오버홀 감소를 통한 휠의 작동 시간 연장

2016 9월 22, 13:00 CEST

디자인, 윤활, 열처리 분야의 혁신을 통해 휠 교환 간격 사이에 오버홀이 필요하지 않은 최초의 철도 윤축 베어링이 만들어졌습니다.

열차의 수명 동안 보기(bogie) 의 오버홀 횟수 최소화는 라이프사이클 비용을 감소시키기 위한 핵심입니다. 정비 간격을 3년에서 6년으로 연장하면 보기당 연간 약 3,000 유로를 절감할 수 있습니다.

10년 전을 돌아보면 유지관리 간격을 연장하는 데 주된 제한 요소 중 하나는 휠이었습니다. 오늘날 컴퓨터 제어식 차륜 선반의 사용을 통해 평탄한 부분을 제거하고 마모를 보상한다는 것은 윤축이 교체되기 전에 150만 km 넘게 운행할 수 있다는 것을 의미합니다.

지금까지는 이들 휠이 회전하는 베어링이 길어진 휠 수명을 따라갈 수 없었습니다. 링, 롤러, 씰과 같은 베어링 구성품 대부분의 사용 수명은 보수적으로 계산해도 윤축의 두 배이지만 이는 충분한 윤활을 가정했을 때입니다. 이로 인해 중요한 사항이 도출됩니다. 열차 휠 베어링의 그리스 수명은 보기의 유지관리 간격을 연장하는 데 있어서 약한 연결 고리였습니다.

그리스는 열차 휠 베어링의 핵심적인 구성품으로, 베어링 내에서 금속 표면들을 분리하여 마모를 방지하고 이들 표면을 부식으로부터 보호합니다. 그리스의 속성은 시간의 경과에 따라 변하지만 윤활과 보호를 제공하는, 그리스 내의 기유 구성 요소는 이를 제자리에 고정하는 점도 증가제로부터 점차 분리되어 나옵니다. 결국 그리스가 고갈되어 교체를 해야 하는 상황이 됩니다.

표준 철도 베어링 유닛은 일반적으로 매 백만 km마다 오버홀과 재윤활이 필요합니다. 이는 철도 차량의 서비스를 중단한 상태에서 베어링을 제거해야 하는 공정입니다. 휠의 수명이 길어짐에 따라 베어링이 제한 구성품이 되었습니다. 운영사 입장에서는 이러한 정기적 베어링 오버홀은 비용이 많이 들고 불편한 유지관리 요건으로, 가능한 한 피하고 싶은 것입니다. 이상적인 세상이라면 베어링 오버홀 간격이 윤축의 수명과 일치하고, 이로 인해 두 작업을 한 번의 작업으로 완료할 수 있을 것입니다.

SKF의 엔지니어들로 구성된 R&D 프로젝트를 통해 이러한 상황이 현실이 되었습니다. SKF의 최신 철도 휠 베어링은 오버홀 간에 170만 km를 운행하도록 설계되었으며, 이를 통해 베어링 오버홀 일정을 가장 내구성 있는 휠의 교체 시점과도 일치시킬 수 있게 되었습니다. SKF 팀은 베어링 내 윤활유의 수명에 영향을 미치는 요소에 초점을 맞추어 이러한 유지관리 요건의 감소를 달성했습니다.

이 과정은 윤활유 자체에서 시작되었습니다. “그리스의 성능과 사용 수명을 극대화하기 위해서는 기유가 점도 증가제로부터 빠져나오는 속도의 균형을 맞춰야 합니다”라고 SKF 철도 부문 수석 애플리케이션 엔지니어 Jan Babka는 밝힙니다. “그리스가 빠져나오는 속도가 너무 빠르면 빠르게 고갈되지만 속도가 너무 늦어도 금속 표면들을 분리시키는 데 충분한 오일을 배출하지 않습니다.“ 휠 베어링 용도에 적합한 최상의 특성 조합을 갖춘 그리스를 찾기 위해 SKF는 선도적인 철도 산업 윤활유 공급사와 긴밀하게 협력했습니다.

뛰어난 시작점을 확보한 팀은 그 후 그리스의 수명에 영향을 미치는 다른 특성에 집중했습니다. “그리스 수명은 온도, 회전 속도, 베어링 크기, 청결도, 기계적 마찰, 전류의 존재 등을 포함하여 여러 요소에 의해 영향을 받습니다”라고 Babka는 설명합니다. "철도 휠 베어링의 경우 대부분의 이들 특성은 용도에 의해 이미 결정되며, 우리가 큰 영향을 미칠 수 있는 세 가지 요소는 매끄러운 표면, 낮은 작동 온도, 높은 내구성입니다.”

매끄러운 표면

베어링의 구름 표면에 손을 대면 매끄러운 느낌이 들지만 완벽하게 평탄한 것은 아닙니다. 표면 거칠기는 마모와 마찰이 발생하는 정도에서 중요한 역할을 합니다. 마모를 제한하는 것이 중요한데 이는 금속 입자가 그리스의 산화를 가속화하고 수명을 단축하기 때문입니다. 또한 표면 거칠기로 인한 마찰을 감소시키는 것도 중요합니다. 그리스가 가열되고 이로 인해 그리스 수명이 단축되기 때문입니다. 이러한 이유로 SKF는 휠 베어링의 표면 마감 공정을 더욱 정밀화했습니다.

낮은 작동 온도

그리스의 온도를 제어하기 위해 SKF는 구름 베어링 설계 분야의 광범위한 경험을 활용했습니다. "일반적으로 작동 온도가 15°C 상승하면 베어링의 그리스 수명이 절반으로 줍니다"라고 Babka는 설명합니다. “그런데 온도 상승의 주된 원인은 베어링 내부의 마찰입니다.” 따라서 SKF 엔지니어들이 직면한 도전과제는 베어링 자체의 강도나 작동 수명에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 마찰을 감소시키는 방법을 찾는 것이었습니다.

SKF의 솔루션은 베어링 구조에 미묘한 변화를 주어 롤러와 레이스웨이 간의 접촉 길이를 최적화하는 것이었습니다. 접촉이 길면 베어링의 하중 지지 용량이 높아지지만 마찰이 증가하고 그리스 수명이 감소합니다. 핵심은 올바른 베어링 및 작동 조건에 맞는 올바른 구조를 찾는 것이었습니다. SKF의 테스트에 따르면 정상 작동 조건에서 일반적인 130x240 크기의 TBU(테이퍼 롤러 베어링 유닛)의 경우 구름 마찰을 30% 감소시키면 온도가 10°C 감소합니다.

높은 내구성

마모가 문제가 될 수 있는 시점인, 그리스 사용 수명에 도달했을 때에도 베어링이 고장나지 않도록 하기 위해 SKF는 베어링 링에 자사의 특허 기술인 Xbite 열처리 기술을 사용합니다. Xbite는 초고강도의 "베이나이트"(bainite) 강철을 제공합니다. 이는 일반적인 "마텐자이트"(martensite) 강철과 강도가 동일하지만 내구성이 더 높고 피로 수명이 더 깁니다. 이는 또한 내마모성이 더 높고 균열 전파 속도가 더 느립니다.

새로운 SKF TBU는 현재 다양한 일반 사이즈로 생산되고 있습니다. 운행 속도가 160~250kph인 열차에 적합한 TBU는 이미 유럽의 한 주요 철도 운행사에서 사용되고 있습니다. 그런데 이것이 철도 휠 베어링 기술 발전의 종착역일까요? Babka는 그렇게 생각하지 않습니다. “170만 km는 업계가 현재 요청하는 사양이지만 철도 업계가 항상 구성품의 수명을 연장하고 유지관리 요건을 감소시킬 수 있는 방법을 모색할 것이라는 점은 의심할 여지가 없습니다. 트랙션 모터와 같은 다른 철도 용도의 경우 하이브리드 세라믹 베어링의 사용 등 다른 방법을 통해 우리는 이미 더 긴 그리스 수명을 제공하고 있습니다. 대형 베어링의 경우 현재 이 기술은 너무 비쌉니다. 그러나 장기적으로 보면 오버홀 간격이 300만 km인 베어링을 만드는 일이 가능할 수 있을 것입니다.”

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(publ)

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보도 자료: Nia Kihlström, +46 31-337 2897, +46 706 67 28 97, nia.kihlstrom@skf.com

SKF는 베어링, 씰, 메카트로닉스, 윤활 시스템과 기술 지원, 유지보수, 안정성 서비스, 엔지니어링 컨설팅과 교육을 망라한 서비스를 제공하는 데 있어 세계적 선도기업입니다. SKF는 전 세계 약 130여 개국에 진출해 있으며, 17,000여 개의 지역대리점을 보유하고 있습니다. 2015년도 연간 매출액은 759억 9700만 스웨덴 크로나이며 직원 수는 46,635명입니다. www.skf.com

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