Rolling Bearing의 진동문제-8-베어링수명계산

Rolling Bearing의 진동문제-8-베어링수명계산

--------------------------------------------------------------------

하중이 증가하면 구름베어링의 수명이 감소할 것이라는 것에는 예측할 수 있지만 얼마나 빨리 또는 나머지 수명은 어느 정도일까를 예측하는 것은 쉽지 않다. 또한 무엇보다도 진동이 증가할 경우의 베어링의 수명은 또 다른 변수를 포함한다. 이 것은 베어링의 교체시기의 설정과 메인트넌스의 주기등과도 관련이 되어 있다. 왜냐하면 기계의 수리작업과 대정비 기간 중에 취하는 조치의 상당부분은 베어링을 교체하는 업무가 차지하고 있기 때문이다. 그만큼 베어링의 상태관리는 특히 베어링의 진동관리는 매우 중요하다. 따라서 베어링의 일반적인 수명계산방법과 진동을 포함한(동하중이 가미된) 베어링의 수명계산방법을 정리하면 다음과 같다.

베어링 수명계산 방법

우선 통용되는 베어링의 수명 중 10%의 잔존수명(L10)을 나타내는 상태의 볼베어링의 수명은 다음과 같이 표시한다.

C=Capacity of bearing in lbs. (베어링용량부하,베어링제조사 제공)

RPM=분당회전수

b=3(ball베어링)또는 10/3(Roller베어링)

P=작용하중

그리고 진동하중을 받고 있는 상태의 베어링 수명계산(H, hour의 방법은 다음과 같다. (CSI사 발췌)

H=베어링잔존수명(시간),

L=베어링서비스부하(베어링이 받고 있는 정하중, lbs)

M=진동에 저항하는 질량의 무게, lbs  ,V=진동속도(in/s),   F=분당회전수(RPM)

예를 들어 볼베어링일 경우Dead Load(L) = 1000 lbs, Bearing capacity(C) = 20,000 lbs, Mass(M) = 13,000 lbs, RPM(F) = 1800일 때 진동(V)이 0.6IPS일 때 베어링의 수명은 1.14년으로 계산되고 진동이0.3IPS일때는 2.63년, 진동이 없을 때는 8.46년으로 결과가 됨을 알 수 있다.

All copyright  한국CBM(주)  written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415,  www.kCBM.kr

키워드	베어링진동, 구름베어링, 베어링결함, 스펙트럼, 베어링결함주파수, 베어링고유주파수, 베어링수명계산법

Rolling Bearing의 진동문제-4-결함주파수의 원인

Rolling Bearing의 진동문제-4-결함주파수의 원인

----------------------------------------------------------------

구름베어링은 고유한 결함주파수 계산공식을 가지고 있다. 이 결함주파수는 미세하더라도 항상 발생하는데 ‘결함’주파수가 아닌 베어링의 ‘고유’주파수라고 부르자고 하기에는 주파수가 일정한 채 고유한 일정하므로 정확히 고유주파수는 아니다. 고유주파수는 실제로 다른 곳에 존재하기 때문이다. 따라서 이 결함주파수를 구름베어링 ‘회전특성주파수’로 바꿔 명칭 하는 것이 더 나은 표현처럼 보인다. 그런데 이 구름베어링의 결함주파수에 대해서 공식대로 맞아 떨어지지 않는다고 질문을 받을 때가 있다. 오랜 시간 동안 가동 후 분해해 본 결과 베어링의 결함이 맞는데 주파수는 근처

에 보였지만 정확하지 않았다는 질문이다. 따라서 그 것은 외륜에 결함(흠집)을 주고 결합하여 바로 돌린 상태라면 맞는 공식일 뿐이다. 베어링을 조립시 열팽창 및 두드림에 의해서 특성이 약간 변하므로 약간의 오차가 있게 마련이다. 더욱이 시간이 경과할수록 베어링의 여유(Tolerance)가 점점 더 많아지고 느슨해 질수록 주파수는 또 변동하게 된다. 그러면 어떻게 베어링의 결함을 확인하는가?


 

구름베어링의 결함주파수 메커니즘

베어링의 결함은 주파수나 시간파형(Waveform)의 패턴으로 확인한다. 패턴(Harmonic, Sidebands)으로 확인했는데 베어링의 정보가 정확하지 않으며 10Hz이내의 오차가 있다면 베어링의 결함으로 판단해도 무난할 것으로 판단된다. 이 결과가 대부분이기 때문이다. 단, 실제로 결함이 잘 맞아 떨어진 상태라면 실험과 비슷한 조건이었을 가능성이 있다. 즉, 조립 초기에 베어링이 급한 하중으로 찌그러졌거나 또는 윤활이 매우 좋지 않았던 상태일 것이다. 이를 알고 있어야 한다. 베어링은 신제품에서 결함이 발생할 가능성이 희박하므로 공식과 반드시 같지 않다.

구름베어링은 거동주파수를 가지고 있다. 이 주파수는 회전주파수와 관련이 있으나 회전수의 정수배(Harmonics, Synchronous)로 맞아 떨어지지 않는다. 또한 베어링의 고유주파수(Natural frequency)도 존재하는데 대체로 구름베어링의 결함주파수의 10배 이상의 고주파에서 존재하므로 이 주파수군에 가까울수록 베어링의 진폭은 커지게 된다. 따라서 초기 결함 시에는 극 고주파인 음향방출(AE)에 의한 초음파로 읽어 들이기가 더 쉬우며 Looseness현상과는 달리 베어링의 결함이 심화될 경우 고주파에서 심한 측대파(Sidebands)가 더해지면서 아래의 저주파 대역으로 번지게 되는 패턴을 가진다. 이 때 그 영향이 1x TS까지 미칠 경우에는 베어링을 교체해야 할 시점이라고 간주할 수도 있다.

All copyright  한국CBM  written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415,  www.kCBM.kr 

키워드	베어링진동, 구름베어링, 베어링결함, 스펙트럼, BPFI, BPFO, 내륜결함, 외륜결함, 베어링결함주파수, 베어링고유주파수

Rolling Bearing의 진동문제-14-베어링결함과 Looseness의 차이

Rolling Bearing의 진동문제-14-베어링결함과 Looseness의 차이

-----------------------------------------------------------------

구름베어링이 결함이 발생하였다면 반드시 그 원인이 있을 것이고 가장 많은 원인은 축정렬불량과 윤활불량, 부하의 잘못된 계산, 그리고 느슨함(이완, Looseness)일 것이다. 구름베어링은 일반적으로 축(Shaft)에 끼워맞춤으로 설치되고 다시 베어링 하우징내에 열박음으로 끼워맞춰지게 설치된다. 이 때의 공차(Tolerance)가 맞지 않을 경우에 베어링이 원활하게 작동하지 않고 하우징과의 사이에 또는 축과의 사이에서 베어링이 헛돌게 된다. 이 자체도 Looseness라고 할 수 있지만 본 건에서 다루고 싶은 것은 기계가 잘 고정되지 않거나 Crack이 발생하여 충격진동이 발생하는 기계적이완(Mechanical looseness)과의 차이점이다. 충격진동과 하모닉 그리고 심하면 Sidebands를 유발한다는 것도 유사하다. 어떻게 베어링결함과 기계적이완을 구분할 수 있을까?

베어링결함과 기계적이완의 차이점

베어링 결함주파수를 스펙트럼으로 확인해 보면(좌) 기본적으로 베어링의 고유주파수에 큰 영향을 받으며 베어링 구성요소가 움직일 때 발생하는 Stress wave를 확인하므로 고주파에서 우선 관찰된다. 또한 베어링의 구성요소가 이완되고 충격력이 더욱 심해지면서 1X RPM의 저주파 방향으로 하모닉과 사이드밴드가 심하게 발생하며 성장한다.

반면에 기계적결함(우)은 베어링결함주파수와 비슷한 충격파형을 나타내고 있으나 시간파형자체가 비대칭(한쪽 방향만 진폭이 더 높은 경우)인 경우가 잘 관찰되고 스펙트럼 상에서는 1X RPM에서 시작하여 상태가 심각해 질수록 고주파 방향으로 확산되면서 사이드밴드가 짙어지게 된다. 다시 말하면Looseness는 저주파에서 고주파측으로, Rolling bearing fault는 고주파에서 저주파 측으로 결함주파수가 성장한다는 점이다.

그러나 이러한 변화의 추이는 즉각적인 진단(Consulting)에서는 확인할 수 없고 오랫동안의 측정된 데이터로 확인이 가능(Condition monitoring)하므로 지속적인 관찰과 이를 판독할 수 있는 스펙트럼 계측기와 학습이 있어야 한다.

All copyright  한국CBM(주)  written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415,  www.kCBM.kr 

키워드	베어링진동, 구름베어링, 베어링결함, 스펙트럼, 베어링결함주파수, Stress wave, Looseness, 기계적 이완

Rolling Bearing의 진동문제-10-Stress wave

Rolling Bearing의 진동문제-10-Stress wave

----------------------------------------------------------------

영어권에서 구름베어링은 Rolling bearing(Ball, Roller)보다 마찰을 최소화해야 하므로 Antifriction bearing이라는 단어를 더 많이 활용한다. 베어링 부품에 흠집이 생기면 회전부품이 그 위를 지나갈 때 응력파(Stress wave)가 발생한다. 이 것은 마치 쇠구슬을 높이에서 떨어뜨릴 때 발생하는 파장과 충격시 발생하는 음의 전파속도(음속)과의 관계에 의해 계산되는 주파수(Frequency)로 그 것을 설명할 수 있다.

베어링충격파의 원리-stress wave

가동중인 회전 설비에서 발생하는 결함 중 특별히 베어링이나 기어의 초기 결함을 가능한 한 빨리 감지하면 할 수록 적절한 보수 일정의 수립과 설비에 가해지는 손상을 최소화 시킬 수 있다.

이런 초기 결함 등은 매우 높은 주파수 성분 (Stress Wave)으로 구성되어져 있어, 일반적인 진동 분석 기법으로는 이들 신호를 획득 할 수 없기 때문에 특별한 기능(Enveloping)이 필요하다. 이러한 방법을Demodulation이라고 하는데 이 기법도 초기 결함을 감지하기가 난해하기 때문에 Time waveform의 True peak value를 이용한 발전된 기술이 개발되었다. CSI(Emerson)사의 Peakvue기법이나 IRD사의 Spike energy, Acoustic emission에 의한 방법, SPM사의 베어링감지기법 등이 이러한 특성화된 구름베어링의 수명관리기법이라고 할 수 있다. 이러한 기법들은 베어링의 상태를 정량화하거나 작은 에너지신호인 응력파를 잘 확인할 수 있게끔 한다.

키워드	베어링진동, 구름베어링, 베어링결함, 스펙트럼, 베어링결함주파수, Stress wave, 베어링 충격파, 응력파

All copyright  한국CBM(주)  written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415,  www.kCBM.kr