송풍기(Fan)-결함유형2-구름베어링의 구조와 관련된 결함
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기계의 구조는 기계의 구성요소들의 조합 물체이므로 그 구성요소(부품)에 관한 결함요인과 관련된 디자인도 확인할 수 있어야 한다. 그 중에서 가장 대표적인 진동과 관련된 중요부품은 바로 베어링이다. 특히 구름베어링은 선 또는 점 접촉으로 하중을 받치고 회전하는 부품이므로 진동에 매우 취약하다고 할 수 있다. 기계의 구조를 보호하기 위해서 베어링이 설치되어 있다고 해도 큰 지장이 없는 답변이지만 베어링의 진동은 이유 없이 크게 발생하지 않으며 또한 그 교환시기를 놓치게 되면 기계의 손상을 초래할 수도 있기 때문에 설비진단에서는 가장 많이 연구되어 왔던 분야가 바로 구름베어링의 결함에 관한 것이다.
Fan결함진단- Anti-Friction bearing 관련문제
Anti-Friction Bearing은 Shaft (축)에 완전히 직각으로 설치되지 않았다든지, 두 개의 베어링이 동일 평면상에 설치되어 있지 않아서, 즉, 각각의 베어링의 높이 차이로 인한 과도진동을 유발할 수도 있다. 이러한 현상은 베어링 내의 온도 상승을 유발시키며 또한 2, 3, 4차 Order(X) 진동 결함까지 진전된다.
내륜 (inner race)은 축에 고정되어 있고 외륜 (outer race)은 베어링 하우징 (Housing)에 부착되어있다. 외륜은 회전하지 않도록 Preload(예압)이 되어 있다.
Thermal Growth가 일어나는 동안, 전체적인 베어링 시스템에서 내륜은 축과 함께 움직이며 Housing에 Preload된 외륜의 회전을 방지하되 내륜과 축이 같이 움직이는 것을 방해해서는 안 된다.
여기서 외륜은 베어링 하우징의 한쪽 면과 마찰이 있는 상태가 없어야(헛돌지 말아야) 한다.
베어링의 외륜이 축과 같이 병행 이동이 가능 하도록 되어있는 것을 ‘Floating Bearing’이라고 하고 반면에 베어링 하우징에서 외륜이 움직이지 못하도록 고정자 (Spacer)가 설치되어있는 것을 ‘Fixed Bearing’이라고 한다.
Thermal Growth 때문에 한쪽 베어링 만이 고정되어야 있어야 한다. 일반적으로 Fixed Bearing의 위치는 fan을 구동하는 커플링측이나 풀리에 가까운 쪽에 설치되어야 하고 반대쪽에는 Floating Bearing이 설치되어야 한다. 이 것은 fan이 축방향으로 자유로운 베어링(Floating)쪽으로 팽창하도록 한다. 만약 이것과 반대로 설치되었을 경우, 축의 Thermal Growth는 커플링 쪽으로 발생하여 커플링의Clearance를 없애 커플링의 용도를 무의미하게 만든다. 이런 경우가 Locked coupling이라고 하는 것이다. 따라서 작동 전에 이상 없던 기계가 작동을 시작하면 진동의 2, 3차 성분으로 계속 진전되게 되어 진동이 증가하게 되며 또한 열도 계속 증가 된다.
fan의 구름베어링과 관련된 사항으로 염두에 두어야 할 항목을 정리하면 다음과 같다.
-Bearing Lubrication : 너무 많은 윤활유주입 (윤활성 저하 è 열의 증가, 베어링 초기파손), 부족한 윤활유 (마모발생 è 베어링의 파손)
-Bearing Preload(예압) : Journal Bearing에 가하는 그리고 베어링 하우징 Clearance에서 적절한Preload 설정이 유지되어야 한다.
-Shaft alignment : 축정렬은 fan이 모터와 직결커플링으로 연결될 때 감안하여야 한다. 축의 중심선간 정렬이 불량하다면 베어링에 반경방향 하중을 증가시키고 베어링의 조기파손을 유도하는 것이다.
-Belt drives: 벨트에 가해지는 정적, 동적하중은 베어링에 반경방향으로 정해진 최대정격하중을 초과하지 않아야 한다. 또한 각도성, 평행성 축정렬은 팬측이든 모터측이든 아주 중요한 사항이다. Offset(평행성 축정렬)불량은 inch당 1/8이상 어긋나 있다면 진동이 2배이상 증가한 경우도 있다.
-Disk skew: 축중심에 디스크가 수직으로 설치되지 않을 경우 부르난 명칭으로 팬이 스피드가 증가하면 원심력이 디스크를 평행하게 만들려는 힘 때문에 축을 휘어지게 만들고 다시 디자인의 의도와 다르게 축의 위험속도를 낮추게 만들 수 있다.
-Cap loading: 캔틸레버형식으로 설치된 방법이 많은데 팬이 만약 슬리브베어링을 사용한다면wheel은 반부하측으로 점점 밀리면서 설치가 적절하지 않게 된다. 이 경우 최고속도에서 회전자는cap load될 수 있다. 이러한 cap loading에 방지대책이 되어 있지 않은 설계는 수력학적 불안정성에 인해서 베어링이 초기 파손될 수 잇다.
-Bearing Clearance: Journal Bearing에서 Clearance는 1inch당 1mil에서 1.5 mils사이에 있어야 하며 최소 2 mils은 되어야 하며, 너무 적은 Clearance는 마찰력 증가 è 베어링의 온도 상승, Wiping 발생 가능, 너무 많은 Clearance는 축은 불안정성과 Damping의 감소.
-Maximum Frequency : Anti-Friction Bearing를 사용하는 Fan의 작동 주파수는 Bearing tolerance의 범위 내에 있어야 한다. 즉, Grease형 윤활 (7200 / Shaft Diameter (inch)), Oil형 윤활 (9600 / Shaft Diameter (inch)) 이내로 운전하여야 한다. 예를 들어 팬이 그리스윤활로 5inch 축경을 한다면 축주파수는 1440rpm보다 높지 않아야 하는 경우의 디자인이다.
-Resonances: 각 부품의 고유 주파수와 운전상에서 발생되는 주파수와 일치되지 않아야 한다. 운전 중에서 발생되는 주파수로는 Fan rotor의 작동주파수, Blade Pass frequency, Fan 베어링 주파수, 원동부(Driver)의 작동주파수, Imbalance, Angular Misalignment, Bent Shaft, belt 주파수 등이 있다. 또한, Fan의 wheel은 그 자체로, 조립체로 고유주파수를 가지고 있고 각 블레이드 또한 공진주파수가 있다. 그 외에 각 duct의 고유주파수도 Surge와 Stall상태 등에서 상황에 따라 큰 사고를 발생시킬 수 있다.
-Looseness: 느슨한 베어링과 풀린 볼트 등은 시스템의 강성을 변화시켜 높은 진동을 유발시킬 수 있다. 또한 축상의 회전체의 loose (Wheel bore와 축사이의 과도 Clearance)는 작동 중 축이 shift 되어서, 적절한 balancing작업을 수행할 수 없게 된다.
키워드
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fan, blower, 송풍기의 진동, 설비진단, 진동진단, 송풍기베어링문제, 윤활문제, 예압,
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