1. 윤활제 선택에 영향을 미치는 인자


베어링 윤활을 위해 윤활제를 선택할 때는 하중, 속도, 작동온도와 같은 작동상태가 가장 중요하지만 외부의 환경도 반드시 고려 해야 한다.
윤활제의 선택과 적용방법의 선택에 영향을 미치는 여러 가지 요소로서는


▶ 속도
▶ 하중
▶ 온도
▶ 일반 작동조건
  - 과도한 진동
  - 분진이 매우 많은 환경
  - 극단적으로 습기가 많은 상태
▶ 급유의 방법
  - oil hole
  - drip cup
  - reservoir
  - automatic system etc.

등이 있다.


1.1 속도

베어링 작동중 구름요소에 마찰이 발생하고 속도가 낮은 경우 경계나 접촉 윤활상태하에서 작동하게 될 것이며, 이러한 상태가 발생될 경우에는 윤활성 고체입자가 금속 접촉을 방지하기 위해서 적절한 접촉 윤활을 제공할 것이다.
과도한 마모에 대한 이러한 보호성능은 일반 오일이나 그리스로는 얻어질 수 없다.
오일로서 윤활되는 고속 베어링의 경우 일반적으로 완전 윤활상태하에서 작동되며 만약에 윤활유가 적절한 점도를 갖고 있다면 마찰은 감소가 될 것이다.
그러나 고부하가 걸리게 되면 경계, 접촉 윤활상태가 되고 마찰과 마모가 발생하게 된다.

정상상태로 작동중이고 그리스로 윤활되는 베어링에서는 만약에 잘못된 Grade의 그리스를 사용하게 되면 쉽게 그리스가 열화되며 고속의 경우에는 온도가 상승하게 되고 그리스가 묽어지게 된다. 반면에 높은 주도의 그리스를 사용하게 되면 베어링 하우징의 양측면에 단단하게 누적되어 Channel을 형성하게 되고 마찰도 증가하게 되고 조기 마모를 초래한다.
  

1.2 하중

Plain Bushing을 위해 선택된 오일과 그리스는 베어링이 전달해야 될 하중과 직접 관계가 있다. 즉 다시 말하자면 유막이 파괴됨이 없이 하중을 지지할 수 있어야 한다.
대부분 베어링에 있어서 오일이나 그리스 유막이 아주 얇아진 상태에서는 “경계 윤활”상태가 되는데, 이때 하중계수가 중요하게 된다. 정밀 베어링에 있어서 하중에 의해 Race로부터 거의 모든 윤활유가 삐져 나오게 되고 얇은 유막만 남게 되는데, 이로 인해 구동부는 부분적으로 접촉하게 되고 마모가 발생한다.
보다 큰 하중이 걸리게 되면 유막이 급속히 파괴되고 이 때문에 윤활 재급유 주기가 짧아지게 된다.


1.3 온도

베어링온도는 다음과 같은 요소에 의해 영향을 받는다.

  ▶ 속도
  ▶ 그리스의 주도나 오일의 점도
  ▶ 작동상태와 주위의 온도

온도가 상승하면 대부분 윤활 유막이 얇아지는 경향이 있으므로 반드시 작동온도를 고려 해야 한다.


2. 베어링 윤활제의 적절한 선택법

산업용 베어링을 위한 윤활제 선택은 일반적으로 “DN” 수치에 의존한다.

Plain Bearing ; DN=RPM×BORE DIA
Anti-Friction Bearing ; DN=RPM×(BORE DIA+BEARING DIA)/2

DN은 국제적으로 통용되고 있으며 직경은 mm로 나타낸다.

<표 1> 그리스로 윤활되는 베어링 DN 수치
그리스의 NLGI NO

0~50,000
#3

50,000~125,000
#2

125,000~250,000
#1

250,000~350,000
#0



주) 상기의 일반적인 DN Guide는 기유 오일점도가 100°F에서 1200SSU 이하인 다용도 그리스에 적용되며
   DN수치가 낮은 경우는 점착성을 가진 그리스나 높은 점도를 갖고 있는 오일을 사용할 수가 있다



<표 2> 오일 윤활되는 베어링 DN 수치
Ball & Roller 베어링
Spherical Roller 베어링

10,000
800Secs
1700Secs

25,000
400Secs
700Secs

50,000
200Secs
400Secs

100,000
130Secs
200Secs

150,000
100Secs
160Secs

200,000
80Secs
130Secs

300,000
65Secs
100Secs



주) 선택된 윤활장치와 윤활제는 서로 밀접한 관계를 갖고 있으며 고품위로 정제된 광유나
   합성유를 사용할 때는 Seal이나 베어링 재질과 적합한지 반드시 Check해야 한다.



3. 특수한 작동과 주변 환경상태

● 고온

만약에 높은 하중과 외부 열에 노출되어 있다면 마땅히 고온 그리스를 채택해야 하며 일반적인 구분 온도한계는 리튬 Soap 그리스는 70℃, 소듐 Soap 그리스는 40~60℃, 광유에다 열에 안정한 증주제가 함유되어 있는 고온 그리스일 경우 짧은 기간 동안에 190℃까지 사용이 가능하며 보통 80~110℃까지가 온도 제한치가 된다.
일반적으로 고온 그리스로서 증발량이 적고 빨리 열화가 되지 않는 합성유계통을 많이 사용하는데 그렇지 못할 경우 자주 재급유가 이루어져야 하며 반드시 베어링에 경화현상을 일으키지 않는 것을 선택해서 사용해야 한다.

● 저온

낮은 시동 마찰을 얻기 위해서 기유로서 에스테르나 폴리 알파 올레핀 혹은 묽은 광유의 리튬 Soap Base 그리스나 젤타입의 그리스와 같은 저온용 그리스를 사용하여야 하며 범용 그리스를 사용할 시 저온한계를 벗어날 때는 높은 시동 마찰을 유발할 수 있으며 미끄럼이 구름요소나 링에 마모를 일으킬 수 있으므로 조심하여야 한다.

● 응축

습윤한 상태의 환경하에서 구동하는 기계나 장시간 구동하지 않을 경우 베어링이 냉각되므로 베어링에 응축현상이 발생하고 부식의 원인이 된다.
이런 경우 소듐이나 리튬 Soap Base 그리스와 같이 수분에 유화되는 그리스가 추천된다. 소듐 그리스는 많은 양의 수분을 흡수해서 베어링으로부터 흘러내릴 정도로 묽어지고 리튬 그리스는 수분에 조금 유화된다.
칼슘 Soap Base 그리스는 내수성으로서 수분을 거의 흡수하지 않으므로 반드시 베어링 부식을 방지하기 위해서 부식 방지 첨가제를 첨가해야 한다.

● 진동

진동으로 인해 기유와 증주제가 분리되는  현상이 발생할 수 있으며 건조 윤활제가 함유되어 있는 주도 #2의 바륨 복합 Soap 그리스나 주도 #3의 리튬 복합 Soap 그리스 혹은 리튬 Soap 그리스 등이 진동이 심한 Motor 등에 적합하다.

● 진공

일반적으로 기유들이 진공에서 점차적으로 증발하므로 진공상태에 적합한 그리스를 사용하여야 하나 실온에서 정상적인 사용수명을 갖고 있는 그리스의 경우 10-5m Bar까지 도달할 수 있다.


● 잦은 급유

만약에 잦은 급유가 요구되고 배관Line이 길  경우, 펌핑 가능한 그리스(주도 #1, 2)를 선택해서 사용해야 한다.



4. 베어링을 위한 적절한 오일의 선택

올바른 첨가제가 함유된 광유나 합성유는 일반적으로 구름 베어링 윤활에 적합하다.
지금까지 개발된 윤활기술에서는 광유 Base의 윤활유가 가장 일반적으로 사용되고 있으나 온도, 방사선이라든지 가혹한 환경하에서는 오일의 안정성이 뛰어난 특수 오일, 합성유 등의 사용을 고려해야 한다.

● 오일의 점도 추천

유막의 두께는 높은 점도의 오일을 선택하면 두꺼워지나 높은 점도의 오일 역시 보다 높은 유체 마찰을 야기시킨다는 단점이 있다. 정상 온도보다 낮은 온도에서의 주유나 배유할 때도 또한 문제가 발생되므로 오일 점도는 베어링에, 오일 급유장치에 적절한 점도를 선택하여야 한다.
특별한 경우에서는 적절한 점도를 사용할 수 없는 경우가 있는데,

  ▶ 만약에 오일 선택이 묽은 오일을 사용해야 하는 다른 기계부품과 연관이 있을 때,
  ▶ 순환 오일 윤활의 경우, 오일은 베어링으로부터 오염물질을 제거하고 열을 분산시킬 수 있을 만큼 묽어야 한다.
  ▶ 만약에 일시적으로 높은 온도에 노출되거나 낮은 속도일 경우 요구되는 점도가 높더라도 일시적인 사항이므로 높은 점도의 오일을 선택해서는 안 된다.

■ 정상 작동상태
정상 작동상태(대기압, 최대 온도 120℃, 한계속도 이하의 속도, 하중비 P/C<0.1)일 경우 단순 오일이나 방지제(부식, 열화 방지제)가 함유되어 있는 오일을 사용하면 되고 만약에 추천된 점도지수를 얻을 수 없을 경우는 EP나 AW 첨가제가 함유되어 있는 오일을 사용하면 된다.

■ 높은 회전속도
높은 속도에 사용되어질 오일은 산화에 안정하고 양호한 소포성을 갖고 있는 오일이어야 하며 시동시 온도가 일반적으로 낮을 때에는 높은 점도에 의해서 높은 마찰과 열이 발생되는 것을 반드시 피해야 한다.

■ 높은 하중
베어링에 하중이 높게 걸리면 그리고 작동 점도가 비점도 보다 낮을 경우 AW 첨가제가 함유되어 있는 오일을 사용해야 한다.

■ 높은 온도
적절한 오일의 선택은 그들 자체의 물성에 의해서 결정되어야 하며 다음 항에서 따로 기술하기로 한다.



5. 물성에 따른 오일의 선택

● 광유

150℃~180℃까지의 온도에서는 일반적으로 안정하나 고온부위를 통과하는 온도와 시간에 따라서 윤활유의 성능을 저해하는 열화물질이 생성되거나 베어링 가까이 혹은 안에 고체 잔류물이 생성된다.
광유는 제한된 범위내에서 안정하며 만약에 수분에 오염된다면 비록 수분과의 적합성을 개선하기 위해 첨가제가 포함되어 있더라도 에멀젼형태속의 수분량에 따라서 구름 베어링의 수명이 저하된다.

● 에스테르

열에 안정하고 낮은 증발성을 갖고 있으므로 고속이나 고온의 경우에 주로 추천된다. 대부분의 경우 에스테르는 광유와 함께 혼화되기 쉽다.

● 폴리 알킬린 글리콜

고온이나 저온(-50℃~200℃)의 경우에 적합하며 높은 산화 안정성에 의해서 고온에서 적용될 경우 급유주기가 일반 광유에 비해 2~5배 가량 길어질 수가 있다. 폴리 알킬린 글리콜은 수용성이 아니며 수분을 분리시키는 경향이 약하다.
압력-점도계수가 다른 오일보다 낮으며 일반적으로 사용되는 폴리 알킬린 글리콜은 광유와 혼화되지 않으며 알루미늄 Cage나 하우징에 바니쉬를 형성하거나 Seal을 손상시킬 수도 있다.

● 폴리 알파 올레핀

폴리 알파 올레핀은 합성 Hydro-Carbon으로서 폭넓은 온도범위에서 사용할 수 있으며 양호한 산화 안정성에 의해 이상적인 조건일 경우 비슷한 점도의 광유보다도 배 정도의 수명을 나타낼 수 있다. 이 오일은 쉽게 광유와 혼화될 수 있다.

● 실리콘 오일

실리콘 오일은 극단적으로 높은 온도나 극 저온에 사용할 수 있으며 낮은 휘발성과 높은 열 안정성을 갖고 있으나 하중 전달성능이 낮고 내마모성이 빈약하다.
또한 페인트를 많이 사용하는 곳에서는 도장 불량을 야기시킬 수 있으므로 주의해야 한다.

● 클로로 플루오린 컴파운드

수분과 산화에 잘 견디며 밀도와 압력-점도계수가 같은 점도의 광유 보다도 높다.


● 화재 방지 수성 유압 유체

이러한 오일은 특별한 역할을 하는데 윤활성이 좀 떨어지므로 이러한 유체로 윤활되는 베어링은 수명이 저하된다. 유체에 따라서 같은 점도의 광유로 도달할 수 있는 수명의 5~30% 정도밖에 되질 않는다.
유압 유체는
  ▶ Oil-in-Water 에멀젼(HFA)타입은 오일이 낮은 %로 함유되어 있으며 얻을 수 있는 피로수명은 정상 피로수명의 10% 이하가 된다.
  ▶ Water-in-Oil 에멀젼(HFB)타입은 오일 함유량이 60% 정도되며 얻을 수 있는 피로수명은 15% 이하가 된다.
  ▶ 수성 글리콜 Solution은 얻을 수 있는 피로수명이 역시 15% 이하가 된다.
  ▶ Phosphate Ester(HFD)은 얻을 수 있는 피로수명이 30%까지 된다.
  ▶ Chlorinated Hydrocarbon 역시 30%까지 된다.



6. 그리스의 선택

적절한 그리스의 선택은 앞절에서 서술한  특수한 작동과 주변환경상태에 따라서 하면 되나 그리스와 같은 경우 재 보충량, 재 급유주기, 그리스의 혼용성 등과 같은 사항도 아주 중요하다.



● 그리스의 재 보충량

그리스의 많은 재 보충량은 그리스 밸브나 큰 Free Housing Space를 갖고 있을 때 추천되며, 이 경우는 과 윤활의 위험을 줄일 수가 있다.
많은 그리스량은 분진이나 수분의 침투를 방지할 수 있고 사용된 그리스를 새 그리스로 교환하는데 용이하다는 이점을 갖고 있다.
만약에 윤활주기가 길어진다면 사용된 그리스를 완전히 교체하고 새로운 그리스로 채우는 것이 바람직하며 이럴 경우 사용되어진 그리스를 빼내기 위해서 보다 많은 양의 새 그리스를 가압해서 주입하면 된다.
가능한 한 사용되어진 그리스를 많이 빼내기 위해서 기존 사용량의 3배 이상을 가압 주입하여야 한다. 높은 스트레스로 인해 극단적으로 재 급유주기가 짧은 그리스의 경우 펌프를 사용하는 것이 바람직하며 베어링, 하우징, 급유 배관에서 펌핑이 원활히 될 수 있도록 지속적으로 관심을 기울여야 한다.
이론적인 재 보충량의 계산은 상당히 복잡하고 까다로우므로 다음 기회에 설명하도록 할 예정이다.

● 그리스의 사용수명, 윤활주기, 재 윤활

만약에 그리스의 사용수명이 베어링의 예상수명보다도 훨씬 짧다면 그리스의 보충 및 교환이 요구된다.
이러한 사항은 주로 높은 온도, 오염물질, 작동표면위의 그리스 유막에 걸리는 높은 기계 동력학적 Stress에 주로 기인한다. 일반적으로 그리스의 사용수명은 실험실에서 주로 측정되며 주로 정적인 Base에서 수행되므로 윤활제의 수명이 1:10 정도까지 오차가 생긴다는 사실을 반드시 고려하여야 한다.
따라서 그리스의 사용수명이나 윤활주기도 베어링의 피로수명 계산법과 비슷한 방식으로 어떤 파손 가능성에 근거를 둔다.
<그림 1>에서 나타난 윤활주기는 리튬 Soap Base 그리스, 온도가 70℃까지인 정상 하중상태, 평균 베어링 하중이 (P/C<0.1)인 경우에 적용이 가능하고 높은 베어링 하중이라든지 온도가 높은 경우에는 윤활주기가 짧아진다.
또한 베어링에 진동이 발생되면 그리스가 기유와 증주제로 분리되기 때문에 윤활주기 역시 짧아진다. 만약에 Seal을 통해 오염물질이 침투되면 윤활주기에 영향을 미치고 베어링을 통해 공기가 유동하게 되면 윤활주기가 현저하게 짧아지게 되는데 공기 유동이 윤활제를 열화시키고 오염물질을 베어링속으로 유입시키는 역할을 하기 때문이다.
따라서 작동상태와 주변환경상태에 따라  반드시 Reduction Factor를 고려하여야 한다.
감소된 윤활주기 Tfg와 윤활주기 Tf 사이의 상관 관계식은

Tfg=f1 f2 f3 f4 f5·Tf

가 된다.(f1~f5는 오염, 충격 하중, 진동, 온도 상승, 높은 베어링 하중, 공기 유동을 고려한 Reduction Factor이다.)
전 Reduction Factor는 지면상으로 일일이 나타낼 수는 없으나 단축 윤활주기 Tfg는 다음 식으로 간단히 요약할 수 있다.

Tfg=Q·Tf
(Q=f1 f2 f3 f4 f5)

그러나 윤활주기는 하중, 온도, 기계 진동, 오염상태, 윤활제의 종류, 기타 많은 요소에 영향을 받기 때문에 대체적으로 윤활유 제조업체나 기계 보수 유지 담당자의 경험에 따르면 되고, 대부분의 경우에 있어서 재 윤활할 때 베어링으로부터 사용되어진 그리스를 완전히 교체하기 어렵기 때문에 재 윤활주기는 더욱 더 짧아지게 된다.(일반적으로 실제 윤활주기는 계산상의 재 윤활주기의 0.5~0.7이 된다.)

특히 고온의 경우에 있어서 값싼 그리스는 단지 매우 짧은 기간만 안정하므로 반드시 좀 비싸더라도 열적으로 안정된 그리스를 사용하여야 한다. 이전에 사용된 그리스의 재 급유량이 시간당 베어링 공극의 1~2%면 충분하다고 입증되면 열적으로 안정된 고가의 그리스는 0.2% 정도면 충분하고 이렇게 함으로써 적은 양의 그리스가 주입되어 있으므로 회전시 마찰 모멘트와 베어링 온도 상승을 막을 수 있는 등 부가적인 이득이 있다.

회전속도가 빠를 경우 적은 양의 그리스를 단독 급지 장치 등을 이용하여 공급해 보는 것도 참고 삼아 고려해 볼 필요가 있다.

● 그리스의 혼용성

재 윤활의 경우 그리스의 혼용을 피할 수가 없게 되는데 상대적으로 안전한 혼합은,
  ▶ 같은 Soap Base의 그리스(동종의 그리스)
  ▶ 리튬 그리스와 칼슘 그리스
  ▶ 칼슘 그리스와 벤토나이트 그리스이며

반드시 혼합을 피해야 할 경우는,
  ▶ 소듐 그리스와 리튬 그리스
  ▶ 소듐 그리스와 칼슘 그리스
  ▶ 소듐 그리스와 알루미늄 그리스
  ▶ 소듐 그리스와 벤토나이트 그리스
  ▶ 알루미늄 그리스와 벤토나이트 그리스이며

이런 종류의 그리스가 혼합될 때는 그리스의 구조가 바뀌게 될 수 있으며 그리스가 연화된다.

좀더 상세하게 설명하면 상호 호환성이 없는 그리스들이 혼용되어 사용될 경우 다음과 같은 3가지의 징후가 나타난다.

① 증주제간의 상호 반응으로 인하여 주도가 상승한다. 즉 그리스가 컴파운드와 같은 왁스나 고무질형상으로 변하므로서 유동성이 떨어지고 결과적으로 베어링의 파손으로 이어진다.
② 증주제간의 상호 반응으로 인하여 주도가  떨어진다. 즉 그리스가 묽어지게 되고 베어링으로부터 흘러내리게 되므로서 베어링의 파손으로 이어진다.
③ 그리스 기유의 상호 반응으로 인하여 딱딱한 침적물을 생성, 그리스의 유동성을 저해하므로서 베어링의 파손으로 이어진다.

따라서 그리스의 혼용은 반드시 주의해야 하며 많은 검토가 필요하다.

언제나 웃는 얼굴로 즐라하세요^^