Gear 진동-3-뜯기고 손상된 기어

 Gear frequency-3-뜯기고 손상된 기어

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순간적인 과도한 하중이 가해지는 경우 기어의 문제는 기어이에 흠집이 있는 경우나 손상이 된 정도일 것이다. 이 상태를 진동으로 확인하는 방법은 다음과 같다.

뜯기고 손상된 기어(Broken, chipped)

하나의 기어치가 뜯기고 손상이 된 상태라면 1X RPM의 진동이 크게 나타나게 된다. 이러한 문제의 증명은 1X RPM을 나타내는 다른 현상들이 너무 많기 때문에 스펙트럼 데이타 하나만 가지고는 확인하기 어렵다. 이 때 가장 좋은 방법은 시간파형에서 충격파형의 반복이 문제가 있는 기어의 회전수와 일치하는 지를 확인하는 것이다. 이 결함에서는 충격파 현상이 반드시 발생하기 때문에 시간파형에서는 가속도에서 잘 확인되며 가능하면 많은 축 회전수들을 확인할 수 있도록 길게 시간주기 설정을 하여야 한다.

 

                                 

 

 

키워드	기어진동, 기어박스, 베어링진동, 사이드밴드, GMF, 기어 맞물림 주파수, 마모된 상태의 기어

 

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수식을 통한 진동의 물리적 설명1

 수식을 통한 진동의 물리적 설명1

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진동은 기준점을 중심으로 반복하는 운동이므로 수식으로 이를 표현할 수도 있다. 공학적인 입장에서 운동에너지와 위치에너지(탄성에너지)의 교번작용이 또한 진동이며 가진력(충격 또는 회전, 유체마찰)과 내부력(관성력, 감쇠력, 탄성력의 합산)의 힘겨루기가 진동이다. 우선, 동역학(Dynamic) 중의 하나인 진동, 동특성해석이라 부르는 대부분의 진동 중에서 ‘동(動)’은 “움직이는 상태”, 또는 “시간에 따라 물리적 특성이 변동하는 상태”를 의미한다. 즉, 똑 같은 힘, 토크라도 시간에 따라 변동이 된다면 (시간의 함수를 포함) 정역학이 아닌 동역학으로 해석해야 한다는 뜻이다. 예를 들면, 다리교량을 설계할 때 100톤의 무게만 가지고 최대하중을 설계하는 경우와 300톤의 교번하중이 초당 몇 번 반복하는지를 피로파괴해석에 도입하여 허용하중을 설계하는 경우의 차이라 할 수 있다.

 

 

관련 Tag

진동, 가진력, 탄성, 감쇠, 진동수식

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배관유체진동-펌프

 배관유체진동-펌프

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유체기계 중에서 펌프는 비압축성유체인 물과 그 밖의 다른 유체를 운송하는 데 다른 유체기계와 마찬가지로 서징과 같은 많은 유체진동이 발생하지만 펌프만의 독특한 진동특성도 나타나고 있다. 특히 캐비테이션이나 수격진동 등과 같은 것은 펌프에 연결된 배관만이 나타날 수 있는 현상이며 한 번 발생하기 시작하면 반복특성이 배관의 피로파괴와 연결이 되기 때문에 언젠가 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 특히 위험한 액체를 운송하는 배관에서 누설이 생긴다거나 중요한 설비의 냉각용이 문제될 경우를 대비해서 펌프가 보조시스템을 채용하고 있는 것을 상기하기 바란다.

 

배관유체진동-펌프

서징(surging)은 송풍기와 압축기와 마찬가지로 펌프에서도 발생한다. 펌프는 공기유체기계와 달리 배관계에 공기와 가스가 공존하는 탱크가 있다는 것과 그 탱크 하부에 유량조절밸브가 있다는 특징이 있다. 여기서 서징이 발생한다. 이를 대비하여 항상 열교환기 등의 잔류공기를 제거하고 시운전하는 대책이 있다.

고압펌프를 낮은 유량에서 운전할 때 흡입측에 캐비테이션(cavitation)의 발생도 없고 성능곡선도 항상 오른쪽으로 감소하는 안정영역이지만 서징과 유사한 맥동현상이 발생하는데 이 것을 동적불안정의 맥동현상이라 한다. 이 주파수 영역에 마침 배관계의 음향고유진동수가 있으면 압력맥동이 자려적으로 증가하여 큰 배관진동이 발생한다. 정격유량을 30%로 운전하여야 맥동을 비로소 피할 수 있다.

급수펌프의 시험운전시 최소유량으로 운전할 때 펌프의 회전수보다 낮은 압력맥동이 생겨 큰 배관진동을 일으킬 수 있다. 이 압력맥동 주파수는 배관계의 2차 음향고유진동에 해당하며 펌프가 그 압력맥동공명모드형상의 반절점(anti node)근처에 있기 때문에 발생한다. 압력맥동의 발생원인은 토출배관의 역류방지 밸브에서 주기적 와류가 발생하고 배관계의 공명모드와 공진하는 것이다. 이때 펌프의 위치는 압력맥동의 음향고유모드의 반절점에 있는 경우이다. 이처럼 펌프의 설치위치의 영향도 유념하기 바란다. 

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배관진동, 파이프진동, 설비진단, 배관진동의 측정, 배관진동설계, 유체진동

캠벨선도(Campbell diagram)

 캠벨선도(Campbell diagram)

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진동을 분석하는 여러 가지 형태의 그래프 중에서 스펙트럼과 시간파형은 2개의 축(시간과 진폭 또는 주파수와 진폭)에서 표기되는 반면, 여기에 3축이 추가로 표현되는 공간그래프로는 ‘Nyquist, Orbit, Waterfall, 그리고 Campbell선도가 있다. 그런데 orbit은 두 개의 센서를 이용한 궤적을 표현하는 Nyquist는 실수와 허수영역에 대한 공진영역의 표기이므로 정확히 말하면 3번째 축이 있는 것은 아니며 공간에서 크기를 표현한 것이라고 할 수 있다. 그래서 진정한 3축을 표현한 Campbell선도는 RPM, Hz, order그리고 고유주파수와 진폭의 크기의 관계에 대한 대표적인 공간적 order연관 진폭 표현법이라고 할 수 있다. 

 

캠벨선도를 통한 order분석

캠벨선도는 천천히 점차 증속되는 대형 회전기계의 회전동력학적 분석(Rotor dynamics)에 많이 활용되는 그래프로 X, Y축 중 하나는 회전속도(speed, RPM), 또 하나는 주파수(Hz)로 구성되어 있으며 제 3의 축으로 회전수 기준대비 Order(1X, 2X, 3X, …)의 사선을 그리되 진폭의 크기를 동그라미의 지름, 색의 표시, 피크 등의 크기로 표현한 그래프를 말한다.

이 캠벨선도의 그림형상은 그 공간적 표현이 Waterfall, Cascade와 유사하나 Order의 선도와 진폭의 크기가 도형, 색 등으로 표기되었다는 특이성이 있다. 즉, 회전수 RPM이 증가할 때 진폭이 커지는 주파수대역과 회전Order와의 연관성(위험속도, Critical speed), 그리고 회전속도가 올라갈 때 축의 고유주파수도 상승하는 대형 Rotor의 Mode선도를 같이 검토할 수 있는 특장점이 있다는 것이다.

만약, 특정 Order에 동그라미 크기가 커지는 주파수 대역이 있다면 그 구역이 바로 위험속도일 가능성이 있는 것이다. 주로 회전성분이 전체 진동량을 좌우하는 터빈 및 대형 회전기계의 회전체 동력학에서 아주 유용하게 사용할 수 있고 설비진단분야에서는 이를 아주 잘 설명할 수 있는 자료로 사용된다 또한 Waterfall이 화면이 복잡하여 분석하기 힘든 경우에 진폭증가 또는 감소영역을 확연하게 구분할 수 있으며 고유mode선도와 일치하는 구간, 고유mode가 변동되는 상태를 잘 파악할 수 있도록 한다. 다음은 캠벨선도를 읽는 규칙을 정리하였다.

 

-원의 지름이 크면 진폭이 큰 것이다.

-일정 주파수에 원이 나열되었다면 그 구역은 고유주파수(고유모드)일 가능성이 크다.

-일정 주파수와 Order사선의 중복되는 지점에 원이 더 커진다면 위험속도이다.

-일정 RPM에 원이 나열되었다면 구조공진으로 볼 수 있다.

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키워드	orbit, spectrum, Campbell, 공간분석, 진동분석, 캠벨선도,order분석

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