electrostatic wear monitoring of rolling element...

File name: Electrostatic wear monitoring of rolling element bearings2007 2007-12-31 전 승범

1/12

Electrostatic wear monitoring of rolling element bearings

T.J. Harveya, R.J.K. Wooda and H.E.G. Powrieb, 1, aSchool of Engineering Sciences, University of Southampton, Southampton, Hampshire SO17 1BJ, UK bSmiths Aerospace Information Systems, School Lane, Eastleigh, Hampshire SO53 4YG, UK

Received 8 September 2006; revised 19 December 2006; accepted 21 December 2006. Available online 23 May 2007

Keywords: Taper roller bearings; Condition monitoring; Vibration; Electrostatics

Corresponding author

Tel.: +44 23 80 594 881; fax: +44 23 80 593 230.Tel: +44 23 8024 2014; fax: +44 23 8024 2001.

Wear Volume 263, Issues 7-12, 10 September 2007, Pages 1492-1501

16th International Conference on Wear of Materials

초록

Smiths Aerospace Information Systems 및 Southampton 대학에서 연구한 electrostatic condition monitoring system은

electrostatic charge signals 이 마찰 면에서의 마모의 시작을 측정하는데 사용할 수 있음을 보여주고 있다.

그 동안의 연구는 pin-on-disc rig, reciprocating wear rig 및FZG gear scuffing rig 등에 적용이 가능한 것을

입증하고 있다. 본 electrostatic monitoring system 은 taper-roller bearing test rig에도 적용이 가능함을

보여준다.

본electrostatic system 은 세 개의 wear-site sensors (WSS) 및 하나의 oil-line sensor (OLS). 구성되었다.

WSS sensor들은 초기 표면의 손상 및 마모를 감지하기 위하여 가급적 BEARING 과 가까운 곳에 설치하며 반면

OLS는 부품의 손상으로부터 생성되는 마모 편들을 감지하기 위하여 순환되는 OIL LINE에 설치한다.

본 실험에서는 taper-roller bearing wear를 electrostatic sensors를 사용하여 MONITORING 하였으며 또한 진동 및

윤활유의 온도도 측정하였다. 또한 부수적으로 Macom Technology Ltd.에서 제공하는 2개의 ON –LINE monitoring

sensor를 사용하였는데 마모편을 감지하는 Eddy current technology and ferromagnetism을 이용한 것이다. 실험 결

과는 소착(Seizure)이 일어나기 4시간 전에 electrostatic monitoring system은 이미 감지한다는 것을 보여주고 있다.

Sensor 의 signal 들은 진동, 온도 및 마모편의 형성에 따라 변함을 보여주고 있다.

1. 서론

상태진단 system은 급작스런 파손을 방지하며 유지 보수 비용의 절감, 기기의 사용 시간 증가 등에 사용되어 왔다.

Barron 및 Neals 에 의해 상태진단 기술에 대한 세밀한 조사가 수행되었다(2-3)

상태진단은 크게 on-line 및 off-line 기법으로 분류할 수 있다.

Off-line 기법으로는 작동 중인 기기의 윤활유로부터 얻어지는 마모편을 SOA(spectrometric oil analysis), 광학현미경,

EDX등을 이용하여 분석하는 방법 등이 있다. 이런 분석 방법은 매우 복잡한 분석이 가능하나 매우 숙련된 사람과

수준 높은 논리 사고력을 요한다.

최근에 사용하는 On-line 방법에는 electric chip detector, inductive device, 진동 및 acoustic emission 분석 등이

있다.

Chip detector 방법은 효율면에서 매우 취약하고 특히 비자성체에 대해서는 감도가 매우 떨어진다. Inductive


2/12

device는 금속 마모편을 감지하나 작은 크기의 마모편에 대해서는 민감하지 못하다. 자성체의 경우는 100um 이하

비자성체에서는 250um 이하에서는 적용이 쉽지 않다(4).

현재 Bearing monitoring의 대부분은 잘못된 bearing에 의한 야기되는 회전체에서 나타나는 문제에 주로 관심이

쏠려 있다(5) 대부분 bearing 에서의 파손 원인은 주로 국부적인 결함 즉 구름 표면의 crack, pit, spall 에서

형성되는 높은 Hertzian contact zone에서 나타나는fatigue crack이다(6)

Tandon 과 Choudhury는 최근 보편적으로 사용하는 방법인 vibration 과 acoustic emission을 이용하여 bearing의

국부적인 결함에 대하여 연구하였다.

연구 방법은 두 가지로 형태로 진행하였는데 하나는 bearing 이 파손될 때까지 실험을 하면서 변화를 측정하는

방법으로서 하중이 클 수록, 회전속도가 빠를수록 윤활유가 적을수록 파손은 가속화 되었다. 그러나 이 방법은

매우 긴 시간을 요하게 된다.

다른 한 방법은 bearing 에 인위적으로 결함을 만들고 이들의 진동이나 음향방출을 결함이 없는 건전한 bearing

과 비교하는 방법이다. 결함을 만드는 방법은 acid etching, spark erosion, 기계적인 scratch 나 indentation 등을

이용한다. 이 방법은 매우 짧은 시간에 실험이 가능하나 매우 정교하게 결함을 만들어야 한다(7).

최근 접촉면에서의 열화에 따른 electrostatic charge가 발생한다는 이론에 근거한 새로운 상태진단 기법이

개발되었다. 이는 gas turbine 이나 jet 엔진에서 gas path에서의 마모편을 측정하기 위한 방법으로부터

개발되었다(8-10). 기본적인 원리는 gas path에 존재하는 마모편에 따른 electrostatic charge를 감지하는 것이다.

Charge level의 변화는 마모편의 증가와 관련이 있으므로 gas path의 각 부품의 손상과 관련이 된다. 이 방법의

장점은 진동이나 온도 상승 등과 같은 2차 증상을 측정하는 것이 아니라 1차적인 직접적인 상황을 측정하기

때문에 손상을 미리 예상할 수 있다는 것이다.

South Hampton 대학과 Smith Aerospace 의 합동연구로 oil 에서의 electrostatic 방법을 적용하였다.

이미 다양한 마모jig에 대하여 실험보고가 되어있는데 아래와 같다.

Pin on disc, 왕복동 rig (4, 11~14), FZG gear scuffing(15,16), F100 jet engine에서의 roller bearing(17~19)

본 paper의 목적은 taper roller bearing에 electrostatic 감지 장치의 적용이 가능한가를 보기 위함이다.

시험장치는 시험chamber, drive motor, 유압가압 system, 윤활유 순환 pipe system 등으로 구성되었다.

chamber에는 bearing 주위에 세 개의 wear-site sensors (WSS) 를 장착할 수 있도록 수정하였다.

하나의electrostatic oil-line sensor (OLS)는 시험 중 생성되는 마모편을 측정하기 위하여 윤활유 순환 line에 설치되

었다. 4개의 bearing이 설치되는데 2개는 supporting 용이고 2개는 시험용 sample이다.

WSS sensor들은 초기 표면의 손상 및 마모를 감지하기 위하여 가급적 BEARING 과 가까운 곳에 설치하며 반면

OLS는 부품의 손상으로부터 생성되는 마모 편들을 감지하기 위하여 순환되는 OIL LINE에 설치한다.

본 실험에서는 taper-roller bearing wear를 electrostatic sensors를 사용하여 MONITORING 하였으며 또한 진동 및

윤활유의 온도도 측정하였다. 또한 부수적으로 Macom Technology Ltd.에서 제공하는 2개의 ON –LINE monitoring

sensor를 사용하였는데(TA10, TA20) 마모편을 감지하는 Eddy current technology and ferromagnetism을 이용한

것이다.

2. 실험

가속실험의 조건 및 대상 시험 bearing인 taper roller bearing의 규격은 표1에 나타내었다.

시험 Rig는 4개의 bearing이 설치되며 2개의 지지bearing은 housing의 양단에 설치되고 2개의 시험bearing은


3/12

center housing에 설치된다(그림 1) 2개의 지지bearing은 housing에 꼭 맞게 설치되는 반면 시험 bearing은 시험 중

shaft의 deflection을 위한 여유를 가지도록 하였다.

시험 data는 인위적으로 결함을 만든 #2 bearing 의 가속실험으로부터 얻은 것이며 결함의 자세한 사항은 아래에

기술하였다. 시험은 약 200%의 과 하중을 부가하여 수행하였다.

Table 1: Bearing 및 시험조건

Speed: 2500 RPM

Maximum load: 20kN(~200% max. dynamic load)

윤활유: TRB 115-032

윤활유 량: 4 liter/min

Bearing

Bearing with artificial defect #2

Outer race: LM67010

Cone: LM67048

Contact angle 13.5°

Pitch diameter 1.78”

Inner diameter 1.25”

Outer diameter 2.328”

Bearing width 0.6467”

Rollers per row 19

Mean roller diameter 0.2436”

인의적 결함은 Rockwell C cone을 이용하여 inner race에 면에 중앙에 수직하게 만들었다.

하중은 150kgf를 사용하고 cone의 각도는 120°이다. 그림 2는 압입 후 사진이며 fig 3은 압입면의 profile이다.

Table 2는 profile data이다.


4/12

Bearing에 힘을 가하는 유압system은 시험 bearing을 지지하는 center housing을 누르고 시험 중 일정 하중을

유지하기 위한 accumulator 가 설치 되었다. Oil 순환장치는 copper 및 nylon tube를 사용하며 brass fitting을

사용하였다. Flow meter를 이용하여 유량을 측정하며 oil의 온도를 냉각시키는 heat exchanger를 설치하였다.


5/12

Oil 순환 system에는 3개의 filter가 설치되는데 25um 종이 filter는 시험chamber 전, 6um 종이 filter는 시험chamber

후단과 pump 사이에 설치하며 바로 전에 마모편을 수거하기 위한 magnetic filter를 설치한다.

그림 4 순환 system의 모식도

2.1 Sensing Technology

4종류의 sensor가 사용된다. Thermocouple, Electrostatic sensor, vibration sensor, Marcom technology device sensor

( eddy current)

- 열전대는 총 4개로 bare K type을 사용하며 2개는 주위 온도 측정용이고 하나는 inlet, 하나는 out let 쪽에

설치한다.

- Electrostatic sensor는 2 type으로 첫째는 bearing 근처에 설치하여 마모를 monitoring 용으로 사용하고

둘째는 순환 line에 설치하여 마모편을 측정하는데 사용한다. 첫 번째 type은 wear site sensor(WSS)로

명명하며 이름이 의미하듯 bearing 근처의 electrostatic charge를 측정한다. WSS1, WSS3는 그림5와 같이

지지 bearing(bearing #1,#4)용이며 WSS2는 시험bearing(#2,#3)용이다. 두 번째 type은 oil line

sensor(OLS)로서 일반적으로 두 개의 똑 같은 ring sensor type으로 구성되며 시험 중 발생하는 마모편을

측정하는데 사용된다.


6/12

- 하나의 진동 sensor를 사용하는데(그림 6) piezo type으로 감도는 28.9 pC/g이다. 설치 위치는 #1

지지bearing을 포함하는 front housing의 vibration stalk에 설치한다.

Vibration sensor 및 electrostatic sensor는 low-noise microdot cable을 이용하여 charge amplifier에 연결되며

측정 가능한 voltage로 변환시켜 A/D acquisition system으로 보낸다. 이 charge amp는 1Hz의 high pass

filter( DC noise 제거용) 및 10kHz의 low pass filter를 사용하여 high frequency noise를 제거한다.

- Macom TA 10 sensor는 transducer coil 내로 oil이 흐름으로서 작동하는데 oil 내의 금속파편들이 coil의

inductance를 변화시킨다. 자성체 파편은 자체의 높은 투자율(permeability)에 따라 inductance를 많이

증가시키는 반면 비 자성체 파편들은 eddy current 효과 때문에 inductance를 감소 시킨다. 이에 따라

신호의 크기는 파편의 크기 및 농도에 대한 정보를 줄 수 있다. TA 10 sensor는 자성체 파편의 경우에는

100um까지, 비자성체 파편에 대해서는 250um 크기까지 민감하게 반응하나 그 보다 작게 되면 반응성이

떨어진다. TA 20 sensor head는 윤활유로부터 자성체 마모편을 축적할 수 있는데 이는 magnetic circuit의

flux 변화를 일으킨다. 이 flux 변화는 전기적인 신호로 변환되고 이는 모아진 마모편의 양과 직접적으로

비례한다. 이 장치는 자기포화를 포착할 수 있으며 축적된 마모편을 제거하기 위한 flushing 주기를

알려줄 수 있다. 유체와 자석 사이의 비자성체 방벽은 윤활유 순환 line의 건전성을 유지해 준다. Flushing

cycle이 완전히 끝나면 자석은 정확하게 유체 line에 장착시킨다. 시간에 따른 총 입자하중을 측정

함으로서 생성되는 마모편의 속도 계산이 가능하다. 본 기기의 output은 총 축적된 값으로

나타나다.(flushing 전까지)

그림 7은 본 system의 대략적인 구성도를 나타내는데 data 수집을 위하여 3개의 PC 가 사용된다.


7/12

PC 1: 3개의 WSS Electrostatic sensor 및 2개의 OLS sensor 및 vibration sensor의 data 처리에 사용한다.

Southhampton 대학과 Smith Aerospace에서 공동으로 개발한 on-line processing system 은 두 가지 통계방법을

사용하는데 하나는 rms 방법이고 하나는 결함의 frequency에 관련된 것이다.

모든 통계 data는 2초에 한번씩 받아들이고 defect frequency data는 분당 2회의 속도로 제공된다.

PC 2: Macom sensor의 data를 처리하며 TA 10은 10분에 한번 TA 20은 5분에 한번 수집한다.

PC 3: Thermo couple data를 처리하는 PC로서 각 TC 당 분당 1회 수집한다.

모든 data는 실시간 oscilloscope 에 의해 display 되며 추후 분석을 위하여 DAT(Digital audio tape)에 저장한다.

무게 감량 도 측정하며 무게감량을 측정하기 위하여는 시험 전 및 시험 후 세척을 조심스럽게 하여야 한다.

세척제는 Cyclohexane과 ethyl acetate를 1:2 비율로 섞어 사용한다. 표면의 상태를 위하여 SEM 을 사용한다.

3. 결과 및 고찰

다음의 결과는 #2(인위적으로 결함을 만든 bearing)의 파단(소착)까지의 68시간에 걸친 실험 data이다.

3.1 무게 분석

10-5 g까지 측정하며 Table 3에 나타내었다. 결과를 보면 #2 bearing 의 내륜이 주 마모가 일어남을 알 수 있다.


8/12

3.2 Bearing 손상의 조직사진

그림 8은 bearing의 손상은 내륜에서 일어남을 보여주고 있다. 표면의 약 75% 이상에서 spallation이 일어나며

나머지 손상은 여기서부터 떨어져 나온 마모편에 의한 것으로 판단된다. 그림 9는 fatigue failure가 인위적인

defect 근처에서 시작됨을 보여주고 있다.

3.3 SEM 조직사진

그림 10은 자석으로 수집한 마모편의 SEM 영상이며

그림 11은 #2 bearing의 단면 SEM 영상을 나타내고

있는데 10은 마모편의 크기가 수십~수백 um 로

다양함을 보여주고 11은 spalling을 유발하는

subsurface crack이 발생함을 보여주고 있다.


9/12

3.4 Oil line 분석

Oil 순환 system에 장착한 sensor(TC, electrostatic OLS, Macom unit)들로부터 얻어지는 신호는 그림 12에서와 같이

2개의 중요한 구간을 나타낸다. 첫째 구간은 시험 후 약 50시간(49~52시간)이 지난 구간으로서 마모편이 증가하는

것을 나타내는 TA 20신호가 2.5시간 동안 증가하다가 base level로 복귀한다. TC 신호 역시 일상적인 온도 보다

높게 나타나고 있다. 이는 주입구와 퇴출구 온도 차이가 커지는 것으로도 나타난다.

두 번째 중요한 구간은 파손되는 68시간 전의 구간으로서 그림 13을 참고

온도는 61.5시간 이후 점진적으로 증가하다 파손 30분 전 급격히 증가한다. (비록 61.5시간에 분당 0.5C가 급격히

증가하는 현상이 보였으나 파손과 직접적인 관련이 있는지는 미확인)그림 12에서도 유사한 현상이 나타난다.

Macom oil line sensor도 64시간 이후 급격히 신호가 증가되어 마모편이 급격히 증가하는 것을 나타내고 있다.

이후 TA 20은 1시간 이후 기준의 300%까지 증가하고 소착 40분 전 에는 upper limit를 초과한다. Electrostatic

sensor의 신호도 파손 4시간 전부터 증가하다 30분 전 급격히 증가한다.

3.5 Bearing chamber monitoring


10/12

Chamber(bearing이 설치된 곳)에 설치한 sensor(WSS 및 진동)

또한 그림 14에서 보듯이 oil –line system 에서 감지되는 것과

같은 유사한 구역에서 신호를 나타내고 있다. 대략

50시간(49~52시간) 후 WSS 신호가 증가하는데 특별히 WSS

2가 급격히 증가한다. 이는 이미 거론한 온도의 증가 및 TA20

신호의 증가와 일치하고 있다. 진동 신호는 이 구간에서 특별한

변화를 보이고 있지 않다. 이유에 대해서는 정학하지는 않다.

가장 중요한 구간은 파손이 일어나기 전 12시간 구간으로서

그림 15의 60~72시간 구간이다. 약 61.5 시간 근처에서

electrostatic 신호가 증가한다. 그러나 이 증가는 기준level에서

크게 벗어나질 않는다.

그림 14, 15의 rms 값으로부터 보면 세 개의 WSS 신호는 파손

30분 이전까지는 큰 변화를 보이지 않고 있는 반면 진동신호는

64시간 대에서(파손 4시간 전) 부터 증가하다가 소착 전

30분부터 급격히 증가하고 있다.

사전 감지를 돕기 위해서 Fourier transform을 이용한

normalised inner race defect frequency를 계산하여 poltting

해보면 그림 16과 같은 결과를 얻게 되는데 역시 파손 약

4시간 전에는 여러 신호가 증가함을 보여주고 있다.


11/12

4. 결론

Taper roller bearing test를 위한 최적 조건을 위하여 많은 실험이 수행되었으며 아래와 같은 결론을 도출하였다. 단

본 논문에는 하나의 data 만을 정리하였다.

▪ 질량변화 및 사진학적인 증거는 마모는 bearing 의 내륜에 만든 인위적인 결함이나 그 주위로부터 시작되어

파손이나 소착으로 진행한다.

▪ 실험data는 두 영역의 activity를 나타낸다.

- 약 50시간 실험 후(49~52시간) 후 electrostatic WSS는 증가하고 특별히 TA 20은 마모편의 증가를

나타내었다. 온도는 inlet, outlet 공히 증가였다.

- 파손 전 이는 3 영역으로 분리되었다.

▪ 모든 감시 장치들은 파손 30분 전부터 매우 급격한 상승 signal을 나타내었다.

▪ 마모편 감시장치인 TA10, TA20 및 electrostatic OLS는 파손 4시간 전부터 마모편 증가 signal을 감지하고

있다. Electrostatic WSS 및 inner race defect의 진동은 이 시기에 bearing의 급격한 deterioration(열화)을

나타내고 있다.

▪ 실험 시작 후 61.5시간(파손 전 6.5 시간)부터 온도가 점진적으로 증가하고 inlet 과 outlet의 온도 차가

급격히 증가한다. 같은 시기에 WSS의 rms 값들이 점진적으로 증가한다.

▪ Electrostatic monitoring system은 bearing의 상태 진단을 위한 실질적인 방법 또는 보조적인 방법으로의

사용이 가능하다.

▪ Electrostatic monitoring system은 기기의 사용 중 마모편 및 마모를 감지하는 방법으로의 사용이 가능하다

감사의 글

Timken company가 involve되고 US Naval Research가 자금을 조달한 project임

참고문헌


12/12

electrostatic wear monitoring of rolling element...

Documents