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

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