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현장설계자와 기술자를 위한 기어감속기의 이해와 적용 (최종회)
 
감속기의 문제점과 원인 및 조치
 
월간 기계기술기자 | 2002.09.01 | 2002년 9월호
 
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감속기를 사용하는 현장에서 사용 중에 나타나는 이상 현상에 대하여 원인을 진단하고, 적합한 조치를 취하는 것은 감속기를 선정하는 것 만큼이나 중요하다. 각각의 현장에서 감속기와 기어드 모터의 주기적인 진단 또는 이상 현상 발생시의 진단 요령과 조치에 대하여 경험과 이론에 근거하여 나름대로 안내서를 가지고 있을 것이다.
  그러나 시설을 교체하거나 확장 또는 변경으로 새로운 모델의 감속기가 설치될 수도 있으며, 때로는 신규 공장의 건설로 전혀 새로운 시설이 들어설 수도 있다.
  이러한 경우 운전중의 현상에 대하여 이론적인 배경이 없으면, 원인 진단이 곤란할 수 있다. 필자는 이러한 경우에 참고가 될 만한 기초적이 면서도 이론에 근거한 진단 요령을 소개해 보겠다.
감속기의 문제점과 원인 및 조치
감속기를 사용하는 현장에서 사용 중에 나타나는 이상 현상에 대하여 원인을 진단하고, 적합한 조치를 취하는 것은 감속기를 선정하는 것 만큼이나 중요하다. 각각의 현장에서 감속기와 기어드 모터의 주기적인 진단 또는 이상 현상 발생시의 진단 요령과 조치에 대하여 경험과 이론에 근거하여 나름대로 안내서를 가지고 있을 것이다.
  그러나 시설을 교체하거나 확장 또는 변경으로 새로운 모델의 감속기가 설치될 수도 있으며, 때로는 신규 공장의 건설로 전혀 새로운 시설이 들어설 수도 있다.
  이러한 경우 운전중의 현상에 대하여 이론적인 배경이 없으면, 원인 진단이 곤란할 수 있다. 필자는 이러한 경우에 참고가 될 만한 기초적이 면서도 이론에 근거한 진단 요령을 소개해 보겠다.
  기어를 사용한 감속기나 모터는 기본적으로 회전체의 조합이면서 맞물림 운동의 조합이므로, 어딘가 이상이 있으면 반드시 그에 따른 현상이 나타난다. 이러한 상태의 물리적인 현상으로 다음의 사항이 있다<표 1>.
1. 감속기에서 나타나는 현상의 개념적 접근
1) 소음
  소음의 진단은 두 가지의 측면에서 접근하여야 한다. 소음은 소음의 세기(dB)와 규칙성에 관점을 두고 보아야 한다.
  소음의 세기는 통상 데시벨(dB)로 표현하는 음압의 세기로 나타내는데, 이것은 어느 시간동안의 누적 평균으로 나타내기 때문에, 소리의 특징 보다는 균일한 소음의 세기를 표현하는 것이 된다. 감속기에 있어서 소음의 세기를 논할 경우에는 값 자체 보다는 날짜의 경과에 따른 소음의 세기의 추세를 가지고 논하는 것이 바람직하다.
  날짜가 경과하면서 소음의 세기가 점점 높아져 의심이 가면(경험상 또는 수치상) 일단 운전을 중지하고 진단을 해 볼필요가 있다. 소음이 균일 하면서 세기가 높을 경우에는 베어링이나 기어의 버거움, 벨트 등이 원인으로 될 수있으며, 또는 회전체와 정지체간의 마찰이 원인으로 될 수있다.
  규칙성으로 보는 소음의 평가는 이상음(이음)이라고도 하는 충격성 소리 또는 간헐적으로 들리는 소리 등이 있다. 기어의 맞물림에서도 발생될 수 있지만, 베어 링의 전동체에 결함이 있을 경우에도 발생한다. 또한 규칙적이지만 충격음이 들리는 것도 기어 또는 베어링의 궤도의 결함 등이 그 원인으로 될 수있다.
  때로는 볼트 등의 조임이 느슨하여지면 소음이 들리 며, 벨트가 손상될 경우에도 충격음이 들리기도 한다.
 
 2) 진동
  기구학적인 불균형은 진동을 초래하며, 또 체결 부품의 이완도 진동을 초래한다. 진동의 경우에도 상대 적인 진동에 유의하여야 하며, 일자의 경과에 따른 진동의 증가 추이로써 이상의 진전을 추정할 수 있다.
 
 3) 마모/유격
  마모가 진전되면 유격이 증가한다. 마모는 육안으로 확인할 수도 있으며, 마모가 발생할 경우에는 윤활유를 검사하여도 확인 가능하다.
 
 4) 누유
  기어 감속기는 윤활제를 사용하므로, 그리이스이든 윤활유이든 입력과 출력 및 카바 부분에 누유가 발생할 수있다. 누유가 있다는 것은 틈새가 있다는 것을 의미한다. 그러나 축과 시일의 사이에서 누유가 미소 하게 진전되는 현상은 자연스런 것일 수도 있다.
 
 5) 모터 전류 상승
  과부하가 발생하거나 감속기의 내부 마찰이 증가하면 모터의 전류가 상승한다. 특히 윤활유의 부족이 발생하거나 온도의 상승으로 인하여 내부 마찰이 증가할수 있으며, 이런 경우 전류가 증가한다
 
 6) 온도 상승
  감속기 표면 또는 내부 윤활유의 온도는 감속기의 동력 손실량과 직결된다. 그러나 주위 온도가 높으면, 감속기의 온도도 따라서 올라가기 때문에, 감속기 표면과 주위 온도와의 차이, 증가량에 관심을 가지고 있어야 한다. 동력 손실율이란 곧 마찰 또는 과부하와 관련이 있다.
 
 7) 변색
  변색은 감속기 부품의 변색과 윤활유의 변색으로 나누어 진다. 윤활유의 변색은 부품의 마모 또는 윤활유의 열화와 관련이 있으며, 윤활유의 사용 시간이 충분히 경과하지 않았는데도 열화되었다면, 이의 원인을 분석할 필요가 있다.
 
 8) 파손
  정상적인 사용 수명을 다하지 않은 감속기에 파손이 일어난다면 분명히 이의 원인이 있기 마련이다. 파손이 일어난 부위를 분석하여, 일차 파손과 파생된 파손을 먼저 구분하여야 원인을 분석할 수 있다
 
 9) 운전 정지
  감속기가 정지하였다고 해서 부품이 파손된 것이라고 볼수는 없다. 그러나 감속기의 정지는 분명 그 이유가 있다. 과부하가 걸려 있거나, 또는 부품과 부품 틈새에 무언가 끼여 있거나, 망가진 경우, 또는 동력이 약한 경우 정지가 발생할 수 있으므로, 감속기가 정지 하면 억지로 스위치를 반복적으로 조작하지 말고, 차분히 동력에서부터 부하까지 살펴볼 필요가 있다.
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2. 감속기 이상 발현시의 대처 요령
감속기 또는 기어드 모터는 그 자체가 주 동력선( Main Power Transmission Line)의 구성품이다. 그렇기에 감속기의 운전 정지는 곧 주동력의 정지를 의미하며, 이는 곧 생산활동의 정지를 의미한다.
  감속기가 이렇게 중요한 비중을 차지하고 있음에 비해, 시중에서 유통되고 있는 감속기의 일반적인 가격은 그리 비싸지 않다. 이것은 사용자에게 있어서는 거꾸로 유리한 조건이 되는 것이다.
  감속기의 중요성을 감안하여, 이상 발생시 적정한 시간 안에 조치를 취하지 않으면 큰 손실을 초래할 수있기 때문에 사용자의 입장에서는 보전 조치를 위하여 나름대로의 준비와 조치를 하여야 한다.
  이러한 보전 활동에는 일상점검, 수시점검, 정기점 검, 이상점검, 여유 부품 확보 및 공급자 확보 등이 있다.
 
 1) 일상 점검
  매일 설비를 가동할 때, 설비가 정상인지 여부를 확인하는 것으로, 기본적으로 설비 운전자가 실시하는 것이 타당하다.
  일상점검은 운전자가 오감으로 확인하는 것이 대부 분이며, 일상 점검에서 이상이 있다고 판단되면 이상 점검을 취하여야 한다. 일상 점검의 항목과 점검의 요령은 다음과 같다<표 2>.
 
 2) 주기 점검
  주기 점검이란, 점검의 항목과 점검 주기를 정하여 실시하는 것을 말한다. 비교적 체계적이고 또한 기록을 필요로 하는 것으로, 보전 담당자가 실시하는 것이 바람직하며, 또한 계기나 색상표 등을 사용하는 것이 타당하다.
  주기 점검은 설비의 운전을 정지할 수 있는 시간을 택하여 실시하는 것이 필요하다.
  물론 주기 점검시에는 일상 점검에서 실시하는 항목도 포함하여, 상태를 진단하여야 하며, 운전자의 증언을 들어야 한다.
  주기 점검을 위하여 설비 보전 키트(Maintenance Kit) 등이 판매되기도 한다<표 3>. 마모 입자의 채취는 기본적으로 감속기 내부의 맨아래 바닥에서 취하는 것이 필요하다. 주요 부품인 기어와 베어링, 키이 등이 철분이므로 가라앉게 되기 때문이다. 감속기를 구입할 때, 이러한 마모분이 가라앉을 공간을 요구하는 것도 현명한 구입 요령이 된다.
  마모 입자 분석은 오일 분석과도 병행하면서 사용되는 크래마토그래피 방법이 가장 경제적이면서도 유효 하게 사용되는 것 중의 하나이다.
  오일의 열화를 검사하려면, 점도계, 전산가 측정 장비 등이 필요하다. 그러나 일반적으로 현장에서는 이러한 장비를 일일이 구입하기도 쉽지 않을 뿐만 아니라 사용 방법도 까다롭기 때문에, 크래마토그래피 방법으로 실시하면 오일의 변화도 어느 정도 판단할 수있다. 크래마토그래피 방법은 관련 서적을 참조하기 바란다.
  진동과 소음은 진동계 또는 소음계를 사용하여 검사 한다. 진동의 단위는 변위/속도/가속도 3가지를 주로 사용하는데, 반드시 점검 기록시에 진동의 단위를 기록하여야 한다. 지난 번에는 변위 진동을 기록하였다 가, 이번에는 속도 진동을 기록하면, 전혀 다른 항목으로 기록한 것이 되기 때문이다.
  변위와 속도, 가속도 진동은 각각의 특성을 표현하기 때문에 적용하고 있는 감속기나 모터에 따라 선택하여야 한다. 그러나 모터 또는 감속기에서는 주로 변위 진동을 채택하고 있는 것이 현실적인 것으로 판단된다.
  참고로 근래 들어서는 음향(Acoustic) 진단도 유력 하다는 연구 보고가 많이 발표되고 있다. 음향 에너지는 초음파의 영역에서 발산하는 소음으로 진단하는데, 주로 구조물이 높은 응력을 받고 있는 상태에서 운전할 때, 높은 음향을 발생하므로, 예방 보전 진단에 효과가 있다고 보고되고 있다. 그러나 이것은 상당히 전문적인 지식과 고가의 장비를 필요로 하므로 일반적인 산업 현장에서 아직 통용되기에는 이른 감이 있다.
 
 3)이상 점검
 
 일상 점검 또는 주기 점검에서 이상이 있다고 의심이 되면, 이상 진단을 하여야 한다. 이것은 일상 점검과 주기 점검의 항목과 다를 바가 없지만, 설비를 정지 하여 의심이 가는 부분을 확대 조명하여 검사한다는 점에서 다르다고 보아야 한다. 이 때에는 필요하다면 부품을 분해해서라도 검사를 실시하여야 한다. 또한 치수검사도 필요하면 실시하여야 한다.
  이상 점검 결과 의심이 가는 부품이 손상이 되었으 면, 손상의 원인을 분석하여, 제일 처음의 원인이 무엇 인지까지 분석하여야 한다. 그래서 일차 원인을 제거 하여 재발이 되지 않도록 하며, 또한 다른 부품에 전파된 손상이 없나를 살펴 보아야 한다. 이상 점검에서 의심이 가는 부품이 온전하다면, 나머지 부품도 이상 현상을 발생한 부품이 무엇인지를 차례차례로 확인하여 이상 유무를 확인하여야 한다.
 
 4) 여유품 확보
  감속기가 중지하면 주 동력선이 중단되는 것이므로, 반드시 감속기 또는 부품의 일부를 여유로 확보하여, 고장이 발생하면 가장 빠른 휴일을 잡아서 부품을 교체할 수 있도록 한다.
  예전에는 주로 부품 단위로 여유품을 보유하고 있었 지만, 근래에 들어서는 감속기의 가격이 전체 시스템에 비하여 상대적으로 싸졌으므로, 감속기 또는 기어드 모터 완성품으로 확보하는 추세이다.
  특히 기어는 피니언과 세트로 교환하여야 하며, 기어는 감속기 제조회사에서 전위를 주어 가공하고, 중심거리도 각각이므로 가능하면 감속기 제조사로부터 공급받아 사용하여야 한다.
  베어링이나 시일 등 시중 표준 소모품의 경우에는 동일한 형번으로 시중에서 구입하여 교체하면 된다.
  보통 여유품의 확보시 여유율을 10% ~ 20% 정도로 하는 것이 좋다.
 5) 공급자 확보 감속기를 사용하다가 본체의 파손이나 핵심 부품의 파손이 발생할 경우 여유분으로 교체하여야 한다. 그러나 여유분이 소진되거나 없을 경우에는 불가피하게 동일한 형번 또는 대체 형번으로 구입하여 설치하여야 한다. 이 때, 감속기가 멈추어 있는 기간만큼 생산도 중지되므로, 복구 시간이 곧 돈이 된다. 따라서 보전 담당자는 이를 가장 빠르게 공급할 수 있는 공급자를 확보하여 두어야 한다. 제조자를 알고 있는 것이 가장 좋은 방법이다. 동일한 형번으로 교체하는 것이 가장 좋겠으나 감속기 모델도 시간이 가면서 단종될 수 있으므로, 공급자와 호환 형번을 가장 빠른 시간에 조달 받을 수 있는 목록을 비치하는 것이 필요하다.
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3. 감속기 이상과 가능 원인 및 대책 요약
다음은 감속기에서 보편적으로 알려져 있는 고장의 현상과 원인 및 대책을 표로 요약한 것이다. 참조하시면 유용할 것으로 본다<표 4>.
끝내면서
지금까지 필자는 감속기의 종류와 기어를 이용한 감속기의 특징과 선정 방법, 기어드 모터나 감속기에서의 문제점과 이상 현상 및 원인 분석과 대처 방안 등에 대하여 간략히 서술하였다.
  그러나 여기에서 서술한 내용은 국내 유수의 감속기 전문가들의 입장에서 본다면 아주 기초적이고도 기본 적인 사항 중에서도 현재 국내에서 가장 많이 유통되고 있는 것만 나열하고, 또한 개념적인 사항만 서술하 였다고 판단할 성격의 내용임을 다시 한번 알려 둔다.
  지금까지 국내의 기술지나 책자에 감속기에 관한 내용이 소개된 적이 별로 없으며, 주로 기술지나 카달로그를 통한 선전에 의존한 사진 소개 외에 설명이 없었기에 필자도 일반에 공개된 자료의 필요성을 느껴 이를 작성하게 되었다.
  현재까지 기술지에는 기어의 이론과 제작에 관한 자료나 논문 등은 많이 소개되어 있었다. 그러나 독자들도 알다시피 감속기라는 것은 기어를 이용하고 있지만 기어가 전부는 아니라 단지 일부분에 지나지 않는 조립품인 것이다. 그렇기에 감속기를 설계하고 이해하려 면, 기어의 지식은 당연히 갖추고 있어야 하며, 거기에 나아가서 윤활유, 윤활 시스템, 축과 키이, 케이스의 소재와 특징, 열역학, 소음과 진동, 구조학 등 고루 지식을 갖추고 있어야 한다.
  더욱 중요한 사실은 감속기를 설계하고 제조하는 사람은 그 감속기가 적용되어지는 시스템 엔지니어링도 충분히 알고 있어야 한다는 것이다. 그렇기 때문에 감속기를 설계하는 사람은 구조학과 강도학은 당연히 알고 있어야 하며, 동력학, 마찰 마모(트라이볼로지), 유체 역학(교반기 등), 공기역학, 고분자(플라스틱 기어등) 등에 이르기까지 다양하게 지식을 갖추고 있어야 한다. 현재 국내의 감속기 사용자들 중 많은 사람들이 자신들의 시스템에 적용될 감속기와 모터의 선정을 감속기 업체에 의뢰하는 경향이 있기 때문이다.
  따라서 이번 기회에 이를 포함하여 소개 자료를 발표하려 하였으나, 이 경우 분량이 너무 많으며, 또한 그럴 경우 세부적인 내용으로 들어가 독자들에게 식상 함을 줄 우려가 있어, 필자는 과감히 상세 내용은 생략하고 개념적이면서도 그림을 위조로 한 소개 자료로 국한하였음을 밝힌다.
  이번 소개를 필두로, 앞으로 감속기에 관련된 전문 적인 소개가 많이 발표되어, 특수한 조건에서 사용하는 사람들에게 좋은 감속기가 소개되어지길 바라는 마음이다. 그리고, 감속기 설계자를 위한 자료도 준비하 였으나, 설계자는 나름대로 전문가 집단에 속하므로, 이번 기회에는 발표하지 않았다.
  지금까지 애독하여 주신 독자 여러분께 감사를 드리 며, 본 자료를 읽고 앞으로 감속기의 선정과 사용에 조금이나마 도움이 되길 바라는 마음이다.

 
TAG :  감속기  기어  현장설계자
 
 
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