9.8 구름요소 베어링 결함 원인과 과정

Causes and Process of Failure in Rolling Element Bearings

 

9.8.1 故障 原因 (Causes of Failure)

구름 베어링은 비록 이상적인 설계조건에 따라 운영된다 하더라도, 피로현상으로 인해 그 수명이 한정되어 있고 고장이 일어나기 마련이다. 구름 베어링 제작업체는 이러한 사실을 인식하고 있으며, 사용자가 설계범위 내에서 설치해 운영할 때 베어링이 얼마간 지속될 수 있는 가를 알 수 있도록 설계수명한계(L10/B10)를 개발하였다. L10/B10은 최초의 피로현상이 전개되기전, 90% 신뢰도를 가진 동일한 부하와 속도하에서 작동하는 동일한 구름 베어링 그룹의 평가 수명으로 정의된다. 불행하게도, 대부분 실제 설치작업은 이상적인 조건에 따라 이루어지지 않으므로 베어링은 설계수명이 다하기전 조기에 고장난다. 대부분의 베어링 조기고장은 다음과 같은 한 가지 이상의 원인에 기인될 수 있다.

① 과도한 부하

․정상상태(예, Misalignment 또는 정적 부하)

․동적 상태(예, 불균형 또는 로터 시스템 불안정)

② 부적절한 윤활작용(불충분하거나 지나친 윤활)

③ 외부 오염

④ 부적절한 설치

⑤ 부정확한 크기(예, 잘못된 설계)

⑥ 정지중에 진동에 영향을 받음(False Brinelling)

⑦ 베어링을 통해 전류가 통과

 

9.8.2 故障 段階 (Failure Stages)

구름 베어링은 3가지 고장단계를 거치면서 고장이 진행된다. 각 단계는 고유한 진동특성을 가지고 있고, 따라서 그것에 맞는 진단과 감시기법이 필요하다.

(1) 초기 고장 단계

초기 고장단계는 베어링 고장의 가장 초기 단계이다. 초기 손상의 대부분은 Race 표면 아래에서 일어나기 때문에, 사람의 눈에는 정상적으로 보이지 않는 머리카락 균열과 같은 아주 미세한 정도의 흠집에서 발전된다. 베어링에 의해 발생되는 고주파(7×RPM 이상) 진동 상승이 이 단계에서 나타날 수 있다. 그러나, 온도가 초기 Spike 진동을 이 단계에서 측정한다면, 그 수준은 정상으로 나타날 것이다. 베어링은 보통 이 단계에서 상당한 양의 운전 안전수명을 가지고 있으므로, 이 시점에서 베어링을 교체하는 것은 비경제적이다.

(2) 고장단계

고장단계에서의 베어링은 사람의 눈에 보일 정도로 결함이 진전된다. 이 단계에 놓여 있는 베어링은 보통 귀에 들릴 정도의 소리를 내고, 베어링 온도 또한 상승한다. 베어링과 관련 있는 영역(초기 Spike)의 진동진폭은 쉽게 감지할 수 있는 수준에 도달한다. 일단 고장단계에 이르면, 베어링을 교체하거나 엄청나게 큰 기계고장을 일으키기 전에 얼마나 오랫동안 베어링이 안전하게 작동될 수 있는지를 평가하기 위해 감시 회수를 늘리는 것이 필요하다. 본 단계는 베어링을 교체하는 경제적인 시기이다. 만일 고장단계에서 베어링을 교체하지 않는다면, 결국 고장의 마지막 단계인 사고임박/사고단계에 접어든다.

(3) 사고임박/사고단계

베어링이 이 단계에 도달하면, 베어링 고장이 빨리 진행된다. 베어링에 의해 발생되는 소음이 귀에 들릴 정도로 크게 상승되고, 베어링 온도는 베어링이 과열될 때까지 상승한다. 마멸이 신속하게 진행되면 베어링 간극이 늘어나는 원인이 되고, 따라서 베어링에 대한 축진동이 크게 나타난다. 구름 베어링은 축진동을 제한하기 위해 설계되어 있으므로 기계내부에서 마찰을 일으킬 수 있는 가능성으로 인해 베어링이 이 단계에 도달하게 하는 것은 매우 위험할 수 있다. 베어링 관련(초기 Spike) 진동 진폭은 본 단계에서 상당히 올라 갈 것이다. 고주파 진동 데이터는 이 단계에서 신뢰할 수 없고 그것을 해석하는데 주의해야 한다. 베어링 결함의 "Selfpeening"으로 인해 고주파 진폭 수준은 자주 이 단계에서 감소하고 베어링이 고장의 초기 단계에 있는 것처럼 보일 수 있다. 이러한 "Selfpeening" 현상은 특히 저속 기계에서 명백하게 나타난다.

 

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