무더운 여름철의 베어링 관리
입춘을 지나 개구리가 나온다는 경칩이 머지 않았다. 추웠던 겨울을 지나 뜨거운 여름을 대비해야 하는 것이다. 산업계에서 온도 변화에 신경써야 하는 요소 중 하나는 베어링 시스템이다. 베어링 작동에서 온도는 매우 중요한 요소로, 베어링이 제대로 동작하려면 기계 장치의 움직임 중 발생하는 베어링 자체의 열은 물론 주변 장비와 자연 기후까지 고려해야 한다. Bishop-Wisecarver가 윤활유, 베어링 재질 등의 요소와 온도 변화 문제를 다뤘다.
베어링의 온도 범위가 중요한 까닭은 윤활과 관련성이 크다. 사실 대부분의 베어링 실패는 부적절하거나 불충분 한 윤활로 인해 발생하는데, 온도는 윤활유의 성능에 직접적 영향을 미치기 때문이다. 따라서 윤활유의 선택은 베어링 수명을 극대화하는데 있어 가장 중요한 요소이다. 모든 윤활유는 최적의 성능을 위한 저마다의 온도 범위를 갖고 있으며, 이 범위를 벗어나면, 성능이 저하되기 시작한다. 특히 고온 환경은 두 가지 형태로 베어링 윤활에 부정적 영향을 끼친다.
윤활제 분해Degradation · 부족Lubricant Starvation
윤활제 분해는 오일 및 그리스에 윤활 특성을 부여하는 분자 구조의 이상을 의미한다. 산화 현상은 시간이 흐름에 따라 발생할 수밖에 없지만, 뜨거운 열은 이러한 화학 반응의 속도를 극적으로 가속화시킨다. 일반적으로 그리스 수명은 10℃(18℉)의 온도가 상승할 때마다 대략 절반으로 줄어든다.
열이 그리스의 화학적 조성에 영향을 주게 되면, 오일이 분리되는 현상이 가속화된다. 오일이 분리되는 속도를 블리드 레이트bleed rate라고 하는데, 블리드 레이트는 진동과 베어링의 원심력에 의해 악화된다. 그리고 오일이 분리될 경우, 증발하거나 베어링 밖으로 유출이 발생할 가능성이 더 높아진다.
오일이 베어링 내에 유지 되더라도 오일 점도가 낮으면 구성 요소 사이에 충분히 두꺼운 윤활층이 형성되지 않아 마모와 마찰을 증대시킬 수 있다. 추가된 마찰은 베어링을 더 가열하게 됨으로, 잠재적으로 파괴적인 피드백 루프가 형성된다.
씰과 쉴드Seal & Shield
씰은 윤활을 유지하고, 액체 또는 작은 입자 오염 물질을 차단하는 역할을 수행한다. 그런데 씰은 일반적으로 고무와 같은 탄성물질로 만들어져 고온 환경에서는 균열이 발생하며, 결국엔 녹을 수 있다. 혹은 스파크나 용접 비산물로 인해 인하여 손상될 수도 있다.
씰이 깨지거나 휘어지면, 오일 누출을 방지하는 데 효과가 떨어지게 된다. 뿐만 아니라 오염 물질의 유입으로 인하여 윤활제 열화가 촉진되고, 부식을 일으키거나 내부 요소의 마모도 일어날 수 있다.
씰과 달리 쉴드는 고탄소강 또는 스테인레스강으로 만들어지며, 대형 이물질로부터의 오염이나 충격으로부터 베어링을 보호할 수 있게 한다. 그러나 일반적으로 베어링 링과의 간극이 넓기 때문에 윤활제를 유지하거나 액체 및 미세 미립자를 유지하게 할 수는 없다. 쉴드는 최대 작동점까지 고온 환경에서 효과적이지만, 그 이상의 환경에서는 금속의 연화 또는 경화되며, 부식 내성을 상실할 수 있다.
리테이너 재질Retainer Material
볼 베어링과 전동면 사이의 접촉 부위는 베어링과 리테이너 사이의 접촉보다 큰 하중을 받는다. 일반적인 작동에서는 베어링이 전동면에서 회전하지만 회전할 때 항상 리테이너에 미끄러져 움직이게 된다. 리테이너의 부드러운 재질과 결합된 이 슬라이딩 마찰은 베어링이 윤활유를 잃는 경우, 리테이너가 가장 빠른 마모 부품이 됨을 의미한다.
리테이너 물질은 고온에서 약화될 뿐 아니라 탄성까지 변형될 수 있다. 이는 베어링 변형을 유발하는 주된 원인으로, 특히 많은 폴리머 리테이너의 고민거리 중 하나이다.
레이스·롤링부 재질Race and Rolling Element Material
금속 전동면과 롤링 요소의 경도와 재료 강도는 고온에서 감소하므로, 피로 수명이 줄어들게 된다. 변색은 윤활유가 금속에 묻어 발생할 수 있지만, 금속이 변색된다는 것은 특성이 변화한다는 징후가 될 수 있어 주의깊게 살필 필요가 있다.
레이스와 베어링 소재가 연화되면, 정적 또는 주기적인 하중이나 충격에 변형되기 쉽다. 롤링 요소의 변형은 계획과 다른 미끄러짐을 발생시키며, 온도가 낮아진 후에도 마모와 마찰을 계속 일으키게 된다.
외부 간극External Clearance
열은 베어링 소재뿐 아니라 베어링 레이스와 연결되는 샤프트와 하우징까지 확장시킬 수 있다. 일반적으로 대부분의 베어링 구성 요소가 동일한 재질로 되어 있어 동일한 속도로 팽창하기 때문에 온도가 모든 부분에서 균일하다면, 내부 베어링 간극에 거의 영향을 미치지 않는다. 그러나 샤프트 또는 하우징의 열팽창 계수가 베어링의 열팽창 계수와 크게 다를 경우에는 이들 부품 간의 프레스 핏에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
이는 더 타이트하거나, 더 루즈한 핏으로 나타난다. 먼저 외부 레이스가 하우징보다 확장되거나 샤프트가 내부 레이스보다 더 팽창하게 되면 피팅은 더 엄격해져 베어링의 하중을 증가시키고, 마찰과 마모를 가속화시킨다.
고온 환경에서 베어링과 궤도면의 윤활제가 약화되고 소모되어 부족할 가능성이 높은데, 간극까지 줄어들게 되면 마모 또는 방사상 변형이 발생할 가능성은 더욱 커진다. 이러한 요인들은 부하 용량과 수명을 단축시키고, 진동을 악화시키며, 심지어 베어링을 완전히 압착시킬 수도 있다.
반대로 하우징이 외부 레이스보다 팽창하거나 내부 레이스가 샤프트보다 많이 팽창하면 피팅은 느슨해진다. 프레스 핏press fit을 시작하기에 충분히 조여지지 않은 경우에는 진동에 더 취약하며, 과도한 미끄러짐이 발생할 수 있다.
이외에도 샤프트가 축 방향으로 팽창하면 배치 방식에 따라 의도하지 않은 축 방향 하중이 베어링에 발생할 가능성도 있다. 일반적으로는 베어링이 축 방향으로 부유하는 형태로 나타난다.
