Sleeve Bearing의 진동문제-3-과도한 공차

Sleeve Bearing의 진동문제-3-과도한 공차

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저널베어링의 결함 중에서 베어링과 축(shaft)간의 여유공차가 크게 조립되었거나 여유가 커진 경우에는 기계적 이완(Mechanical looseness)현상과 그리 다르지 않다. 베어링은 오일의 압력을 강하게 받지 못한 상태이므로 규칙적으로, 회전수와 관련이 있는 주파수를 양생하게 된다. 또한 대부분 이완현상이 발생하면 베어링과 축간의 공간이 크므로 오일의 맥동(Whirl)과는 관련이 없어지게 되

고 점차 심한 경우에 당연히 마찰(Rub)을 동반하게 된다. 따라서 슬리브베어링의 공차를 정확하게 측정

하고 조립하는 절차는 깊은 주의를 요하며 고도의 정비경력자가 수행하는 작업 중의 하나이다.

Excessive clearance(과도공차)

공차가 과도한 경우에는 다음과 같은 특성을 가진다.

1.     반경방향의 높은 진동 값은 Unbalance, Misalignment 또는 Looseness와 같은 형태로 나타나며 수직 방향에서 검출하기가 좋다.

2.     1X, 2X 혹은 3X RPM 요소들이 나타난다. 높은 Harmonic 들이 Looseness와 같은 형태로 나타날 수도 있다.

3.     축 방향의 진동도 높게 나타날 수 있다. 특히 Trust Bearing 경우에는 더하다. Misalignment와 같은 형태로 나타난다.

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키워드	베어링진동, 슬리브베어링, 메탈베어링결함, 저널베어링, 진동결함, Oil whirl, 베어링마찰, 서브하모닉, non synchronous, 과도한 공차

진동량과 실효치 (Overall과 RMS의 차이)

진동량과 실효치 (Overall과 RMS의 차이)

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진동을 측정한 결과를 그래프로 표시할 때 Y축을 나타내는 것은 대부분 ‘진폭(amplitude)’으로 이 값이 단위도 다르고 단위의 부가표시도 다르기 때문에 진동이 쉽지 않다고 했다. 그러나 또 달리 혼동을 유발하는 것이 있는데 실제로 진동을 평가할 때에는 이 진폭이 아닌 ‘진동량(Overall, 전체의 진폭합산)’으로 판단한다는 것이다. 즉, 진동계에서 선택하는 단위(변위, 속도, 가속도)와 부단위(P-P, 0-P, rms)를 선택하고 난 다음에 화면에 표시되는 값이 Overall이다.  이러한 과정 중에서 같이 사용하기 때문에 자칫 의미에 혼동을 갖는 Overall과 rms에 대해서 설명한다.

Overall과 RMS

진동을 표현하는 목적에는 소산되는 표현되는 ‘에너지’와 ‘파워’의 양을 평가한다는데 많은 부분이 내재되어 있다. 물리적으로 Overall(진동량)은 ‘파워(power)’의 합이며 RMS(실효치)는 에너지는 ‘일(Energy)’의 개념으로 힘과 거리의 곱인 면적의 의미를 가지고 있다. 수학적으로 두 가지 산출식은 다음과 같다.

다시 그 의미를 설명하면

우선, RMS(Root mean Square)는 신호의 진폭을 표현하는 부가개념으로 Peak와 대응된다. 정현파(sine wave)의 경우에는 Peak의 0.707배를 곱한 값(/√2)으로 사용할 수 있고 샘플링 한 블록신호의peak값의 자승평균제곱근으로 에너지를 나타내는 면적개념이 있다고 하겠다. 그래서 각종 기계류의 수명을 판단하거나 에너지 발산을 판단하는 양으로 또한 전기 및 통신에도 같은 의미로 사용된다. 특히 진동분야에서는 ISO의 평가기준(10816)에서 rms를 채택하고 있으며 소음분야에서도 dB(V), VL, VAL에 모두 rms가 기본적으로 적용된다. 

반면에 Overall(Overall Amplitude)은 진동량을 표현할 때 사용하는데 마찬가지로 ISO의 평가기준에 사용되는 평가량이다. 즉, ISO에 A등급 진동기준이 2.3mm/s rms라면 이 ‘2.3’은 적어도 10~1000Hz를 포함하는 주파수의 진폭의 전체량 합산을 의미하는 ‘진동량’인 것이다. 진동계에서 숫자로 표기되는 디스플레이 단일 값도 이 Overall값이다. 이 것은 원래 시간파형(Waveform)에서 샘플링 블록의 평균Peak값 또는 RMS값을 표현하였으나 진동계에서 주파수 별로 획일화된 Voltage출력에 의한 작은 값을 의미하기도 했으므로 FFT처리 이후 Spectrum상에서 주파수를 구한 다음 그 이후에 합산하여 구하는 방법을 더 많이 사용한다. 수학적으로 각 파워합(주파수별 진폭의 자승을 합하고 루트를 씌운 값)으로 이 식이 의미하는 바는 파워합산이 의미하듯이 대상의 크기 중 가장 큰 값의 작은 방향 수렴을 의미한다. 다시 말하면 1, 10, 100의 산술합산은 111인 반면 파워합산은 100.5가 된다. 여기서 주의할 점은window를 씌우는 경우인데 윈도우 별로 누설오차의 발생에 대한 보정 값을 나누어 주어야 한다. 예를 들어 Hanning윈도우의 경우 √1.5를 해주는 것이다.

위의 두 가지 용어가 이해가 어려운 부분은 다음 예로 설명한다.

 “Overall rms 값이 가장 Monitoring 기여도가 높다”라고 한다면 이 것은 무엇을 의미하는 것인가?

답은 이렇다.  단순진동계는 전압 샘플시 저주파 오류 및 누설이 많이 생기므로 waveform이지만 실제 진폭은 아날로그 적분이 저가로 완성할 만큼 쉽지 않다. 따라서 스펙트럼 분석을 할 수 있는 FFT 분석기에서 Digital 또는 Analogue적분을 하여 OL값을 구하는 것이 정확하다. 즉 Raw signal을 시간파형으로 취득한 다음, RMS를 직접 구하는 것보다 우선 FFT처리하고 원하는 단위로 적분한 후에 스펙트럼 값에서 일괄적으로 각 주파수 별로 *0.707하여 화면에 재 탄생시키는 방법, 그리고 다시 속도스펙트럼으로 변위스펙트럼으로 적분하여 보이는 방법이 현재 대부분의 계측기에서 사용하고 있는 방법이다. 따라서 ‘Overall rms’란 스펙트럼에서 rms의 부가단위로 나타난 주파수 별 진폭들을 파워합산한 값이며 이 것은 설비의 상태를 잘 Monitoring하고 평가하는데 사용하는 가장 적절한 척도로 사용된다.

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키워드	RMS, Spectrum, Overall, 오버롤, trend, hanning, 진동단위 Overall rms

Order tracking과 Synchronous averaging(추적과 포커싱의 차이)

Order tracking과 Synchronous averaging(추적과 포커싱의 차이)

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진동분석가에게 Order는 ‘주문’이 아니라 회전기계의 Turning speed(회전수)라는 것이 너무나 익숙하며 당연한 용어이다. 회전수에 대비해서 어떤 패턴을 나타내는지에 대한 스펙트럼 차수분석(Order analysis)도 그렇다. 그런데 ‘Synchronous averaging’이라는 용어가 있다. 이 것은 무엇일까? 전문가의 입장에서도 Order tracking과는 종종 구분을 하기 어려운 경우도 있어서 이 용어에 대해서도 알고 있어야 한다. 동기평균화는 많은 회전체가 동시에 존재하는 제지 및 철강분야 Roll의 분석 등에 사용하는데 불편하게도 속도가 변동한다면 Order tracking도 같이 사용되므로 이 두 용어를 정확히 구분할 수 있어야겠다.

변동 회전수를 추적하는 것과 특정 회전수만 관찰하는 것의 차이

회전수가 변동하는 Variable speed rotating machine의 경우에는 차수분석이 까다롭고 물론 그 것을 모니터링 하는 것도 어렵다. 이 때에는 항상 회전수센서(RPM센서, Tachometer, key phasor 등)가 필요한데 이를 기준으로 회전수가 변동이 되더라도 order(1차 회전수 대비한 차수)를 찾아내야 한다. 이 것을 ‘회전수를 추적한다’라고 한다. 반면에 다양한 회전체가 동시에 근접하여 서로 다른 진동 주파수로 간섭하고 복잡하여 분석이 어려울 때 특정한 회전체의 회전수성분만 찾아서 분석하고 나머지는 평균화시키지 않는 방법을 동기평균화분석이라고 한다.  ‘평균화’라는 용어가 잡음(noise)을 제거하기 위해서라는 개념, 물론 이 것도 회전수센서를 기준으로 계산한다는 개념을 우선 알고 있어야 한다. 다시 이 두 가지를 쉽게 구분할 수 있도록 정리하였다.

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키워드	진동, 오더트랙킹, 회전수분석, 동기화분석, 평균화, 회전차수추적