유성 기어 기계적 응력, 윤활 불량, 설계 결함 또는 가혹한 작동 조건으로 인해 기어의 정상적인 작동 능력이 저하되면 시스템이 고장납니다. 이러한 소형 고토크 시스템은 풍력 터빈부터 광산 트럭에 이르기까지 모든 것에 동력을 공급하지만, 운영을 완전히 중단시킬 수 있는 특정 고장 패턴에 취약합니다.
일반적인 기계적 고장 모드
유성 기어는 기어 이빨 사이의 반복적인 응력과 접촉으로 인해 금속 표면에 물리적 손상이 발생하면 기계적으로 고장이 발생합니다. 이러한 고장은 수백만 번의 하중 사이클을 거치면서 점진적으로 발생하며, 미세한 손상으로 시작하여 눈에 보이는 결함으로 발전합니다.
가장 파괴적인 기계적 고장은 기어 이빨 부분에서 발생합니다. 각 이빨은 하중을 받으면 분당 수천 번 구부러지는 작은 캔틸레버 빔처럼 작용합니다.
- 치아 마모: 금속과 금속의 접촉이나 오일 속의 연마 입자로 인해 기어 표면의 재료가 점차 마모됩니다. 경미한 경우에는 광택이 나는 부분이 보이고, 심하면 깊은 긁힘과 홈이 생깁니다. 이는 보호 오일 막이 손상되거나 오염으로 인해 치아 사이에 마찰이 발생할 때 발생합니다.
- 피팅: 반복적인 접촉 응력이 재료의 내구성 한계를 초과하면 치아 표면에 작은 구멍 또는 "피트"가 형성됩니다. 이러한 피트는 고응력 지점에서 시작하여 길들이기 과정에서 안정화될 수 있지만, 과도한 응력은 점차 커지게 합니다. 이는 가장 흔한 기어 파손 유형이며, 종종 더 심각한 손상으로 이어집니다.
- 스폴링: 톱니 표면의 큰 덩어리가 떨어져 나가 크레이터 모양의 손상과 톱니 모양의 모서리가 발생합니다. 이러한 고급 형태의 피팅은 작은 피팅들이 지속적인 과부하로 합쳐질 때 발생합니다. 스폴링은 진동과 소음을 크게 증가시키고 기어의 하중 지지력을 빠르게 저하시킵니다.
- 피로 균열 및 치아 골절: 균열은 반복적인 굽힘 응력으로 인해 치근에서 시작되어 하중 주기가 지날 때마다 점진적으로 커져 치아가 완전히 파손됩니다. 피로 균열은 특징적인 "비치 마크"로 식별할 수 있습니다. 이는 균열 표면에 나타나는 동심원 모양의 물결무늬로, 시간 경과에 따른 균열의 진행 과정을 보여줍니다.
윤활 관련 문제
적절한 윤활은 금속 표면 사이에 보호막을 형성하여 기어 고장의 약 80%를 예방합니다. 이 시스템이 고장 나면 마찰, 열, 오염 증가로 기어가 빠르게 마모됩니다.
오일은 마찰을 줄이는 것 이상의 역할을 합니다. 열과 이물질을 흡수하고 표면을 부식으로부터 보호합니다. 이 시스템에 문제가 생기면 기어 손상이 가속화됩니다.
- 부적절하거나 잘못된 윤활제: 너무 묽거나 잘못된 종류의 오일을 사용하면 치아 사이에 적절한 피막 형성이 이루어지지 않습니다. 이로 인해 금속 표면이 직접 접촉하여 심한 마찰과 빠른 마모가 발생합니다.
- 기름 오염: 오일 속의 먼지, 모래, 금속 입자 또는 물은 기어 톱니 사이에서 액상 사포처럼 작용합니다. 연마 입자는 표면에 흠집을 내고, 습기는 부식을 유발하여 윤활성을 저하시킵니다.
- 과열: 과도한 온도는 오일 점도를 저하시키고 파괴적인 사이클을 유발합니다. 윤활 불량은 열을 발생시켜 오일의 품질을 더욱 악화시킵니다. 설계 한계를 초과하는 온도는 기어 경도를 저하시키고, 바니시 형성을 유발하며, 완전한 소착으로 이어질 수 있습니다.
디자인 관련 원인
설계 결함은 응력 집중, 불균일한 하중, 또는 부적절한 재료 사용으로 인해 유성 기어의 초기 설계를 망가뜨립니다. 완벽한 유지보수조차도 근본적인 설계 문제를 극복할 수 없습니다.
이러한 문제는 종종 설계 단계의 비용 절감 조치나 계산 오류에서 비롯됩니다. 정상적인 작동 조건에서도 조기 고장으로 나타납니다.
- 부적절한 하중 분배: 유성 기어 시스템은 여러 유성 기어에 균등하게 하중을 분담해야 하지만, 제조 공차 또는 처짐으로 인해 특정 기어가 과도한 응력을 받을 수 있습니다. 이러한 국부적인 과부하는 과로한 부품의 피팅과 피로를 가속화하는 반면, 다른 부품은 상대적으로 응력을 받지 않습니다.
- 오정렬: 기어 축이 완벽하게 평행하지 않거나 부품이 기울어지면 톱니가 폭 방향으로 고르지 않게 접촉합니다. 이러한 에지 하중은 한쪽 면의 응력을 크게 증가시켜 마모와 피팅을 가속화합니다. 정렬 불량은 특정 진동 패턴과 톱니의 고르지 않은 마모 자국으로 나타납니다.
- 부적절한 재료 또는 제조 품질: 잘못된 강종, 부적절한 열처리 또는 가공 오류는 처음부터 기어 강도를 저하시킵니다. 개재물과 같은 재료 결함은 균열의 시작점이 되고, 경도가 낮으면 기어가 작동 응력을 견딜 수 없게 됩니다. 표면 조도가 좋지 않으면 응력 집중이 발생하여 파손이 가속화됩니다.
운영 요소
유성 기어를 어떻게 작동하고 유지 관리하느냐에 따라 수십 년 동안 사용할 수 있을지, 아니면 몇 달 만에 고장날지는 결정됩니다. 일상적인 스트레스와 유지 관리 습관은 기어 수명에 막대한 영향을 미칩니다.
현장 조건은 종종 설계 가정을 초과합니다. 이론적으로 효과가 있는 것도 작업자가 한계를 넘거나 유지 관리를 소홀히 하면 실패합니다.
- 과부하: 기어에 정격 토크를 초과하는 토크를 가하면 즉각적인 소성 변형이 발생하거나 피로 균열이 발생합니다. 간헐적인 과부하조차도 누적된 손상으로 인해 기어 수명을 크게 단축시킵니다. 만성적인 과부하는 검사 시 광범위한 피팅 및 변형으로 나타납니다.
- 충격 하중: 기계의 멈춤이나 비상 정지로 인한 갑작스러운 충격은 설계 한계를 훨씬 초과하는 순간적인 응력을 발생시킵니다. 단 한 번의 강한 충격만으로도 치아 뿌리에 균열이 생기거나 순간적인 윤활막 붕괴로 인해 미세 부식이 발생할 수 있습니다.
- 불량한 유지보수: 오일 교환을 소홀히 하거나, 경고 신호를 무시하거나, 점검을 건너뛰면 작은 문제가 커질 수 있습니다. 오염된 오일은 기어를 계속 마모시키고, 오일 레벨 심각한 고장을 유발하고, 주요 고장에 앞서 비정상적인 소음이나 진동이 발생합니다. 사소한 누수와 같은 단순한 문제도 방치하면 치명적인 결과를 초래합니다.
- 열악한 환경: 극한의 온도, 먼지, 습기, 부식성 대기는 모든 고장 모드를 가속화합니다. 고열은 오일을 분해하고, 저온은 오일을 걸쭉하게 만들며, 먼지는 윤활유를 오염시키고, 습기는 부식을 유발합니다.
