터널 보링 머신의 베어링과 실(seal) 설계 반영 시 고려할 사항

SKF

안전하고 믿을 수 있는 터널 보링 장비의 작동은 중요 베어링과 실(seal)의 무결점에 달려 있다. 공사가 시작되면 돌이킬 수 없다. 터널 보링 머신(TBM, tunnel boring machines)에는 후진 기어가 장착돼 있지 않다. 그 때문에 이동 중 심각한 기계 고장 없이 작업을 끝마칠 수 있어야 한다. 발생한 문제를 수리하기 위해 기계에 접근하는 것은 복잡하고 시간과 비용이 많이 든다. 특히 TBM의 기어 박스 내부에 설치된 메인 선회 베어링(slewing bearing)는 더 그렇다. 주요 선회 베어링은 기계의 핵심이며, 문제 발생 시 교체가 어려워 수개월의 지연과 수백만 달러의 비용 초과가 생긴다.

설계 엔지니어의 경우 터널링 작업과 관련된 매우 까다로운 작업 조건 때문에 높은 수준의 안정성과 가용성을 제공해야 한다. TBM은 느린 회전 속도, 높은 정적과 충격 하중, 습하고 더러운 환경 등은 주요 구성 부품에 매우 바람직하지 않다. 이러한 특성 모두 빠르게 부품의 마모나 손상을 일으킨다.

수십 년 동안 SKF는 주요 TBM 제조업체와 협력하여 세계에서 가장 까다로운 터널링 공사에 적합한 견고한 베어링, 실링, 윤활 해결책을 개발했다. 여기에서는 이러한 구성 요소의 설계, 작동, 유지보수와 관련된 핵심 과제와 이를 해결하기 위해 이용할 수 있는 해결책에 대해 설명한다.

커팅 디스크 베어링

대형 TBM은 각각 테이퍼 롤러 베어링(TRB) 한 쌍에서 회전하는 많은 수의 커팅 디스크를 쓴다. 작동 시 이 베어링들은 과도한 하중을 받는데, 이 하중은 디스크가 바위 속으로 밀려들어가면 급격히 상승하여, 바위 조각을 갑자기 방출한다. 디스크의 회전 속도는 커터 헤드의 위치에 따라 다르지만 대개 10~20rpm이다. 점점 더 큰 TBM을 쓰기 때문에 커터 디스크 직경이 그에 상응해 증가하게 됐다. 이는 몇 년 전에는 기준치가 13인치였으나 현재 가장 큰 기계에서는 17에서 19인까지 커졌다.

절단 디스크 TRB의 위치는 작동 중에 베어링 표면이 오염될 가능성이 높다. 따라서 베어링 제조업체는 극심한 충격 하중으로 발생한 롤러와 궤도면에 불균일한 하중과 고도로 국부화된 힘에 대처해 베어링을 설계해야 한다. 이와 동시에 조기 베어링 고장도 고려해야 한다. 우선, 디스크를 막히게 하는 궤도면의 완전한 균열을 피해야 한다. 디스크가 여러 개 손상될 수 있기 때문이다.

이러한 환경을 처리할 수 있는 베어링을 만들려면 기하학, 재료 선택, 표면 처리 방법에 세심한 주의가 필요하다. 설계 엔지니어는 주요 베어링 설계와 제조 매개변수를 최적화하고, 최상의 특성 조합을 제공하기 위해 독점 유한 요소 해석 도구를 쓸 필요가 있다. 예를 들어, 궤도면 형상을 작게 조정하면 불규칙한 하중을 처리할 수 있는 베어링의 성능에 큰 영향을 줄 수 있다. 반면에 정밀하게 제어되는 궤도의 경질 경화(case-hardening)를 쓰면 고장을 방지하는 거친 코어를 유지하고, 충분한 경도의 구름 표면이 생긴다.

커팅 디스크 베어링 테스트는 제조업체에게 또 다른 과제이다. 실제 작업의 엄격함을 적절히 재현할 수 있는 시험 장비가 없으며, 작동 조건은 프로젝트마다 크게 다를 수 있다. 따라서 베어링 설계 엔지니어는 새로운 설계를 평가할 때 경험과 컴퓨터 시뮬레이션의 조합에 의존해야 한다.

마모된 커팅 디스크에서 제거된 베어링 상태 역시 작동 조건에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 베어링 표면의 마모나 손상에 대한 전문가 분석은 베어링 수명을 극대화하는 작동과 유지보수 절차를 수정할 수 있는 기회를 나타낼 수 있다. 예상치 못한 어려운 환경에 부닥친 프로젝트에서 SKF 엔지니어링 팀은, 손상된 베어링에서 얻은 통찰력을 바탕으로 성능을 향상하도록 설계된 맞춤형 해결책을 제작할 수 있었다.

디스크 교체 작업은 지하에서 수행되므로 최대한 간단해야 한다. 시간, 인력, 전문 공구를 최소로 써야 한다. 그러나 디스크 내부의 테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearings)를 안정적으로 작동하기 위해서 적절한 수준의 예하중이 필요하고, 베어링이 장착될 때 유지보수 팀이 있어야 한다.

실제로 작업자는 현장에서 베어링 예압을 제한으로 평가할 수 있으며 조립 중 배치하면서 측정한 토크를 써야 한다. 이 중요한 조립단계에서 작업자를 돕기 위해 디스크 절단에 쓰이는 TRB는 엄격한 치수 공차로 제조되며, 따라서 장착 토크와 예압 사이에 가장 가까운 상관관계를 보장한다. 그러나 장착 하드웨어의 조건과 윤활을 포함해 다른 요소도 작용하므로 구성 부품의 세심한 점검과 표준 장착 프로토콜의 준수가 필수다. 베어링 공급업체는 적절한 디스크 베어링 교환 절차 개발과 유지보수 인력 교육을 지원한다.

선회 베어링 (slewing bearing)

모든 커팅 디스크 베어링은 대체로 비슷한 디자인을 쓰지만, TBM 제조업체는 주 선회 베어링(slewing bearing)의 설계에 대해 더 까다롭고 다양한 요구를 하고 있다. 이는 TBM의 가장 중요한 베어링이며 피니언 드라이브와 커터 헤드 사이를 연결한다. 그뿐만 아니라 터널링 작업 중에 유도되는 거대한 하중을 받는다. 선회 베어링 어셈블리는 마이크로 터널링 애플리케이션의 경우 직경이 2m 미만에서 최대 8m 이상까지 다양하다. 제조업체는 기계의 크기, 예상 지반 상태, 전체 기계 구조에 따라 다른 베어링 배치를 쓸 수 있다.

선회 베어링은 늘 OEM과 베어링 공급업체가 긴밀이 협력해 고도로 맞춤 설계한다. SKF는 이러한 프로젝트를 위한 특수 설계와 최적화 소프트웨어를 개발해서 전동 요소, 케이지, 드라이브 기어, 장착 장치를 포함한 완전한 선회 베어링 어셈블리의 모델링과 시뮬레이션을 가능하게 하고, 주어진 하중에서 베어링과 기어 수명을 정확하게 계산할 수 있게 했다. TBM 선회 베어링 설계에 통합된 특수 해결책에는 강한 바위에 적용 시 충격 하중을 줄이기 위한 스프링 로드 궤도면 설계(spring-loaded raceway designs)가 포함될 수 있다.

대형 TBM 선회 베어링은 운송, 조립, 유지보수 과제가 있다. OEM 요건에 따라 선회 베어링은 단일 부품이나 밀봉 시스템을 포함해 완전히 조립된 장치로 공급될 수 있다. 경우에 따라 예상치 못한 사고 발생 시, 쉬운 운송과 설치, 교체를 위해 세그먼트로 구성할 수 있다. 시장에는 주요 선회 베어링 말고도 스크루 컨베이어와 기립 시스템(erector systems)용 특별함 범위의 선회 베어링도 있다.

실 (seal)

선회 베어링은 적절한 윤활과 유입 보호가 필요하다. 즉, 터널의 열악한 환경에 대해 베어링을 보호하는 데 쓰이는 실은 중요한 구성 부품이다. 선회 베어링 어셈블리 자체와 마찬가지로, TBM 메인 베어링을 위한 실링 솔루션은 더욱 까다로운 조건의 맞춤 프로젝트뿐만 아니라 일반적인 애플리케이션의 요구 사항에도 맞게 최적화돼야 한다. SKF는 실링 설계와 제조 공정을 완벽하게 통제한다. 자체적으로 자재를 생산하고, 사내 제조 공정으로 기계 크기와 상관없이 마감재 형태를 정밀하게 제어한다.

선회 베어링 실은 베어링 어셈블리 내 윤활유 유지, 물과 진흙, 이물질 제거, 작동 중 발생할 수 있는 심각한 정렬 불량과 같은 여러 문제를 해결해야 한다. 실이 암석 입자 때문에 계속해서 마모되는 것을 감안하더라도 프로젝트의 전체 기간 동안 위의 임무를 수행해야 한다.

원하는 수준의 성능을 얻기 위해, 보통 그 사이에 윤활제가 있는 여러 개의 립 실(lip seals)을 쓴다. SKF의 TBM 실은 FEA를 활용해 오정렬, 가압, 그리스 플러싱, 설치 동작과 같은 모든 하중 사례를 고려하도록 설계됐다. 조립 공정을 단순화하고 실의 현장 교체가 필요할 경우를 대비해 SKF는 엔지니어가 좁은 공간에서 작동하는 소형 휴대용 장비를 쓰는 특수 용접 공정을 개발했다. 따라서 커팅 헤드를 제거하지 않고 메인 실을 설치해 휴지 시간을 크게 줄인다.

기타 베어링과 윤활 해결책

SKF는 TBM 애플리케이션을 위해 특별히 개발된 고도로 전문화된 부품 외에도 기계 제조업체를 위해 다양한 부품과 시스템과 해결책을 제공한다. 여기에는 스크루 컨베이어 드라이브, 베어링, 기타 보조 장비에 쓰이 표준 베어링과 실이 포함된다. 오일이나 그리스를 정확한 양으로 베어링에 직접 주입해 낭비나 환경오염을 최소화하면서 최적의 윤활을 보장할 수 있는 정교한 중앙 집중식 윤활 시스템도 포함된다.

사업자들이 자산의 평생 가치를 극대화하고자, 그들은 여러 프로젝트에서 완전한 TBM과 주요 부품을 재사용하고자 한다. 부품을 다시 쓰면 원가를 낮추고 환경에 미치는 영향을 줄이며 부품 재고를 줄일 수 있다. 제조업체의 목표 달성을 돕기 위해 TBM 베어링을 다시 제조하는 게 좋은 선택이다. 중고 베어링은 전 세계의 특수 시설이나 고객 센터로 직접 반납돼 세척과 분해와 검사가 이뤄진다. 마모된 부품은 교체되거나 다시 설치되며, 완성된 유닛은 검사되고 문서화되며 재설치 준비를 마친다.

자료 제공: SKF(www.skf.com)