송풍기(Fan)-결함유형14-원심식팬과 orbit

송풍기(Fan)-결함유형14-원심식팬과 orbit

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중요한 역할을 담당하는 송풍기를 짐작하는 방법의 첫 번째는 크기(얼마나 큰가?)일 것이고 두 번째는 슬리브베어링을 사용하는가? 그 다음에는 진동센서가 많이 장착되어 있는가?를 언급할 수 있을 것이다. 예를 들면 발전소의 ID, FD fan류가 그에 해당할 것이다. 그런데 이러한 세가지 짐작의 근거가 되는 논제는 모두 하나로 연결되어 있다. 즉, 큰 하중을 받는 축이라면 슬리브베어링을 사용해야 하고 이 경우 대체로 비접촉변위센서를 통해서 축의 거동을 확인하기(orbit분석) 때문이다.

Fan결함진단- Centrifugal fan & orbit

슬리브베어링으로 지지하는 원심식팬을 분석할 경우에는 궤도분석(Shaft Orbit)을 통해 많은 정보를 입수할 수 있다. 많은 곳에서 와전류(Eddy current)방식의 센서가 베어링에 설치되어 있지만 모든 베어링에 걸쳐서 90도 각도를 가진 두 개의 센서가 설치되어 있지는 않다.  만약 회전자의 질량이 전체 설비의 질량의 적어도 50%이상이 된다면 슬리브베어링에서 비접촉센서는 거의 필요가 없다. 그러나 전체설비무게보다 로터의 무게가 비교할 수 없을 정도로 작다면 베어링 케이싱의 진동뿐만 아니라 베어링의 클리어런스 측면에서 축의 거동을 감시하는 것은 매우 중요한 것이다. 각 베어링에서 90도의 각도를 가진 센서를 설치한다는 것은 베어링에서 축거동의 궤적을 검사하는 것이다. 궤도(orbit)를 trigger하려면 tacho신호를 사용하면 좋다. 축궤도를 분석할 때 알 수 있는 정보를 정리하면 다음과 같다.

-       축의 최고거동의 방향

-       시동 후 정상가동까지 shaft centerline, 축(shaft)과 베어링(bearing)사이의 클리어런스 알려줌.

-       궤도의 위상안정성

-       접촉부위와 마모의 확인

-       축정렬불량의 확인, 바나나모양의 궤적 또는 ‘8’자모양의 궤적.

-       축의 공진(resonance), 두 번째 loop의 확인.

-       Oil whirl같은 수력학적 불안정성을 의미하는 불안정한 궤적.

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키워드	fan, blower, 송풍기의 진동, 설비진단, 진동진단, 진동측정, 팬진동진단

Synchronous 동기성분 결함들-Order analysis

Synchronous 동기성분 결함들-Order analysis

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주파수의 차수분석(Order analysis)은 TS(Turning speed, 회전주파수)와 어떠한 관계를 가지는가?가 큰 분석의 갈래길이라고 할 수 있다. 회전주파수의 몇 배인지, 하모닉이 얼마나 많이 발생하는 지 몇 배의 주파수가 특히 높은지를 확인한다. 특히 회전주파수의 정수배로 계산이 되는지는 아주 중요한 관찰사항이 된다. 즉, Synchronised swimming운동경기처럼 똑 같은 모습으로 다른 사람이 연기하는 어원을 이용하여 ‘동기성분’을 구분하고 해석한다.  

동기차수 결함들

주파수가 TS의 정수배로 맞아 떨어지는 결함의 패턴과 신호는 회전 이벤트와 관련이 있다. 즉 팬의 날개가 5개가 있다면 한 번 회전당 다섯 번의 이벤트가 발생할 것이고 이는 스펙트럼 그래프 상에서 5X의 진폭을 높게 표시해 준다. 기어의 잇수가 43개라면43개의 이벤트가 만들어 지고 정확히 43X의 진폭을 표기해 준다. 이는 구름베어링이나 벨트처럼 비정수배를 나타내지 않는 극히 정수배를 나타내므로 설비의 결함을 분석할 때 가장 먼저 확인해야 하는 사항이다.

TS 1X~8X	TS 8X이상
Imbalance Misalignment Mechanical Looseness Blade / Vane Pass Belt Sheave Runout Bent Shaft	Gears Blade Pass Slot Frequency (Motor)

여기서 주의할 것은 동기성분은 항상 나타날 때가 많다. 날개가 있으면 그 개수만큼 진폭이 있고 기어가 치가 접촉하면 충돌되므로 해당 ‘n’X가 발생한다. 물론 Imbalance는 반드시 나타나는 주파수이다. 문제는 해당 주파수가 다른 주파수보다 얼마나 큰지, 기타 하모닉 파형을 동반하고 있는지, 사이드밴드를 동반하고 있는지 진동방향은 어떠한지, 과거에는 어떠했는지 유사기계와 비교했을 때 어떠한지가 더 중요한 사항이다. 결국 핵심사항은 당연히 발생하는 주파수이지만 패턴과 상황에 따라서 그 경중이 다르다는 것이다.

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키워드	Order, TS, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼, 동기성분, Synchronous

진동과 기계의 상태

진동과 기계의 상태

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사람에게서 측정한 체온이 지나치게 높다거나 낮다면 누구라도 지금 몸이 좋지 않다는 것을 동감한다. 이 전제는 과학을 알지 못해도 오랫동안 수많은 결과를 통해서 학습해 왔기 때문에 당연하다고 생각한다. 어떤 청강생이 질문을 하였다. 중급연구원으로 보였는데 처음 듣는 참신한 생각이었다. “진동이 높으면 기계의 상태가 나쁜가요? 왜 그런 전제가 당연하다고 하시나요?” 옆에 있던 다른 모든 청강생들도 그를 이상하게 보았지만 나는 “진동도 온도처럼 상태를 표현한다”라고 에둘러 대답할 수 밖에 없었다.

진동신호에는 기계의 상태가 포함되어 있다.

진동으로 설비진단을 수행하는 저명한 전문기업체의 기본교제의 제일 앞장에는 이런 말이 적혀있다. ‘당신이 지금 기계로부터 측정하는 진동신호에는 기계의 모든 결함신호를 내포하고 있습니다. 이 신호를 잘 분석하면 기계가 어디가 아픈지 알 수 있습니다.’

기계로부터 측정한 온도가 평상시보다 높거나 지나치게 많이 상승하면 설비의 결함으로 판단하고 그 원인을 파악하기 위해서 많은 검토를 수행한다. 그런데 이 것은 회전하는 기계이건 회전하지 않는 기계이건 간에 동일한 예측과 현상의 검토가 당연하다. 왜냐하면 열을 표현한다는 것은 반드시 마찰로부터 출발하지 않더라도 열의 이동이 당연할 수 있기 때문이다. 여기서 온도는 정적현상과 동적현상에서 모두 관찰 될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그런데 진동과 소음은 이와 달리 반드시 움직여야(동적현상) 신호가 발생한다. 즉, 진동은 시간에 따른 변동이 있는 힘을 가하고 물체나 공간이 구성하고 있는 강성과 질량에 달리 반응하는 것을 읽는 현상이다. 움직이지 않아도 된다는 다양한 물리적인 현상에 대해서 판단한다면 온도가 더 강력한 상태량이지만, 온도는 진동에 비해서 예측하거나 짐작하기에는 너무 늦고 자세하지 못한 점이 있다.

진동신호가 포함하는 기계의 상태는 ‘충격과 마찰’과 관련이 있다. 고체와 고체의 마찰(베어링, 기어 등), 고체와 기체에서 발생하는 힘의 불평형이나 마찰의 정도는 진동소음으로 측정되고 온도보다 더 자세한 신호의 원인분석의 근거가 되며 기계의 상태를 추정하며 수명을 예측할 수 있도록 한다. 추가로 진동의 용도가 부러지거나 파손되기 전의 위험의 상태를 이야기하거나 생산을 지속하지 못하는 상태를 미리 방지할 수 있는 곳으로 까지 쓰이기 시작하면서부터 중요한 상태진단요소가 되었다. 무엇보다도 진동은 온도처럼 하나의 값이 아닌 여러 가지 특성의 합으로 분리되었고 이를 수없이 다양하게 분리해 낼 수 있기 때문에 연구하고 학습하고 계측하고 진단하는 것이다.

이제 다시 한번 이야기 한다. ‘ 움직이고 있는 기계의 상태는 진동으로 판단할 수 있다. 

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키워드	PDM, 예지보전, 설비진단, 진동, 기계진단, 진동분석, 진동결함, 상태진단, CBM

비선형 진동

비선형 진동

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수학적으로 예측이 가능한 것과 그렇지 못한 것의 차이는 아마도 우리의 미래와 관련이 있을 것이다. 여기에 선형과 비선형이라는 용어를 많이 사용하게 되는데 수학적 근거로부터 탄생한 용어이다. 즉, 고속, 고정밀, 경량화 설계와 관련된 연성(coupling)이 포함된 자연적 혼돈 운동은 비선형(Non-Linier theory)이라 하며 너무 변동스럽고 불류칙하여 예상하기 힘든 운동을 말한다. 반면에 수학적으로 동질성의 원리(Principle of homogeneous)와 중첩의 원리(Principle of superposition) 를 만족하는 것을 선형(linier theory)이라 한다. 선형은 그래프 상으로나 수학적으로 통계적으로 예상이 가능하다.

비선형 진동(Non linier type vibration)

공학적 해석은 실제로 적용되는 가진력의 크기에 비례하지 않으며, 기진주파수와 응답주파수가 서로 달라질 수 있다.  비선형진동은 진동해석 부문 운동방정식에서 관성력항, 감쇠력항, 혹은 복원력항 중에서 어느 하나라도 선형식이 아닌 경우를 말한다. 예를 들면, 단진자나 외팔보를 지지하고 있는 부분이 고정되어 있지 않는 시간의 함수를 가지는 경우(고정된 부분이 움직임), 감쇠력항이 음의 기울기를 갖는(불규칙적으로 복원하는 도약현상을 가지는; 진동이 더 커짐), 자려진동(Self-Excited vibration)을 들 수 있다.  기계계에서 예를 들면, 회전기계의 베어링 간극에 의한 진동, 원자력 발전의 연료봉의 차단판과의 진동, 기어의 백래쉬(back lash)에 의한 치타음(rattle noise) 등 이 있다.

구 분	선형 진동	비선형 진동
중첩의 원리 적용성, 운동의 예상가능	OK	NO
수학적해석기법적용	많음	어렵다.
예시	단진동, 자유진동, 이록적 강제진동(보, 쉘,평판, 링, 막, 봉의 종진동, 비틀림진동, 현진동)	자려진동(마찰, 유체유동), 실제연속체진동
실현성	이론적, 수학적	물리적 실제현상, 실제거동체(산업기계)

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비선형, 선형, 진동, 자려진동

가속도센서 (고온용)

가속도센서 (고온용)

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몇 백도가 넘는 현장 또는 기계도 진동이 발생한다. 이러한 곳에 진동을 측정하는 방법을 문의한다면 측정이 어렵다는 것을 이미 말해주는 것과 같다. 왜냐하면 진동센서가 고온에 견디지 못하거나 현장에 부착하기 쉽지 않거나 측정값이 정확하지 않을 가능성이 높기 때문이다. 최근의 진동가속도센서는 가장 많이 활용되고 있지만 역시 고온에 치명적이다.

고온에 사용가능한 진동센서

우선 가장 많이 사용되는 진동가속도센서는ICP(Intergrated Circuit piezo)타입으로 말그대로 전자회로가 센서내에 내장되어 있으므로 섭씨 120도를 넘겨 사용할 수 없다. 더우기 실제로 고온의 터빈표면이나 원심터보압축기 등의 하우징에서 측정하게 되면 가속도값의 오차가 나기 시작하므로 잠시 쉬었다가 식혀서 측정한 경우도 많다. 이 것보다 더 높은 온도를 견딜 수 있는 압전센서는 압전소자만이 있는 타입(Charger type)으로 더 높은 온도인 섭씨480도, 더 좋은 하우징 방열처리가 된 것으로 섭씨640도까지 가능하다. 고온의 스팀배관이나 터빈용으로 측정이 가능하다 할 수 있다. 와전류타입 변위센서도 기본형은 120도가 한계이며 특별한 경우에 더 고온(~240도)을 측정할 수 있게 개발되어 있다. 따라서 접촉형 센서가 사용되는 제한된 온도범위는 센서내부의 회로가 견디는 온도를 의미하면 120도를 그 한계로 알면 된다. 그리고 최근 많이 사용되는 MEMS센서류는 집적회로의 형태이므로 고온에 대체로 취약하며 100도 아래에 적합하며 고온에는 아날로그형 센서가 더 적합하다는 것을 알 수 있다. 이와는 비교되는 비접촉형 센서는 레이져를 사용할 경우 온도의 제한이 거의 없으나 가격과 설치위치에 제한이 있다는 것을 기억하면 되겠다.

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