9.7 결함 주파수 특성

Defect Frequency Characteristics

 

(1) 베어링 缺陷 周波數와 다른 振動 周波數와의 差異點

구름 베어링의 결함 주파수는 다른 진동 원인의 주파수와 분리해서 관리해야 한다. 만약 베어링 관련 주파수가 나타났다면 이는 베어링에 문제점이 생기고 있다는 신호라고 보아야 한다. 베어링 문제는 베어링의 파손에 의해 발생할 수도 있지만 때로는 불충분한 윤활에 의한 금속간의 접촉을 일으키고 있거나, 오일(또는 Grease)에 의한 손상, 베어링에 비정상적인 과다한 외력의 작용 등의 문제일 수 있다. 이때는 베어링의 수명을 연장시키기 위해 시급히 오일의 보충, 교체, 외력의 해소 등이 조치되어야 한다. 1×RPM과 같은 공통적인 주파수는 Balance나 Alignment가 양호하든, 양호하지 않든 간에 항상 나타나게 된다. 베인 펌프에서는 베인 통과 주파수가 어느 정도의 진동치를 가지고 항상 나타나게 된다.

기어에서는 작은 진폭이라도 기어 이빨 수×RPM의 진동을 항상 수반하게 된다. 그러나 이러한 주파수들은 항시 문제점이 발생될 때 나타나는 것이 아니라는 점에서 베어링 주파수와는 구분되어 취급되어야 한다.

즉, 이들 주파수들은 문제가 발생되지 않아도 나타날 수 있으나, 베어링 결함 주파수는 베어링에 문제가 있어야만 나타나게 된다.

(2) 베어링 결함 주파수는 운전속도의 정수배가 아니다

앞에서 보았던 그림 10-40과 10-41의 식들을 주의 깊게 관찰하면 베어링 결함 주파수는 운전속도의 정수배가 아님을 알 수 있다. 대부분의 회전체에서 진동 원인의 대부분은 회전속도의 정수배의 진동주파수로 이루어지며, 주파수가 회전속도의 정수배가 아닌 것은 구름 베어링의 결함, 기어의 결함, Blade의 결함 등에서 한정적으로 발생된다.

이는 구름 베어링의 규격을 전혀 알 수 없는 기계의 진단 시에 많은 도움을 준다.

(3) 외륜과 내륜의 결함시의 주파수 특성

a. 외륜과 내륜의 주파수의 합 = 베어링 Ball Pass 주파수

그림 10-40과 10-41의 식들을 보면 베어링의 내외륜의 주파수와 Ball의 개수에 관련하여 흥미 있는 사실을 알 수 있다.

외륜과 내륜의 주파수를 합한 것(BPFO+BPFI)에 rpm을 곱하면 Ball의 개수×RPM과 같다는 것을 알게 된다.

그러나 실제적으로는 GMF(기어 잇빨수×RPM), Blade 통과 주파수와 유사한 Ball의 개수×RPM 주파수는 거의 나타나지 않는다. 그러나 외륜과 내륜 Race 주파수는 매우 잘 나타난다.

b. 외륜과 내륜의 진폭 관계

일반적으로 Casing에서 진동을 측정할 경우 외륜주파수의 크기는 내륜주파수의 크기에 비하여 더 크게 나타난다. 이것은 진동 변환기가 외륜에 더 가까이 있기 때문이다.

더욱이 내륜 주파수 신호가 진동 픽업에 도달하는 경로를 보면 내륜결함 신호는 회전하고 있는 구름요소를 통과해야 하고 이때 진동감쇠 및 간섭으로 인하여 외륜 진동신호에 비하여 작게 나타날 것이다. 이와 반대로 Shaft Rider로 축 진동을 측정하면 내륜 진폭이 외륜 진폭보다 크게 나타나게 된다.

따라서 베어링의 결함이 내륜 한곳에만 있다면 주파수 진단만으로 이들 결함을 찾아내기가 어렵다. 왜냐하면 진폭이 작게 나타나고 주파수가 계산상의 결함 주파수와 차이가 있을 수 있기 때문이다(이는 특히 내륜이 축에 끼워져 함께 회전하는 형태의 베어링에서 많이 발생함).

또 외륜이나 내륜중 한곳에만 결함이 발생했을 경우 단일 Race 주파수만 나타날 것이다. 그러나 원주 주위에 결함이 생기기 시작하면 Race 주파수에 해당하는 많은 조화 주파수가 나타난다.

Raceway에 생긴 손상이 점차 커지게 되면, Race 주파수의 진폭은 다소 증가하는 것이 보통이다. 그러나 이들 손상에 대한 보다 큰 척도가 될 수 있는 것은 베어링 주파수의 조화 성분과(특히 BPFO 주파수), Race 주파수 위․아래에 출현하는 1×RPM의 측대파 주파수들이다.

c. 결함 베어링에서의 측대파 주파수

일반적으로 베어링 문제 발생시, Ball(또는 Roller)이나 Cage로 결함이 진전되기 전에 처음으로 결함을 나타내는 곳이 Race 부분이다.

즉, 외륜과 내륜의 Race 주파수가 Ball Spin 주파수보다 먼저 나타나게 되며 시간이 경과함에 따라 보통 Cage 주파수는 기본 주파수 단독으로 나타나던가 또는 다른 주파수의 측대파로 나타나게 된다.

마찬가지로 Ball Spin 주파수도 종종 외륜 또는 외륜의 Race 주파수의 측대파로 나타나게 된다.

구름 베어링에 대한 주파수 분석을 실시할 경우 관심을 두어야 할 부분은 진동의 크기가 아니라 주파수 성분이다. 사실 베어링 주파수 자체의 크기는 베어링의 상태가 악화됨에 따라(특히 이들 손상이 외륜과 내륜의 Race에서 진행될 경우에) 그 크기가 작아지는 경우가 많이 있다. 이 경우에 다양한 종류의 손상 주파수가 나타나고 이들 손상 주파수는 1×RPM의 측대파를 가게 된다.

(4) Cage 결함시의 주파수 특성

구름 베어링 문제시 스펙트럼은 고주파로 나타나지만 Cage 주파수는 항상 1×RPM 이하에서 나타난다. 이 범위는 약 0.33×RPM에서 0.48×RPM 정도이지만 대부분의 결함은 거의 0.35×RPM과 0.45×RPM 사이에서 나타난다(내륜이 축과 함께 회전하는 경우).

그러나 Cage 주파수는 보통 Cage 기본주파수 단독으로 나타나지는 않으며 종종 Ball Pass 또는 Race 주파수의 측대파로 나타난다.

예로서 그림 10-42를 보면 외륜 결함시(BPFO) Cage 주파수(FTF)가 측대파로 나타난다.

(5) Ball(또는 Roller) 결함시의 주파수 특성

a. Ball(또는 Roller) 자체의 결함이 발생할 경우 종종 Ball Spin 주파수(BSF) 뿐만 아니라 Cage 주파수(FTF ; Fundamental Train Frequency)도 발생하게 된다. 또 Ball(또는 Roller)에 심한 손상이 있음에도 불구하고, 기본 Ball Spin 주파수나 그 조화 주파수가 나타나지 않는 경우가 종종 있다. 이런 경우 BSF는 다른 주파수들의 측대파로 나타난다.

b. Cage가 파손된 경우에도 Ball Spin 주파수가 나타나게 된다.

Ball Spin 주파수가 나타났다고 반드시 Ball(또는 Roller)의 결함이라고 판단할 수는 없다. 그러나 이는 베어링에 문제가 있다는 것을 의미하는 것으로, Cage의 리벳이 파손되어 Ball들이 Cage에서 자유롭게 구르지 못할 때에도 이 주파수가 나타날 수 있다

c. 만약 한 개 이상의 Ball(또는 Roller)이 손상된 경우 나타나는 주파수는 손상된 Ball의 개수와 Ball Spin 주파수의 곱으로 나타나게 된다.

예를 들어 만약 5개의 Ball이나 Roller에 결함이 있는 경우에 5×Ball Spin 주파수가 나타나게 된다.

(6) 베어링 결함 주파수에서 진동 허용치

1×진동 성분 중에서 불평형으로 인한 진동값이 얼마나 되는지 판단하기 어렵듯이, 베어링 결함 주파수에서도 진동 허용범위를 정확하게 판단 하기는 매우 어렵다. 그 한가지 이유로 여러 형식의 수없이 다양한 구름 베어링이 여러 가지 회전체에 채택되어 사용되어지고 있으며, 진동신호를 검출하는 변환기도 여러 형태로 설치되어 진동신호를 검출하기 때문이다.

그러나 통상적으로 적용할 수 있는 것은 여러 가지 형태의 다양한 조건을 가진 회전체라 하더라도, 구름 베어링의 결함주파수 분석시 허용되는 진동 허용치는 1×RPM 진동 허용치보다는 작아야 한다는 것이다.

그러나 현재로서는 많은 연구소에서 실험한 결과를 종합해 볼 때 베어링 결함 주파수에 대한 진동 허용치를 제시할 수 있는 절대적인 해답은 아직까지 존재하지 않는다. 그것은 어떤 특정 기계에 설치된 베어링과 이 기계의 운전속도에 달려 있을 뿐 아니라, 베어링이 손상되는 과정이 같은 기계에서도 항상 일정치 않다는 사실 때문이다.

따라서 구름 베어링의 결함 진단시에는 베어링 결함 주파수가 조화파로 발생되고 있는가를 관찰해야 하며 특히 결함 주파수 주위에 측대파(1×RPM 또는 베어링 결함 주파수의 간격을 가지는 측대파)가 존재하는가를 관찰해야 한다.

(7) 진동 픽업의 부착 위치

진동픽업은 베어링이 부하를 받는 위치에 가능한 한 가깝게 위치시키는 것이 중요하며 특히 반경방향의 하중을 지지하는 베어링에서는 더욱 중요하다. 진동 픽업을 적정한 위치에 설치하지 않을 경우 실제로 문제가 있는 경우에도 결함 신호를 검출하지 못하여 진단의 오류를 범할 수 있다.

(8) 부적절한 베어링 부하를 받거나 잘못 조립된 베어링

베어링 주파수는 베어링이 부적절한 부하를 받고 있는지, 설치가 잘못된 것인지를 판단 하고자 할 때에도 사용된다. 예를 들어 새 베어링을 설치할 때 베어링 하우징과 베어링 외륜이 과도하게 간섭을 받도록(즉 억지로 끼워서) 조립하였다면 베어링 내부 틈새가 없어지게 되어 베어링 조립후 시운전시 바로 외륜 또는 내륜의 결함을 나타내는 Ball Pass 주파수가 나타나게 된다. 또 추력 베어링이 거꾸로 조립될 경우 과도한 진폭의 Race 결함 주파수가 나타나게 된다.

(9) 부적절한 베어링 윤활에 의하여 발생하는 주파수

베어링의 윤활이 부적절할 경우 발생되는 주파수의 특징은 500 ㎐(30,000 cpm)와 1,400 ㎐(84,000 cpm) 사이에서 여러 개의 Peak가 발생하고 이들 Peak 치간의 주파수 차는 대략 1×RPM의 범위에 있게 된다.

특히 높은 Spike Energy 또는 Shock Pulse 값이 발견될 경우 윤활 상태를 필히 점검해 보아야 한다.

만약 동일 축을 지지하고 있는 양단 베어링에서 한쪽 베어링에서만 높은 Spike Energy를 나타내거나 앞에서 기술한 고주파 성분이 나타난다면 이들 성분이 나타나는 베어링에서 윤활이 적절하지 않다고 판단할 수 있다.

그림 10-43 부적절한 베어링 윤활에 의하여 발생하는 주파수

 

(10) 복렬 볼 베어링에서는 두 종류의 결함주파수를 발생하게 된다

a. 단지 한쪽 Raceway에서만 손상이 있게 되면 발생되는 베어링 결함 주파수 는 한쪽열의 볼 개수로 계산하여야 한다.

b. 결함이 양쪽 Raceway에서 일어났다고 하면 볼의 총 개수로 결함 주파수를 계산하여야 한다.

이들 결함 주파수는 결함이 한쪽 Raceway에서 일어났든 양쪽 Raceway에서 일어났든지 간에 다른 주파수 주위의 측대파로서 나타난다.

중요한 사실은 Ball의 개수가 외륜, 내륜 및 Ball Spin 주파수 계산에 반드시 필요하다는 것이다.

(11) 구름 베어링이 하우징 내에서 헛돌 때 발생하는 주파수

구름 베어링에서 운전속도의 조화성분 주파수가 많이 보이면, 그것은 베어링이 축상에서 혹은 하우징 내에서 헐거워졌다는 징후일 수 있으며, 더욱 중요하게 생각해야할 점은 그 주파수들은 베어링이 축상에서 또는 하우징 내에서 헛돌고 있다는 것을 나타내는 것일 수도 있다.

그림 10-44 베어링이 축이나 하우징 내에서 헛돌 때 나타나는 스펙트럼

 

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