4-3-1-3 베어링 손상시 하중통로의 형태와 의미

Patterns of Load Paths and Their Meaning in Bearing Damage

베어링 손상은 설치전, 설치중 및 운전중에도 발생할 수 있다. 작용하는 하중과 구름 베어링에 의해 베어링 내부 표면에 형성되는 하중 영역이나 형태가 사고규명에 실마리를 제공한다. 하중 영역에 관한 연구를 통해 정보를 얻으려면 정상과 비정상 패턴의 차이를 알아야 한다. 그림 3-5는 일정방향으로 작용하는 하중이 구름 요소들에 어떻게 분포되는지를 보여주고 있는데, 큰 화살표는 작용하중을 작은 화살표는 베어링의 각 볼이나 롤러로 지지된 작용하중의 분담이다. 정지링은 하중분포 형태가 180̊ 보다 작은 반면, 회전링은 360〫전체에 이르고 있다. 그림 3-6은 내륜이 회전하고 하중 방향이 일정할때 볼 베어링 내부에서의 하중 영역을 나타낸다. 그림 3-7은 방향이 일정한 하중에 대하여 외륜이 회전하거나 또는 내륜이 회전하고 하중이 축과 동위상으로 회전할때 야기되는 하중 영역을 나타낸 것이다. 그림 3-8은 축방향 하중을 받는 홈이 깊은 볼베어링의 형태이고, 그림 3-9는 과도한 축방향 하중이 걸릴 때의 형태이다. 균일하게 작용하는 축방향 하중과 과도한 반경방향 하중으로 하중통로가 양륜에서 완전히 360̊에 걸쳐 있다. 축방향 및 반경방향 하중의 조합으로 그림 3-10과 같이 두 하중사이 어디엔가 패턴이 형성되는데 내륜의 하중을 받는 부분은 중심을 벗어나고 외륜의 길이는 반경방향 하중에 의한 것보다 크지만, 반드시 360̊는 아니다. 2열 베어링에서는 조합하중으로 인하여 하중의 결합으로 구름 요소의 2개 열의 길이가 불균일한 영역이 생기는데, 추력이 크면 구름요소의 한 열은 하중을 전혀 받지 않을 수 있다.

억지 끼워 맞춤(Interference Fit)할때 내륜이 축에서 미끄러지지 않을 만큼 충분해야 하지만, 베어링 내부 간극도 움직일 만큼 크지 않아야 한다. 어떠한 베어링의 형태라도 이 같은 맞춤이 적용되어야 할 표준이 있으며, 맞춤 관례는 “부적절한 맞춤에 의한 손상” 부분에서 더 자세히 설명된다. 맞춤이 매우 타이트하면 베어링 내외륜 사이의 구름 요소가 압박을 받아 내부적으로 예하중을 받게 되는데 이러한 경우, 베어링에서 관찰되는 하중 영역은 그림 3-11과 같이 정상적인 손상수명이 아니다. 내외륜이 360̊로 하중을 받지만, 작용하중이 내부 예하중과 서로 겹치는 정지링(Stationary Ring)에서 패턴은 더욱 넓어진다.

찌그러지거나 둥글지 않은 하우징 보어는 외륜을 꽉끼게 한다. 그림 3-12는 하우징 보어가 초기부터 원형이 아니거나 하우징을 오목이나 볼록면에 조임으로 인해 원형이 변하는 베어링에 나타난 하중 영역을 나타낸 것이다. 이러한 경우, 비틀림 형태에 따라 외륜은 둘 이상의 하중 영역을 나타내는데, 이것은 내부에 예하중의 한 형태이다. 그림 3-13은 정지된 외륜에 원형이 아닌 하우징을 꽉끼게 설치된 베어링의 사진으로써, 외륜의 Raceway 양쪽을 나타내는 거울상(Mirror View)이다.

구름 베어링의 어떤 형태는 매우 제한된 Misalignment가 되었는가에 따라 달라진다. 그림 3-14는 내륜이 축에 대해 Misalignment되었을 때 나타낸다. 원통형 롤러 베어링, 경사진(Tapered) 롤러 베어링, 각접촉(Angular-Contact) 볼 베어링 등은 Misalignment에 민감하지만, 하중영역에서 이런 상태를 탐지하기에는 몹시 어렵다. 앞서 기술한 손상형태의 기본 지식에 대하여 다음의 설명을 고려해야 한다.

그림 3-5 베어링내 하중 분포 그림 3-6 하중에 대한 회전하는
내륜의 정상 하중 영역

그림 3-7 하중에 대한 회전하는 외륜의 그림 3-8 축방향 하중의 정상 하중 영역
정상 하중 영역 또는 내륜과
동위상으로 회전하는 하중

그림 3-9 과도한 스러스트 하중시 그림 3-10 축방향 및 원주방향 하중이
하중 영역 조합된 정상적인 하중영역

그림 3-11 반경방향 하중을 지지하고 그림 3-12 베어링 외륜을 꼭끼워
내부 예하중을 받는 베어링의 하중 영역 원형이 아닌 하우징에 의한 하중 영역

그림 3-13 하우징에 의해 찌그러진 외륜의 거울상

그림 3-14 외륜이 축과 Misalignment 그림 3-15 내륜이 하우징에 대해
되었을 때 하중 영역 Misalignment되었을 때 하중영역

1. 베어링 시트 결함에 의한 고장

Failure Due to Defective Bearing Seats on Shafts and in Housing

구름 베어링의 예상 수명은 실제 크기의 하우징이나 축에 현대의 기계공작 기술로 제작 가능한 비교적 얇은 링을 끼운다고 가정하여 계산되지만 불행하게도, 하우징 보어와 축 Seat를 너무 크거나, 작거나, 경사지거나 또는 타원형이 되게 하는 인자가 존재한다. 그림 3-16은 원형이 아닌 하우징 안에 있는 나선형 구름 베어링 외륜의 또 다른 거울상을 나타낸 것이다. 롤러 통로의 가장 넓은 부분들이 서로 반대 위치에 있음에 주의하라. 기계 프레임에 고정될 때 하우징이 찌그러져 있으면 정확히 제작된 하우징 Bore에 베어링을 안착시켜도 같은 조건이 발생할 수 있다. 한 예로, 평평하지 않은 Pedestal에 볼트로 조여지는 Pillow Block이다.

그림 3-17은 지지가 불완전한 베어링 외륜에서 나타나는 상태로써, 왼쪽 그림은 베어링 설치시 하우징에 남아있는 터닝칩(Turning Chip)에 의해 베어링 외경에 영향이 남은 것이며, 이 외륜은 단지 칩에 의해서만 지지되어서 총하중은 Roller Path의 작은 부분에 의해 지탱된다. 오른쪽 그림은 조숙한 Spalling을 생성하는 Turning Chip 바로 위의 외륜에 무거운 특수 하중이 가해진 것을 나타낸 것이다. Spalling된 지역의 양쪽은 Fragment Dent라 부르는 상태이며, 벗겨진 표면에서 나온 조각들이 롤러와 롤러 궤도 사이에 떨어질 때 발생한다.

베어링과 베어링 Seat 사이의 접촉이 원활하지 않으면 상대 운동이 발생하고, 이동이 작으면 Fretting 부식이라 하는 조건이 발생한다. 그림 3-18은 베어링 외륜의 Fretting 부식을 나타내고, 더욱 발달한 상태는 그림 3-19와 같다. Fretting 균열을 야기해 Spalling이 되게 한다.

Seat가 정밀하게 가공되었어도 Fretting 부식이 발견될 수 있다. 운전조건 때문에 Seat가 하중을 받아 변형되는 이런 예는 철도의 Journal Box에서 볼 수 있다. 경험에 의하면 이런 형태의 외륜의 프레팅 부식은 일반적으로 베어링 수명에 크게 영향을 미치지 않는다. Shaft Seat나 저널, 하우징 보어 등은 Fretting 부식을 유발하고 생성할 수 있다. 축상에서 운동에 의한 손상은 그림 3-20과 같다. 내륜과 저널 양쪽면에 Fretting 부식이 크게 분포하고 있으며, 내륜을 거쳐 나타난 축방향 균열은 Fretting에 의한 표면 손상에서 시작되었다.

베어링 Seat가 볼록하거나 또는 오목하거나, Taper진 데에서도 베어링이 손상될 수 있으며, 베어링 링의 폭 전체로 접촉할 수 없으므로, 하중이 가해져 링이 기울고 Raceway를 따라 축방향으로 피로 균열이 일반적으로 나타난다. 그림 3-21은 링과 하우징간의 접촉불량에 의한 균열을 보이고 있다.

그림 3-16 하우징에 꼭끼어진 구형 롤러 베어링 외륜의 거울상

그림 3-17 하우징 Bore내 Chip에 의한 피로

그림 3-18 Fretting 부식에 의한 마멸

그림 3-19 Fretting 부식으로 더욱 발달한 마멸과 균열

그림 3-20 축 저널의 항복(Yield)에 의한 Fretting

그림 3-21 하우징 맞춤 불량에 의한 균열

2. 오정렬

Misalignment

Misalignment는 Spalling 초기 성장의 주원인이며, 저널에 직각이 아닌 축 Shoulder에 내륜이 안착되거나, 하우징 Shoulder가 하우징 Bore에 직각이 아닐때 또는 두 하우징의 중심선이 같지 않은 경우에 발생한다. 베어링 링이 타이트하게 설치되었어도 Shoulder에 압입되지 않으면 Seat상에서 비틀어져(Cocked) 있어 Misalignment가 된다. Slip-fit된 하우징에서 베어링 외륜은 반대쪽 모서리에서 비틀어질 위험이 있다.

자동 조심 베어링을 사용해도 앞서 서술한 몇 가지 Misalignment 결함은 교정되지 않는다. 자동조심 베어링 내륜이 Shaft Seat와 직각이 아닐때 내륜은 회전하면서 흔들려 결국 조기피로를 유발한다. 만약, 외륜이 하우징 양쪽 모서리에서 비틀어지면, 보통 요동하는 외륜은 하우징에서 축방향으로는 붙잡아주고 반경방향으로는 꽉끼워진다. 꽉끼워진 외륜의 영향을 그림 3-13과 그림 3-16에 나타냈다.

중심축과 수직이 아닌 지지대에 설치된 볼스러스트 베어링은 정지링의 좁은 하중 영역이 모든 하중을 감당하기 때문에 조기피로가 된다. 볼스러스트 베어링의 회전링이 직각이 아닌 축 Shoulder에 설치될때 링은 회전하면서 떤다. 떠는 링은 정지링의 작은 부분에만 하중을 가하여 조기피로를 유발한다.

그림 3-22 볼스러스트 베어링의 Smearing

그림 3-22는 두 가지 조건중 하나가 일어났을때 볼스러스트 베어링내의 Smearing을 보이고 있다. 즉 첫째, 운전중 양륜이 서로 평행하지 않을때 둘째, 설계된 운전속도에서 베어링을 설계운전 위치에서 잡아주는 하중이 충분하지 않을 때이다. 첫 번째 조건하에서 볼이 하중영역에서 비하중 영역으로 통과할 때의 Smearing은 그림 3-22와 같고, 두 번째 조건하에서는 양륜이 서로 평행할지라도 원심력은 Raceway와의 접촉상태에 따라 볼을 롤링하는 대신 Spin시켜 Smearing이 발생한다. Misalignment에 의한 Smearing은 정지링의 한 지점에 국한되는 반면, 회전력에 의한 Smearing은 양륜 주위에서 일반적으로 나타난다.

같은 축을 지지하는 두 하우징의 중심선이 일치하지 않으면 자동조심 볼 또는 롤러 베어링만이 굽힘 모멘트 없이 작동할 수 있다. 원통형 및 테이퍼진 롤러 베어링은 아주 미세한 Misalignment만을 허용한다. 만약, Misalignment가 상당히 있으면 측면(Edge) 하중을 야기해 조기피로를 일으킨다. Misalignment로 인한 측면하중은 그림 3-23과 같이 베어링의 Spalling을 발생시키고, 같은 원인으로 발생한 또 다른 Spalling은 그림 3-24와 같이 Tapered 롤러 베어링의 롤러와 내륜에서 볼 수 있다.

그림 3-23 모서리 하중(Edge-Loading)에 의한 피로

그림 3-24 모서리 하중에 의해 발달된 Spalling

3. 설치불량의 사례

Faulty Mounting Practice

조기 피로나 손상의 근원은 설치전 및 설치중 소홀하거나 잘못된 관례 때문이다. 조기 피로의 여러 원인 중에서 현저한 것은 운전중 베어링과 하우징내의 이물질의 존재이며, 그림 3-17은 베어링 외경과 하우징 Bore 사이에 떨어진 Chip에 의한 것이다. 그림 3-25는 베어링 내륜의 Raceway와 롤러사이에 이물질이 떨어져 브리넬링 저하(Brinelled Depression)를 일으키는 베어링 내륜을 보여주고 있다. 이 상태를 Fragment Denting이라 하는데, 이들 작은 덴트(Dent)의 각각은 조기피로의 잠재적인 발단이 된다. 작은 입자의 이물질은 마멸을 초래하고 원래의 내부 형상이 변할 때 계산된 예상수명을 달성할 수 없다. 이것은 이 장의 뒷부분에 있는 “비효과적 Sealing”편에서 그림 3-48, 3-49, 3-50과 함께 설명된다.

취급이나 설치중의 충격손상은 조기 피로를 유도하는 브리넬링 저하를 유발한다. 그림 3-26에 그 예가 있는데, 박리된 면의 간격은 볼 사이의 거리와 같다. 이미 충격을 받은 베어링이 설치되면, 운전중 소음이나 진동에 의해 결함이 분명해진다.

그림 3-25 프래그먼트 덴팅(Fragment Denting)

그림 3-26 취급시나 설치시 충격 손상에 의한 피로

원통형 롤러 베어링은 설치될때 쉽게 손상 받는데, 특히 내륜이 있는 회전부가 외륜과 조립된 롤러 세트를 정지부에 조립할 때이다. 그림 3-27은 조립중 롤러가 내륜을 가로질러 강제적으로 슬라이딩됨으로서 원통형 롤러 베어링의 내륜이 손상되었음을 나타낸다. 여기서, 내륜에 나타난 손상흔적의 간격은 롤러간 거리와 같다. 그림 3-28은 그림 3-27의 Smearing Streak을 8배 확대한 것이다.

베어링이 설계 보다 더 큰 하중을 받을 때 조기 피로가 발생하고, 잘못된 설치 습관으로 예상치 못한 하중이나 기생(Parasitic) 하중이 발생한다. 기생 하중의 한 예는 자동차 앞바퀴를 설치할 때 베어링 안착을 위해 특정 토오크를 가한 후에 고정너트를 반대로 풀지 않을때 발견된다. 다른 예는 하우징에서 베어링이 자유롭게 이동해야 하는데, Pinching이나 Cocking 때문에 열팽창에 따라 이동할 수 없어 베어링에서 기생 스러스트 하중을 유발한다. 그림 3-29는 기생 스러스트 하중의 영향이다. 손상부가 통상 Ball Groove의 중심에 있어야 하나 그렇지 않고 Groove Shoulder에서 심하다. 그림 3-30의 링은 비정상의 무거운 스러스트 하중을 받는 자동조심 볼베어링인데, 보통 이러한 경우 축방향 구속은 외륜면상의 하우징 Shoulder의 흔적이나 베어링 외경상의 Fretting 면적으로 알 수 있다.

회전부와 정지부간의 간섭은 회전베어링 링에서 파괴 크랙을 초래할 수 있다. 그림 3-31에 나타난 롤러 베어링 내륜은 베어링이 회전할때 엔드커버와의 접촉으로 인한 영향을 보여주고 있다.

그림 3-27 설치시 과도한 힘에 의한 Smearing

그림 3-28 그림 3-27을 8배 확대한 Smearing

그림 3-29 과도한 스러스트에 의한 Spalling

그림 3-30 기생 스러스트에 의한 Spalling

그림 3-31 베어링 링이 회전하는 동안 엔드커버와의 접촉으로 인한 균열

4. 부적절한 맞춤에 의한 손상

Damage Due to Improper Fits

베어링의 내륜 또는 외륜이 축과 하우징에 Slip Fit 또는 Interference Fit으로 설치해야 하는가 하는 결정은 하중 방향에 대해 링이 회전상태인지 정지상태인지를 먼저 결정해야 한다. 조임이나 풀림 정도는 하중과 속도의 크기로 결정되는데, 만약 베어링 링이 하중방향에 대해 회전하면 Interference Fit으로, 정지상태이면 Slip Fit으로 한다. 무거운 하중의 경우는 큰 간섭이 요구된다는 개념으로 맞춤정도가 결정되고, 충격이나 연속적인 진동은 하중에 대해 회전하는 링에 더욱 큰 Interference Fit이 요구된다. 경하중을 받는 링 또는 하중에 대해 회전하고 극히 저속도에서 운전되는 상당한 하중을 받는 링에서도 Lighter Fit 또는 Slip Fit을 한다.

두 가지 예를 고려해 보라. 자동차의 앞바퀴가 닿는 도로는 균일한 방향의 하중을 받으며 포장도로는 항상 바퀴에 상승력을 가하는데, 이러한 경우 외륜과 Cup은 회전하여 Wheel Hub에 압착․조립되는 반면 내륜이나 Cone이 정지상태이며 스핀들에 Slip Fit된다. 또 다른 경우는, 일반적인 치차 구동장치의 베어링은 하중에 대해 정지하는 외륜을 가져 Slip Fit하지만, 내륜은 하중에 대해 회전하여 Interference Fit으로 설치할 필요가 있는 경우가 있으며 이 경우 Slip Fit의 링보다는 롤러에서 축방향 팽창이 가능한 베어링이 필요하다. 그러한 설비에서는 축의 한쪽에서는 원추형 롤러 베어링 그리고 다른 끝에서는 내장 베어링(깊은 홈 볼 또는 구형 롤러 베어링)으로 구성되어 있다.

양호한 맞춤 관례를 따르지 않아서 영향을 받은 예가 다음에 있는데, 그림 3-32는 하중 방향이 일정할때의 Bore 표면과 축의 상대운동으로 손상된 내륜 Bore 표면을 보이고 있다. 크리프(Creep)라 불리는 이 상대운동은 그림 3-32와 같은 Scoring을 초래할 수도 있다. 만약 Loose Fit부로 윤활제가 침투하면 Bore나 축 Seat에 광택이 나타난다 (그림 3-33). 정상적으로 Tight Fit한 내륜에 Creep이 발생할 때 손상은 Bore 표면에 국한되지 않고 링의 Face에도 영향을 준다. 축 Shoulder나 Spacer의 접촉은 마멸 또는 심각한 마찰균열(그림 3-31)을 유발하는데, 이것은 윤활제의 상태에 따라 다르다. 그림 3-32는 상대운동을 할 때, 베어링 내륜면의 축 Shoulder가 어떻게 마멸되는지를 보여준다. 압착 링과 그 Seat 사이의 마멸은 누적된 손상으로써, 초기 마멸은 Creep를 가속시켜 마멸을 더욱 증가시킨다. 지지능력을 잃은 링은 균열을 발달시키며, 마멸로 발생된 이물질은 Fragment Dent를 유발시키고 내부적으로 베어링을 마멸케 한다.

그림 3-32 “크리프”에 의한 내륜의 스코어링

과도한 맞춤은 그림 3-11과 같이 내부적으로 베어링을 예압하거나 또는 내륜에 아주 높은 Hoop 응력을 유발해서 베어링을 손상시킨다. 그림 3-34는 과도한 간섭 맞춤에 의한 균열된 내륜이다. 필요 이상으로 느슨해진 하우징 맞춤으로 외륜을 Fretting이나 Creep, Spin을 야기하는데, Fretting의 예는 그림 3-18과 그림 3-19와 같다. 외륜의 지지 결함은 느슨함이 지나치거나 하우징 Bore의 접촉 불량에 의한다. 외륜의 균열은 그림 3-19와 같다.

그림 3-33 Creep에 의한 마멸

그림 3-34 과도한 간섭 맞춤에 의한 축방향 균열

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.

6. 부실한 실링

Ineffective Sealing

베어링의 주행중 이물질에 의한 영향과 마멸에 의한 영향은 이 장 초기의 “설치불량의 관례”에서 설명하였다. 설치중 이물질이 베어링에 침투했을 때 가장 영향을 받는 곳은 하우징 씰 주변일 수 있다. 베어링 제작자는 이물질로 인해 발생할 수 있는 문제를 잘 알고 있으며 청결한 베어링 공급을 위해 주의를 하고 있다. 베어링을 조립할 때 뿐 아니라 운행 중에도 청결하게 관리해야 하는데, 마멸의 해결은 매우 중요하므로, 때로 공기 청정실에서 베어링을 조립하기도 한다. 결함에 의한 마멸 입자와 부식 마멸이 조합된 예가 그림 3-48과 그림 3-49에 나타나 있으며, 그림 3-50은 마멸이 진행되면서 운전해온 홈이 깊은 볼베어링을 나타낸다. 케이지를 더 이상 지지할 수 없을 정도로 볼이 닳아 양륜이 Rubbing 되었다.

베어링으로부터 연삭물질뿐만 아니라 부식물질도 제거해야만 한다. 물, 산(Acid)과 윤활제의 질을 저하시키는 물질은 부식을 일으킨다. 그림 3-51은 윤활제의 습도로 인한 롤러 끝단의 녹이 슨 것을 보인다. 베어링이 회전하지 않을 때의 롤러의 부식영역은 그림 3-52와 같다. 물기가 있는 윤활제에 산이 형성되면 그림 3-53과 같이 표면을 에칭 한다. 그림 3-54에 보이는 부식 선(Line)은 베어링이 회전할때 윤활제내 습기에 의한 것이다.

그림 3-48 연삭마모의 발달

그림 3-49 연삭마모의 발달

그림 3-50 연삭 마모의 발달

그림 3-51 윤활제의 습기로 녹이 슨 롤러 끝단

그림 3-52 정지상태 베어링에서 윤활제의 습기로 부식된 롤러 면

그림 3-53 습기가 있는 윤활제에서 산의 형성으로 인해 부식된 롤러 면

그림 3-54 베어링이 회전할때 윤활제내 습기에 의한 부식 유맥(Streak)

7. 진동

Vibration

축이 정지중일 때 진동에 접하는 구름 베어링은 폴스 브리넬링(False Brinelling)이라 불리는 손상을 입기 쉽다. 이 손상을 입게되면 밝은 광택을 띄는 함몰이나 특유의 적갈색 부식이 발생하는데 접촉면의 산화율로 상태를 알 수 있다. 진동은 구름 요소와 궤도면의 접촉부에 미세한 슬라이딩을 유발하여 재료의 작은 입자가 접촉면에서 자유롭게 이동하며, 순간적으로 산화되기도 한다. 이렇게 생성된 파편은 Lapping 입자 역할을 하며 마멸을 가속화시킨다. 이러한 손상 확인은 궤도면상의 표시들의 거리로 한다. 폴스 브리넬링 간격은 마치 참(True) 브리넬링의 형태와 같이 구름 요소간의 거리와 같은데, 만약에 진동주기 사이에서 베어링이 다소 회전되었다면 폴스 브리넬링의 손상 패턴은 하나 이상으로 나타난다.

그림 3-55는 폴스 브리넬링 형태의 연삭마모이다. 상당한 기간동안 베어링 양륜간에는 회전은 없지만, 정지상태에서 심각한 진동을 받았다. 폴스 브리넬링은 철의 산화물과 더불어 발전하였고 드디어 래핑 요소로 작용했다.

회전 베어링의 진동과 연마에 의한 영향으로 그림 3-56의 웨이브 패턴으로 나타나있다. 이러한 웨이브가 더욱 조밀할 때 이런 형태를 플러팅(Flutting)이라 부르는데, “베어링을 지나는 전류통로” 항에서 보여준 경우와 같다. 금속 실험은 연마와 진동에 의한 플러팅과 전류 통로와 진동에 의한 플러팅의 구별을 필요로 한다.

폴스 브리넬링은 진정한 마멸 상태이기 때문에 진동중에 가해진 힘이 정하중보다 작아도 손상이 나타나고, 구름요소에 걸리는 접촉 하중이 증가할 수록 손상이 더욱 확장된다.

폴스 브리넬링은 조립기계의 운송중에 빈번히 발생하며, 기초를 통해 전달된 진동은 비회전 축 베어링에서 폴스 브리넬링을 유발한다. 이같이 운송중의 폴스 브리넬링은 축의 회전이나 축방향 이동을 방지하는 작업에 의해 최소화되거나 제거될 수 있다.

폴스 브리넬링과 참 브리넬링을 구별해야 하는데, 그림 3-57과 3-58은 궤도면에서의 이들 브리넬링을 100배로 확대한 현미경 사진이다. 그림 3-57(참 브리넬링)은 궤도면 재질의 소성류에 의한 흠(Dent)이다. 그라인딩 마크는 덴트된 전 영역에서 볼 수 있다. 폴스 브리넬링(그림 3-58)은 금속 흐름을 동반하지는 않고 마찰로 표면의 금속을 제거한다. 그라인딩 마크가 제거되었나 확인하라. Fretting 부식과 유사한 폴스 브리넬링을 좀 더 이해하려면 구름요소가 궤도면과 접촉하여 윤활제를 찌그러트리고, 진동의 각이동이 매우 작기 때문에 접촉시 윤활제가 메워지지 않음을 기억해야 한다. 금속간 접촉은 필연적이며 미세한 입자의 분열을 초래한다. 윤활제에 의한 보호가 이루어지지 않으면 이 미세한 입자는 산화되어 Fretting과 같은 붉은 갈색을 띤다. 산화율이 느리면 폴스 브리넬링이 감소하여 밝아지기 때문에 참 브리넬링과 구별하기가 어렵다.

그림 3-55 베어링 정지시 진동에 의한 폴스 브리넬링

그림 3-56 베어링 회전시 연마물이 있는 상태에서 진동으로 인한 폴스 브리넬링

그림 3-57 참 브리넬링의 예 (100배 확대)

그림 3-58 False 브리넬링의 예 (100배 확대)

8. 베어링을 통한 방전

Passage of Electric Current Through the Bearing

전기 기계에 사용되는 베어링에서 베어링을 통해 전류가 흐를 가능성이 있다. 베어링을 통해 흐르는 전류는 기계설비의 표류 자계로부터 발생되거나 또는 그 기계설비의 어느 부분이 접지와 연결되어 베어링을 통해 전류가 통하도록 회로가 구성되어 있을 경우에도 발생될 가능성이 있다.

가죽, 종이, 옷감, 고무 등을 생산하는 생산공정이나 대전된 벨트로부터 방사되는 정전기에 의해서도 전류가 생성되는데, 이 전류는 축을 지나 베어링을 통과하여 접지에 이른다. 구름요소와 궤도간의 접촉면에서 전류가 끊어질 때 아크가 발생하여 국부적인 고온과 이로 인한 손상을 초래한다. 베어링의 전체적인 손상은 각 손상점의 크기와 수에 비례한다.

그림 3-59와 확대한 그림 3-60은 구형 롤러 베어링의 롤러와 궤도면의 전기 피팅이고, 그 피트는 궤도면과 롤러간의 통로에서 전류가 끊어질 때마다 생성된 것이다.

롤러를 들어낸 다음 베어링을 점검한 결과 이 롤러와 같은 정도밖에 손상을 입지 않았다. 사실 이 베어링을 재사용하여 몇 년동안 문제가 없었으므로 어느 정도의 전기 피팅에 의해서는 손상이 발생하지 않는다.

그림 3-59 비교적 큰 전류의 통과에 의한 구형 롤러 면의 피팅

전기적 피트 수가 많거나 오랫동안 베어링을 통해 전류가 흘렀을 경우 베어링에서 또다른 형태의 전기적 손상이 발생한다. 이 결과가 그림 3-61에서 3-65에 걸쳐있는 플러팅 현상으로, 이는 볼 베어링이나 롤러 베어링에서 발생할 수 있다. 플러트(Flutte)는 꽤 깊은 깊이까지 진전될 수 있으며 또한 운전중 진동과 소음을 유발시키고 나중에는 국부적 과응력에 의한 피로 현상도 유발시킨다. 플러트 형성 원인은 아직 명확히 설명되지 않지만 충격 혹은 진동의 초기 동조 현상과 전류 차단시와 관련이 있을 것으로 생각되고 있다. 플러트가 한 번 시작되면 영구적으로 계속될 것이다.

각각의 전기적 표시, 피트, 플러팅 등은 실험실에서 베어링을 시험할 때에도 발생되었다. 교류 및 직류 모두 손상을 유발하는데, 전압보다 전류가 손상을 유발하는데 지배적이다. 베어링이 레디얼 하중하에 있을 때 내부이완이 클수록 동일 전류에서 전기적 손상이 더욱 크다. 스러스트를 받는 복열(Double Row) 베어링에서 반대쪽의 열이 손상을 받아도 스러스트를 받는 열은 거의 손상이 발생하지 않는다.

그림 3-60 비교적 큰 전류 통과에 의한 구형 외륜면의 전기 피팅

그림 3-61 확장 전류통로에 의해 구형 롤러 면에 발생한 플러팅

그림 3-62 확장 전류통로에 의해 원통 롤러 베어링내의 궤도면에 발생한 플러팅

그림 3-63 구형 롤러 베어링 외륜 궤도면에 발생한 플러팅

그림 3-64 구형 롤러 베어링 내륜 궤도면에 발생한 플러팅

그림 3-65 비교적 작은 전류와 진동의 확장통로에 의해 자동조심 볼베어링의 외륜 궤도면에 발생한 플러팅