 11배 이상 늘어납니다. 이 비교에서는 부하가 변경되지 않았으며 동적 용량 C는 모든 경우에 동일합니다. 따라서 가장 큰 단일 이득은 더 큰 베어링을 주문하는 것보다 베어링을 보호하는 것에서 비롯됩니다.

볼 또는 롤러: 올바른 지수 선택

접촉 형상이 다르기 때문에 지수가 다릅니다. 볼 베어링은 p = 3을 사용하고 롤러 베어링은 p = 10/3을 사용하며 이러한 분수 지수는 롤러 베어링이 동일한 하중 비율에서 더 긴 계산 수명을 나타내는 주된 이유입니다. 아래 비교에서는 엔벨로프와 속도를 동일하게 유지하여 지수만 변경합니다.

세 가지 부하 비율의 볼 베어링과 롤러 베어링

차트는 세 가지 부하 비율(모두 1,500rpm)에서 유사한 엔벨로프의 볼 베어링과 롤러 베어링을 비교합니다. 0.10의 부하비에서 롤러 베어링은 볼 베어링의 11,111시간에 비해 약 23,900시간에 도달합니다. 하중이 증가함에 따라 절대 간격은 좁아지지만 롤러 베어링은 표시된 범위 전체에서 대략 1.7~2.2배의 이점을 유지합니다. 이러한 이점은 동일한 부하 비율에 3 대신 10/3의 지수를 적용하는 것에서 비롯됩니다. 또한 롤러 베어링은 마찰이 더 높고 정렬 불량에 대한 민감도가 더 높기 때문에 추가 시간이 공짜가 아닙니다.

다양한 부하 및 속도: 듀티 사이클 방법

대부분의 기계는 평생 동안 하나의 부하와 하나의 속도로 작동하지 않습니다. 작업 주기를 여러 조건으로 나누고 각 조건의 시간 분배 q를 추정한 후 이를 하나의 등가 부하로 결합합니다.

일정한 속도에서 등가 하중은 세제곱 평균입니다. Pm은 q의 합에 P 세제곱을 곱한 세제곱근과 같습니다. 롤러 베어링의 경우 3 대신 지수 10/3을 사용합니다. 속도도 변경되면 각 조건에 대해 L10h를 계산한 다음 결과를 결합합니다. 총 수명은 시간 부분의 합을 개별 수명으로 나눈 역수입니다.

듀티 사이클 계산을 통해 사이클의 어느 부분에 주의를 기울여야 하는지도 알 수 있습니다. 작동 시간의 20%가 계산된 수명의 대부분을 소모하는 것이 일반적이며, 이 조건은 하중이나 정렬의 작은 변화가 가장 빨리 회수되는 조건입니다.

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롤러 요소는 듀티 사이클의 고부하 부분에 자주 사용됩니다. 왜냐하면 최고 조건이 전체 손상을 지배할 때 지수가 높을수록 더 큰 부하 용량을 보상하기 때문입니다.

계산하기 전에 베어링 유형 비교

공식은 특정 유형의 베어링 순위를 정확하게 지정하지만 처음에 어떤 유형을 사용해야 하는지 알려주지는 않습니다. 기계가 컴팩트한 봉투 내부에서 양방향으로 축 용량을 필요로 하는 경우, 복열 앵귤러 콘택트 베어링 일반적인 대답이며, 일단 결합된 하중이 올바르게 설명되면 축 요소가 경쟁력을 갖게 됩니다.

수명을 결정하는 6가지 속성

레이더는 최종적으로 계산에 입력하는 수명에 영향을 미치는 6가지 속성에 대한 두 가지 일반적인 배열을 비교합니다. 단열 깊은 홈 볼 베어링은 소음, 정렬 불량 공차 및 비용 면에서 좋은 점수를 받았지만 축 용량을 포기했습니다. 복열 앵귤러 콘택트 볼 베어링은 동일한 엔벨로프에서 더 많은 반경방향 및 축방향 하중을 전달하며 더 높은 강성은 일반적으로 동일한 하중 비율에서 더 긴 계산된 수명을 지원합니다. 오정렬 공차는 두 행이 하중을 공유하고 기울어진 하우징이 한 행에 응력을 집중시키기 때문에 약점입니다. 이와 같은 차트를 사용하여 유형을 선정한 다음 선정된 각 옵션에 대해 별도로 L10을 계산하십시오.

번호를 승인하기 전 간단한 체크리스트

• 측정되거나 계산된 하중을 사용하고 벨트 당김, 기어 힘 및 맞춤 효과를 포함합니다.
• 씰 및 틈새 등급을 포함하여 정확한 변형에 대한 제조업체 데이터에서 C를 가져옵니다.
• 시간 변환에 사용된 속도가 명판 속도가 아닌 실제 운전 속도인지 확인하십시오.
• 윤활 방법이 가장 낮은 예상 속도와 온도에서 필름을 형성할 수 있는지 확인하십시오.
• 여러 공급업체의 견적을 비교하기 전에 신뢰성 목표를 설정하고 a1을 적용하세요.
• 공칭 조건뿐 아니라 최악의 조건도 포함하여 듀티 사이클을 다시 계산합니다.
• 다음 검사를 예측과 비교할 수 있도록 기계 기록과 함께 계산을 기록하십시오.

베어링 수명 계산은 마케팅 활동이 아닙니다. 금속을 절단하기 전에 가정을 테스트하는 방법입니다. 공식은 두 줄로 구성되지만 답의 품질은 측정한 하중, 확인한 속도, 실제로 유지할 수 있는 윤활에 따라 달라집니다.

현실과 일치하는 숫자는 데이터시트에서 인상적으로 보이는 숫자보다 더 가치가 있습니다. 듀티 사이클에서 최악의 조건에 대한 계산을 실행하고, 최종 후보에 오른 두 가지 유형을 동일한 기준으로 비교하고, 그 결과를 유지 관리 기록 옆에 보관하십시오. 해당 기계에서 다음 베어링이 나오면 계산이 잘못됐는지 적용이 잘못됐는지 몇 분 안에 알 수 있습니다.