스켈레톤 오일 씰은 산업용 로봇에서 ±180도의 큰 각도 왕복 운동 조건에서도 안정적인 밀봉 성능을 어떻게 유지하는가?

산업용 로봇은 고정밀 및 고부하 조건에서 작동하므로 각 조인트의 밀봉 성능이 매우 중요합니다. 조인트 샤프트가 ±180°로 왕복 회전할 경우, 기존의 밀봉 개념은 중대한 도전에 직면하게 됩니다. 고주파, 제한된 각도에서의 방향 전환 운동은 윤활막을 파손시키기 쉬우며, 이로 인해 씰 립(lip)이 샤프트 표면과 반복적으로 접촉하게 됩니다. 이러한 현상은 마찰 증가, 급속한 마모, 토크 변동 및 열 축적을 유발하며, 궁극적으로는 씰링 재질의 열화를 초래할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 소재 선정, 립 설계, 열 관리 및 설치 정밀도를 통합한 종합적인 접근이 필요합니다.

소재 선정: 낮은 마찰과 내마모성을 보장

마찰 및 마모 문제 해결을 위해서는 재료 선택이 근본적으로 중요합니다. 이러한 유형의 운동에서는 주개질면에 저마찰 재료를, 보조 개질면에는 고탄성 재료를 사용하는 것이 원칙입니다.

주개질재 재료

주개질립에는 PTFE 복합재료를 권장합니다. PTFE는 매우 낮은 마찰계수(최저 0.02~0.1 수준)와 뛰어난 자기 윤활성, 우수한 내마모성을 제공하므로 장기간 왕복운동에 이상적입니다.

보조 개질재 재료

FKM과 HNBR은 탄성성능, 개질 능력, 내유성 및 내열성을 제공합니다. 이들은 –50°C에서 +150°C 범위까지 신뢰성 있게 작동하며, 일반적으로 더스트립(dust lips), 정지용 O링 또는 PTFE 주개질재를 위한 탄성 지지 요소로 사용됩니다.

특별한 재료

고온 또는 부식성 매체와 같은 극한 조건의 환경에서는 FFKM이 뛰어난 화학적 및 열 저항성을 제공합니다. 비용이 매우 높기 때문에 일반적으로 화학 산업이나 반도체 환경과 같은 특수 응용 분야에만 사용됩니다.

립 디자인: 수동적 차단에서 능동적 동적 밀봉으로

기존의 립 디자인은 수동적인 물리적 접촉에 의존하지만, 왕복 회전 운동에는 더욱 능동적인 밀봉 메커니즘이 필요합니다.

유체역학적 립 형상

Z형, K형 또는 S형 립 프로파일을 사용하면 샤프트 이동 중 미세한 펌프 효과를 발생시킬 수 있습니다. 이 효과는 소량의 윤활제를 밀봉 챔버 내부로 되돌려 보내며, 윤활 상태를 유지하고 마찰을 줄입니다.

이중 립 구조

이중 립 구성은 기능을 명확히 분리합니다.

주요 립은 윤활제를 밀봉합니다.

보조 립은 일반적으로 탄성 고무로 제작되어 먼지와 습기의 유입을 방지합니다.

이러한 기능 분리는 전반적인 밀봉 신뢰성을 향상시킵니다.

스프링 프리로드: 접촉 압력 안정화

왕복 작동 응용 분야에서는 일관된 접촉 압력 유지가 필수적입니다. 내부 스프링은 립과 축 표면 간의 지속적인 접촉을 보장하기 위해 필요한 프리로드를 제공합니다. 립이 마모되더라도 스프링이 자동으로 보상하여 성능 저하를 방지합니다. 스프링은 시간이 지나도 이완되거나 파손되지 않도록 높은 피로 저항성과 화학적 안정성을 가져야 합니다.

내마모성 및 저마찰 설계

내마모성은 재료 특성뿐만 아니라 전체 시스템 설계에도 크게 영향을 받습니다.

자기 윤활 재료

PTFE는 전이막을 형성할 수 있는 능력 덕분에 마모를 크게 줄입니다. 몰리브덴 다이설파이드(MoS₂)와 같은 고체 윤활 코팅은 초기 운전 단계와 장기적 성능 향상에 추가적으로 기여할 수 있습니다.

고급 옵션: 롤링 실링 구조

매우 높은 요구 조건의 응용 분야의 경우 롤링 타입 씰을 사용할 수 있습니다. 씰 링 내부에 롤링 요소를 삽입함으로써 슬라이딩 마찰을 롤링 마찰로 전환하여 토크를 70% 이상 감소시키고 마모를 거의 제거할 수 있습니다. 이 솔루션은 비용이 더 들며 일반적으로 고신뢰성 시스템에서 사용됩니다.

열 관리: 열 발생 처리

왕복 운동에서는 높은 온도가 흔히 발생하므로, 씰링 시스템은 열에 견딜 수 있어야 하며 열 발생을 최소화해야 합니다.

광범위한 온도 범위 재료

PTFE, FKM 및 HNBR은 –50°C에서 +150°C까지 안정적인 성능을 유지하여 다양한 온도 조건에서도 신뢰성 있는 씰링을 보장합니다.

저발열 설계

저마찰 재료 사용과 접촉 압력의 최적화를 통해 마찰열 발생 원천을 줄여 씰의 열 노화를 방지합니다.

설치 및 시스템 통합: 정밀도가 중요

최상의 씰 설계라도 정밀한 설치를 통해 비로소 최적의 성능을 발휘할 수 있습니다.

설치 정확도

샤프트 표면은 경도 및 거칠기 요구 조건을 충족해야 하며, 적절한 정렬을 보장하고 립 변형을 방지하기 위해 전용 도구를 사용해야 합니다.

모듈형 씰 어셈블리

많은 공급업체에서 현재 사전 조립 및 사전 윤활된 씰링 모듈을 제공하고 있습니다. 이러한 모듈은 설치를 간소화하고 변동성을 줄이며 일관성을 향상시킵니다.

장기 내구성

장기적인 씰링 성능은 구조적 강성과 탄성 설계에 따라 달라집니다. 견고한 금속 케이스는 설치 중 변형을 방지하며, 탄성 부품은 샤프트의 편심 보상을 안정적인 씰링 힘과 균형 있게 유지해야 합니다.

±180° 왕복 회전 조건에서 작동하는 산업용 로봇 조인트의 경우, 효과적인 밀봉은 시스템 수준의 접근이 필요합니다. PTFE 및 FKM과 같은 적절한 재료를 선택하고, 리프 기하학 구조와 스프링 프리로드를 최적화하며, 적절한 열 관리 및 설치를 보장함으로써 마찰을 크게 줄이고, 마모를 최소화하며 장기적인 밀봉 안정성을 유지할 수 있습니다. 극한 환경에서는 고부하 및 고주파 작동 조건에서도 신뢰성 있는 성능을 보장하기 위해 고급 구조 설계 또는 특수 재료를 고려할 수 있습니다.