안녕하세요, AI 기반 예지보전 솔루션 모터센스입니다.
지난번에는 회전 기계 오류에 대해 전반적으로 알아봤습니다.
만약 해당 게시글을 보지 않았다면, 아래의 링크를 참고해 주세요.
오늘은 회전 기계 오류 중 ‘베어링 결함’에 대해 자세히 알아보겠습니다.
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제조 분야에서 회전 기계는 생산 라인 유지를 위한 필수 요소입니다. 그리고 회전 기계와 베어링 결함은 떼려야 뗄 수 없는 관계에 놓여 있습니다. 베어링 결함은 종종 생산 중단 및 치명적인 안전 문제로 이어지기도 하므로 이에 대한 이해와 예방 정비가 필수적입니다.
베어링 결함에 대해서 알기 전에, 베어링의 구조를 먼저 살펴볼까요?
베어링의 구조
베어링은 다양한 산업 분야에서 핵심 부품으로 사용되고 있습니다. 워낙 다양한 역할을 수행하기에, 베어링마다 조금씩 그 구조와 역할이 다른데요. 보편적인 베어링 구조는 다음과 같습니다.
그림 1. 베어링의 구조 (출처: JTEKT)
1.
Outer Ring: 베어링의 외부 원형 부품으로, 주로 외부 환경과 접촉하며 베어링을 지지하고 고정합니다
2.
Inner Ring: 외부 링 내부에 위치하며, 베어링의 중심축인 샤프트를 지원하고 고정합니다.
3.
Ball/Roller: 외부 링과 내부 링 사이에 위치하며, 회전 운동을 전달합니다. 볼 베어링은 작은 구체 모양의 구슬을, 롤러 베어링은 원통형 롤러를 사용합니다.
4.
케이지(Cage): 볼 또는 롤러의 간격을 일정하게 유지하고, 내부 부품들의 충돌을 막습니다. 또한 윤활유를 고르게 분배합니다.
베어링 고장 종류 및 진동 변화
먼저 스펙트럼을 해석하기 위한 기본 용어에 대해서 알아보겠습니다.
1x RPM은 회전 기계에서 기본으로 발생하는 기본 주파수를 말합니다. “회전 주파수”, “원천 주파수” 라고도 부르며, 일반적으로 기계 샤프트의 회전 또는 구조물의 움직임으로 인해 발생합니다.
다시 말해, 1x는 시스템의 기본 동작 주파수를 나타내는 것이며, 이를 기준으로 다른 고조파 주파수를 측정하고 분석합니다. 예를 들어, 기계나 구조물에서 어떤 결함이 발생해 1x 주파수의 진동이 2배로 증가하는 경우 ‘2x가 발생한다.’고 표현합니다. 마찬가지로 3x는 1x의 세 배 규모의 주파수를 의미하며, 4x는 1x의 네 배 규모의 주파수를 나타냅니다.
고조파 : 원천 주파수(Fundamental Frequency)의 n배(n은 정수)인 주파수 성분
베어링 결함별 진동 변화
이어서 베어링의 결함 종류에 따라 진동이 어떻게 변화하는지 알아보겠습니다.
그림 2. Outer Ring Failure
(출처: Motion Control NSK)
그림 3. Inner Ring Failure
(출처: Motion Control NSK)
1. Outer Ring Failure (외부 링 결함)
Outer Ring에 결함이 발생하면 Ball 또는 Roller가 결함 지점을 지나갈 때 BPFO(Ball Pass Frequency Outer) 주파수에서 진동이 증가하는 특징이 나타납니다.
이 주파수는 "Outer Ring Failing Frequency"라고도 불립니다.
그림 4. Spectrum changes of outer ring failure
외부 링 결함의 스펙트럼 특징은 BPFO 주파수가 1x RPM(회전 주파수)보다 더 큰 진폭을 가지면서 동시에 harmonic 현상이 나타난다는 점입니다.
2. Inner Ring Failure (내부 링 결함)
Inner Ring에 결함이 발생하면, Ball 또는 Roller가 결함 지점을 지나갈 때 BPFI(Ball Pass Frequency Inner) 주파수에 진동이 증가합니다.
이 주파수는 “Inner Ring Failing Frequency”라고도 불립니다.
그림 5. Spectrum changes of inner ring failure
내부 링 결함이 발생할 경우, 1x RPM에서 발생하는 회전 속도에 의해 내부 링의 결함 주파수가 변조되어 고주파 대역에 큰 진폭을 가진 BPFI가 여럿 나타납니다.
그림 6. Ball Failure (출처: Motion Control NSK)
그림 7. Cage Failure (출처: Motion Control NSK)
3. Ball/Roller Failure (볼/롤러 결함)
Ball 또는 Roller에 결함이 발생한 경우 BSF(Ball Spin Frequency) 주파수 진동이 증가합니다.
그림 8. Spectrum changes of Ball/Roller failure
베어링의 규격과 Ball 또는 Roller의 개수에 따라 다르지만, Ball 또는 Roller에 결함이 발생하면 고주파 대역에서 회전 주파수보다 큰 진폭이 나타납니다.
하지만, Inner Ring 결함 시 나타나는 BPFI 주파수보다 간격이 좁은 주파수가 발생한다는 특징이 있습니다.
4. Cage Failure
Cage에 결함이 발생한 경우 FTF(Fundamental Train Frequency) 주파수 진동이 증가합니다.
그림 8. Spectrum changes of Cage failure
위에서 설명한 베어링 결함 외에도 주의 깊게 살펴봐야 하는 결함과 주파수 대역폭은 아래와 같습니다.
Failure Type | Spectrum Bandwidth |
Imbalance, misalignment, looseness, rub, belt wear. | 1.5 to 2.5x RPM |
Misalignment and looseness. | 1.5x to 2.5x RPM |
Looseness, misalignment, BSF | 2.5 to 4.5x RPM |
First harmonics of the bearing fault frequencies BPFO, BPFI and BSF. | 4.5 to 20.5x RPM |
베어링 고장 주파수와 전기적 결함의 복합 결함 | 20.5 to 50x RPM |
베어링 조기 고장, cavitation 현상 또는 윤활유 부족 등 | 1 to 20 kHz |
베어링 고장 단계
베어링은 완전한 상태와 결함이 발생한 상태, 각 상태별로 나누어지는 진동 특성이 있습니다. 이러한 특성은 베어링 모니터링 및 문제 조기 감지에 중요한 단서로 사용됩니다.
그림 9. Bearing damage (출처: Bearing Fault Detection by One-Dimensional Convolutional Neural Networks)
Stage I: 베어링이 정상인 상태입니다. 주로 회전 주파수와 일부 고조파만이 스펙트럼에 나타납니다.
Stage II: 베어링 열화 초기 단계로, 고주파 진동이 발생하기 시작합니다.
작은 결함으로 인해 베어링 레이스의 고주파 고유 진동수를 자극함으로써, 1kHz에서 20kHz 사이의 가속도 스펙트럼에서 나타납니다.
Stage III: 베어링 결함이 심화함에 따라 특징적인 주파수와 고조파가 나타납니다. 결함 주파수의 진폭과 고조파는 물론, 가속도의 고주파 진동도 증가합니다.
Stage IV: 베어링 결함의 최종 단계로, 심한 손상이 발생한 상황입니다. 베어링과 샤프트의 연결 부위가 헐거워지면서 마찰 등의 증상이 나타납니다.
진동의 변화로는 1x RPM의 진폭과 고조파가 증가합니다.
기계 고장 피해를 최소화하기 위해서는 베어링 상태 모니터링과 예방 정비가 중요합니다. 앞서 설명한 대로, 베어링은 문제가 발생할 경우 특징적인 결함 주파수와 진폭이 발생하는데요. 때문에 베어링 결함을 알아차리기 쉬울 것으로 생각하실 수도 있겠습니다.
그러나 실제 현장에서 주변에서 발생하는 노이즈들과 여러 가지 조건들로 인해, 결함 주파수의 진폭이 감소하거나 사라질 수 있습니다. 따라서 고주파 대역의 변화를 정확하게 감지하고 모니터링할 수 있는 기술을 확보하는 것이 베어링 결함 예방의 핵심입니다.
MotorSense의 베어링 고장 탐지 사례
베어링 결함으로 인해 발생하는 진동은 주로 고주파 대역에서 뚜렷하게 나타납니다. 주파수와 관련된 지표, 특히 고주파 대역의 크기 변화, 고주파 대역의 비율, 그리고 고주파 대역의 overall 변화에 주목해야 합니다. 이러한 변화가 감지되면, 베어링 결함을 의심하고 적절한 조치를 해야 합니다.
이러한 변화에 주목한 MotorSense의 베어링 고장 실제 탐지 사례를 확인해 보겠습니다.
1.
Spectrum의 고주파 대역 변화
그림 10. Spectrum의 고주파 대역 변화
2.
High Frequency Ratio 및 High overall의 변화
그림 11. High Frequency Ratio 변화
그림 12. High Overall 변화
3.
Time-Spectrum Colormap의 변화
그림 13. Time-Spectrum Colormap의 변화
위의 이미지는 MotorSense가 실제로 수집한 자료로, 이상이 없었을 경우에는 0~ 250Hz 사이의 진폭이 가장 큰 것을 확인 할 수 있습니다. 하지만 시간이 지날수록 고주파 대역의 진폭이 커지더니, 정상 진폭의 약 5~10배를 뛰어넘는 수준에 이르렀습니다.
MotorSense는 이러한 주파수 대역의 변화를 감지하여 베어링 결함 발생을 즉각 해당 업장에 안내하였습니다. 이에 따라 해당 업장은 생산 중단이나 설비 고장이라는 큰 손실 없이, 베어링 부품 교체라는 작은 대응만으로 정상 가동을 유지할 수 있었습니다.
일부 기업은 문제가 발생한 이후, 이를 해결하는 것에 집중합니다. 그러나 보다 근본적인 문제 해결을 추구하는 기업들은 첨단 예지보전 기술 도입을 통해 문제 발생 자체를 최소화하기 위해 노력합니다. 이러한 대처 방식 차이는 장기적으로는 성과의 차이로 이어지기 마련입니다.
지금까지 회전 기계의 고장 종류의 첫 번째 시리즈인 베어링 결함에 대해 알아봤습니다.
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