22 스펙트럼의 분해능 라인수의 정밀도

분해능(Resolution)의 차이에 따른 스펙트럼의 예

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진동 스펙트럼그래프의 가로축은 주파수의 최소간극을 해상도라고 부르는데 LOR(lines of resolution)이라고 해서 ‘라인수’라고도 한다. 이 라인수는 주파수간 간격을 직접적으로 세분화할 수 있는 능력을 의미하므로 라인수가 높을수록 선명하게 표현할 수 있다. 그러나 라인수가 너무 높으면 측정시간이 길어진다고 할 지라도 전동기의 전기적인 결함을 찾기 위해 슬립주파수를 분석하거나 각종 비트(beat)주파수를 구분할 때 반드시 필요하다. 보지 못하면, 측정하지 못하면 고장을 분석하지 못한다.

라인수(LOR, 가로축의 분해능)

전기적인 결함을 분석할 때 중요한 기법 중의 하나가 진

 

키워드	frequency, block size, line수, bandwidth, Fmax, 분해능, 사이드밴드, sidebands

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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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분해능(Resolution)의 차이에 따른 스펙트럼의 예

분해능(Resolution)의 차이에 따른 스펙트럼의 예

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진동 스펙트럼그래프의 가로축은 주파수의 최소간극을 해상도라고 부르는데 LOR(lines of resolution)이라고 해서 ‘라인수’라고도 한다. 이 라인수는 주파수간 간격을 직접적으로 세분화할 수 있는 능력을 의미하므로 라인수가 높을수록 선명하게 표현할 수 있다. 그러나 라인수가 너무 높으면 측정시간이 길어진다고 할 지라도 전동기의 전기적인 결함을 찾기 위해 슬립주파수를 분석하거나 각종 비트(beat)주파수를 구분할 때 반드시 필요하다. 보지 못하면, 측정하지 못하면 고장을 분석하지 못한다.

라인수(LOR, 가로축의 분해능)

전기적인 결함을 분석할 때 중요한 기법 중의 하나가 진동주파수의 해상도, 분해능(resolution)을 높이는 것이다. 전원주파수를 따라가지 못하는 회전주파수 때문에 ‘슬립주파수’가 발생한다. 이 것은 대체로 1Hz이내가 될 때가 많으므로 이 작은 주파수들을 서로 구분해 낼 수 있으려면 최소한 두 주파수간의 차이보다 2배이상 작은 간격의 해상도를 가지고 있어야 하는데 실제로 윈도우(window)함수오차를 적용하면 그 보다 더 여유를 주어야 한다. 그래프를 보고 예를 들어 본다.

상세히 예를들어 설명하면 다음과 같다.

전기기인 진동주파수 60Hz와 3580RPM으로 회전하고 있는 1X TS(59.66Hz)를 구분하여 분석하려면 적어도 최소주파수간 간격(Bw)이 0.34Hz의 0.5배는 되어야 한다. 또한 여기에 변수가 있는데 window(창함수)를 씌울경우에는 창함수의 보정상수(hanning-1.5)를 추가로 나누어 주어야 정확한 주파수들을 볼 수 있는 것이다. 이런 경우는 특히 전기적결함을 확인할 때, Beat주파수를 분석할 때, 유사설비군의 보강간섭을 분석할 때 반드시 알고 있어야 하는 신호분석에 관련된 지식이다. 분석자는 이 두개의 주파수를 화면에서 분리하여 볼 수 있어야 한다.

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Gear frequency-5-기어의 진동원인들

Gear frequency-5-기어의 진동원인들

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기어박스는 변속을 하여 피동부에 동력을 전달하는 기계요소(벨트, 체인 등)중의 하나로서 다른 유사 요소와 가장 큰 특징은 강한 토오크를 전달할 수 있다는 것이다. 따라서 고속의 동력으로 저속의 강한 토오크를 필요로 하는 곳은 대부분 강한 부하를 받는 곳이다. 기어박스는 특히 시멘트의 견인 및 파쇠, 타이어의 파쇠 및 압출, 열차의 빈번한 동력전달 등에서 감속기로 활용된다. 반면에 가스생산의 고압 토출에 사용되는 기어박스는 증속의 회전변경을 위해 사용되는 경우도 있다. 다시 한번 살펴보면 기어박스는 절대로 홀로 움직여서 활용될 수 있는 기계요소가 아닌 것을 확인할 수 있다. 그래서 진동이 발생한다.

Gear box의 진동원인

모든 Gear Box는 다른 기계들과 연결되어 있다. 따라서 그로부터 많은 영향을 받고 있다.  그러나Gear 자체의 문제점도 있는데 예를들어 Pitch Line이 맞지 않거나 편심, Tooth간 간격의 불일치 등으로Gear 진동이 발생하고 있다. Gearbox자체의 결함과 GearBox에 영향을 주는 외부결함을 정리하면 다음과 같다.

Gearbox자체의 내부결함	Gearbox에 영향을 주는 외부결함
1.     제작상의 결함 (Manufacturing Defects) 2.     부적절한 조립 (Improper assembly) 3.     과도한 마모 (Excessive wear) 4.     부적당한 윤활유 (Inadequate Lubrication) 및 오염(Contaminator) 5.     Box내 변속축간 정렬 불량 (Misalignment) 6.     금속 자체 결함 (Metal Fatigue) 7.     과도한 부하 (Over loading) 8.     베어링의 마모 및 조립, 윤활불량, 정렬불량 9.     부족하거나 과도한 백래쉬	1.     구동부로부터의 결함전달(모터결함, 질량불평형, 축정렬불량, 벨트 등) 2.     피동부로부터의 결함전달(팬, 펌프, Agitator, 공작기계바이트 자려진동, 등) 3.     바닥으로부터의 결함(지지이완, Soft foot, 전기적 누설의 전달) 4.     빈번한 부하변동, 역회전

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하모닉과 사이드밴드 (진동에서 Harmonics과 Sidebands가 발생하는 이유)

하모닉과 사이드밴드 (진동에서 Harmonics과 Sidebands가 발생하는 이유)

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기계가 진동이 문제가 되어 설비진단에서 진동의 원인을 밝히고자 할 때 진동의 신호분석은 반드시 필요한 과정이다. 센서와 FFT(Machinery analyzer, Data collector 등으로 불리우기도 함)를 통해 측정된 신호는 기본적으로 시간파형(Waveform)과 주파수파형(Spectrum)으로 분석하게 되고 이 때 설비의 결함분석을 위한 첫 번째 과정이 있다. 바로 하모닉 성분을 확인하는 절차이다.

Harmonic & Sidebands

하모닉(동기성분, 조화파, Harmonics)은 설비진단에서 공공으로 명명된 ‘1X’(Order)의 정수배의 성분을 말하며 스펙트럼에서 나란히 회전주파수의 간격을 두고 피크로 확인된다. 즉, 회전주파수(Turning Speed)가 30Hz일 때60Hz는 2X가 되고 180Hz는 6X가 되는 것이다. 예를 들어 회전하는 축에 부착된 날개의 수가 6개가 있다면 한 번 회전시 6번의 이벤트가 발생하므로 6X의 주파수가 그 회전기계에서 잘 관찰된다. 하모닉이 발생하는 원인은 여러 가지가 있으나 주로 비선형, 비대칭파형일 경우, 정현파가 아닌 삼각파, 사각파에 가까울 경우에 발생한다.

반면에 사이드밴드(측대파, Sidebands)는 근접 주파수 간의 간섭, 보강현상을 의미하며 주요주파수 전후에 간섭주파수의 간격을 두고 확인되는 다른 작은 주파수를 말한다. 발생원인은 변조(Amplitude Modulation)에 의한다. 즉, 두 개의 파형이 서로 변조(간섭하여 에너지가 전달되는 현상)하면 저주파에 고주파가 동승하여 타고 전송되는데 기계의 기어나 베어링과 회전수간의 문제가 있을 경우, 모터의 전기적 결함이 있을 경우 자주 목격할 수 있다. 이 신호를 이용하여 진동의 원인을 밝혀내는데 중요한 증거자료로서 활용된다.

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