Sleeve Bearings
슬리브 베어링은 수력학적 저널 베어링(아마도 기술적으로 더 적당한 이름임),유막베어링, 평면 저널 베어링이라고 불리기도 한다. 이 베어링은 여러 가지 종류가 있으며 그림 10-25에 이들중 몇 가지를 보여주고 있다. “수력학적 베어링은 회전축인 저널과 고정체인 베어링 내면 사이에 유막을 생기게 하면서 운전된다.” 그림 10-26은 수력학적 베어링의 압력 분포 단면을 나타내며 회전축에 관하여 어떻게 분포되는가를 보여준다. 이 그림에서 축은 반시계 방향으로 회전하며 최대 압력은 수직축에서 반시계방향으로 약 15°～20°에 위치한다는 사실을 주목하라. 이것은 유막베어링에서 일반적인 사항이다.
10-27은 슬리브 베어링의 안정성이라는 측면에서의 주요 항목중 한지를 설명해 준다. 베어링 중심과 축 중심과의 Offset이 베어링 편심으로 알려져 있다. 중요한 것은 부하가 감소하거나 속도가 증가함에 따라 편심이 감소한다는 사실이다. 각각의 중심을 연결한 점선을 주목하라. 그림에서 이 선은 단지 부하 벡터와 중심들을 이은 선 사이의 각인 양태각(Attitude Angle)을 결정하기 위하여 사용된 중심들을 이은 선이다. 이들 두 가지, 편심과 양태각은 베어링 안정성의 주요한 척도이다. 베어링 부하가 감소되거나 축의 속도가 증가함에 따라 평면 저널 베어링에서 양태각이 증가한다는 사실에 유의하라. 이 양태각이 증가함에 따라 베어링의 안정성은 감소될 것이다. 축의 불안정성은 축이 안정된 위치를 유지하도록 베어링이 충분한 Preload를 가하지 못할 때 발생한다.
그림 10-25 수력학적 베어링의 여러 가지 형태
그림 10-26 수력학적 베어링의
그림 10-27 슬리브 베어링의 주요한 압력분포도그림 설계변수들
축-베어링 시스템이 불안정하기 쉬운 경우, 베어링 부하를 불안정하도록 작용하는 어떤 외력이 불안정성을 일으키는데 필요한 조건을 제공하게 된다. 불안정성이란 원래의 여진(Stimulus)이 제거된 후에도 남아 있을 수 있는 자려진동을 이끌어 내도록 시스템 내에 있는 여러 요소들이 서로 결합하는 회전체 운동의 상태이다. 보통은 운전속도의 감소만이 회전축을 다시 안정시킨다. 이런 경우 회전축을 다시 정상 운전속도로 복귀시켜도 좋을 만큼 안정은 되지만 종종 어떤 외란이 다시 시스템을 불안정하게 할 때까지만 안정된 상태를 유지할 것이다. 불안정성을 억제하는 힘들이 감소되거나 없어지면 진동 진폭이 급격하게 증가될 수 있다. 그러나 운전속도에서의 진폭보다는 훨씬 높긴 하지만 아직은 그 값에서 안정될 수 있다.
이점에서 가장 두드러진 실제 진동은 운전속도보다 낮은 차동기 주파수대에서 일어나고 있다. 그러므로 슬리브 베어링에서의 진동을 관찰하는데 중요한 항목중의 하나는 운전속도 아래인 차동기 진동이다. 일반적으로 슬리브 베어링이 장착된 기계에서 차동기 구역에서의 가장 큰 관심은 운전속도의 35%～55% 사이에 집중되어 있다. 그러나 특별한 문제에 따라서는 운전속도의 20%～80% 까지의 차동기 진동을 일으킬 수 있다. 8.1항부터 8.4항에서는 진동 분석에 의해 검출될 수 있는 슬리브 베어링의 보다 일반적인 문제들인 슬리브 베어링의 마멸과 간극 문제, Oil Whirl로 인한 불안정성, Oil Whip에 의한 불안정성에 대해 기술한다.
8.1 슬리브 베어링의 摩滅과 間隙問題 (Sleeve Bearing Wear and Clearance Problems)
슬리브 베어링의 마멸은 베어링 Cap 위에 속도 Pick-up을 설치하거나 가속도계를 설치하여 감지할 수 있다. 그러나 낮은 주파수에서부터 5×RPM까지에서 저널베어링 상태에 대한 최상의 자료는 아마도 상대 축진동을 읽어내는 비접촉식 Proximity Probe로부터 얻어질 것이다. 이러한 Proximity Probe는 축표면에서 약 40～60 mils 정도만 떨어지게 설치되어 Probe 위치로부터의 축의 운동을 감지한다. 이것으로 운전속도의 약 4～5배까지의 상태를 나타내는 진동변위를 측정한다. Proximity Probe는 축의 움직임을 직접 관측한다는 것이 중요한 특징이며 베어링 Cap 위에 설치된 가속도계나 속도 검출계는 반드시 축에서 유막까지 그리고 몇 가지 금속을 통하여 베어링 Cap까지 전달되는 신호를 감지해야 한다.
슬리브 베어링 파손사고는 시스템이 겪게 되는 불안정성의 형태와 특별한 문제에 따라서는 약 수초, 수분 내에 발생한다는 것이 중요한 사실이다. 그러나 베어링의 악화가 오랜 기간에 걸쳐서 일어나는 경우에는 유막 특성이 변화하기 시작하고 결국 회전축의 불안정을 일으키게 될 것이다. 이런 경우 슬리브 베어링의 마멸은 축으로부터 직접 감지되거나 베어링 Cap에서 감지될 수 있다.
Proximity Probe로부터 자료를 취할 때 운전속도의 수배 주파수까지 관찰하는 것이 지극히 일반적이며 중요한 사항이다. 만일 문제가 없는 경우라면 처음의 2 또는 3번째의 조화 주파수만 나타나게 되며 이 이후의 고조파는 앞의 2 또는 3번째 주파수의 약 1/3만 나타나게 되는 베어링 Cap에서 취해지는 속도 스펙트럼과는 다르다. 그렇지만 Proximity Probe로부터 얻어진 축진동 자료의 경우에도 조화 주파수는 스펙트럼 Base내로 소멸될 것이다.
다음은 간극이나 마멸의 문제를 가진 슬리브 베어링에서 나타나는 특성들이다.
① 결함을 가지고 있는 슬리브 베어링에서 높은 수준의 진동이 발생하는 것은 일반적으로 윤활 문제, 부적당한 베어링 부하, 헐거움(하우징에서의 Babbitt의 박리), 또는 과도한 베어링 간극(마찰이나 화학적 침식에 의한)에 의한 것이다.
② 그림 10-28은 약간의 마멸과 간극 문제를 가진 슬리브 베어링에서의 전형적인 스펙트럼을 보여 주는데 하나는 초기단계의 문제이며 하나는 명백하게 중대한 문제를 가지고 있는 경우를 보여준다. 초기단계에서 차동기 주파수 진동의 출현에 주목하라. 이것은 종종 1/2×나 1/3×RPM의 낮은 조화 진동수에서 나타날 것이다. 슬리브 베어링 마멸의 후기단계에서는 스펙트럼이 전형적으로 1×RPM에서 고진동을 나타내고 특히 3×RPM이하에서 조화 주파수대 진폭은 높여진 기준선 위에 중첩되어 있는 사실에 주목하라.
③ 마찰에 의해 마멸이 발생된 슬리브 베어링은 수평과 수직방향의 진동을 비교해 봄으로써 종종 감지될 수 있다. 보통 정상적인 경우 수평방향 진동은 수직 방향의 진동보다 약간 높은데 이는 구조상 수직방향으로 지지가 더 많이 되기 때문이다. 마찰에 의해 마멸이 발생된 슬리브 베어링은 수평방향의 진동에 비교하여 수직방향의 진동을 비정상적으로 높게 할 것이다.
④ 베어링이 마멸되어 과도한 간극을 가지는 경우 종종 2×RPM의 진동을 일으키는 Misalignment의 상태가 될 만큼, 베어링 내에서 축의 위치가 실제로 변화한 상태에 있게 된다. 종종 과도한 간극을 가진 베어링은 결국에는 축이 베어링이나 Seal과 같은 다른 기계 요소와의 마찰을 일으키게 된다. 이러한 경우에 이것이 회전축의 불안정성을 일으키면서 축이 격렬하게 운동하는데 필요한 외란이 될 수 있다는 점에서 극히 위험하다.
⑤ 과도한 간극을 가진 슬리브 베어링은 약간의 불평형이나 Misalignment 혹은 기계적인 이완을 일으키게 하는 또 다른 힘을 주게되며 그것에 의하여 그림 10-28의 낮은 진동 스펙트럼을 생성한다. 이러한 경우에 베어링이 문제의 근원은 아니지만 베어링 간극이 정확하다면 진동 진폭이 훨씬 더 낮아지게 될 것이다.
그림 10-28 슬리브 베어링의 문제를 나타내는 전형적인 Spectrum들
⑥ 몇몇 유막 베어링은 추력 베어링 역할을 한다. 이 경우 그들중 대부분은 Pad나 Shoe를 가지고 있다. 물론 정상적으로 운전될 때는 축은 추력 베어링과 접촉하지 않고 유막 위에 떠 있게 된다. 이러한 추력 베어링에서 문제가 발생되면 훨씬 높은 진동이 발생할 것이다. 이 진동은 종종 1×RPM에서, 특히 축방향 진동이 높게 나타날 것이다. 그러나 추력 베어링에 Pad가 장착되어 있으면 진동은 Pad수×RPM에서 나타날 것이다. 놀랍게도 이러한 소위 Pad Passing Frequency (Pad수×RPM)는 종종 축방향 진동보다 더 높은 반경 방향 진동을 일으킬 수 있다. 어떤 경우에도 과도한 수준의 진동이 Pad Passing Frequency나 1×RPM에서 발생되면 추력 베어링을 의심해 보아야 한다. 물론 1×RPM에서 진동이 발생된다면 문제가 불평형에 있는지 추력 베어링에 있는지 의문이 생길 것이다. 만일 이 추력 베어링이 압축기에 설치되어 있다면, 어느 문제에 원인이 있는가를 알아보기 위하여 수행되는 한가지 시험은 압축기의 전부하에서의 진동자료를 취하여 기계가 무부하로 운전될 때의 자료와 비교해 보는 것이다. 만일 문제가 추력 베어링에 있다면 부하의 감소에 따라 진동이 크게 감소될 것이다. 그러나 불평형에 원인이 있다면 기계 회전수가 아닌 부하만을 감소시켰을 때 1×RPM 진폭은 거의 차이가 없거나 약간만 있게 될 것이다.
8.2 Oil Whirl에 의한 不安定性 (Oil Whirl Instability)
Oil Whirl은 수력학적 저널 베어링에서 가장 일반적인 차동기 불안정성의 원인이다. 정상적으로 유막은 베어링을 윤활하고 냉각시키기 위해 저널 주위를 유동한다. 그러면서 유막은 저널 표면속도의 50%보다 약간 낮은 평균속도를 발생시킬 것이다. 이것이 그림 10-29에 나타나 있다. 정상적으로 회전축은 주어진 안정 양태각(Attitude Angle)과 편심위치 만큼 수직에서 벗어나 베어링면에서 약간 들려진 상태에서 유압 분포도의 꼭대기 부근에 있을 것이다. 들어올려지는 양은 회전체의 속도, 회전체의 중량, Oil 압력에 좌우된다. 회전축이 베어링 중심에서 편심되어 회전됨으로써 부하지지 압력유막을 생성시켜 주는 Wedge로 Oil을 끌어들이게 된다.
만일 회전축이 급작스러운 Surge나 외부 충격과 같은 외란을 받으면 그것은 회전축의 평형상태로부터 순간적으로 편심을 증가시키게 된다. 이런 현상이 발생되면 축의 이동으로 인해 비워진 공간으로 추가 윤활유가 즉시 채워지게 된다. 이것이 부하 지지유막의 압력을 증가시키게 하고 유막과 축 사이에 추가 힘을 생기게 한다. 이러한 경우 유막은 베어링 간극 내에서 회전축이 정방향 원운동을 하도록 또한 Whirling Path내에 있도록 실제로 작용할 수 있다. 만일 시스템에 충분한 감쇠력이 있다면 축은 안정된 정상상태로 돌아가게 될 것이다. 그렇지 않으면 축은 몇몇 매개변수에 의해 격렬한 운전상태가 될 수 있는 Whirling 운동을 계속할 것이다.
그림 10-29 평면 베어링에서의 유막
Oil Whirl은 다음과 같은 특성을 나타낸다.
① Oil Whirl은 다음 몇 가지 조건에 의하여 일어날 수 있다.
• 가벼운 동력이나 Preload
• 과도한 베어링 마멸 또는 간극
• Oil 특성의 변화(주로 전단 점성력)
• Oil 압력의 증가
• 부적당한 베어링 설계 (때때로 실제 축부하보다 과잉 설계되었을 경우)
위의 어떤 조건도 외란이 회전축의 초기 처짐을 일으키게 한 후에나 Oil Whirl을 일으킬 수 있다.
② 종종 기계는 슬리브 베어링의 상태와는 관계없이 외부의 진동가진력이 시스템 내로 전달되거나 기계 자체의 원인에 의하여 Oil Whirl을 일으킨다. 이러한 경우에 이들 진동가진력은 그 베어링의 Oil Whirl 주파수와 똑같은 주파수를 일으키며, 축이 Whirl 운동의 상태에 있도록 조정된 주파수에서의 외란의 크기일 수 있다. 이러한 진동은 배관과 버팀대와 같은 부착 구조물을 통하여 다른 기기로부터 전달될 수 있다. 만일 이러한 현상이 발생되면 주변기기로부터 이 기계를 격리시키거나 발생시키는 기계 자체를 격리시키는 것이 필요하다.
③ Oil Whirl은 일반적으로 통상적이 아닌 축회전 rpm의 40%～48%의 범위에 있는 진동 주파수로 쉽게 확인할 수 있다 (순수한 Oil Whirl은 축회전속도의 43%에서 발생된다는 논문도 있지만 축의 불안정성은 1차 임계속도에서 발생한다).
④ 그림 10-30은 축이 회전되기 시작한 후 Oil Whirl이 발달되는 과정을 보여준다. 기계의 회전속도가 약 1,800 rpm에서 회전축이 명확하게 Whirl을 시작하고 약 4,000 rpm에 이르기까지 Whirl 상태가 남아 있는 것에 주목하라. 약 4,000 rpm인 축의 1×RPM에서 Whirl을 이겨내기에 충분한 힘을 일으키는 공진 상태로 들어가기 시작하는 것에 주목하라. 그러나 기계가 한번 공진 상태를 통과한후 5200 rpm 이상에서 다시 Whirl 현상이 발생하였다.
⑤ Oil Whirl은 진동 진폭이 정상적인 베어링 간극의 50%에 달할 때에 극심한 상태라고 생각되며 이 시점에서 교정 조치가 취해져야 한다.
그림 10-30 기동후 Oil Whirl의 성장
⑥ 일시적인 교정방법은 Oil 온도(즉 Oil의 점도)를 변화시키거나, 부하를 증가시키기 위해 의도적으로 약간의 불평형이나 Misalignment를 주던가, 지지물을 가열하거나 냉각시켜 일시적으로 축정렬 상태를 변화시키던가, 베어링 측면을 Scraping 하던가, 윤활 Wedge를 교란시키기 위해 베어링 표면에 홈을 파던가, 오일 압력을 변화시키는 방법 등이 포함된다.
⑦ Oil Whirl 문제를 해결하기 위한 좀더 영구적인 교정방법은 적당한 간극을 가진 새로운 베어링을 설치하던가, 내부 오일 압력댐을 설치하여 베어링에 Preload를 걸어 주던가, 베어링 종류를 Oil Whirl에 덜 민감한 종류(Axial- Groove 베어링, Lobed 베어링, Tilting Pad 베어링)로 완전히 바꾸는 방법 등이 포함된다. Tilting Pad 베어링은 각각의 Pad가 축이 베어링 내에서 중심을 잡도록 압력을 주는 Oil Wedge를 발생시키고 그것에 의해 시스템의 감쇠력과 전체적인 안정성을 증가시키기 때문에 가장 좋은 선택 중의 하나가 될 것이다.
8.3 Oil Whip에 의한 不安定性 (Oil Whip Instability)
Oil Whip은 Oil Whirl 현상이 일어나기 쉬운 기계에서 발생될 수 있는데 Oil Whirl 주파수가 시스템의 고유진동수(종종 회전체 평형 고유진동수라고도 함)와 일치하고 고정될 때 발생된다. 예를 들어 그림 10-30을 다시 참조해 보자. 축의 회전속도가 9,200 rpm이상으로 증가되자 시스템의 1차 고유진동수인 2×에 이르게 되었다. 이때 rpm의 약 43%인 Oil Whirl이 시스템의 고유진동수와 일치하게 되었다. 이점에서 Oil Whirl은 갑작스럽게 측면의 정방향으로 세차운동을 하는 축의 차동기 진동인 Oil Whip으로 교체되었다. 이점에서 축의 rpm과 관계없이 Oil Whip 주파수는 동일하게 남아 있다. 기계가 12,000 rpm까지 계속 속도가 증가되어도 Oil Whip 주파수는 결코 변하지 않는 것에 주목하라. 축이 Oil Whip 상태가 되면 가장 유력한 동력학적 인자는 질량과 강성이 되고 진폭은 베어링 간극에 의해서만 제한된다. 교정되지 않은 상태로 남겨두면 기계 전체에 중대한 손상을 일으키게 된다.
8.4 Dry Whip
Dry Whip은 윤활작용의 부족이나 불량 윤활유의 사용에 영향을 받는 슬리브 베어링 기계에서 발생된다. Dry Whip이 발생되면 고정체인 베어링과 회전체인 저널 사이에 과도한 마찰이 일어난다. 이 마찰은 베어링과 다른 기계 요소에 진동을 일으키게 된다. 이런 종류의 진동을 Dry Whip이라고 부른다. Dry Whip은 또한 베어링 간극이 적거나 너무 과도할 때도 일어날 수 있다.
Dry Whip의 상태는 젖은 손가락으로 유리면 위를 문지르는 것과 비슷하다. 이것은 축과 구조 물질, 기하학적 측면과 윤활유의 특성에 따라 독특한 주파수를 일으킬 것이다. 정상적으로 이 주파수는 건조한 상태로 베어링이 회전하여 생기는 것과 유사한 끽끽거리는 소음과 비슷한 것을 발생시키는 아주 높은 주파수이다. 주파수 성분 그 자체는 기계 회전속도의 정수배가 아니다. Dry Whip이 예상될 때는 파멸적인 손상이 일어나는 것을 막기 위하여 재빨리 대처하는 것이 중요하다. Dry Whip이 의심될 때는 윤활유 자체와 윤활체계가 면밀히 검사되어야 하고 베어링들은 적당한 간극을 가지고 있는지를 확실하게 점검되어야 한다.