진동문제 원인 10대 순위

진동문제의 원인 10대 순위

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기계, 회전기계, 전기기계, 구조, 건물을 모두 통틀어서 진동문제는 작건 크건 간에 피해를 발생시키고 있고 그 원인의 해결은 때로는 불가능할 수도 있는 경우가 많다. 그리고 그 원인을 정확히 알 수 있는 방법은 역시 쉽지 않은 분야이므로 우리는 정확하게 찾아서 올바른 대책을 수립하는 것이 전문가로서의 사명이라 하겠다. 다양한 진동의 원인을 정의하기는 어렵지만 그래도 그 원인을 크게 정리하여 10가지로 요약해 본다.

주요 진동원인 10

진동의 원인 10요약 - bisope

	원인	사례
1	질량불평형	회전하는 모든 기계의 발란싱불량
2	축정렬불량	구동부와 피동부의 연결오류, 커플링연결불량
3	느슨함	조임불량, 크랙 및 균열
4	공진	기계-전기-유체 발생진동과 기계, 구조의 고유주파수와의 만남
5	베어링결함	베어링의 파손에 의한 충격진동과 회전체 구조의 대칭균열, 마모진동
6	유체진동	난류, 선회, cavitation, surge, 맥동
7	전기적진동	전류통로파손, 공극이상, 간헐단락, 전기적 비정상 불량현상에 의한 진동에너지로의 치환
8	기어 등 충격진동	기어간 충격 단조기, 브레이커, 기계적 항타기, 충격동반기계의 충격작업
9	마찰, 마모	빈번한 접촉에 기인한 마모, 충격
10	휨	열적비대칭, 회전비대칭

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키워드	질량불평형, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼, 진동, 공진, 축정렬불량

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

스펙트럼 분석(Spectrum Analysis)-기계적결함

스펙트럼 분석(Spectrum Analysis)-기계적결함

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스펙트럼그래프를 이용한 차수분석(Order Analysis)은 기계적 결함, 전자기적결함 그리고 유체관련결함을 알아내기 위해서 용이하게 사용된다. 초기의 의도는 진동신호를 통해서 어떠한 규칙성이 기계의 결함과 관련이 있을 것이라는 것에서 출발하였을 것으로 추측하지만 사실 대부분 차수분석의 근거가 되는 규칙은 물리적으로 설명이 될 수 있다. 이를 인간의 건강과 질병에 관해 과학적으로 분석한 것과 비교할 수 있다고 하는 것도 이해가 될 것이다.

기계적결함(요약표)

설비의 기계적결함 여부를 진동스펙트럼 주파수 그래프를 통해서 확인해 볼 수 있다. 아래의 표는 기계적 결함에 관련된 차수분석의 규칙을 요약해 놓은 것이다. 그러나 이 표를 모두 암기하고 이해한다고 하더라도 기계의 진동진단은 또 많은 문제를 가지고 있으므로 단지 기본을 위한 참조로 활용된다고 이해하면 된다.

항목	현상	비고
Unbalance	1X(Radial)	위상안정
Misalignment	2X, 1,2,3X	양쪽 Inboard Bearing에서의 180 위상차
Bent shaft	1X(Axial)	- 위험속도 통과 시 급격한 진동 감소,상승 - 기계의 베어링 양단에서 위상 180 차이
Sleeve bearing wear, excessive clearance	1,2,3,…X, 0.5X	불안적 위상각, 0.42~0.48X(oil whirl)
Resonance	특정주파수 진동증폭	Balancing감도 증가
looseness	1,2,3,…X, 1/2,1/3,1/4…X	bolt이완,
Eccentricity	1X	Balancing 후 반경방향 중 한쪽 방향만 감소,
Distortion	1X, GMF, 2Lf	Soft foot, 불균일온도분포, Balancing & Alignment어려움.
Rub	1,2,3,…X, 1/2,1/3,1/4…X	Looseness와 유사, 윤활
Belt	πdn/L	반경방향의 2Xbelt
Beat	1X 또는 특정주파수	전기와 회전수의 간섭 또는 근접한 2개의 주파수간의 간섭(진폭이 상승 및 하강 반복)
Rolling bearing	BPFI=0.6Nf, BPFO=0.4Nf, FTF=0.4f	BPFI =(N*f/2) [1+(d/D) COSΦ] BPFO = (N*f/2)[1-(d/D) COSΦ] BSF = (D*f/2d)[1-((d/D) COSΦ)^2] FTF=(f/2) [1-(d/D) COSΦ]

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키워드	Order, TS, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼, Spectrum, 진동주파수, 기계적결함

설비진단 기본용어 (회전기계설비 진동진단에 사용되는 공통적인 기본 용어의 이해)

설비진단 기본용어 (회전기계설비 진동진단에 사용되는 공통적인 기본 용어의 이해)

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미리 적어 놓아야 알 수 있다고 하는 것은 이 분야를 잘 알지 못한다는 것과 같은 말이라고 할 수 있다. 진동을 학습하고 설비진단을 하여 고장진단을 하고 기계의 수명을 모니터링하고 있는 진동분석가(Certified Vibration Analyst)들에게는 너무나도 자주 사용되는 기본용어와 약어이므로 기본적인 고장진단의 학습에 앞서 반드시 알고 암기하고 있어야 할 내용을 정리하였다. 전문가가 되려면 전문가의 단어를 들을 수 있어야 하고 전문가와 대화를 할 수 있어야 한다. 진동분석가는 전문가(Specialist)이기 때문이다.

기본용어 (진동분석)

아래에 정리한 기본용어는 신호분석용어는 제외하고 우선 현업에서 설비진단을 하고 있는 진동분석가들이 지금 사용하고 있는 용어이다.

약어	용어	비고
1X, 1XRPM, 1XTS	Primary frequency of turning speed	1차 회전수 (3600RPM으로 회전하고 있다면 60Hz가 1X이다.)
2X, 2XRPM, 2XTS	Secondary frequency of turning speed	2차 회전수(3600RPM으로 회전하고 있다면 120Hz가 1X이다.)
Hz	초당 반복수(Turning speed per second), 주파수	RPM/60, 주기의 역수.
Harmonic	1X와 정수배를 가지는 주파수들 (조화파)	파형의 패턴을 파악
Sidebands	주요주파수에 양쪽 옆에 일정한 폭을 가지고 근접하고 있는 주파수들(측대파)	관련된 결함원인 판단 주파수
BPF	Blade pass frequency	날개 통과 주파수
Lf	Line frequency	전원주파수, 대한민국 60Hz.
GMF	Gear Mesh frequency	기어 맞물림 주파수 (잇수*회전수)
BPFI	Ball Pass Frequency Inner Race	구름베어링의 내륜 통과주파수
BPFO	Ball Pass Frequency Outer Race	구름베어링의 외륜 통과주파수
BSF	Ball Spin Frequency	구름베어링의 볼 통과주파수
FTF	Fundamental Train Frequency	구름베어링의 케이지(리테이너)주파수
Spectrum	Frequency domain	주파수 그래프
Waveform	Time domain	시간파형 그래프
Fn	Natural frequency	고유주파수
Resonance	공진	고유주파수가 가동주파수가 근접하여 진폭이 크게 증가함
Axial 방향	Shaft를 관통하는 방향(축방향)	Radial방향(반경)과 대치되는 단어

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키워드	진동기본용어, GMF, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼

Non Synchronous 비동기성분 결함들-Order analysis

Non Synchronous 비동기성분 결함들-Order analysis

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TS(Turning speed, 회전주파수)와 정수배로 계산이 되는 않는 하모닉성분을 비동기성분이라고 한다. 회전수와 관련이 있기도 하고 회전수와 전혀 관련이 없기도 한 주파수 성분을 의미한다. 회전수와 관련이 있는 경우는 구름베어링과 벨트, 체인 등으로 인해 발생하는 주파수로서 정수배로 맞아 떨어지지 않기 때문에 비동기성분이다. 반면에 회전수와 전혀 관련이 없는 주파수는 공진이나 전기적인 결함, 유체에 의한 가진과 마찰에 의한 주파수 군에 해당하며 비동기성분이다.

비동기차수 결함들

주파수가 TS의 정수배가 아닌 또는 전혀 관련이 없는 결함의 패턴과 신호는 회전 이벤트와 관련이 없는 것들을 찾으면 된다. 즉 구름베어링의 내륜 및 외륜은 축이 한 번 회전할 때 어떠한 패턴의 공식으로 계속 자전을 하므로 정수배로 맞아 떨어지지 않는다. 또한 벨트로 연결된 다른 축의 경우이거나 오일의 공전(Whirl)의 경우에도 회전수의 증감과는 관련이 있기는 하지만 정수배로 이벤트가 정확히 맞을 수가 없다. 또한 마찰(Rub)이나 유체관련(Cavitation, surge) 성분도 회전수의 증감과는 관련이 있지만 정수배를 차지하지 못한다. 왜냐하면 이벤트에 따라가는 수준이지 이벤트를 유발하지 않기 때문이다.  그리고 또 다른 패턴이 있는데 공진(Resonance)나 전기(Electrical)적인 주파수 군은 회전수와 관련이 있다기 보다는 회전수와 관련이 되면 안 되는 성분들이다. 다음 표에는 이러한 비동기차수 결함들에는 어떠한 것들이 있는지 나열하였다.

표 1.Non Synchronous fault signal.

Sub Synch	Over Synch
•      Another machine •      Belt vibration •      Hydraulic instability (oil whip/oil whirl) •      Rotor or shaft rub •      Roller bearing cage frequency •      Driven component	•      Multiples of belt frequency •      Roller bearings •      Resonance •      Chain drives •      U-joints •      Electrical •      Compressor surge

비동기 성분의 관찰은 대체로 좋지 않다. 발생하는 자체가 결함일 경우가 많다. 과거에는 어떠했는지 유사기계와 비교했을 때 어떠한지도 중요하지만 추가적으로 시험을 통해 증명이 필요한 심각한 사항일 수 있다.

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키워드	Order, TS, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼, 비동기성분, Non, SubSynchronous, 설비진단, 설비결함.

1XTS, 1XRPM, Order(1X의 이해와 분석)

1XTS, 1XRPM, Order(1X의 이해와 분석)

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진동분석을 통해서 “진동의 문제를 해결한다 함은 기계결함의 원인을 해결한다는 것과 같다”는 가설은 굳이 회전기계 설비진단 분야에서 더 이상 증명할 필요는 없다. 설비진단 중 진동분야에 처음 입문할 때 1X(“원엑스”)를 배우고 말하게 된다. 저자도 처음에는 1X라고 부르는 것을 듣기 전까지는 “1곱하기”라고 불러야 하나?를 고민한 적이 있기 때문에 처음 이때 잘  이해하지 않으면 그 다음에 다시 알기 위해서는 조금 더 많은 시간과 수줍음이 요구된다. 왜냐하면 책속에는 이렇게 쉽게 설명이 되어 있지 않기 때문이다. 물론 10X의 원인을 찾기 위해서 반드시 이해가 필요한 것이 “원엑스”이니 말이다.

1X TS, Order, 1X RPM

‘1X’는 기계의 1차 회전속도(Turning Speed)를 말하며 대체로 Hz로 표현한다. 2X는 1X의 2배가 되는 주파수이며 따라서 10X는 1X의 10배 정수배가 되는 주파수이다. ‘X’는 ‘Order’로 대체 표현할 수 있으며 2X~nX의 harmonic(조화파)주파수를 거느리는 이유이다. ‘Order’는 다분히 이론적이고 학술적인 의미를 담고 있고 ‘X’는 경험적이고 실무적인 의미를 풍기고 있지만 같은 뜻이다. 1X가 없는 회전기계는 없으며 주원인은 질량불평형(Imbalance)이지만 몇 개의 예를 들어 다음과 같은 세부원인을 내포하고 있다.

–      Imbalance (질량불평형)

–      Bent Rotor shaft (축휨)

–      Cracked shaft (균열축)

–      Angular Misalignment(각도성 축정렬불량)

–      Broken Gear tooth(부러진 기어이)

위의 예는 단순한 몇 가지의 예만 든 것으로서 정확성을 가지기 위해서는 1X가 어떤 방향(수직Vertical, 수평Horizontal, 축Axial)으로 높은 특성을 가지는지, 1X가 다른 Harmonic보다 얼마나 높은 진폭(%비중)을 가지는지, 1X의 진폭이 변화하지는 않는지, 설비의 구조가 1X의 크기와 관련이 있는지 등을 포함하여 다양한 분석 전체사항이 1X의 진동분석 절차에 포함되어 있어야 비로소 1X의 이유에 대한 정확한 진단을 수행할 수 있는 것이다.

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키워드	Order, TS, 설비진단기본용어, 1X, 스펙트럼