Rolling-Elements Bearing Failures and Their Causes
기계 고장의 원인에 대한 정확하고 완벽한 지식은 엔지니어에게 꼭 필요하다. 엔지니어는 기계의 고장 원인을 정확히 알아야 향후 기계를 효과적으로 사용할 수 있다. 기계에서 베어링은 중요한 요소이므로, 고장시 정확한 원인을 밝히는 능력은 아주 중요하다.
베어링 마운팅 설계시의 첫 단계는 사용할 베어링의 크기와 형태를 결정하는 것으로써, 보통 베어링의 설계수명을 기초로 한다. 다음 단계는 여러 가지 운전조건에 견딜 수 있는 실제적용을 설계하는 것이다. 불행하게도, 이미 설치된 볼 및 롤러 베어링은 취급, 설치, 정비에 있어서 하지 않아야 될 일을 했거나 해야할 일을 빠트리고 하지 않음으로 인해 기대 예상 수명을 다하지 못한다.
베어링의 수명계산은 적당한 오일량으로 윤활, 손상없는 베어링의 설치, 베어링 수치의 정확성, 기능상 무결함을 가정한다. 그러나 적용이 잘되고 정비가 잘된 경우에도 고장 원인중의 하나인 즉, 베어링 재료의 피로로 고장이 난다. 전단응력이 하중을 가지는 표면 아래에 반복하여 가해지면 피로가 발생한다. 피로는 그림 3-2～3-4와 같이 금속 표면의 Spalling으로 관찰되나, 재료피로가 Spalling의 원인만은 아니다. 이미 성장한 Spalling이 존재하여 관찰자가 Spalling을 규명할 수 있더라도 베어링의 사용 수명이 정상적으로 끝날 때 생성된 Spalling인지 이미 성장한 주요 세 가지 분류의 Spalling(윤활, 기계적 손상, 재료의 결함)인지를 구별할 수 있어야 한다. 대부분의 베어링 사고는 다음과 같은 하나 이상의 원인에 기인한다.
(1) 축과 하우징의 베어링 Seat 결함
(2) Misalignment
(3) 잘못된 마운팅
(4) 축과 하우징의 잘못된 맞춤
(5) 불충분한 윤활
(6) 비효과적인 Sealing
(7) 베어링 정지시 진동
(8) 베어링을 통한 전류 통과
그림 3-2 초기 피로 Spalling
그림 3-3 성장된 Spalling
그림 3-4 심하게 성장된 Spalling
Spalling의 실제 시작은 표면 아래쪽에서 매우 작게 발생하므로 눈으로 관찰하기는 어렵고, 기계의 작동 중에는 더욱 관찰하기 어렵다. 그림 3-2～3-4는 Spalling의 성장 과정을 보여준다. 그림 3-2의 내륜의 한 점이 그림 3-4와 같이 Spalling이 점점 확장됨을 알 수 있다. 그림 3-2는 초기 피로 Spalling이고, 그림 3-3은 더욱 발달한 Spalling이다. 그림 3-3과 같이 Spalling이 성장하면 소음이 발생하는데, 소음이 너무 크면 금속봉을 이용하여 하우징내의 소음을 들어보면 베어링 상태를 알 수 있다. 초기 및 성장 Spalling간의 시간은 속도와 하중에 따라 다르지만, 몇 시간 내에 갑작스런 파괴를 유발하지는 않는다. 베어링에 의한 불규칙한 축운동 및 소음이 미리 발생하기 때문에 베어링의 전체파손 및 이로 인한 기계부품의 손상을 보통 피할 수 있다.