9.6 결함 구름요소 베어링의 진동 스펙트럼 형태

Types of Vibration Spectra Caused by Defective Rolling Element Bearings

 

9.6.1 不規則한 超音波 周波數 (Random, Ultrasonic Frequencies)

대략 5,000 ㎐에서 60,000 ㎐ 범위에 있는 초음파 주파수의 측정은 다양한 기술과 여러 가지 계측기로 행해지는데 여기에는 Spike Energy, HFD 고주파수 가속도, Shock Pulse 측정 등이 있다. 이들 각각은 최종 손상이 발생할 때까지 설치시부터 베어링 건강상태를 탐지할 수 있는 초기 손상검출 매개변수이다. 일반적으로 이들이 주는 전체값은 베어링의 건강상태를 평가할 때 고려되어야 할 정보를 제공한다. 그러나 진동 스펙트럼 자료에서 제공되는 정보에 비중을 더 두어야 한다(그림 10-34 및 10-35 참조).

 

9.6.2 베어링 部品의 固有 振動數 (Natural Frequencies of Bearing Components)

설치된 구름 베어링 부품의 고유진동수는 대략 500~2,000 ㎐(30,000~120,000 cpm) 범위에 있다. 구름 베어링의 경우 Raceway 상의 흠에 구름요소가 충격을 가하여 고유진동수를 발하게 된다. 실제로 베어링 부품의 고유진동수는 30,000~120,000 cpm 영역에 있지만 어떤 것은 다른 것보다 훨씬 탁월한 진동을 가진다. 따라서 결함이 미세 크기를 넘어서 진전되면 고유진동수를 가진하기 시작한다. 결함이 약화됨에 따라 충격력이 더 커져 고유진동수에서의 진폭이 더 크게 응답한다. 결국, 마멸이 진전함에 따라 고유진동수들 주변에 많은 주파수들이 나타나는데 이들 대부분은 이들 고유진동수의 1×RPM 측대파이다. 그러나 때로는 Peak 진폭이 1×RPM 측대파가 아니고 베어링 결함 주파수로 일정한 간격을 가지는 경우가 있다.

이들 베어링 부품의 고유진동수에 대한 한가지 중요한 점은 회전속도와 무관하다는 사실이다. 즉, 축이 저속으로 회전하던지 고속으로 회전하던지 간에 고유진동수는 항상 동일한 주파수를 유지한다. 그러나 진폭은 충격속도에 비례한다. 즉, 회전속도가 증가함에 따라 통상 진폭은 더 커지게 되는 것이다.

 

9.6.3 缺陷 周波數 (Defect Frequencies)

여러 해에 걸쳐서 구름 베어링 내부의 결함을 찾아내는데 도움을 주는 일련의 공식들이 개발되었다. 이 공식은 구름 베어링의 Inner Race, Outer Race, Cage 그리고 Ball 자체의 결함을 구분하여 추적할 수 있게 만들어 졌다. 이 식은 베어링의 기하학적 상태와, Ball(또는 Roller)의 개수 그리고 베어링의 회전속도에 근거를 두고 있다. 그림 10-40에 4개의 베어링 결함 주파수에 대한 계산공식을 수록하였다. 이 식들을 자세히 살펴보면 주파수들 간에 서로 독특한 연관관계가 있음을 알 수 있다.

이 공식은 외륜은 고정되어 있고 내륜은 축과 함께 회전하는 경우이다. 만일 축과 함께 외륜은 회전하고 내륜이 고정된 경우라면 앞의 Ball Spin 주파수 공식의 괄호 내에 있는 (-)부호를 (+)부호로 바꾸면 된다. 이 경우에 Nb×FTF는 BPFO 보다는 BPFI와 같고 FTF는 약 0.55~0.65×RPM 이다.

베어링 치수는 모르지만 Ball이나 Roller의 개수를 알면 다음 공식(그림 10-41)으로 개략적인 주파수를 알 수 있다.

베어링 결함 주파수를 알고 있으므로 해서 얻는 장점은 다음과 같다. 동일 기계에서 두 가지 형태의 베어링을 채택하고 있는 경우 외측 베어링과 내측 베어링을 분리해서 평가할 수 있다. 예를 들어서 어떤 기계의 외측 베어링은 6203을 사용하고 있고 내측 베어링은 6204를 사용했다고 가정할 때 이 두 베어링은 서로 완전히 다른 베어링 결함 주파수(Outer Race 주파수만을 서로 비교해 보면 6203 베어링은 4706 cpm이고 6204베어링은 5509 cpm)를 나타낸다. 또한 이들 베어링의 어느 부분에서 손상이 진행되는 지도 판단할 수 있고, 이들 손상이 어떻게 열화되어 가고 있는지도 추적할 수 있다.

 

Inner Race Defect = BPFI =

Outer Race Defect = BPFO =

Ball(or Roller) Spin = BSF =

Cage Defect = FTF =

여기서, Nb = Ball 이나 Roller의 개수 = BPFI + BPFO

Bd = Ball 이나 Roller의 지름 (㎜)

Pd = 베어링 피치 지름(㎜)

θ = 접촉각(Degree)

BPFO = Nb × FTF

FTF = 0.35 - 0.45×RPM

 

그림 10-40 구름 베어링 결함주파수 공식

 

 

Inner Race Defect = BPFI =

Outer Race Defect = BPFO =

Ball(or Roller) Spin = BSF =

Cage Defect = FTF =

여기서, Nb = Ball이나 Roller의 개수

 

그림 10-41 구름 베어링 결함 주파수 공식

 

9.6.4 周波數의 合과 差 (Sum and Difference Frequencies)

베어링에 하나의 결함이 발생하면 결함 주파수가 생기며 열화하기 시작한다. 결함이 성장하면 베어링 내에 다른 결함을 일으키게 할 수 있다. 이렇게 되면 다른 주파수가 발생하며 다양한 형태가 생기게 된다. 어떤 주파수들은 다른 주파수와 더해지기도 하고 빼 주기도 한다. 실제로 특정 결함에 대한 기본 주파수는 결코 발생하지 않는다. 그것이 나타나면 이 결함 주파수는 이미 존재하고 있는 다른 주파수들에 측대파로써 작용한다. 예를 들면 Cage 주파수 자체는 대략 0.35×에서 0.45×RPM인 자신의 기본 주파수에서는 통상 발생하지 않는다. 대신 Cage 주파수 자체는 Race 주파수(BPFO 나 BPFI)나 Ball Spin 주파수의 측대파로 나타난다(그림 10-42). 어떤 경우에는 베어링 결함 주파수가 베어링 이외의 다른 진동원에 의해 발생한 주파수들을 변조시키기도 한다.

그림 10-42 베어링 결함 주파수와 측대파

 

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