베어링 결함 진단
베어링 결함 이는 구름 요소 베어링의 작동 표면에 나타나는 미세하거나 육안으로 확인 가능한 결함(균열, 박리 또는 함몰)을 말합니다. 구름 베어링은 대부분의 회전 기계에 있어 핵심적인 부품이자 고장이 자주 발생하는 부위이므로, 이러한 결함을 조기에 탐지하는 것은 진동 분석. 결함은 구름체가 그 위를 지나갈 때마다 반복적이고 주기적인 충격을 일으키며, 바로 이러한 주기성 덕분에 결함이 스펙트럼 베어링이 과열되거나 소음이 발생하기 훨씬 전에.
1. 베어링 결함의 특성
일반적인 구름 베어링은 외륜, 내륜, 볼 또는 롤러 세트, 그리고 구름체를 균일한 간격으로 유지하는 케이지의 네 가지 부품으로 구성됩니다. 결함이란 이러한 표면 중 어느 곳에나 발생하는 결점을 말합니다. 구름체가 결함 부위를 지나갈 때 발생하는 접촉으로 인해 작고 날카로운 고주파 충격, 즉 ‘딸깍’ 소리가 납니다. 단일 '딸깍' 소리는 에너지가 매우 적지만, 이 충격은 매번 통과할 때마다 반복되어 매우 규칙적인 신호를 형성합니다. 진동 분석은 이러한 반복적인 충격 신호를 포착하는 데 매우 탁월하기 때문에, 베어링이 고착되는 순간이 아니라 수개월 전에 미리 이상 징후를 감지할 수 있습니다.
2. 4가지 기본 고장 주파수
베어링 진단에서 가장 중요한 점은, 주어진 베어링 형상과 축 회전 속도 조건에서 충격이 매우 구체적이고 예측 가능한 빈도로 발생한다는 것입니다. 이러한 베어링 결함 주파수 가 있습니다:
- 비포 (볼 패스 빈도, 아웃사이드 레인): 구동체가 고정된 외륜의 특정 지점을 통과하는 빈도. 이는 베어링 결함 중 가장 흔히 관찰되는 유형이다.
- 비피피 (볼 패스 빈도, 내부 레이스): 내륜의 특정 지점을 지나는 요소들의 속도입니다. 내륜은 샤프트와 함께 회전하기 때문에, BPFI는 BPFO보다 높습니다.
- BSF (공의 회전 빈도): 구름체가 자신의 축을 중심으로 회전하는 빈도. BSF 결함은 구름체가 한 바퀴 회전할 때마다 양쪽 링에 모두 닿기 때문에, 이 빈도의 두 배에 해당하는 에너지를 나타내는 경우가 많다.
- FTF (기본 열차 운행 간격): 케이지, 즉 “열차”의 회전 주파수입니다. 이는 매우 낮은 주파수로, 일반적으로 운전 속도.
이러한 값은 베어링의 형상(피치 직경, 구름체 직경, 접촉각, 구름체 수)과 축 속도에 따라 달라집니다. 진동 분석 소프트웨어는 대개 방대한 베어링 데이터베이스를 갖추고 있어 이를 자동으로 계산해 주며, 다음을 통해 직접 산출할 수도 있습니다. 베어링 결함 발생 빈도 계산기 베어링의 부품 번호나 치수가 알려진 경우.
3. 베어링 결함이 스펙트럼에 나타나는 방식
발생하는 결함은 FFT 스펙트럼:
- 고주파 피크: 고장 주파수 자체(예: BPFO)는 저차 회전 피크들로부터 멀리 떨어진 주파수 대역의 상단부에 피크 형태로 나타납니다.
- 배음: 이러한 충격의 급격하고 충동적인 특성 때문에 대개 단층 진동의 주파수와 정확히 일치하는 배수인 여러 고조파가 발생하며, 이러한 고조파가 길게 이어지는 것은 단층이 잘 발달되어 있음을 나타낸다.
- 측대역: 이것이 핵심 진단 지표입니다. 결함 주파수 피크의 양쪽에는 일반적으로 회전 속도의 1배 간격으로 사이드밴드가 나타납니다. 1배 사이드밴드를 동반한 BPFO 피크는 전형적인 외륜 결함의 특징인 반면, 내륜 결함(BPFI)은 회전하는 결함이 한 회전당 베어링의 하중 영역을 한 번씩 드나들며 충격 강도를 변화시키기 때문에 거의 항상 1배 사이드밴드를 동반합니다.
초기 단계에서는 이러한 피크가 작아서 스펙트럼의 노이즈 플로어에 쉽게 묻혀버리기 때문에, 일반적으로 특수한 검출 기법이 적용됩니다.
4. 조기 발견을 위한 포락선 분석
엔벨로프 분석, 일명 복조라고도 불리는 이 방법은 베어링 결함을 초기 단계에서 포착하는 데 가장 효과적인 기법입니다. 이는 다음과 같은 원인으로 발생하는 저주파·고에너지 진동을 대역통과 필터로 걸러내는 신호 처리 기술입니다. 불균형 및 정렬 불량, 그런 다음 결함에서 발생하는 고주파·저에너지 충격에만 집중합니다. 이러한 반복적인 충격은 구조물의 고유 진동수를 유발하며, 엔벨로프 처리를 통해 그 진동 주파수를 추출합니다.
그 결과 포락선 스펙트럼 이 그래프는 매우 “깔끔”하여, 낮은 배경 신호 위에 베어링 결함 주파수와 그 고조파를 선명하게 보여줍니다. 이를 통해 베어링이 고장 나기 수개월, 때로는 수년 전에 미리 감지할 수 있어, 긴급 고장 대신 계획적인 교체가 가능하도록 충분한 시간을 확보할 수 있습니다.
5. 현장에서의 진단 확인
확실한 방향 추정 결과는 측정된 피크를 계산된 단층 주파수와 대조하고, 예상되는 측대 패턴을 확인하는 데 달려 있으며, 이상적으로는 엔벨로프 스펙트럼과 연속적인 측정에서 나타나는 명확한 상승 추세가 이를 뒷받침해야 합니다. 다음과 같은 휴대용 2채널 계측기 발란셋-1A 이를 통해 엔지니어는 작동 속도의 기계에서 베어링 자체의 스펙트럼을 측정할 수 있으므로, 베어링 결함이 의심될 경우 현장에서 예측된 주파수와 대조하여 확인할 수 있습니다. 또한 유사한 원인을 배제하는 것도 중요합니다: 구조적 설사 구름체 결함과 회전체 결함 모두 광대역 에너지를 증가시킬 수 있지만, 진정한 베어링 결함만이 BPFO, BPFI, BSF 또는 FTF 계열과 일치합니다.
