[일본NTN기술,182] 베어링 박리 현상의 수명 예측 기술 개발(1)

일본 NTN은 일본 유학을 마치고 직장 생활을 한 세계 3대 베어링 종합 메이커인데, 특히 쿠와나 연구소에서 10년 간 경험한 바로는, 마찰 /마모 /윤활에 대한 기초적인 연구를 끊임없이 하고 있는 기술과 노하우가 100년간 쌓여 온 회사이다.

 

이번에는 일본 NTN엔의 베어링 수명 기술에 대한 AI 기술 동향에 대하여 소개하고자 한다.

 

[ 제목 ]

Development of Remaining Useful Life Prediction Technology for Rolling Bearings under Flaking Propagation

 

[ 머릿말 ]

제조나 인프라 등의 설비에서 시간이 경과 함에 따라서 열화에 따른 보수 비용 증가와 보수 인력 부족으로 인한 작업원에 대한 인건비 증가에 따른 부담 증가로 인하여, 유지보수 기술의 고도화·자동화에 대한 관심이 높아지고 있음.

그 중에서도 최근에 고장이 나서 보전하는 '사후 보전', 설비 상태에 관계없이 정기적으로 보전하는 '예방 보전'보다 효율적으로 유지보수를 실시하는 방법으로서 이상의 전조를 검지하여 보전하는 '예지보전' 에 관한 기술이 주목받고 있음.

 

이에 따라서,  IoT, AI를 활용하여 이러한 기술을 유지보수에 도입하기 위하여 각 기업들이 활발하게 진행하고 있음.
구림 베어링은 설비에 빠뜨릴 수 없는 기계 요소 중 하나이며, 기계의 회전을 지탱하는 중요한 요소이다. 

설비 고장 사례에서 그 약 30%가 구름 베어링에 기인한다고도 하고, 구름 베어링의 상태를 예측하고, 적절한 타이밍에 보수·교환하는 것이 설비 전체의 보수 비용 절감 측면에서 중요하다.

구름 베어링의 진단에는 기계의 운전을 중단하지 않고 측정할 수 있고, 손상에 대한 감도가 높다는 등의 이유로 진동 가속도가 이용되는 경우가 많음.

진동 가속도를 이용한 진단방법으로는 주파수 분석을 이용한 손상 부위의 특정이나,실효치나 첨도 등의 통계량을 이용한 손상 상태 예측 등이 이용되고 있음.

최근에는 딥러닝을 비롯한 AI 기술이 발전함에 따라 AI 기술을 이용하여 구름 베어링의 손상 상태나 수명을 예측하는 목적의 연구·기술 개발이 활발히 이루어지고 있음．

 

이번 장에서는 손상이 발생한 후의 구름 베어링을 대상으로 베어링 교체가 필요한 타이밍까지의 수명을 예측하기 위해 개발한  AI 기술 에 대해 소개함.

 

[ 개발 배경 ]

 

일반적으로 구름 베어링의 수명은 박리나 압흔 등 베어링 궤도면에 어떠한 손상이 발생한 시점으로 하는 경우가 많음.
사용되는 환경이나 조건에 따라서는 구름  베어링과 조립된 축 수리 교환이 용이하지 않아 유지보수 비용이 많이 드는  등의 이유로 구름 베어링에 미세한 손상이 발생한 후에도 계속해서 사용되는 경우가 있음.

구름 베어링의 손상이 진전되면 진동이 급격하게 상승하는 등에 의해  장치의 다른 요소의 손상이 발생하고, 구름 베어링과 조립된 축과 베어리의  손상 정도(이하 손상 상태)를 추정하고 교환해야 하는 타이밍까지의 수명을 예측할 수 있는 것이 적절함.

구름 베어링의 수명 예측에 관한 연구의 대부분은 구름 베어링의 손상 상태에 대해 기술되어 있음.

 

그래서 이 글에서는 손상 진전 하의 구름 베어링에 대하여 손상 상태와 수명의 관계를 회귀 모델로 표현함으로써 고장 수명을 예측하는 것을 목적으로 한 개발 기술 개발에 대하여 소개함.

 

[ 구름 베어링의 박리 진전 상태와 진동 가속도의 관계 ]

원통형 베어링을 이용하여 내륜 궤도면에 발생한 박리의 둘레 길이가 전동체 피치 길이를 초과할 때까지 운전을 계속한 경우의 운전 시간과 진동의 관계를 그림 1)에 나타냄.

가로축은 부하 횟수를,  세로축은 진동 가속도의 실효치(Root-Mean Square Value, RMS) 초기치에 대한 상대적인 변화(RMS)상대치)를 나타내고 있음.

또 특정 시각의 내륜 궤도면 박리 형상의 외관 현상을 나타냄.

 

[ 박리 진전 상태와 진동 가속도와의 관계 ]

박리는부하 횟수약 90만회에서 발생했고,  궤도면 박리는 우선 축방향으로 주로  진전                                                          (그림 1의 범위 A)

축방향 박리 길이가 전동면의 접촉 길이까지 도달하면 그 후에는 원주 방향(전동체 이동) 으로 진전하다

(그림 1의 범위 B).

 

RMS는 박리가 축 방향으로 진전되고 있는 동안에는 급격히 증가하지만, 원주 방향의 진전이 주로 RMS의 증가는 완만해지고 손상 현상에 변동이 생기게 됨.

한층 더 박리가 진전되어, 둘레 박리 길이, 이 전동체 피치 길이에 달함(그림 1의 범위 C)

 

RMS 값이 다시 급격하게 증가할 것이고 변동의 폭도 증가할  것으로 예상 할 수 있음.
이와 같이 진동이 커지면 구름 베어링의 내외륜간의 변위는 주변 부품의 허용 가능한 베어링 틈새 범위를 넘어
위험이 높아지고 주변 부품의 손상을 유발하는 요인이 됨.

따라서 박리의 둘레 길이가 전동체 피치 길이에 이르기 전에 운전을 정지하는 것이 적절함.

본 연구에서는 원주 방향 (전동체 이동 방향) 박리 길이가 전동체 피치 길이의 절반에 이르는 점을 베어링 교환 시간으로 정함.