1.3.5 불충분 또는 부적절한 윤활

Inadequate or Unsuitable Lubrication

 

 

롤링시 하중을 수반하는 접촉은 신뢰성 있는 운전을 위해 윤활제를 필요로 한다.  정상적인 운전에서, Raceway와 구름 요소간의 접촉면적의 곡률은 작은 양의 슬라이딩 운동이나 롤링을 초래한다.  또한 케이지는 베어링 링의 어떤 면이거나 구름요소 또는 이들의 조합으로 지탱되어야 한다.  대부분 롤러 베어링 형태에서는 플랜지나 케이지에 대해 슬라이딩하는 롤러 끝단면이 있기 때문에 윤활제가 중요한 역할을 한다.  “윤활사고”라는 용어는 종종 베어링내 오일 또는 그리스가 없다는 것을 의미한다.

윤활에 의한 손상이 종종 발생하는데, 사고분석은 그리 간단하지 않다.  베어링에 관한 여러 가지 경우의 연구로, 윤활 사고에 대한 의구심을 없앴지만, 베어링의 사고가 명확하지 않은 것은 무엇 때문인가?

윤활제가 제 기능을 다하지 않는 이유를 연구할 때, 첫째는 그 특성을 고려해야 하고, 둘째는 베어링에 가해진 양, 셋째는 운전 조건이다.  이 세 가지의 개념은 윤활제의 적정성을 의미하는데, 만약, 한가지 개념이라도 충족되지 않으면 베어링은 부적절한 윤활제로 인해 손상되었다고 말할 수 있다.

오일 자체나 그리스내 오일의 점성은 윤활제에 있어서 주요 특성이다.  오일의 점성과 함께 그리스의 Soap Base의 특성과 그 일관성은 주 품질 포인트이다. 베어링 자체는 보통 윤활제를 적게 필요로 하지만, 충분한 양이 항상 준비되어야 한다.  윤활제가 열 제거 매개체라면 더 많은 양을 필요로 한다.  중속에서 고속으로 진행할 때 윤활량이 부족하면 온도의 상승과 ‘삑’ 하는 소리를 유발한다.  저속에서는 상관이 없지만, 고속에서는 윤활제가 너무 많으면 온도가 급상승하는데 이는 윤활제의 교란 때문이다.  이 같은 비정상적인 온도상승을 일으키는 상태는 적절한 윤활제를 부적절하게 한다.

윤활제가 부족하면 면이 손상되고 이 손상은 초기피로 손상과 구별하기 어려운 손상을 급속히 진행시킨다.  Spalling은 부족한 윤활의 흔적을 발생시키기도 하고 소멸시키기도 한다.  그러나 윤활제가 충분히 공급되면 베어링의 짧은 수명을 연장하게 된다.

그림 3-35의 a, b, c, d의 각 단계는 면손상의 한 형태이다.  처음 것은 거친 면과 웨이브 모양이고, 나중 것은 Spalling에 이어 고르게 발달한 균열이다.  열을 충분히 제거하지 않으면, 오염 유발이나 경화 베어링을 연하게 할 정도로 온도가 상승한다.  그림 3-36은 이러한 현상을 보인다.  어떤 경우, 윤활제가 부족하면 처음에는 표면이 광택이 나다가 손상이 진전됨에 따라 서릿발 모양을 띄다가 결국은 조각 난다.  미려한 광택 면은 그림 3-37의 롤러에서 볼 수 있다.

“서릿발 모양” 단계에서 구름요소에 의한 베어링 Raceway로부터 떨어져 나온 미세한 은빛 금속 조각의 “보풀”(Nap) 현상이 나타나는데, 한쪽 서릿발 모양의 면은 부드럽지만 다른 쪽은 거칠다.  표면에서 금속이 떨어져 나오기 때문에 면에 피트가 나타나며, 서릿발 형성은 박리를 촉진시킨다.  박리의 예가 그림 3-38에 있다.

스미어링(Smearing)이라는 또 다른 면손상의 형태가 있는데, 두 면이 슬라이딩하거나 윤활제가 면의 마멸을 예방할 수 없을 때 나타난다.  한 면의 미세한 조각이 서로 분리되었다가 다른 면으로 다시 뭉치는 예가 그림 3-39~3-42에 나타난다.  특별한 형태의 스미어링은 구름요소가 비하중 영역에서 하중영역으로 슬라이드 할 때 나타난다.

그림 3-35  윤활제 부족으로 인한 Spalling의 발달단계

 

그림 3-36  윤활제의 부족과 과열에 의한 금속의 오염과 연성

그림 3-37  윤활제 부족으로 인한 광택

 

그림 3-38  베어링 Raceway로부터 금속이 박리하는 롤러의 영향

 

그림 3-39  구형 롤러 끝단에서의 스미어링


그림 3-40  비효과적인 윤활에 의한 원통형 롤러상의 스미어링

 

그림 3-41  비효과적인 윤활에 의한 케이지 포켓상의 스미어링

 

그림 3-42  원통형 외륜상의 스미어링

 

그림 3-43은 각열에 하나씩 Skid Smearing 손상을 나타낸다.  점성이 큰 윤활제는 이런 형태의 손상을 일으키며 베어링이 큰 경우에 주로 발생한다.

통상, 베어링 마멸은 윤활 부족에서 기인하는데, 롤러 베어링의 롤러 끝단 부분과 Flange와 같은 미끄럼 마찰이 일어나기 쉬운 곳이 처음 손상 받는 부분이다.  그림 3-44와 그림 3-45는 마멸에 의한 손상과 그로 인한 확장된 것을 보인다.

고속으로 진행되는 지점은 관성력과 최상의 윤활을 필요로 한다.  그림 3-46은 고속 주행시 윤활제 부족으로 인해 심하게 손상 받은 부분을 나타낸다.  고속에서 그리고 급출발이나 급정지 상태에서 구름 요소에 작용하는 관성력은 구름요소와 Cage 사이에 큰 힘을 유발한다.

   그림 3-43  원형 외륜의 Skid Smearing

 

  

  그림 3-44  윤활 부족으로 마멸된 홈

 

그림 3-45 윤활 부족으로 마멸된 홈

 

그림 3-46 비효과적인 윤활로 깨진 케이지

 

그림 3-47은 순환오일 시스템에서 윤활 부족으로 큰 구경의 테이퍼형 롤러 베어링 손상을 나타낸 것이다.  가이드 플랜지와 롤러의 큰쪽 끝단사이의 부분은 미끄럼 운동을 하고, 플랜지 접촉면에서 시작하는 오염 때문에 구름운동을 하는 부분보다 윤활이 더욱 어렵다.  플랜지에서 생긴 열은 베어링 오염을 유발하고, 롤러를 가이드 플랜지에 융착되게 한다.

앞에서는 주로 윤활과 관련한 면손상을 규정하였다.  윤활의 적절함과 여기에 영향을 끼치는 인자들의 중요성에 대해 언급하였다.  그리고 표면 손상을 어떻게 피하는지 알아야 한다.  다음은 이에 대한 지침서이다.

(1) 충분한 탄성유막은 면의 문제점(Glazing, Pitting)을 방지한다.

(2) 양질의 경계 윤활은 스미어링과 슬라이딩 면의 마멸을 보호한다.

(3) 깨끗한 윤활제는 구름표면의 마멸을 방지한다.

(4) 충분한 윤활유는 베어링의 과열을 방지한다.

그림 3-47  비효과적인 윤활에 의해 리브에 융착된 롤러

 

구름 접촉을 하는 구름요소와 Raceway 표면이 탄성유막에 의해 분리되는 한 표면의 문제점을 피할 수 있다.  유막의 연속성은 접촉영역, 접촉영역에 가해지는 하중, 속도, 운전 온도, 표면 조도 그리고 오일 점성 등에 관계한다.  SKF사는 연구를 통해 베어링의 크기, 하중 그리고 속도를 알고 있고 운전온도를 합리적으로 가정했을 때 필요한 오일 점도를 결정하기 위한 절차를 개발하였다.  계산 차트는 무역 저널에서 공식으로 인정되었고, SKF의 "A Guide to Better Bearing Lubrication"에 찾아볼 수 있다.

경험에 의하면 구름접촉에서 탄성유막이 적절하다면 Cage와 Guide Flange에서의 미끄럼 접촉의 경우도 일반적으로 만족할만한 것으로 밝혀졌다.  드물게 점도 선택이 미끄럼이 발생하는 부분에 의해 결정되어야만 할 때 경험상으로 선택된 점도는 구름접촉시의 필요한 탄성유막을 유지할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

 

TRAC Mark INCOSYS