회전진동(베어링)2

[Kim byoungil]

1. 구름 베어링

  구름베어링은 내륜(inner race)과 외륜(outer race) 사이에 전동체(ball or roller)를 넣은 볼 베어링과 롤러를 넣은 롤러 베어링이 있다. 구름 베어링의 볼과 롤러는 미끄럼 베어링에서의 윤활제와 같은 역할을 한다. 그렇다고 윤활제가 전혀 필요 없는 것은 아니다. 실제로 구름 베어링은 구름 운동 이외에 미끄럼 운동을 하는 부분도 있기 때문에 윤활제를 사용해야만 마찰을 적게 할 수 있고 고속에서도 견딜 수 있다.

이러한 구름 베어링은 미끄럼 베어링과 비교하여 다음과 같은 장점이 있다.

- 국제적으로 표준화, 규격화되어 있으므로 호환성이 있고 교환 사용이 가능하다.

- 베어링의 주변 구조를 간단하게 할 수 있다.

- 보수와 점검이 용이하다.

- 기동 마찰 토오크가 작고, 기동 마찰 토오크와 운전 마찰 토오크와의 차이가 비교적 작다.

- 일반적으로 경방향 하중과 축방향 하중을 함께 받을 수 있다.

- 고온과 저온에서 사용이 비교적 용이하다.

- 예압을 가하여 강성을 높일 수 있다.

가. 구름베어링의 종류

  구름베어링의 형식을 분류할 때 보통 전동체의 종류에 따라 볼 베어링과 롤러 베어링으로 구분하거나, 베어링이 주로 지지할 수 있는 하중의 방향에 따라 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링으로 구분한다. Fig.1-1은 산업체에서 가장 많이 이용되는 구름 베어링의 형태에 대한 구조이다. 일반적으로 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링은 궤도륜의 형태, 접촉각 및 전동체의 형상 등에 따라서 Fig.3-2와 같이 분류되며, 베어링 사용상의 전문적인 용도에 의해서도 분류되기도 한다.

용어 정의

Ball Bearing                          볼 베어링

Roller Bearing                        롤러 베어링

Radial Bearing                        레이디얼 베어링

Thrust Bearing                        스러스트 베어링

Single row deep groove ball bearing   단열 깊은 홈 볼 베어링

Double row angular contact ball bearing              복렬 앵귤러 콘텍트 볼베어링

Double row taper roller bearing       복렬 테이퍼 롤러 베어링

Cylindrical roller bearing            원통 롤러 베어링

Niddle roller bearing                 니들 롤러 베어링

Spherical roller bearing              스페리컬 롤러 베어링

Thrust roller bearing                 스러스트 롤러 베어링

나. 베어링의 선정

  긴 수명, 높은 신뢰도, 그리고 경제성은 베어링을 선정하는 데 있어 추구되는 주된 목표이다. 또한 베어링에 요구되는 사용 조건과 요구 성능도 점점 다양해지고 까다로워지고 있다. 따라서 베어링의 선정에 있어 최적의 선정이 되기 위해서는 여러 각도에서 충분한 검토가 이루어져야 한다.

  베어링을 선정하기 위해서는 일반적으로 다음과 같은 절차를 따른다. 먼저 사용 조건과 환경 조건에 대한 확인을 하여야 한다. 이러한 사용 조건과 환경 조건을 베어링을 선정하기 위한 다음 각각의 단계에서 고려되어야 한다.

w  베어링 형식의 검토

w  베어링 배열의 검토

w  베어링 치수의 검토

w  베어링 내부 사양의 검토(정밀도, 틈새 및 예압, 케이지 종류, 윤활 등)

  새로운 기계나 특별한 사용 조건과 환경 조건에서 사용되는 베어링을 선정할 경우에는 더 복잡한 계산식과 설계가 필요하다. 일반적인 구름베어링의 선정을 위한 베어링의 특성을 Table 3-1에 나타내었다.

다음은 베어링의 선정 과정 예이다.

사용조건 : 환경조건 확인

다. 베어링 수명과 정격 하중

  1) 베어링 수명

  구름베어링은 아무리 정상적인 조건에서 하에서 사용한다고 주의하더라도, 어느 시간 사용 후에는 음향, 진동의 증가, 마모에 의한 정밀도 저하, 그리이스의 열화, 궤도면 또는 전동체에 반복된 응력이 가해짐으로써 비늘 모양의 손상 즉 플레이킹이 발생하여 더 이상 사용할 수 없는 상태가 된다. 이렇게 구름베어링이 사용 불가능하게 될 때까지의 총 회전수가 기간을 베어링 수명이라고 하며, 각각 음향 수명, 마모 수명, 그리이스 수명, 구름 피로 수명 등이라 한다. 일반적으로 구름베어링의 수명을 말할 때 구름 피로 수명을 일컬으며 수명의 평가 시 널리 이용되고 있다.

  구름베어링은 동일한 조건에서 운전되어도 수명은 일반적으로 큰 산포를 갖는다. 이것은 재료의 피로 한도가 일정하지 않기 때문이다. 따라서 수명을 평균치로 취하는 것은 무의미하기 때문에 하나의 통계치로서 정격 수명을 사용한다.

  구름베어링이 일정한 회전속도로 사용되는 경우, 베어링의 피로수명을 시간으로 표현하는 것이 편리하다. 회전속도를 n, 피로수명 계수를 fh, 그리고 속도계수를 fn이라고 하면 베어링의 정격피로수평L10h는 아래식과 같이 표현된다.

기본 정격 수명

  기본 정격 수명이란 구름베어링을 같은 조건에서 각각 회전시켰을 때, 그 중 90 %의 베어링이 구름 피로에 의한 플레이킹을 일으키지 않고 회전할 수 있는 총 회전수 또는 총  회전 시간을 말한다.

기본 동정격  하중

  구름베어링의 동적 부하 능력을 나타내는 기본 동정격 하중은 외륜 고정, 내륜 회전의 조건에서 정격 피로 수명이 100만 회전이 될 수 있는 방향과 크기가 일정한 하중을 의미한다. 이때, 레이디얼 베어링은 순수 경방향 하중, 스러스트 베어링은 순수 축방향 하중을 취한다.

보정 정격 수명

  구름베어링 수명의 일반적인 기준인 기준 정격 수명은 위식에 의해 구하지만, 용도에 따라 신뢰도 계수 a1, 재료 계수 a2 및 사용조건 계수 a3를 사용하여 보정 정격 수명 Lna를 다음 식으로부터 구할 수 있다.

단, L10보다도 값이 큰 보정 정격 수명 L10a 또는 Lna를 사용하여 구름베어링 치수를 선정하는 경우에는 수명 외에 구름베어링의 허용 변형량, 축 또는 하우징의 강도 등에 대해서도 특별히 주의할 필요가 있다.

재료 계수 a2는 재료의 개선으로 구름베어링의 수명이 향상되는 것을 보정하여 주는 계수로서, 일반적인 구름베어링 제작사에 사용되고 있는 표준적인 재료 및 제조방법에 의한 베어링에 대해서는 a2=1로 한다. 그 외에 특별히 개선된 재료 및 제조 방법에 의한 베어링에 대해서는 a2>1로 하고, 고온에서의 치수 안정성을 양호하게 하기 위해 치수 안정화 처리를 한 베어링은 경도가 낮아질 수 있기 때문에 a2<1이 될 수 있다.

  사용 조건 계수 a3는 구름베어링의 사용 조건, 특히 사용 온도 또는 윤활조건이 피로 수명에 미치는 영향을 보정하는 계수이다. 구름베어링의 내외륜 사이에 기울어짐이 없고, 전동체와 궤도면이 윤활제에 의해 충분히 분리되어 있는 윤활조건에서는 일반적으로 a3=1로 한다. 구름베어링의 사용 온도가 높을 경우에는 a3<1로 하며, Fig.3-3은 운전 온도 조건에 대한 사용 조건 계수를 나타내었다.

  2) 베어링 하중

  가) 기본 정격 하중

  구름베어링이 과대한 하중이나 순간적으로 큰 충격 하중을 받게 되면 궤도와 전동체의 접촉면에 국부적인 영구변형, 즉 압흔이 발생한다. 이 압흔은 하중이 크면 클수록 크게 되고 베어링의 원활한 회전을 방해한다.

기본 정정격 하중

  기본 정정격 하중 C0는 전동체와 궤도 사이에서 가장 하중을 많이 받는 접촉면의 중심에 아래와 같은 이론적인 접촉 응력을 발생시키는 하중이다.

w 모든 볼 베어링         4200 N/mm2 (자동조심 볼 베어링 제외)

w 자동조심 볼 베어링     4600 N/mm2

w 모든 롤러 베어링 4000 N/mm2

  구름베어링이 이 기본 정정격 하중 C0를 받게 되면, 가장 하중을 많이 받는 접촉부에서 전동체와 궤도륜의 영구 변형량의 합계가 전동체 직경의 약 1/10,000이 된다.

기본 정정격 하중 C0의 값은 레이디얼 베어링에서는 C0r, 스러스트 베어링에서는 C0a의 값을 나타내며 치수표에서는 단지 C0로 기재되어 있다.

  나) 동등가 하중

  구름베어링에 작용하는 하중은 대부분의 경우 경(radial) 방향과 축(axial) 방향의 합성 하중일 경우가 많다. 이러한 경우 베어링이 받는 하중 그대로를 수명 계산식에 적용할 수 없다. 따라서 실제로 합성 하중이 작용할 때와 같은 수명을 갖도록 베어링의 중심에 적용하는 가상 하중을 구하여 수명 계산을  한다. 이와 같은 하중을 동등가 하중이라 한다.

레이디얼 베어링의 동등가 하중

  레이디얼 베어링의 동등가 하중을 구하는 식은 다음과 같다.

다) 정등가 하중

  정등가 하중이란 구름베어링에 경 방향 하중과 축 방향 하중이 동시에 작용할 경우, 최대 하중을 받는 전동체와 궤도의 접촉부 중앙에 발생하는 영구 변형량과 같은 크기의 변형량을 일으키는 가상 하중을 말한다. 레이디얼 베어링의 정등가 하중은 다음과 같다.

라. 끼워 맞춤

  구름베어링이 지니고 있는 기능 및 특성 등을 적절히 발휘하려면, 베어링 내륜과 축과의 끼워 맞춤 및 베어링 외륜과 하우징과의 끼워 맞춤이 그 사용 용도에 따라 적합하여야 한다. 따라서 적절한 끼워 맞춤을 선정하는 것은 용도에 적합한 베어링을 선정하는 것과 마찬가지로 중요한 것이며, 적절하지 못한 끼워 맞춤은 구름베어링 조기 파손의 원인이 된다. 일반적으로 적절하지 못한 끼워 맞춤으로 발생하는 현상은 크리이프 현상, 궤도륜의 깨짐, 궤도면에 나타나는 전동체 피치 간격의 압흔 등이 있다.

  크리이프 현상은 간섭량이 거의 없이 축에 설치되는 경우에 발생하는 것으로 내, 외륜이 축이나 하우징에 대하여 원주 방향의 상대적인 이동이 나타나 끼워 맞춤면의 긁힘, 발열 및 마모가 발생하고, 그로 인한 금속입자가 베어링 내부로 유입되면 베어링의 수명을 감소 시킬 수 있다.

  간섭량이 과대한 경우 궤도륜에 발생하는 과다한 원주 응력으로 심할 경우 궤도륜이 원주 방향으로 깨질 수 있으며, 베어링 틈새의 감소로 인하여 전동체와 궤도륜 사이에 과다한 응력이 발생하여 전동체와 접촉하는 궤도륜에 볼의 피치 간격으로 눌림 자국이 발생할 수 있다.

끼워 맞춤 고려 요소

w 베어링의 부하 능력이 충분히 발휘되기 위해 내, 외륜 지지

w 내, 외륜 잘 고정 (설치 후 움직이지 않아야 함)

w 열에 의한 축과 하우징의 길이 변화에 대응할 수 있도록 즉, 축 방향으로 이동할 수 있도록 한쪽은 자유단으로 조립 (분리형 베어링 중 내, 외륜이 축방향으로 자유로이 움직일 수 있는 베어링의 경우는 예외)

w 경 방향 틈새는 억지 끼워 맞춤과 내,외륜간의 온도 구배에 따라 변화하므로 경 방향 틈새를 선정 시 고려

w 큰 (충격) 하중이 작용할 때는 간섭량을 크게 하고, 형상 공차를 작게 함

w 분해와 조립 용이

Table 3-3  베어링 하우징의 끼워 맞춤 (housing fit)

바. 예압

  구름베어링은 일반적으로 운전상태에 있어서 적당한 틈새를 갖고 사용된다. 그러나 어떤 목적을 갖고 베어링을 설치한 상태에서 미리 설정된 내부 하중이 생기도록 마이너스 틈새로 사용된 경우가 있다. 이와 같은 사용법을 예압이라고 하며, 크게 정위치 예압과 정압 예압으로 나눠 진다. Fig.3-5는 예압의 적용 예이다.

정위치 예압

정위치 예압은 베어링의 상대적인 위치가 사용 중에도 변화하지 않고, 일정하게 유지되는 예압 방법이다. 정위치 예압 방법으로는 미리 예압 조정이 된 한 쌍의 베어링을 꼭 조여서 사용하거나, 적당한 예압 량을 얻을 수 있도록 스페이서나 시임 치수를 조정해서 사용하는 방법 등이 있다.

정압 예압

  정압 예압은 코일 스프링, 접시 스프링 및 판 스프링등을 이용해서 적정한 예압을 베어링에 주는 방법으로서 예압 스프링의 강성은 베어링의 강성에 비해서 통상적으로 충분히 작기 때문에 예압된 베어링의 상대적인 위치는 사용 중에 변화하지만 예압은 거의 일정하게 되는 예압 방법이다.

정위치 예압과 정압 예압의 특징을 비교하면 다음과 같다.

- 베어링 강성의 증가에 대한 효과 : 정압 예압 < 정위치 예압

- 베어링 하중에 대한 베어링 강성의 변화 : 정압 예압 > 정위치 예압

- 온도 및 하중에 의한 예압 변화 : 정압 예압 < 정위치 예압

Table 3-6 예압의 방법과 특징

예압법	적용 베어링	예압 부가 방법	사용 예
정위치 예압	앵귤러 콘택트 볼 베어링	내윤 및 외륜 폭면의 평면차 또는 소정량의 예압을 가함	연삭기 선반 측정기
	테이퍼 롤러 베어링 스러스트 볼 베어링 앵귤러 콘택트 볼 베어링	나사의 체결력을 가감 시킴에 의해 예압을 부가 하며, 예압량은 베어링의 기동 마찰 토오크 등을 측 정하여 정함	선반 인쇄기 자동차 피니언 자동차 휠
정압 예압	앵귤러 콘택트 볼 베어링 깊은 홈 볼 베어링 테이퍼 롤러 베어링	코일 또는 용수철에 의해 예압을 부가함	전동기 와인더 스핀들 연삭기
	스러스트 볼 베어링 스러스트 스페리컬 롤러 베어링 스러스트 원통 롤러 베어링	코일 또는 용수철에 의해 예압을 부가	압연기 압출기

예압량의 검토

전술한 바와 같이, 예압을 적절하게 부여함으로써 여러 가지 효과를 얻을 수 있어 유용하지만, 예압량을 필요 없이 크게 취하면 이상 발열, 마찰 모멘트의 증대 및 베어링 피로 수명의 저하 등의 현상을 초래하므로 베어링 운전 조건의 정확한 해석 및 예압의 목적 등을 적절히 고려해서 예압량을 결정해야 한다.

예를 들어, 공작기계 주축용 베어링의 경우는 축계의 강성을 높이는 것이 주 목적이기 때문에 축계에서 베어링에 요구되는 탄성 계수로 예압량을 구할 수 있다. 그러나 공작기계의 경우 일반적으로 주축의 회전 수 범위가 넓으므로, 저속 중절삭의 경우에는 좋은 특성을 가지나, 고속으로 경절삭을 할 경우에는 베어링의 발열이 문제가 되는 경우가 있다.

또 폴스 브리넬링의 방지가 목적일 경우에는, 축이 회전하지 않을 때 외부 진동에 의해 전동체가 진동하지 않도록 하기 위해 진동 하중에 의해서 틈새가 생기지 않을 정도의 예압량을 선정하면 된다. 그러나, 전동기의 경우에는 예압에 의한 발열 및 베어링 수명의 저하가 전동기의 성능 및 시스템 수명에 문제가 되지 않는가를 검토하지 않으면 안된다. 따라서 적정 예압량은 이론식에 의한 적정 값의 계산 및 이를 통한 실험 ·경험 등을 종합적으로 검토하여 결정할 필요가 있다.

예압의 관리법

예압을 관리하는 방법으로서는 다음과 같은 것이 있다.

(1)베어링의 기동 마찰 모멘트의 측정에 의한 관리법

이 방법은 축방향 하중과 베어링의 기동 마찰 모멘트의 관계를 이용해서 기동 마찰 모멘트를 측정하여 예압을 관리하는 방법으로서, 테이퍼 롤러 베어링에 예압을 주어 이용하는 경우에 널리 사용되고 있다.

(2) 스프링 변위량의 측정에 의한 관리법

정압  예압일 경우 미리 예압 스프링의 하중과 변위의 관계를 구해두고, 스프링의 변위량에 의해 예압을 관리하는 방법이다.

(3) 베어링의 축방향 변위량을 측정하는 관리법

베어링에 걸리는 축방향 하중과 축방향 변위량의 관계를 구해두고, 축방향 변위량에 의해 예압을 관리하는 방법이다.

(4) 너트의 조임 토오크(체결력)를 측정하는 관리법

스페이서 또는 시임 등을 사용하지 않고 서로 대응되는 2개의 베어링에 조임 너트로 예압을 부가할 경우 너트를 잘 길들이고 또한 충분히 큰 토오크로 너트를 조일 경우에는 비교적 작은 산포로 조임력, 즉 예압을 줄 수가 있기 때문에 너트의 조임 토오크에 의해 예압을 관리하는 방법이다. 이 방법은 주로 자동차 등에 테이퍼 롤러 베어링을 사용할 경우 널리 사용되고 있다.

사. 구름베어링 윤활

  구름베어링은 구름과 미끄럼 운동을 수반하므로 소음, 마모, 열이 발생하는 것을 방지하기 위하여 오일이나 그리이스로 윤활하며, 특별한 경우에는 고체 윤활제를 사용하기도 한다. 윤활제의 양과 종류는 운전 속도, 온도, 환경 등에 의해 선정되며, 수명이 다 되었거나 오물의 침입으로 더러워진 윤활제는 그 성능도 떨어지므로 적당한 간격으로 교환, 재급유 하여야 한다. 베어링의 기능을 충분히 발휘하기 위해서는 사용 조건과 사용 목적에 적합한 윤활 방법을 사용하는 것이 대단히 중요하다.

  구름베어링의 윤활 방법은 그리이스 윤활과 오일 윤활의 2가지가 있다. 오일 윤활이 여러 가지 장점이 있어 그리이스 윤활에 비하여 우수하나, 그리이스 윤활이 많이 사용되고 있는 것은 밀봉이 쉽고 구조가 간단하다는 등의 장점이 있기 때문이다.

   Table 3-6 그리이스 윤활과 오일 윤활의 특징

구분	그리이스 윤활	오일윤활
윤 활 성 냉각효과 허용하중 속 도 밀봉장치 방 진 성 윤활제 누설 보 수 성 토 오 크 이물질 제거 점검주기	양호 없음 보통 하중 오일윤활의 65%~80% 간단 용이 적다 용이 약간 크다 불가능 길다	매우 양호 순환 급유식인 경우 있음 고 하중 고속 복잡 곤란 많다 곤란 작다 용이 짧다

그리이스 충전 시 주의 사항

w 베어링 내에는 가득 채우고, 하우징 공간에는 약 60 %정도만 충전 (베어링으로부터 밀려나온 그리이스가 들어갈 충분한 공간을 남기는 것이 좋다)

w 고속으로 회전하는 경우 (n·dm>500,000 mm/min)에는 베어링 내부 자유 공간의 20∼25 %만 충전

Table 3-7 각종 그리이스의 종류 및 성능

명칭	리듐 그리이스				나트륨 그리이스	칼슘 그리이스	혼합 그리이스	복합 그리이스	비누가 아닌 그리이스
증주제	Li비누				Na비누	Ca비누	Na+Ca 비누 Li+Ca 비누	Ca복합비누 Al복합비누	우레아, 카본 블랙, 불소화합물, 내열성 유기 화합물 등
기유	광유	디에스테르 유,다가에 스테르유	실리콘유	광유	광유	광유	광유	광유	합성유 (에스테르유, 다가에스테르유, 실리콘유,합성 탄화수소유 불소유)
적점(℃)	170…195	170…195	200…210	170…210	70…90	160…190	180…300	230…	230…
사용온도(℃)	-20…110	-50…130	-50…160	-20…130	-20…60	-20…80	-20…130	-10…130	…220
허용속도비(%)	70	100	60	70	40	70	70	70	40…100
내압성		◎	◎	◎	X	◎	◎	◎	◎
기계적안정성	△	△	X	O	X	O	O	O	△
내수성	◎	◎	◎	X	◎	Na가 들어 있는 건 나쁘다.	◎	◎	◎
방청성	◎	◎	X	△	◎	O	O	△	△
비고	일반용도	저온특성 및 마찰특성 우수,소형전동기에 적합	고온용 ,고속,고하중에 유리	물이나 고온에서 주의	극압첩가제 사용할 때 내압성 우수	대형 베어링 에 주로 사용	내압성 기계적 안정성 우수	일반용도	내열,내산 등의 특수 용도

*비고 : ◎매우 양호 O양호  △보통 X열악

(1) 기유

기유는 그리이스에서 실제로 윤활을 하는 주체로서 그리이스 전체 조성 중 80∼90%를 차지하고 있으므로 용도에 따른 기유의 종류나 점도의 선정은 매우 중요하다.

기유에는 광유계와 합성유계가 있으며, 우선 광유계로서는 용도에 따라 저점도의 것으로부터 고점도의 것에 이르기까지 널리 사용된다. 일반적으로 고하중, 저속, 고온 윤활 개소에는 고점도의 기유가 사용되며, 경하중, 고속, 저온 윤활 개소에는 저점도의 기유가 사용된다.

합성유는 초저온, 초고온 또는 광범위한 온도 조건 그리고 빠른 속도와 정밀성이 요구되는 부위에 사용되며 가격이 매우 비싸다. 합성유계에는 주로 에스테르계, 폴리알파올레핀계, 실리콘계 오일이 사용되며, 특수용도로 불소계 오일의 사용이 증가되고 있다.

(2) 증주제

증주제는 그리이스의 특성을 결정짓는 중요한 요소이며, 그리이스의 주도는 곧 증주제의 양에 따라 달라진다.

증주제는 금속 비누기, 무기계 비비누기, 그리고 유기계 비비누기로 나누어지나 주로 사용되는 그리이스의 대부분은 금속 비누기 그리이스이며, 비비누기 그리이스는 고온 등의 특별한 목적으로 사용된다.

일반적으로 적점이 높은 그리이스는 사용 가능 온도가 높고, 그리이스의 내수성은 증주제의 내수성에 의해 결정된다. 또한 물이 닿는 곳이나 습도가 높은 장소에서는 Na 비누 그리이스 또는 NA비누기를 포함하는 그리이스는 유화 변질되므로 사용할 수 없다.

(3) 첨가제

그리이스의 성능을 더욱 높이고 사용자의 요구 성능을 충족시키기 위하여 각종 성능 향상 첨가제를 사용하고 있다. 이 첨가제는 그리이스의 물리적 성능 및 화학적인 성능을 향상시켜 주며 윤활되는 금속 재질에 대한 마모, 부식 및 녹 발생 등의 손상을 최소화시켜준다.

첨가제에는 산화 방지제, 마모 방지제, 극압 첨가제, 녹·부식 방지제 등이 있으며 사용 부위에 따라 적절한 첨가제가 포함된 그리이스를 사용하여야 한다.

(4) 주도

주도는 그리이스의 무르고 단단한 정도로, 규정 무게의 원추가 그리이스에 침투하는 깊이(1/10mm)를 표시하며 수치가 클수록 연하다.

(2) 그리이스의 수명

그리이스의 수명은 베어링이 운전되기 시작해서 윤활 때문에 파손될 때까지의 시간이다.

파손 확률이 10%인 그리이스 수명을 F10이라고 부른다. 실험실에서 실제의 운전 조건과 가까운 실험을 통해 F10수명 곡선이 구해진다. 대부분의 경우 사용자들은 F10값을 알 수 없기 때문에 표준 그리이스의 추천 최소 수명 값으로써 윤활 주기 tf를 제시한다. 재급유 주기는 안정성을 위해 윤활 주기보다 현저히 짧게 설정되어 있다. 그림 12-2의 윤활 주기 곡선을 이용하면, 최소한의 요구 조건을 만족하는 그리이스에 대해서도 충분한 신뢰성을 보증할 수 있다. 윤활 주기는 베어링에 관계된 속도식 kf·n·dm값에 따라 결정되며, 베어링 종류에 대해 다양한 kf값이 표시되어 있다.

부하 능력이 큰 베어링 계열은 kf가 크고, 부하 능력이 작은 베어링 계열은 kf가 작다. 그림 12-2의 그래프는 리튬 비누기 그리이스를 사용하고, 외륜에서 측정한 온도 70℃이하이며, 평균 하중이 P/C < 0.1인 경우에 적용된다. 하중과 온도가 높아지면 윤활 주기는 짧아져야 한다. 운전 조건과 주변 환경이 열악하면 윤활 주기는 더욱 짧아져야 한다. 만일 그리이스의 수명이 베어링 수명보다 현저히 짧다면 재급유나 그리이스 교환이 필요하다. 재급유시에는 새로운 그리이스가 부분적으로만 대체되므로, 재급유 주기는 윤활 주기보다 짧아야 한다(일반적으로 0.5tf에서 0.7tf).

재급유시 서로 다른 그리이스가 혼합되는 경우가 있을 수 있다. 그 때 아래와 같이 혼합되는 것은 비교적 안전하다.

- 같은 증주제를 갖는 그리이스

- 리튬 그리이스/칼슘 그리이스

- 칼슘 그리이스/벤토나이트 그리이스

위에 제시된 종류 이외의 그리이스를 혼합하는 것은 피해야 한다

Table 3-8 베어링용 그리이스의 물성표 및 적용 범위(FAG)

그리이스	색상	증주제	기유점도	주도 NLGl	사용온도 범위	한계 회전비%	주 특성	주 적용 분야
G6	연갈색	리듐비누기	ISO VG 90	2	-15…+90	60	중속 고하중용	일반 산업기계
G9	황색	리듐비누기	ISO VG 20	2	-55…+130	100	초고속용	공작기계,섬유기계 스핀들 베어링 소형 정밀 베어링
G12	백색	리듐비누기	ISO VG 38	2/3	-30…+200	60	중속 고온용	OA기기,전동기 고온장치 베어링
G14	초록색	폴리우레아	ISO VG 110	2	-30…+175	100	고온용	커플링,전기기계 (전동기,발전기)
G15	미색	리듐비누기	ISO VG 28	3	-40…+150	100	고속 광범위온도용	전동기,정밀기기 자동차 전장품 정밀기기용
G26	살색	우레아	ISO VG 31	2	-40…+160	100	고속 고온 장수명용	자동차 발전기 전자 클러치 전동기
G33	백색	불소	ISO VG 400	2	-35..+300	60	저속 초고온용 특수그리이스	화학장비,진공및 반도체 장비,킬른 트럭
G35	연갈색	우레아	ISO VG 43	2	-50…+170	100	고속광범위온도 장수명,내약품성 내방사성용	자동차 발전기 자동차 전장품 가전기기
G42	살색	우레아	ISO VG 95	2	-30…+130	100	고속,고온 장수명용	자동차 발전기 가전기기
G100	연갈색	리듐비누기	ISO VG 100	2	-30…+130	70	일반 베어링용 표준 그리이스	전동기,농기계 건설기계
G101	미색	리듐비누기	ISO VG 33	3	-40…+150	100	고속 광범위 온도	전동기 가전기기

윤활제 점도 선정

- 윤활유의 점도는 윤활 성능을 결정하는 중요한 특성 중 하나이다. 점도가 너무 낮으면 유막 형성이 불충분하여 마모 및 타붙음이 일어나기 쉬운 반면, 너무 높으면 점성 저항이 커져 온도 상승과 마찰에 의한 동력 손실이 커지게 된다.

- 일반적으로 고속 저 하중이면, 점도가 낮은 윤활유를 사용하고, 저속 고하중일 때는 점도가 높은 윤활유를 선정한다.

- 윤활유의 선정은 ISO에서 규정한 점도 등급을 기준으로 하고 점도 지수를 참고하면 편리하다.

Table 3-9 윤활유의 선정 예

운전 온도℃	회전 속도	윤활유의 ISO 점도 등급
		경하중 / 보통하중	고하중 / 충격하중
-30 ~ 0	허용 속도까지	15, 22, 32	46
0 ~ 50	허용 속도의 1/2이하 허용 속도까지 허용 속도 이상	32, 46, 68 15, 22, 32 10, 15, 22	68, 100 32, 46 -
50 ~ 80	허용 속도의 1/2이하 허용 속도까지 허용 속도 이상	100, 150, 200 46, 68, 100 32, 46, 68	220, 320 100, 150 -
80 ~ 100	허용 속도의 1/2이하 허용 속도까지 허용 속도 이상	320, 460 150, 220 68	460, 680 220, 320 -

비고 : 1. 윤활법은 유욕법 또는 순환 급유법일 경우

오일 윤활 방법

(1) 유욕법

가장 일반적인 윤활 방식이며 저속, 중속 회전에 많이 사용된다.

유면은 원칙상 가장 낮은 위치의 전동체 중심에 위치하도록 하며, 유면의 위치는 오일 게이지를 사용하여 쉽게 확인할 수 있도록 하는 것이 좋다.

(2) 적하 급유법

비교적 고속 회전의 소형 베어링 등에 많이 사용되며, 기름통에 저장되어 있는 오일을 일정량으로 떨어지게 유량 조절을 하여 윤활하는 방식이다.

(3) 비산 급유법

기어나 회전 링을 이용하여 윤활하고자 하는 베어링에 오일을 비산시켜 윤활하는 방법이다. 자동차 변속기나 기어 장치 등에 널리 쓰인다.

(4) 순환 급유법

고속 회전이어서 부분을 냉각할 필요가 있는 경우 또는 베어링 주위가 고온인 경우에 많이 적용한다. 급유 파이프로 급유 되고 배출 파이프로 배출되어 냉각된 후 펌프에 의해 다시 급유 된다.

베어링 안의 오일에 배압이 걸이지 않도록 배출 파이프의 직경은 급유 파이프보다 큰 것을 사용한다.

(5) 제트 급유법

제트 급유는 고속 회전(n·dm값이 100만 이상)의 경우에 많이 적용하며, 1개 또는 수개의 노즐로부터 일정 압력으로 윤활유를 분사 시켜 베어링 내부를 관통 시킨다.

일반적인 제트 윤활은 베어링 내륜과 부근의 공기가 베어링과 같이 회전하여 공기 벽을 만들기 때문에 노즐로부터의 윤활유 분출 속도는 내륜 외경면 원주 속도의 20%이상이 되어야 한다.

동일한 유량에 대해서 노즐의 수가 많은 것이 냉각도 균일하고, 냉각효과도 크다.

(6) 분무 급유법

분무 급유는 공기에 윤활유를 안개상으로 만들어 베어링에 불어넣는 방법으로 그 장점은 다음과 같다.

- 윤활유는 소량이기 때문에 교반 저항이 작아 고속 회전에 적합하다.

- 베어링에서 누출되는 유량이 적기 때문에 설비와 제품의 오염이 적다.

- 항상 새로운 윤활유를 공급할 수 있어 베어링의 수명을 길게 할 수 있다.

따라서 공작기계의 고속 스핀들, 고속 회전 펌프, 혹은 압연기 롤 넥크용 베어링 등의 윤활에 많이 사용되고 있다.

(7) 오일 에어 윤활

오일 에어 윤활은 최소한의 필요로 하는 윤활유를 베어링마다 최적의 간격으로 정확하게 계량, 송출하여 끝부분까지 연속적으로 압송한다.

베어링에 대하여 항상 새로운 윤활유를 정확하고 연속적으로 보내므로 윤활유의 상태가 변하지 않고, 압축 공기의 냉각 효과도 더욱 좋아져 베어링의 온도 상승을 낮게 억제할 수 있다. 또 오일은 베어링에 대하여 매우 소량의 액체 상태로 공급되므로 주위를 오염시키지 않는다.

6.4. 축계(rotor-bearing system) 설계 및 해석

가. 축계 설계 절차

회전기계의 축계 설계를 위해서는 주어진 조건하에서 기계의 성능이 유지될 수 있도록 정적 특성(계의 굽힘, 전단 강도, 피로 수명 등)뿐만 아니라 위험속도, 불평형 진동 응답, 안정성 등의 동적 특성을 충분히 고려해야 한다. 기본적으로 축의 형상과 치수가 결정되면, 베어링에 걸리는 하중, 운전 속도, 계의 동특성 등을 고려하여 운전조건에 적합한 베어링의 형상과 치수를 결정한다. 그리고, 설계에 대한 타당성을 검증하기 위해 축의 굽힘 및 비틈 응력 계산, 축의 정적 처짐량 계산, 증기압에 의한 영향, 베어링 특성 해석, 축계 굽힘/비틈 진동 해석, 안정성 해석 등을 통해 – 필요하다면 치수와 형상을 조정해 가면서 – 최종의 축계 형상과 치수를 결정한다.

축계 설계 시의 고려/검증 요소

- Rotor stress and deflection

-  Allowable working stress

-  Bearing loading

-  Shaft flexibility

-  Starting and loading            베어링 선정 절차

축계선정절차

나. 축계 진동 해석

  회전기계의 축계에서는 불평형 질량등에 의해 필연적으로 진동이 발생한다. 불평형의 가진주파수는 회전수와 같기 때문에 만일 회전수와 계의 고유진동수가 일치하면 공진이 발생하여 큰 진동이 일어나게 된다. 따라서 축의 제원이 결정되면, 축의 진동 특성을 평가해서 축계에서 공진 또는 과대 진동이 발생하지 않도록 해야 한다. 이를 위해 축계의 위험속도, 고유 모드, 불평형 응답, 안정성 특성, 비틈 진동, 과도 응답 해석 등을 수행하여 설계 기준을 만족하지 않을 경우에는 로터 직경, 베어링 형상, 시일 형상, 베어링 스팬 등의 설계 변경을 추진한다

w  위험 속도 계산

w  고유 모드 해석

w  안정성 해석

w  비틈 진동 해석

w  과도 응답 해석

  1) 모델링 (modeling)

해석의 첫번째 단계는 실제 기계에 대한 수학적 모델을 유도하는 것이다. 그러나 실제 기계는 형상이 매우 복잡하고, 다양한 운전 조건 및 주변 환경 때문에 정확하게 시스템을 모델링하는 것은 대단히 어렵다. 증기 터빈 축계는 유한요소법을 이용하여 수학적 모델을 구축한다. 이 때, 로터의 유연성(flexibility)은 물론, 정확한 예측을 위해 블레이드와 기초(foundation)의 유연성도 고려해야 한다. 축계의 진동 해석을 위한 지배방정식은 일반적으로 다음과 같은 운동방정식이 이용된다.

                                                                        (4-1)

여기서 M은 질량 행렬, C는 감쇠 행렬, 그리고 K는 강성 행렬이다. 횡진동 해석의 경우 감쇠 행렬 C는 베어링 및 시일 등의 점성 감쇠 뿐만 아니라 자이로스코프 행렬을 포함하고 있으며, 비틈 진동의 경우는 감쇠가 대단히 작기 때문에 이 항은 일반적으로 무시한다.

  2) 위험 속도 (critical speed) 계산

  위험속도는 축계의 고유진동수와 일치하는 회전속도를 말한다. 로터의 운전속도와 위험속도가 일치하여 발생되는 공진을 방지하기 위해서는 정확한 위험속도를 예측하는 것은 중요한 일이다. 회전기계의 축계에는 많은 수의 고유진동수가 존재하고 있으나, 다행히 소수의 고유진동수만이 운전속도 내에 있다. 위험속도는 베어링 지지강성의 함수이기 때문에 베어링 강성 변화에 따른 축계 고유진동수의 관계를 나타낸 위험속도선도(critical speed map)로부터 베어링의 강성과 임계속도의 관계를 잘 파악할 수 있다.

3) 베어링 특성 해석

일반적으로 저어널베어링을 사용하는 축계에서는 로터의 불평형력(unbalance force)이나 외부가진력(external excitation force)에 관계없이 베어링의 강성과 감쇠만의 성질에 의해 “oil whirl” 또는 “oil whip”의 불안정현상이 발생하여 계의 운전이 불가능하게 한다. 보통 oil whip은 system의 1st critical speed (wn)의 2배 (2wn)에서 일어나고, 일단 발생하면 2wn 이상의 회전속도에서는 소멸되지 않으므로 축계에 치명적이라 할 수 있다. 따라서 축계를 설계할 때 이러한 불안정현상이 발생하지 않도록 적절한 베어링을 선택해야 하는데, 실제 불안정현상의 원인이 되는 베어링의 강성과 감쇠는 로터나 지지대의 그것과 달리 회전속도에 따라 계속해서 변화하므로 먼저 베어링의 동특성을 정확하게 규명하는 기술이 절대적으로 필요하다.

그리고, 안정성 해석에 있어서 특히 중요한 축계에 외부의 가진력(shock, 지진 등)이 가해질 때 즉, 과도 상태에서의 로터의 동적거동이 어떻게 되는지를 구명하는 것이다. 보통 정상상태에서 ‘oil whirl’이나 ‘oil whip’이 일어나지 않는 베어링에서도 외부가진력의 크기에 따라 과도 응답 해석를 수행 해보면 불안정현상이 발생하는 경우가 있다. 증기터빈의 고압(HP)터빈과 같이, 고온.고압의 증기력과 고속회전으로 인하여 불안정요인이 발생이 많으므로 틸팅패드 저어널베어링을 사용하여 축계의 안정성 향상을 도모하고 있다. 틸팅패드 베어링은 축방향 및 접선방향에서 self-aligning 능력을 가지므로 다른 베어링과 비교하여 우수한 안정성(stability)을 지니고 있다.

4) sEAL의 특성해석

  Seal의 강성 및 감쇠계수는 베어링과 비교하여 작은 값을 가지나 seal은 로터의 전 부분에 걸쳐 설치되어 있고 로터-베어링 시스템 전체의 modal 강성 및 감쇠 개념으로 보면 seal 의 효과를 고려해야만 한다. Seal의 강성 및 감쇠 계수는 일반적으로 로터의 회전속도의 함수로 표현되며, 정량화 하기가 쉽지 않다. 특히, seal 부분은 정특성 해석에 있어서는 어느 정도  이론 해석과 일치하지만 동특성 해석은 많은 오차를 포함하고 있기 때문에 대부분 실험과 병행하여 강성 및 감쇠 계수를 평가하고 있다. 또한 베어링 및 seal 은 회전체의 불안정 진동을 유발하는 요인이 되기도

한다. 이들 기계 요소의 동적 안정성은 강성 계수의 연성항과 감쇠계수가 지배한다. 증기터빈에 사용되는 packing seal은 음의 주강성과 과대한 cross-couple 감쇠를 가지기 때문에 안정성에 미치는 영향이 매우 크다. 따라서 증기터빈에서 seal 은 회전체의 효율에도 영향을 미칠 뿐만 아니라 동적 안정성에도 영향을 주므로 이에 대한 정확한 특성 규명은 매우 중요하다.

Fig.4-8  Stiffness and damping coefficients of the packing seal

  5) 불평형 응답 해석 (unbalance response analysis)

위험속도와 운전회전수가 비교적 접근하고 있는 경우는 불평형에 의한 응답을 계산하고 운전시의 진동 크기를 조사해 보는 편이 좋다. 불평형 응답 선도에서 진폭이 최대를 나타내는 회전수가 위험속도가 된다. 축계의 위험속도, 모드, 감쇠성능 등의 진동 특성이 파악하고 있으면, 이 해석 결과로부터 최적설계, 방진대책 등의 실마리를 얻을 수 있다. 진동응답을 표시할 때의 대표 점에 대해서도 각 모드에 대하여 진동이 충분히 크게 나타날 위치를 선정해야만 한다. 만일 진동의 절(nodal point) 부근에서 진동의 응답을 그린 경우에는 그 모드의 공진점을 보지 못한다든지 과소 평가될 위험이 있다. 이상과 같이 계산된 불평형 응답의 결과를 기초로 하여 운전 회전수 가까이에 위험속도가 존재하지는 않는가, 운전시의 진동이 혀용 가능한 정도인가 등이 검토된다. 따라서 강제 진동 응답 해석이 필요할 때, 불평형 질량의 크기(magnitude)와 위치를 다음과 같이 정한다.

Location of unbalance weight

  불평형 질량은 해당 모드에서 가장 응답이 큰 위치에 대응하는 요소(element)에 부과해야 하며, 불평형의 위상각(angular location)를 입력해야 한다. 각 모드에서의 불평형 질량은 다음과 같이 위치시킨다.

6) 안정성 해석

  미끄럼 베어링을 사용하는 회전기계에서는 oil whirl/whip과 같은 불안정 진동과 시일 내부의 불평형 증기력에 의해 steam whirl 과 같은 불안정 진동이 발생한다. 베어링과 시일의 강성 및 감쇠 계수를 고려해서 축계에서 불안정 진동 특성을 평가한다. 만약 불안정 진동이 발생하면, 안정성 특성이 우수한 베어링 또는 시일이 사용될 수 있도록 개선한다. 축계의 안정성을 예측하기 위해서는 stability margin을 계산해야 하며, 다음의 조건일 때는 반드시

수행해야 한다.

w 위험속도 또는 고유진동수가 운전속도의 1/2 이하에 존재할 경우.

w 기존의 설계와 현저히 차이가 있는 새로운 모델 설계

7) 비틈 진동 해석 (torsional vibration analysis)

  비틈 진동 문제는 터빈발전기와 같은 다축 회전 축계에서 자주 발생되는 문제이기 때문에 특별한 관심사이다. Transmission line network의 불균형 혹은 갑작스런 power flow에서의 변화에 의해 발전기에서 비틈 토오크가 발생한다. 비틈 excitation 진동수는 정상운전 중에 double line 진동수(120 Hz)에서 발생한다. 만일 비틈 고유진동수가 excitation 진동수 근처에 존재한다면, 공진이 발생하고 큰 진폭을 야기할 수 있다. Double frequency근처에서 비틈 모드는 저압 터빈 블레이드 모드와 연계되는 경향이 크기 때문에 고응력이 터빈 블레이드에서 발생할 수 있다. 따라서 시스템의 비틈 고유진동수와 모드는 항상 새로운 축계 설계는 물론이고, 축계의 보수를 위해 주의 깊게 고려되어야 한다.

  8) 과도 응답 해석 (transient analysis)

추계 과도 진동 해석은 운전 중 지진 또는 충격 같은 임의의 외란에 대한 진동 응답을 수치적으로 계산하는 것이다. 이런 해석 방법은 큰 지진이 왔을 때, 폭발과 같은 충격을 받을 때, 또는 운전 중에 회전 날개가 파손되었을 때, ‘순간적으로 로터의 진동이 어떻게 변할까? 어디에 얼마 만큼의 힘을 받을까? 어디가 제일 빨리 파괴될까?’ 라는 것을 평가하고자 할 때 매우 유용하게 사용될 수 있다.

1.5. 베어링 손상 및 대책

베어링은 회전기계의 운전신뢰성 및 성능에 직접적인 영향을 미치는 가장 중요한 기계요소 중의 하나이다. 따라서 베어링에서 발생되는 사소한 문제점은 회전기계 시스템 전체의 안정운전에 영향을 미친다. 일반적으로 회전기계에서 발생하는 많은 문제점들은 주로 베어링 자체의 결함이나 또는 베어링과 연관되어 발생하고 있다. 특히 터빈발전기용 베어링이 손상되면, 발전설비 시스템의 운전정지에 따른 생산손실과 보수비용에 따른 영향은 매우 크므로 운전자들은 베어링의 손상을 가능한 빨리 검출하여 더 이상의 손상이 진전되지 않도록 올바른 조치를 취해야 한다. 따라서 베어링에 대한 파손 분석은 회전기계 시스템의 결함을 조기에 발견하고 그 발생주기를 줄이거나 파손요인을 제거하기 위해 매우 중요하다.

나. 구름베어링의 손상과 대책

 일반적으로 구름베어링을 바르게 취급하고 정상적으로 사용하게 되면 이론적인 피로 수명 이상 동안 충분히 사용할 수 있지만, 그렇지 않게 되면 조기에 손상되어 제 수명을 다 발휘하지 못하게 된다. 이때 정확한 원인을 밝혀 재발이 되지 않도록 할 필요가 있으나, 베어링의 손상 형태만으로 명확하게 원인을 찾는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 구름베어링의 손상 형태와 사용 조건, 주변 구조, 사고 발생 전후의 상황 등을 종합하여 손상 원인을 추정하고 그에 따른 적절한 대책을 취하게 되면 조기 손상 탐지와 재발을 방지할 수 있다.

  본 절에서는 구름베어링에서 발생하는 대표적인 손상 형태와 이에 대한 원인 및 대책을 나타내었다.