식품 가공 장비에 사용되는 리니어 모션 가이드 휠 베어링의 합리적 설계 방안
최근 신뢰성 있는 글로벌 베어링 공급업체에 따르면 베어링 조기 고장의 주요 원인은 36%가 윤활 공급 부족으로, 14%는 오염 때문으로 알려졌다. 그러나 베어링 기술의 발전과 고체 윤활제의 도입은 베어링 고장의 주요 원인 중 거의 50%를 제거할 수 있다.
베어링에 대한 특히 엄격한 운영 환경은 식품 및 음료 산업 내에서 가공 기계 및 장비 내부에서 발견된다. 이곳에서는 적절한 위생을 위해 강력한 화학제품으로 빈번한 청소가 필요하기 때문이다. 이러한 장비는 종종 습한 환경에 노출되며 음식물과 우연히 접촉할 수 있다. 이러한 애플리케이션을 위한 가이드 베어링은 사용에 적합하며 최종적으로 그들의 서비스 수명 기대치를 충족시 키기 위해 특수 설계가 필요하다.
식품 가공용 베어링
Bishop-Wisecarver는 식품·음료의 가공 및 포장 산업을 위한 DualVee 제품 라인 내에서 다양한 선형 모션 가이드 휠 베어링과 선형 가이드 트랙을 제조하고 있다. 이러한 산업에서 사용되는 베어링 부품에 대한 가장 일반적인 요구 사항은 스테인레스 스틸 구조와 우연한 음식 접촉을 위한 등급의 윤활제이다. 이러한 산업에는 다양한 운영 조건이 있으므로 환경적 도전 과제를 해결하기 위해 여러 제품 솔루션이 발전했다.
식품 등급 그리스(FOOD GRADE GREASE)
Klubersynth UH1 14‑151은 식품 가공 선형 가이드 휠의 두 가지 버전에서 사용되는 식품 등급 그리스이다. H1 등급은 우발적인 식품 접촉에 적합하며 가공 장비에서 자주 사용된다. 이 그리스는 베어링 내부 공간의 약40%를 채우며, 그 안에서 볼이 내부 및 외부 경주면을 따라 구동된다. 이는 베어링의 전체 사용 수명 또는 이동 거리를 지속하는 데 적합한 것으로 입증됐다.
가이드 휠의 한 버전인 W#SSXH1은 440C 스테인리스 스틸 구조, 유리 충전 나일론 6,6 볼 케이지, 씰/실드 조합 및 Klubersynth UH1 14‑151 그리스를 갖추고 있는 V-Guide 휠이다. <그림1>을 보자. 이 제품은 중간 수준의 청소 요구 사항이 있는 고속 응용 분야에 가장 적합하다.
씰/쉴드는 대부분의 청소 요구 사항을 견딜 수있으며 경미하거나 중간 정도의 침입을 방지할 수 있다. 이 버전은 유체 및 화학 물질이 씰/실드를 통과하여 베어링 그리스로 들어가 급속한 고장을 일으킬 수 있으므로 고압 세척에는 적합하지 않다.
또 다른 버전인 WDW#SSX는 동일한 440C 스테인리스 스틸 구조, 나일론 볼 케이지 및 UH1 그리스를 갖춘 비슷한 V-Guide 휠이다. 그러나 이 버전은 이중 세척 씰이 있는 특징을 갖고 있다. <그림2>를 보자. 이 제품은 중간 정도부터 강력한 세척 요구 사항이 있는 고속 응용 분야에 적합하다. 이중 씰 디자인은 강화된 침투 방지 기능을 제공하며 유연한 외부 씰과 함께 전통적인 내부 씰이 특징이다.
<그림3>을 보자. 외부 씰은 고압 유체로 직접 분사될 때 방향이 바뀌어 추가 보호층을 형성할 수 있다. <그림4>에서 세척 압력이 제거되면 외부 씰이 제자리로 튀어 나와 유체가 배출될 수 있는 틈이 노출될 수 있다. <그림5>를 참조하자.
고체 폴리머 윤활
새 버전인 W#SSXH1SL은 최신 고체 윤활 기술이 적용된 가이드휠 베어링이다. <그림6>을 보자. 이는 304 스테인리스 스틸 볼 케이지, 외부 씰/실드 조합, 식품 호환 InS H1 등급 오일 포화 폴리 머 매트릭스 윤활제를 갖춘 440C 스테인리스 스틸로 구성된다. 고체 윤활제는 볼 케이지 내의 볼을 둘러싸는 전체 내부 공간을 채운다.
<그림7>을 참조해서 보자. 이 가이드 휠은 최대 2m/s의 저속 응용 분야를 위해 고안되었지만, 이 설계는 유입 보호를 위한 최상의 솔루션을 제공하고 집중적인 고압 세척 요구 사항에 매우 적합하다. 고체 윤활제는 오일 포화 폴리머 매트릭스이며 스펀지와 같은 기능을 한다.
매트릭스의 미세 기공은 오일로 채워져 있다. 작동 중에 오일이 모공 밖으로 스며 나와 볼과 볼 레이스를 코팅할 수 있다. 나중에 매트릭스가 오일을 재흡수할 수 있다. 고체 윤활제 가이드 휠 내부 에는 기존의 그리스가 채워진 가이드 휠보다 더 많은 윤활제가 있다. 폴리머 매트릭스는 생산 환경에서 이물질 잔해(FOD)를 시각적으로 식별할 수 있도록 파란색으로 염색된다. <그림8>을 참조하자.
기존 베어링 설계에서 그리스의 잔해물 오염은 일반적인 고장 모드이다. 그리스에 들어간 오염 물질이 내부에 갇혀 그리스 성능을 급격히 저하시키거나 궤도에 반복적인 손상을 일으키기 때문 이다. 고체 윤활제는 베어링의 내부 공간을 완전히 채워서 재료 유입이 일반적으로 자리잡는 여유 공간을 제거한다.
고체 윤활제는 고압 세척과 같이 습도가 매우 높고 습한 환경에서 사용하기에 이상적이다. 고체 윤활제는 기존 그리스 캔처럼 베어링에서 씻겨 나가지 않으며 외부 씰/차폐 설계는 화학적 공격에 대한 추가 보호층을 제공한다.
고체 윤활 성능
고체 윤활제의 특성은 기존 그리스에 비해 상당한 이점을 제공하며 실제 성능 테스트를 통해 이러한 이점이 확인됐다. 정면 테스 트는 유사한 유형의 가이드 휠 베어링에 대해 세척 조건 없이 수행되었으며 카탈로그에 게시된 DualVee 크기 3 휠의 방사형 하중의 60%, 80% 및 100%로 2m/s에서 지속적으로 테스트됐다.
100% 부하 상태에서 고체 윤활제 버전은 그리스가 포함된 버전에 비해 평균 1.4배의 거리를 달성했으며, 80% 부하에서는 평균 3.6배의 이동 거리를 달성했다. 낮은 60% 하중을 받을 때 고체 윤활제는 그리스 버전에 비해 3.6배에서 6.59배의 이동 거리를 달성하는 것으로 추정됐다. <그림9>를 참조하면 된다. 이 테스트는 고체 폴리머 윤활제의 성능 향상을 확인하는 것이다.
고체 윤활의 한계
고체 윤활제와 관련하여 몇 가지 주목할만한 제한 사항이 있다. 베어링 내에 추가된 접촉 면적으로 인해 고체 윤활제 가이드 휠베어링의 초기 내부 마찰이 상당히 높다. 내부 마찰은 사용 중에 감소하지만 매우 가벼운 부하에서 매우 부드러운 움직임이 필요한 응용 분야에서는 문제가 될 수 있다.
그러나 이동 거리가 증가 하면 베어링이 마모되어 작동이 더 원활해진다. 또 다른 제한 영역은 그리스의 최대 권장 속도인 5m/s와 비교하여 고체 폴리머의 최대 권장 속도가 2m/s라는 것이다.
사용 중에 추가 열이 축적될 수 있으므로 마찰이 높을수록 속도를 낮게 유지하는 원동력이 된다. 더 낮은 최대 권장 작동 온도인 화씨 +176도로 지정되어 있다. 마지막으로 오일 포화 폴리머 윤활유는 유체가 씰/쉴드가 제공하는 보호 기능을 벗어나게 되면 화학적 공격에 굴복할 수 있다. 그러나 화학적 공격은 모든 베어링 유형에 적용되며 고체 윤활제에만 적용되는 것은 아니다.
모든 것을 하나로 통합
식품 및 음료 산업의 까다로운 환경과 엄격한 위생 요구사항은 선형 가이드 휠 베어링의 작동 수명을 연장시키는 혁신적인 새로운 윤활 기술을 이끌어냈다. 전체 내부 베어링 공간을 채우는 오일 포화 폴리머 매트릭스는 침투 방지를 위한 궁극적인 솔루션이며 고압 세척 중에 그리스 윤활유가 씻겨 나가는 것을 방지한다.
미세 다공성 폴리머 매트릭스는 필요한 곳에 H1 식품 등급 윤활유를 제공하는데 탁월하며, 서비스 수명을 연장하고 총 이동거리를 크게 늘리는데 기여한다. 혁신적인 고체 윤활 가이드 휠은 까다로운 산업 과제에 대한 새로운 솔루션을 제공한다.
자료제공: Bishop‑Wisecarver(www.bwc.com)
