손상을 입은 베어링은 장치 고장을 일으킨다. 이는 작동시간을 떨어트리는 주범이다. 작동시간이 줄어들면 생산성이 감소한다. 그러므로 베어링 손상을 미연에 방지하는 것이 중요하다. 손쓸 수 없는 상황이 되기 전에 베어링 손상을 방지하는 방법에 대해 알아보자.

자료｜러셀 폴거, 모바일 엔지니어링 이사 / 데이비드 노박, 글로벌 서비스 엔지니어링 이사 / 제리 로즈, 팀켄 코퍼레이션 제조공정 관리자 베어링 손상 및 수명단축 현상을 일으키는 요소들이 있다. 불충분한 윤활·오염·과부하·부적절한 취급 및 설치 등이 그것이다. 이를 흔히 베어링 살인자라고 일컫는다. 이러한 베어링 살인자들은 원통형 베어링·구면 베어링·니들 베어링·원추형 베어링·볼 베어링 등 다양한 베어링에 영향을 미친다. 

베어링 살인자들이 베어링을 공격하기 시작하면 베어링 및 하우징이나 샤프트와 같은 주변 구성요소들에 손상을 입힌다. 그 결과 장비를 수리 및 교체해야 하는 상황이 발생한다. 베어링 살인자들은 공장 운영효율을 떨어트리고, 비 작동시간을 증가시키며, 작업자를 다치게 할 수도 있다.
 

네 가지 베어링 살인자의 정체와 이들의 방문을 막을 방법에 대해 알아본다.

 

부적절한 윤활은 가장 대표적인 베어링 살인자다. 부적절한 윤활은 여덟 가지 세부항목으로 나눌 수 있다. ▲윤활제가 지나치게 많거나 ▲지나치게 적거나 ▲각 부품의 사양과 맞지 않거나 ▲여러 윤활유를 혼용하거나 ▲윤활 방법 및 윤활유 도포 간격이 잘못되었거나 ▲그리스 및 기름이 변질되었거나 ▲물이 오염되었거나 ▲미립자 오염이 진행되는 경우가 그것이다.

베어링 공급업체는 적절한 윤활유 양과 종류·등급·공급방식·보충 및 교체 주기·점도·베어링 첨가제 종류 등을 지정하고 있다. 또 베어링에 가장 적합한 윤활유 선택을 돕기도 한다. 
 

사용자는 응용사례의 활용기록·부하·속도·씰·운전상태 및 조건·기대수명 등을 바탕으로 윤활유를 선택할 수 있다. 제조업체 및 유통업체는 저장·품질수명·배송·여과 및 기타 주의사항에 대해 충분히 검토한다. 사용자는 이들 업체가 제공하는 권고사항을 따르는 편이 좋다. 또한 아무리 사소한 것이라도 작동 조건이 바뀌면 윤활유 공급업체와 상담하는 것이 바람직하다.

등급이 다르거나 제조업체가 서로 다른 윤활유를 혼용하면 큰 문제가 생길 수 있다. 오랜 시간동안 제품을 원활하게 작동시키기 위해서는 윤활유를 정확하고 안전하게 사용하는 것이 중요하다. 서로 다른 증점안정제(Thickening Agents)·기유(Base Oil)·첨가제 등의 성분 사이에는 상당한 화학적 차이가 있다. 따라서 서로 다른 윤활유를 혼합해서는 안 된다.
 

윤활유를 변경하기 전에 윤활유 공급업체와 함께 호환성에 대한 확인 작업을 거치는 편이 좋다. 경우에 따라 특별한 실험이 필요할 수도 있다. 또한 새로운 윤활유 혹은 첨가제로 교체하기 전에는 기존에 사용하던 윤활유를 제거하는것이 바람직하다. 제거 과정에서 커넥터·배전기·펌프·씰 등을 점검하고, 문제가 발생한 경우 필요한 조치를 취할 수 있다.

새 윤활유를 도입했다면 베어링에 문제가 될 만한 요소는 없는지 살핀다. 끊임없이, 정기적으로 베어링 온도를 점검해야 한다. 베어링이 180℉(약 82℃) 이상인 상태에서 작업을 수행한다면 기름 수명은 물론 산화방지제 수명까지도 줄어들게 된다.

작동온도가 지나치게 높으면 주변온도 및 제조온도 역시 올라간다. 이는 롤링 접촉의 마찰 및 저항으로 인한 작동조건 악화로 이어진다. 반대로 주변온도가 지나치게 낮으면 윤활유를 걸쭉하게 만들며 부적절한 흐름을 야기한다. 허용온도 범위에 대해서는 각 베어링 공급업체에 문의하는 편이 좋다.

윤활유를 너무 적게 도포하면 베어링이 손상을 입을 수 있다. 윤활유로 인한 베어링 손상은 주로 네 가지 요인으로 인해 일어난다.
 

·금속과 금속 사이의 접촉으로 인해 온도가 높아지면 베어링이 변색되거나 검어지는 현상이 발생한다. 선로 및 롤러의 색이 바라는 것이 일반적이다. 가벼운 경우에는 베어링 표면만을 착색 및 오염시키지만, 심한 경우에는 높은 열로 인해 금속 자체가 변색된다.
 

·베어링이 벗겨지거나 금이 가거나 자국이 남는 경우 심각한 윤활 관련 문제를 야기하므로 빠른 대처가 필요하다. 금속을 절단하거나 표면을 벗겨내어 흔적 혹은 자국을 찾아야 한다.
 

·핫 스팟(뜨겁고 건조한 부분)이나 윤활 피막의 손상이나 구성요소들 사이의 직접적인 접촉으로 인해 일부 지점에 상처가 나는 현상이 일어난다. 원추롤러 베어링의 경우 롤러의 끝단 손상이나 링의 안내턱(Guide Rib) 손상으로 나타난다.
 

·일부 지점에서 높은 열이 발생하거나 마모가 누적되면 베어링의 형태가 바뀌거나 장착 유격 등에 영향을 줄 수 있다. 이는 롤러 왜곡, 케이지 손상, 금속의 (예기치 않은)이동, 토크 혹은 힘 손실 등을 일으키며, 결과적으로 베어링에 큰 손상을 준다.
 

베어링에 앞서 나열한 네 가지 징후 중 하나라도 보인다면, 문제를 진단하고 해결하기 위해 기술자 혹은 전문가와의 상담이 필요하다. 대부분의 경우 베어링을 수리하거나 교체해야 한다.

이물질에 의한 오염 역시 베어링에 문제를 일으키는 주범이다. 적은 양의 먼지나 이물질 혹은 파편이라 할지라도 유막(油膜)에 지장을 주며, 나아가 베어링 표면에 손상을 입힌다. 
 

윤활유에 특히 나쁜 것은 물이다. 그리스 혹은 기름에 물이 1%만 들어가도 베어링 수명을 크게 감소시킨다.

오염을 막기 위해서는 적절한 씰 구성이 중요하다. 베어링 제조업체는 응용사례에 적합한 씰을 구성 및 추천해 준다. 적절한 씰을 사용하기 위해서는 장비 성능·조립에 대한 요구사항·윤활·축 방향·기타 환경적 요인 등 여러 조건들을 이해하고 있어야 한다. 씰의 종류와 재료 그리고 설치방식 또한 중요하다.

씰을 적절하게 선택 및 사용하기 위한 몇 가지 팁을 소개한다.

·사용 환경 및 작동 여건에 적합한 씰을 사용할 것.

·씰 주변에 파편 및 잔해 발생을 방지하기 위해 외부에 보호요소를 설치하는 등 보호와 관련된 조치를 취할 것.

·정기적으로 신축성 및 유연성·표면 경화·균열·축과의 접촉상태 등을 확인할 것.

·만약 누설 부위를 발견했다면 손상을 입은 씰을 가능한 한 빨리 교체할 것.

·립 씰에 과도한 그리스 도포를 피할 것. 접촉이 끊어지거나 효율성을 잃을 수 있다.

·물이나 증기 혹은 압축공기 분사기를 사용해 장치를 청소할 경우 특히 조심할 것. 회전 씰은 대부분 증기 혹은 고압 스프레이를 견디지 못한다. 또 청소장비가 씰에 손상을 입혀 베어링 안으로 이물질이 들어가게 된다.

·대형 기계를 분해할 경우 체인이나 와이어로프와 같은 부품을 부주의하게 다루거나 집어던지는 등, 씰링 표면에 흠을 낼 수 있는 행동은 하지 말 것.

 

장치의 접찰면이 마모되면 다시 표면처리를 하고, 필요하다면 사양대로 표면을 갈아서 원래 형태를 유지한다.

베어링 오염을 줄일 수 있는 세 가지 관리 방법은 다음과 같다.

 

1. 베어링을 검사 작업에서 분리한 뒤 베어링을 충분히 세척 및 건조시킬 것. 창고에 넣기 전에 기름칠 혹은 방부처리를 한 뒤 보호용 종이로 감싸 보관할 것.

 

2. 주기적으로 기름 및 그리스를 수집해 검사할 것. 정상적인 경우 기름 및 그리스가 가지고 있는 성질이 언제나 일관되어야 한다. 고체입자가 들어있는 경우 입자가 어디에서 발생했는지를 파악하고 원인을 제거함으로써 추가적인 오염을 막을 수 있다.

3. 오염을 효과적으로 막고자 한다면 필터에만 의존할 것이 아니라, 필터를 정기적으로 살필 것. 많은 작업자가 필터를 필요로 하는 열악한 환경에서는 한층 더 정기적인 필터의 점검 및 교체 작업이 요구된다.

 

▲모래 ▲분쇄 혹은 기계 가공 과정에서 나온 금속 ▲기어에서 나온 미세금속 혹은 탄화물 등은 롤링 구성요소와 선로를 마모 혹은 연마시킬 수 있다. 마모 및 연마는 다른 기계 구성요소에도 영향을 미치고, 씰 마모를 가속화하며, 전체적인 성능을 떨어뜨린다. 
 

미분(微粉)이 쌓이는 데에는 몇 가지 이유가 있다. 대표적으로 하우징 및 부품 청소가 적절치 못하거나, 여과가 효과적이지 못하거나, 필터의 유지 및 보수가 부적절한 것 때문이다.
 

베어링으로 인해 회전하는 경질입자는 롤링 요소 및 선로에 구덩이를 만들고 상처를 입힐 수 있다. 상처는 금속 주변을 훼손시키고 표면 스트레스를 높여 원래보다 이른 스폴링(금속 표면이 서서히 벗겨지는 현상을 말한다. 온도 변화나 하중과 부하 그리고 자연적인 부식 등 여러 요인이 있다. 편집자 주)을 일으키고 베어링 수명을 단축시킨다. 부적절한 청소로 인해 가공 작업 후에 금속 조각이나 큰 먼지 등이 남아있다면 예상보다 이른 피로 손상을 일으킨다. 기어·스플라인·씰·클러치·브레이크·관절 등에서도 잔해물이 생성되므로 주의해야 한다. 불청결한 하우징이나 부서지고 깨진 부품 역시 고장의 원인이다.

조각 혹은 금속 파편 등의 경질입자들이 케이지에 박히거나 흠집을 낼 수 있으며, 롤링 구성요소에 홈을 만들 수도 있다. 소위 ‘그루빙’이라고 하는 이 현상은 부적절한 롤링 접촉 구조를 발생시키고 베어링 사용기간을 단축시키는 주 원인이다.
 

습기 및 물로 인한 오염은 베어링의 부식 및 에칭으로 이어진다. 레이스 및 롤링 요소의 표면처리가 부적절하다면, 외부 요인으로 인해 베어링이 부식되기 쉽다. 에칭은 베어링에 응축물이 모여들어 발생하는 현상이다. 응축물이 모여 온도가 바뀌거나 보관상태가 부적절해지면서 흠을 만드는 것이다. 장시간 방치된 장비 또한 부식에 취약하며 심한 스폴링을 초래한다.

과부하 상태의 베어링은 원래 설계된 한계 치를 넘어 작동하게 된다. 부하는 물론 속도와 온도 등 많은 부분에서 기준치를 초과한다. 
 

과부하는 베어링 수명을 줄이는 주범이다. 부하가 커질수록 베어링 수명 역시 더 많이 줄어든다. 베어링 구성요소에 균열을 만들거나 심하면 파열을 일으키기 때문이다.

과부하는 부적절한 작동 환경에서 주로 발생하며, 베어링과 응용사례 사이의 부조화에 기인하기도 한다. 과부하에 대한 경고로는 소음·진동·온도 상승·윤활유 및 필터에 생기는 금속 파편·성능 감소 등이 있다. 과부하의 대표적 증상으로는 피로 스폴링이 있다. 베어링 레이스 및 롤링 요소에서 주로 일어난다. 
 

과부하의 다른 징후로는 다음과 같은 것들이 있다.

·롤러 균열.

·표면 벗겨짐.

·외륜(Outer Ring) 표면 벗겨짐.

·롤러 가장자리 및 리브가 없는 선로 연결에서 일어나는 소성 변형. 소성 변형이 일어나면 제품에 검은 선이 생기며 만져보면 손톱 혹은 날카로운 도구와 유사한 감각을 느낄 수 있다.

·금속 변형은 골이 난(Ribbed) 선로를 약화시킨다.

과부하 상태의 베어링은 반드시 수리 혹은 교체해야 한다. 추가적인 장치 손상은 물론 한층 심각한 결과로 이어지기 때문이다.

부적절한 취급 및 설치

베어링을 취급 및 설치할 때에는 반드시 적절한 방법 및 도구를 사용해야 한다. 아주 작은 손상 혹은 자국이라도 전체적인 성능 및 신뢰도에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다. 
 

베어링을 설치하기 전 보관 단계에서는 부식 방지 포장을 해두는 것이 바람직하다. 혹 피치 못할 사정으로 베어링을 원래 포장상태에서 꺼낼 경우에는 재포장을 할 때 부식 방지 처리를 함께 해야 한다.
 

깨끗한 환경에서 청결한 도구를 사용해 제품을 장착해야 하며, 베어링에 있는 어떤 방부성분도 닦아내서는 안 된다.
 

또 베어링 구성요소, 특히 베어링을 감싸는 케이스의 손상을 방지해야 한다. 케이스는 보통 연강(軟鋼)이나 청동 혹은 황동으로 만들기 때문에 설치 혹은 취급이 조금만 잘못되어도 제품이 손상을 입을 수 있다.
 

문서 보존 역시 중요하다. 유지 및 보수에 대한 사항, 즉 날짜·장비 모델 및 시리얼 번호·베어링 조립 부품 및 시리얼 번호(해당하는 경우)·베어링 제조업체 등을 모두 기록하는 것을 권장한다. 하우징이나 샤프트의 수리내역 및 여타 장비 교체에 대해서도 기록하는 편이 좋다. 기록은 베어링 성능에 대해 확실히 하거나 서비스 기간을 분명히 할 때 그리고 향후 유지보수에 대해 계획할 때 필수적이다. 장비 문제를 해결하고 베어링 손상을 분석하는 기준으로 활용할 수도 있다.
 

하우징 혹은 바퀴 허브에서 외륜을 제거할 때 부주의하게 취급하면 외륜이 있던 자리에 버(금속재료를 전단 가공했을 때, 공구의 칼날이 닿지 않은 쪽에 발생하는 칼날 형상의 흠집. 출처 도금기술 용어사전) 등의 흠집을 남길 수 있다. 
 

도구가 하우징이 있던 자리를 난폭하게 찌를 경우에도 그 주변에 흠집을 만든다. 이 ‘하이 스팟’은 외륜을 다시 설치하기 전까지는 별 문제가 되지 않는다. 하지만 점차 외륜을 타고 이동해 외륜의 내경에 흠을 만들어, 롤링 접촉 응력(Rolling Contact Stress)을 증가시킨다. 이는 피로수명 단축 및 스폴링의 원인이 되고 심한 경우 부품에 균열을 만들 수도 있다. 홈 및 자국은 베어링을 거칠고 조잡하게 만들며 진동과 소음을 키우는 원인이다.
 

이외에도 부적절한 취급이나 설치, 외륜 제거시의 훼손, 외륜의 립 손상, 롤러의 상성 부조화, 선로의 흠 혹은 찌그러짐(이를 브리넬링이라고 한다. 침탄한 강鋼의 침탄층이 엷은 경우, 또는 중성부가 약할 때 그 표면이 변형하는 현상을 말한다. 출처 금속용어사전) 등이 장비에 손상을 주는 요인이다. 
 

위에서 나열한 현상들은 베어링에 심각한 결과를 초래한다. 부품에 손상을 입었다면 원인을 파악한 뒤 신속하게 교체 혹은 수리해야 한다.
 

베어링 설치과정에서는 적절한 정렬 및 배열 작업이 중요하다. 잘못된 배열은 베어링의 수명을 단축시키기 때문이다. 

수명이 짧아지는 정도는 정렬이 어긋난 정도에 따라 달라진다. 정렬이 과하게 어긋난 경우 부하가 롤링 구성요소 및 선로로 적절히 분배되지 않게 된다. 이는 부하가 일부 롤러나 볼 그리고 선로에 집중된다는 것으로 잠재적으로 피로를 높이게 된다. 서로 인접해있는 표면·시트·숄더·이에 상응하는 필릿 및 언더컷은 힘을 지지 및 전송할 수 있을 정도의 크기여야 하며, 제조업체가 지정한 제한범위 내에 있어야 한다. 
 

베어링 설치에는 이밖에도 자유 및 고정 상태에서의 레이디얼 틈새(반지름 방향의 틈새. 출처 기계공학용어사전) 및 축 엔드플레이 설정 그리고 일부 장비의 경우 축방향 예하중 설정 등의 작업이 필요하다. 부적절한 정리 및 정렬은 토크와 긴장을 부적절하게 만들며 케이지 손상을 초래하고 과열 현상을 증가시키는 원인이다.

오늘날 베어링의 대규모 손상은 예전에 비해 많이 줄어들었다. 설계·교육·업체 및 사용자 교육 등 다양한 방면에서 개선이 이루어진 덕이다. 하지만 여전히 베어링 손상의 주요 원인과 이를 방지하는 방법에 대한 이해가 필요하다. 충분하고 적절한 윤활, 오염에 대한 주의, 과부하 방지, 적절한 베어링 취급 및 설치 등에 유의해야 한다. 이를 통해 사용자는 구성요소들의 손상을 막고 생산성을 높이며 서비스 수명을 연장해 결과적으로 시간과 돈을 절약할 수 있다.