차가운 겨울철의 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. 고온 환경과 마찬가지로, 저온 환경 역시 윤활유부터 씰, 간극까지 다양한 영향을 미친다.
윤활Lubricants
고온과 저온, 둘 모두 윤활유 부족을 야기할 수 있지만, 윤활유 부족의 이유는 다르다. 고온 환경에서는 열이 그리스의 물질 특성을 변화시켜 블리드 속도를 증가시키는 것이 문제라면, 반대로 저온에서는 블리드 속도가 너무 낮아져 오일이 베어링을 효과적으로 윤활시지 못한다는 점이 문제의 원인이다.
하지만 고온 상황과 달리 저온 상황에서는 자체 보정 피드백 루프가 발생한다. 윤활 부족으로 인해 발생하는 마찰이 그리스의 작동 온도까지 가열시키는 것이다. 그렇지만, 이에 이르기까지 발생한 마모가 베어링 시스템에 영향을 끼침을 피할 수 없다.
그리스가 냉각되면 점도 또한 증가하는데, 더 높은 점도의 윤활유는 베어링의 지속적인 회전을 방해하여 베어링과 전동면의 마모에 일조한다. 물론 점도가 높을수록 진흙을 통과하는 것처럼 저항력이 발생하여 마찰열에 의한 자체 보정을 가속화하지만, 적절한 윤활유를 선택함으로써 완화될 수 있는 비효율을 피할 수 없게 한다.
차가운 온도에 고정되어 있을 경우에는 회전을 막을 정도로 그리스가 굳어질 수 있다. 이 경우에는 베어링 사용 전에 윤활유를 워밍업해야 한다. 그렇지 않다면, 시스템에 치명적인 손상을 초래할 수 있다.
씰과 쉴드Seal & Shield
씰은 고무와 같은 엘라스토머 재질로 되어 있어 저온에서 더 쉽게 손상된다. 이는 씰이 윤활을 유지하고 액체 또는 작은 입자 오염 물질을 차단하는 역할을 할 수 없게 되어 윤활유가 빠지거나 오염 물질이 들어갈 수 있음을 의미한다.
또한 씰이 부서지지 않더라도 저온 환경의 문제는 존재한다. 바로 수축이다. 저온 한계에 가깝게 노출된 씰은 압축 세트로 바뀌어 예열 후에도 윤활유의 누출을 일으킬 수 있다.
고탄소강이나 스테인레스 강으로 만들어지는 쉴드 역시 마찬가지로 저온 환경은 좋지 않다. 낮은 온도에서 더 부서지기 쉬우며, 큰 충격을 받을 경우에는 더 쉽게 깨질 수 있기 때문이다.
리테이너·레이스·롤링부 재질Retainer, Race, and Rolling Element Materials
낮은 온도에서는 리테이너, 레이스, 베어링도 불안하다. 씰이나 쉴드처럼 낮은 온도 환경에서 손상이 발생할 가능성이 더 높기 때문이다. 온도가 낮을수록 레이스 전에 리테이너 또는 롤링 요소가 고장날 가능성이 커진다.
외부 간극External Clearance
뜨거운 열은 팽창을 유발하지만, 반대로 추운 환경에서는 수축이 발생한다. 즉 샤프트 또는 하우징의 열팽창 계수가 베어링의 열팽창 계수와 크게 다를 경우, 고온 환경과 마찬가지로 부품간의 프레스 핏에 부정적인 영향이 발생할 수 있다.
하우징이 외부 레이스보다 더 많이 수축해 간극이 줄어들게 되면 베어링의 부하가 증가하여 마찰과 마모가 가속된다. 내측 레이스가 샤프트보다 더 줄어들면 인장응력을 높이는데, 부서지기 쉬운 저온 환경에서는 이는 큰 위험이다.
반대로 외부 레이스가 하우징보다 줄어들거나 샤프트가 내부 레이스보다 더 많이 수축하면 피팅이 느슨해진다. 프레스 핏press fit이 시작하기에 충분히 단단하지 않은 경우, 시스템의 미끄러짐이나 진동으로 이어질 수 있다. 만일 샤프트가 축 방향으로 수축되면 베어링 배치 방식에 따라 의도하지 않은 축 방향 하중이 베어링에 발생할 수 있다.
어떤 경우에도 설계 단계부터 베어링과 지지 시스템에 대한 열 영향이 분석되어야 한다. 윤활, 베어링 재질, 공간 거리와 같은 요인들이 작동 온도에 적합함을 보장함으로써 베어링 수명을 최대화하고, 최고의 성능을 유지시킬 수 있다.
