응용사례에 적절한 크기의 볼 베어링 및 롤러 베어링은 고 부하 및 고속 작업에서 탁월한 성능을 발휘한다. 두 베어링을 활용한다면 적어도 ‘정상적인 작동 조건 하에서’ 베어링 온도 상승에 대해 우려할 필요는 전무하다시피하다. 하지만 정상적이지 못한 작동 조건은 구름 요소의 온도를 상승시켜 문제를 일으키게 된다.
정리 | MSD(모션시스템디자인) 편집부
베어링에 발열을 일으키는 주된 원인으로는 매우 높은 부하나 빠른 속도 등이 있다. 이 외에도 주변온도가 지나치게 높다든지 공정 유체가 비정상적으로 뜨거워도 문제가 발생한다.
베어링의 냉각을 위해 조절할 수 있는 다섯 가지 요소들을 살펴본다. 베어링 유형·윤활제 유형·윤활유의 흐름·윤활유의 양·공기 흐름 등이 그것이다.
베어링 유형
구름 요소(Rolling Element)를 가지고 있는 베어링이 개발 과정에서 열을 일으키는 이유는 다양하다. 대표적으로 ▲베어링 레이스에서 구름 요소가 미소미끄럼(Microslip) 현상을 일으켰을 때 ▲접촉 응력으로 인해 레이스 요소와 구름 요소가 이력(Hysterisis) 현상을 일으켰을 때 ▲베어링 세퍼레이터와 구름 요소 혹은 파일럿 표면 사이에 미끄러짐(Sliding) 현상이 일어났을 때 ▲롤러와 가이드 플랜지 사이에 미끄럼이 발생했을 때 그리고 ▲윤활유가 압력 등으로 인해 흐름이 원활하지 않게 되었을 때 등이 있다.
이들 요소는 공통적으로 인해 베어링에 발열을 일으키는 주범이다. 하지만 그 정도는 상이하다. 베어링 형상·부하·속도는 물론, 윤활유 종류·점도·양 등에 따라서도 달라진다.
만약 부하가 가볍고 속도가 빠른 응용사례라면 일반적으로 볼 베어링이 롤러 베어링보다 더 발열이 낮다. 반대로 속도가 낮고 부하가 무거운 환경이라면 롤러 베어링이 볼 베어링보다 차갑다. 일반적으로 베어링 종류를 선택하는 요소로는 비용과 수명에 대한 고찰이 주를 이루지만, 온도가 상승하는 환경의 차이 또한 제품 선택에 영향을 미칠 수 있다.
윤활제 유형
그리스를 활용한 윤활은 그 설계가 단순하고 비용이 적게 들며 작동이 안정적이다. 하지만 열을 줄여주는 효과는 없다. 반대로 냉각유(Cooled Oil)은 열관리 측면에서 긍정적인 효과를 낳는다. 냉각유는 가스 터빈 및 뜨거운 액체와 함께 사용하는 펌프 등, 열이 베어링에 도입되는 종류의 응용사례에서 특히 유용하게 쓰인다. 연구결과에 따르면, 분무 윤활과 그리스 윤활을 각각 사용한 두 베어링의 온도는 매우 유사했다.
윤활유의 흐름
구름 요소 베어링은 얇은 기름막만을 활용해 원하는 적절한 윤활을 할 수 있다. 윤활유의 유량이 높으면 베어링을 냉각시킬 수야 있겠지만, 윤활 성능을 높이기 위해서가 아니라면 이러한 방법을 권장하진 않는다.
하지만 윤활을 마냥 쉽게 볼 순 없다. 베어링 온도와 윤활유 흐름의 관계는 몹시 복잡하다. 유동률이 높으면 열 전달이 활발하게 일어나지만, 전체적인 발열량 역시 증가한다. 윤활유가 난류 현상을 일으키며 제품 내에서 마구 휘몰아치기(!) 때문.
일반적으로 베어링 온도는 유량이 증가함에 따라 낮아지고, 어느 정도 현 상태를 유지하다, 다시 증가한다. 가스 터빈 등의 고속 응용사례에서 대부분의 윤활유는 베어링 주변을 오가기를 반복하게 된다. 윤활유 난류 현상을 줄이면서도 냉각을 유지하는 두 마리 토끼를 잡기 위해서다.
기존에 활용하고 있던 장비의 경우 실험을 통해 장비에 가장 적절한 윤활유 흐름을 알아낼 수 있다. 새로 설계하는 장비라면 컴퓨터를 활용한 실험을 거치는 것이 바람직하다. 활동적인 열원을 포함하는 응용사례라면 컴퓨터 실험이 큰 힘이 된다.
윤활유의 양
유욕식 윤활(Bath Lubrication, 주유 혹은 급유가 필요한 제품을 기름 속에 담그는 것. 편집자 주) 및 비산 윤활(윤활유를 제품에 뿌려 주유 혹은 급유하는 것. 편집자 주)을 활용하는 시스템의 경우, 베어링 온도는 기름통 내에 담겨있는 기름의 양에 민감하게 반응한다.
대부분의 경우 볼 베어링 하부의 중앙에 공칭 윤활유 양(Nominal Oil Level)을 정하는 방식(윤활유의 높이 혹은 깊이 h를 볼 베어링의 직경 d로 나누었을 때 0.5가 되어야 한다)을 활용한다.
하지만 매우 빠른 속도에서는 이 정도만으로 충분하지 않을 수도 있다. 또한 h/d의 값이 0.5 이하라면 불완전한 유지보수 혹은 비정상적인 작동 조건을 야기하며, 윤활유 부족으로 베어링이 고장을 일으킬 것이다. 이러한 경우 오일 플린저를 사용해야 한다. 오일 플린저는 정밀한 제어 혹은 윤활유의 양 없이도 윤활유를 제품에 분사할 수 있도록 해준다.
공기 흐름
윤활유 순환 기술을 활용하지 않는 시스템에 쓰이는 베어링은 대부분 베어링 하우징 내부와 외부 공기를 교환하면서 대류(Convection) 현상을 만듦으로써 냉각을 수행한다. 이동하는 공기의 대류 계수는 머무르는 공기의 대류 계수보다 훨씬 높고, 따라서 베어링 온도는 하우징을 통해 오가는 공기 흐름으로 인해 현저하게 낮아진다.
하지만 공기가 하우징 내부에 유입되어서는 안됨에 유의해야 한다. 베어링에 먼지라도 유입되는 날에는 베어링 수명이 크게 단축되기 때문. 씰링을 통해 밀폐된, 그리스를 기반으로 윤활하는 베어링은 하우징 내부에서 깨끗한 공기를 유지하기에 적합하다.
공기 냉각은 응급조치 혹은 임시변통으로 쓰인다. 장치 설계를 변경하지 않고도 냉각 작업을 수행할 수 있기 때문. 새로운 제품을 설계하는 경우 보다 나은 선택을 할 수 있는데, 축류 선풍기(Axial-Flow Fan Wheel)을 샤프트 연결 축에 설치하는 것이 그것이다. 축류 선풍기는 찬 공기를 하우징 내부로 유입할 뿐 아니라 샤프트의 방열장치(Heat Sink) 역할도 수행할 수 있다.
