TE 55 마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기 (MICRO-PITTING & BEARING FRETTING Tester)

모델 TE 55 마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기 – 개요

(Micro-Pitting & Fretting Tester – Concept)

Model TE 55 MICRO-PITTING & BEARING FRETTING RIG

영국 Phoenix Tribology사,

Model TE 55 마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기

– 소개 동영상 5분 40초

Micro-Pitting 발생 조건 및 시험 환경

베어링 접촉 및 Fretting 메커니즘

마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기 – 시험 장비 구성 및 구동 구조

왕복 구동 시스템

• 이 시험기는 왕복 구동 장치와 왕복 운동 어셈블리의 양쪽에 장착된 가이드 실린더로 구성됩니다. 판형 플레이트 모양 시편은 왕복 운동 어셈블리의 양쪽에 장착되며, 20mm 롤러 샘플이 접촉 상태로 하중을 받습니다. 하중은 시험 롤러와 구름 접촉하는 한 쌍의 니들 롤러 캠 팔로워를 통해 가해집니다.

Slide-Roll 제어 메커니즘

• 시험 롤러와 플레이트 시편 사이에 접촉면에서 가변적인 슬립을 발생시키기 위해, 플랜지 캐리어(flanged carrier)가 시험 롤러에 압입 장착된다.
• 플랜지에는 자유단 측에 구동 핀이 있으며, 이 핀의 PCD(Pitch Circle Diameter)는 원하는 slide-roll 거동을 생성하도록 설계된다. PCD = 핀들이 원형으로 배치될 때, 그 중심을 연결한 가상의 원의 직경
• 왕복축 샤프트에 연결된 포크형 플레이트가 이 핀과 결합하여 운동을 전달하며, 플랜지는 테스트 롤러의 수직 위치를 동시에 유지하는 역할을 한다.

마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기 – Slide-Roll 거동 및 시험 성능

Slide-Roll Ratio (SRR) 특성

–구동 핀의 PCD는 테스트 롤러 직경과 동일하게 설계되어, 스트로크 중앙에서는 순수 구름(슬라이드-롤 비율 0%)이 형성되며, 스트로크 끝으로 갈수록 슬라이드-롤 비율이 증가한다.

왕복 운동은 기어모터 구동 크랭크 메커니즘에 의해 생성되며,

• 베어링 프레팅 시험: ±1 mm
• 마이크로 피팅 시험: ±4 mm

의 스트로크 진폭을 가진다.

Micro-Slip 및 Micro-Pitting 조건

• ±1 mm 조건에서는 중앙에서 SRR 0%, 스트로크 끝에서 약 0.5%로, 접촉부에서 마이크로 슬립이 발생한다.
• ±4 mm 조건에서는 중앙에서 SRR 0%, 스트로크 끝에서 약 8.7%로 증가하며, 이는 기어에서 발생하는 마이크로 피팅 조건과 유사한 Slide-Roll 비율을 재현한다.

피로 사이클 및 시험 효율

• 각 왕복 운동 사이클당 시편에는 2회의 피로 사이클이 가해지며, 10 Hz 왕복 주파수 기준 약 7시간 동안 500,000 피로 사이클이 부여된다.
• TE 55는 2-스테이션 구조로 구성되어 있어 동일 시간 동안 총 1,000,000 피로 사이클을 생성할 수 있으며, 이는 마이크로 피팅 및 베어링 프레팅 마모를 재현하는 데 매우 효율적인 시험 장비임을 의미한다.

영국 Phoenix Tribology 제조사 – 1956년 설립된 Plint & Partners의 기술을 기반으로 최고의 Solution Provider – 웹사이트 링크

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가변 슬라이드-롤 비율 기하구조 (Variable Slide-Roll Ratio Geometry)

스트로크 위치에 따른 슬라이드-롤 비율(Slide-Roll Ratio)의 변화를 생성하는 기본 메커니즘을 설명 합니다.

쉽게 설명하면 이 수식은

*두 접촉면이 얼마나 다르게 움직이는가*를 %로 나타내는 식 입니다

SRR = 0% 이면 두 면이 같은 속도로 움직여서 순수 구름(Pure Rolling) 상태입니다.

SRR 값이 커질수록 구름만 있는 것이 아니라 미끄럼(Sliding) 이 점점 더 커집니다.

따라서 SRR은 마이크로 피팅(Micro-pitting), 프레팅(Fretting), 미끄럼 마모(Sliding Wear) 같은 손상 조건을 설명할 때 매우 중요합니다.

모델 TE 55 마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기 에서는

스트로크 중앙에서는 SRR이 0%에 가까워지고,

스트로크 끝으로 갈수록 SRR이 증가하여 실제 베어링이나 기어 접촉과 유사한 구름-미끄럼 조건을 재현 합니다.

• 디스크 반경(Rd) = 크랭크 반경(Rc) = 20 mm 조건에서,
• 슬라이드-롤 비율(Slide-Roll Ratio)과 미끄럼 속도는 아래와 같이 스트로크 위치에 따라 변화합니다.

• 아래 그래프 →
• X축 : 스트로크 위치 (mm) Y축 : 미끄럼 속도 (mm/s) 및 슬라이드-롤 비율 (%)
• 파랑색선 : Sliding Speed (미끄럼 속도), 단위 mm/s 주황색선 : Slide-Roll Ratio (%)

크랭크 반경(Crank Radius)은 PCD를 기준으로 ±0.5 mm 정도 미세하게 조정할 수 있습니다.

이렇게 크랭크 반경을 조정하면 스트로크 중앙에서도 SRR이 0이 아니므로, 순수 구름(Pure Rolling)이 아니라 약간의 미끄럼(Sliding)이 발생합니다.

또한 크랭크 반경이 PCD보다 큰 경우와 작은 경우에는 중앙에서 발생하는 미끄럼의 방향이 서로 반대가 됩니다.

PCD가 무엇인가?

PCD는 일반적으로 Pitch Circle Diameter(피치원 직경)입니다.

이 문맥에서는 20 mm 롤러의 PCD가 20 mm라면 반경은 10 mm입니다.

아래 그래프에 나온 숫자는

• Crank 10.0 mm → 20 mm PCD의 반경 10 mm와 동일 → 중앙에서 Pure Rolling, SRR = 0
• Crank 9.5 mm → 기준 반경보다 0.5 mm 작게 설정
• Crank 10.5 mm → 기준 반경보다 0.5 mm 크게 설정

즉, 아래 그래프의 Crank 9.5 / 10.0 / 10.5는 실제로 크랭크 반경(Crank Radius, mm)을 의미한다고 이제 원문으로 확인됩니다.

그래서 아래 그래프 중앙에서 9.5와 10.5가 둘 다 SRR 약 5 정도로 보이지만, 미끄럼의 방향은 서로 반대입니다. 그래프가 SRR의 절댓값처럼 표시되어 있어서 둘 다 위쪽으로 약 5로 나타나는 것으로 이해할 수 있습니다.

• 한마디로 20 mm 롤러 → 반경 10 mm → Crank Radius 10 mm이면 중앙에서 정확한 Pure Rolling, 여기서 ±0.5 mm 일부러 어긋나게 하면 중앙에서도 Sliding을 만들어낼 수 있다는 의미입니다.
• 아래 그래프 파랑색선 : Crank 10.0mm 주황색선 : Crank 9.5mm 초록색선 : Cranke 10.5mm

윤활유와 그리스 시험 장치와 방법

윤활유 시험 관련 :

• Two lubricant baths, one for each station : 샘플 2개 동시 시험장치에 각각 윤활액이 약간 찰랑 거릴 정도의 테스트 배스가 시험기에 공급 됩니다.

그리스 시험 관련 :

• 그리스는 주사기를 사용하여 접촉면에 주입하는데, 주입구가 가득 찰 정도로 충분한 양을 주입합니다.
• 프레팅 그리스 시험은 그리스가 미세 진동 조건에서 접촉면에 얼마나 오래 유지되며, 낮은 전단(shear) 조건에서도 기유(base oil)를 지속적으로 방출할 수 있는지를 평가하는 시험 입니다.
• 프레팅 테스트의 경우, 특성상 그리스는 마찰 접촉면에서 점진적으로 배출 됩니다. 그리스는 접촉면을 윤활하기 위해 방출되어야 하는 기유(base oil)를 저장하는 역할을 합니다. 베어링 프레팅은 그리스가 낮은 진폭의 미세 운동 중에(=마찰운동 진폭이 매우 작음 1micro 미만) 분리 윤활막을 유지하기에 충분한 기유를 방출하지 못하여 기유 부족 현상이(=base oil starvation) 발생할 때 자주 발생합니다.
• 따라서 이러한 유형의 테스트는 본질적으로 그리스가 접촉면 내에 유지되고 매우 낮은 전단 조건에서 기유를 방출하는 능력을 나타냅니다. 파프니르 테스트와(Fafnir test,) 같은 테스트와 마찬가지로 그리스는 한 번만 주입하고 정해진 횟수만큼 테스트를 진행 합니다.

시험 예 – Micro Pitting

본 시험 사례는 PAO4 윤활유를 사용하여 10 Hz 조건에서 수행되었으며, 런닝인 이후 접촉 압력 1.0 GPa 조건에서 진행되었습니다. 시험 장비에서 직접 채취한 시험 플레이트 시편은 아래와 같은 형태를 나타냅니다.

600,000회의 왕복 사이클(즉, 1,200,000회의 피로 사이클) 이후, 시편 표면은 아래와 같은 상태를 나타냅니다.

1,500,000 피로 사이클 이후, 시편 표면은 아래와 같은 상태를 나타냅니다.

• 스트로크 끝단에서는 슬라이드-롤 비율이 최대에 도달하며,
• 마이크로 피팅은 소성 변형 및 미끄럼 마모로 전환됩니다. 시편 표면은 아래와 같은 상태를 나타냅니다.

시험 예 – Bearing Fretting

1. 이러한 예시 테스트는 10Hz 및 2mm 스트로크에서 두 가지 다른 그리스를 사용하여 실행되었습니다.
2. 길들이기 후 테스트는 400,000 피로 사이클을 생성하는 200,000 왕복 사이클에 대해 0.75GPa의 접촉 압력에서 실행되었습니다.
3. 두 개의 롤링 요소 테스트 표본을 비교하면 오른쪽 테스트에 사용된 그리스는 왼쪽 테스트보다 훨씬 더 많은 마모를 가져왔고 산화물 잔해가 쌓였다는 중요한 증거가 있습니다.

영국 Phoenix Tribology사

모델 TE 55 마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기

– 제어 시스템 / 시험 시편

제어 및 계측 시스템 (Control and Instrumentation)

1. 본 장비는 PLC 제어 시스템을 적용하여, 설정된 사이클 수를 입력할 수 있는 프로그래머블 배치 카운터 기능을 제공한다.
2. 또한 온도 제어를 위한 PID 컨트롤러가 포함되어 있다.
3. 화면 인터페이스를 통해 모터 속도의 수동 제어가 가능하며,
4. 하중, 온도, 주파수 및 사이클 수를 실시간으로 표시한다.

표준 시험 시편 (Standard Test Specimens)

• Micro-pitting 시험: 경화된 NSOH BO1 공구강 롤러 / 어닐링된 52100 판형 플레이트 조합
• Bearing Fretting 시험: 52100 베어링 롤러 / 어닐링된 52100 판형플레이트 조합

본 장비는 윤활유 및 그리스의 마이크로 피팅 및 프레팅 성능을 정량적으로 평가하기 위한 최적의 시험 솔루션 입니다.

모델 TE 55 마이크로 피팅 & 베어링 프레팅 시험기

– 상세 사양

Control and Instrumentation

The rig has a PLC controller which provides programmable batch counter function (for programming the required number of cycles) and a PID controller for temperature control. On-screen functions allow manual control of motor speed and display of load, temperature, frequency and number of cycles.

이 장비에는 프로그래밍 가능한 배치 카운터 기능(필요한 사이클 수 프로그래밍용)을 제공하는 PLC 컨트롤러와 온도 제어용 PID 컨트롤러가 있습니다. 화면 기능을 통해 모터 속도를 수동으로 제어하고 부하, 온도, 주파수 및 사이클 수를 표시할 수 있습니다. 

• ·PLC에서 목표 사이클 수 설정
• ·PID 방식 온도 제어
• 모터 속도 수동 조절
• ·하중, 온도, 왕복속도 주파수, 누적왕복사이클 수 화면 표시