공기 압축기 Air End Bearing 손상 원인 및 예방

공기 압축기 Air End Bearing 손상 원인 및 예방

공기 압축기의 핵심 부품은 흡입된 대기를 직접 압축하는 Air End라고 할 수 있다.

Air End의 형태는 제조사 마다 다를 수 있지만 기본적인 구조는 거의 유사하며 주요 부품은 Male/Female Rotor와 동력 전달 및 회전수 변환을 위한 Gear, 그리고 회전체를 지지하는 Bearing과 이들 부품이 설치되는 Air End Casing으로 구분할 수 있다.

무 급유식 압축기의 경우 급유식 압축기와 다르게 별도의 Timing Gear가 추가 되고 공기를 압축하는 과정에서 윤활유를 필요로 하지 않는 특성을 갖는다.

급유식 스크류 압축기의 Air End와 무 급유식 스크류 압축기의 Air End 구조는 아래 그림과 같다.

공기 압축기의 Air End는 고속, 고온, 고 하중의 조건에서 연속 운전을 해야 하는 특성 때문에 윤활 관리가 매우 중요하다.

특히 급유식 스크류 압축기의 경우에는 비교적 저속(약 3,000 ~ 5,000 rpm)으로 회전 하는 반면 무 급유식 스크류 압축기의 경우 고속(약 9,000 ~ 12,000 rpm)으로 회전하기 때문에 윤활 계통의 문제는 심각한 사고로 이어질 수 있으므로 주의 해야 한다.

Air End의 심각한 고장의 대분은 Bearing에 의한 것고 Bearing 손상을 이야기 할 때 윤활 문제를 먼저 이야기 하는 것은 Bearing  손상의 원인 중 윤활 불량이 가장 큰 비중을 차기 하기 때문이다.

Bearing 손상의 발생 원인에 대한 비율은 왼쪽의 그래프와 같다.

그렇다면 Bearing 고장 유형 별 방생 원인에는 어떤 것이 있는지 아래 Table에서 알아 보자.
(출처 : FAG 베어링코리아)

메이저급 Bearing 제조사의 기술력 및 품질관리 수준에 미루어 Bearing 사고 중 Bearing 자체의 문제로 발생될 가능성은 극히 낮다고 알려져 있다.
앞서 Bearing 사고 원인 별 발생 비율 Data에서 본 것처럼 Bearing 사고의 가장 큰 비율을 차지하는 것은 윤활 계통의 문제다.

Bearing은 Ball 또는 Roller가 활주면을 따라 회전하면서 하중을 분산하는 역활을 하며 윤활막을 통해 금속간 직접 접촉을 차단하고 있다.
윤활막은 3가지의 형태로 구분할 수 있으며 첫 번째로 완전 윤활막, 두 번째로 혼합 윤활막, 세 번째로 경계 윤활막이 그것이다.
완전한 윤활막 상태에서는 충분한 윤활막으로 금속간 접촉을 차단하고, 혼합 윤활막 상태의 경우 윤활막이 얇고, 경우에 따라 금속간 접촉이 이루어진다. 경계 윤활막 상태의 경우 윤활막 조건이 극히 악화되어 윤활유의 첨가제(극압 첨가제)의 반응으로 윤활막을 유지할 수 있게 된다.
그러나 윤활유에 존재하는 극압 첨가제는 유한하기 때문에 적절한 윤활괄리가 되지 않는 경우에는 금속간 접촉을 피할 수 없게 된다.

위에서 논의된 것처럼 여러가지 이유로 윤활막이 깨지면 금속간 접촉이 불가피하게 되고 이런 현상이 지속될 경우 마이크로 피팅(Micro Pitting)이 발생하여 윤활유의 금속분이 증가하고,  그 금속분에 의한 손상 증가 등 악순환으로 이어진다.

마이크로 피팅이 지속되면 격국 매크로 피팅(Macro Pitting)으로 진행되고 윤활 불량과 또 다른 기계적 문제(이물질 유입, Miss Alignment, Tight Fit, Loose Fit, Over Heat 등)와 결함하여 다양한 현상으로 사고가 발생된다.

출처: GEARTECH(US GEAR CONSULTING)

마지막으로 실제 Bearing 사고 사례를 살펴보고, 그 발생원인은 무엇이고, 재발 방지 대책에는 어떤것이 있는지 알아보자.

이 자료는 필자가 그동한 수집한 Data와 분석 결과 그리고 관련 문헌을 참고로 정리한 것으로 전문적인 분석 방법의 결과와는 차이가 있을 수 있다.
이 자료에는 포함되지 않았지만  Bearing 손상에는 Bearing Cage 손상, 전식, 부식 등의 사고도 있으나 다른 사고의 유형에 비하여 발생 빈도가 낮아 포함 하지 않았다.