38 설비회전기계의 질병들 설비진단 진동분석을 통해 알 수 있는 이상상태

설비(회전기계)의 질병들 (설비진단 진동분석을 통해 알 수 있는 이상상태)

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기계는 왕복이나 회전을 할 경우 반드시 진동을 발생하게 되지만 자연스러운 에너지의 변환이라고 할 지라도 진동이 높다면 상태가 나쁘다는 것을 직감할 수 있다. 기계가 진동이 높아서 파손이 된다면 인간에게 안전과 재산에 따르는 피해를 줄 수 있을 뿐만 아니라 만약 기계 자체에 자존심을 부여해 본다면 진동이 기계가 아픈 곳을 말하고 있는 것이라고 생각해 보자 그러면 우리가 공부하는 진동 및 설비진단의 여러 규칙을 이해하는 데 도움이 될 것이다. 기계가 지금 아픈 병명을 맞추는 것, 이 것이 설비분석가의 진단결과가 된다.

 

진동으로 기계의 고장을 찾아낸다. 병명(결함원인)의 종류

진동으로 알 수 있는 기계의 정상이 아닌 상태는 ‘결함(fault)’이라고 부르며 이 결함의 종류를 바로 기계병명의 종류로 볼 수 있다. 인간의 종합검사처럼 기계도 피검사(윤활검사)나 엑스레이 및 초음파검사를 할 수도 있지만 여기서는 가장 많이 그 병명을 유추할 수 았는 '진동(vibration)'으로 확인할 수 있는 결함의 종류를 알고 간략하게 설명하기로 한다. 

우선 가장 처음에 전제로 하여야 하는 것은 잘 측정(센서, 설치, 계측설정, 방향, 단위선택 등)이 된 결과로 분석한 진단이어야 한다는 것이다. 그리고 다양한 진동원인과 설비들을 진단한 경험이 있어야 하고 해당 설비를 가장 많이 작동하고 수리해온 작업자의 경험이 포함되어 있어야 한다. 이에따라 종합적으로 가급적 많은 경우의 결함을 작성자의 경험에 의지하여 우선순위 배치하였으니 공식적인 자료는 아님을 참조하기 바란다.

 

1.     Unbalance (Imbalance, 질량불평형)-회전기계, 회전에 의한 왕복동기계

2.     Misalignment(축정렬 불량)-구동부와 연결된 유체기계, 변속기, 커플링, 발전기, Roll 등

3.     Mechanical Looseness(기계적이완)-바닥의 고정풀림상태, 회전체의 고정풀림상태, 크랙 등

4.     Bearing(Rolling, Sleeve베어링의 결함)-충격이나 지나친 

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공진(Resonance)과 자려진동( Self-Excited vibration)- 그래서 진동이 나쁘다

 공진(Resonance)과 자려진동( Self-Excited vibration)- 그래서 진동이 나쁘다

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진동(Vibration)이 발생한다는 것은 일단 나쁘다고 생각한다. 왜? 그럴까?

대부분의 진동은 충격이나 마찰에 의해서 발생하거나, 회전 불균형력(Unbalance)에 의해서 발생한다. 또 작은 힘을 주었는데 훨씬 큰 진폭이 발생하거나, 한 번 발생하면 계속 지속되는 진동도 발견된다. 그래서 진동은 환경측면에서는 공해진동으로서 신체와 심리적으로 불안하고 불편한 요인이며, 산업생산측면에서는 반복에 의한 피로파괴나 진폭이 크게 증가하여 붕괴를 유도하는 과도한 진동이 문제가 되므로 반드시 집고 넘어 가야 할 문제가 있기 때문에 진동이 나쁘다는 것이다.

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공진과 진폭비-kcbm.kr

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공진(Resonance, 증폭되는 진동)

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위에는 복잡하지만 전통적인 진동 진폭비의 그래프가 있다. 좌우그래프 모두 X축은 주파수비(해당주파수/ 고유주파수)이고 Y축은 진폭비(동적진폭/정적진폭) 또는 위상을 나타낸다. 왼쪽의 그래프는 중간에 주파수비가 1이되면, 진폭이 급속히 커진다는 것을 표현하며 우측의 그래프도 주파수비가 1이면 중간에 위상의 패턴이 정반대로 바뀐다는 것을 의미한다. 한마디로 해당주파수와 고유주파수가 같아지면 진폭이 크게 상승하는 '공진(resonance)'이 발생한다는 것이다.

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물체(Mass) 또는 공간(Cavity)에는 고유주파수(Natural frequency)가 존재하는데, 가진주파수 또는 강제주파수가 이 고유주파수와 일치하였을 경우, 무한대로 진폭이 증폭하는 현상. 또는 운동하고 있는 두물체간의 주파수 보강간섭을 공진현상이라고 말할 수 있다.

따라서, 이러한 여러 고유주파수와 물체간 또는 주파수간에 서로 일치시키는 것을 피하기 위한 연구가 거의 대부분의 공학적인 동적(dynamic) 기본설계 및 연구사항의 기초가 되며, 이론상으로는 감쇠(damping)가 없이 진폭이 최대화된다면 결국 고체에 변형을 가져올 수 있다. 한마디로 파괴되는 것이다. 그래서 진동이 나쁘다는 것이다. (물론 이 것을 유익한 방향으로 만든것도 있다.)

자려진동(Self-excited vibration, 스스로 증폭되는 진동)

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외부의 가진이 전혀 없어도, 또는 가진 원인이 불분명한 상태에서 발생하여 지속되는 진동.

; 일반적인 강제진동상태에서는 선형적으로 분석을 한다고 가정하면, 진동은 ‘관성력’, ‘감쇠력’, ‘탄성력’의 함수인 운동방정식으로 표현되는데, 이 세 가지의 힘 중에서 어느 한 개라도 시간의 함수가 포함이 되거나 (매개변수 가진진동; parametric), 또는 감쇠력이 음의 함수(운동할수록 외부의 에너지를 흡입하는)인 경우이다. 이 현상도 한마디로 말하면 마찰과 어울린 공진이라 할 수 있다. 이래서 진동이 나쁘다는 것이다.

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- 브레이크 스킬소음, 마찰기인 진동, 기어 화인진동(기어의 물림률변화), 전선의 galloping , 고속전철의 팬터그래프와 가선의 이선현상, 바이올린, 유체기인 Flutter(플래카드의 상하진동, 비행기날개의 떨림), 기타 유체에 의해 증폭되는 대부분의 진동.

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진동 소음 응력 변위측정 기술컨설팅 한국CBM

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‘계측할 수 없으면 개선할 수 없다!’ 이 것은 측정의 목적과 측정이 기술의 중요성을 알려주는 기술컨설팅 전문사 한국CBM의 방향입니다. ‘진동과 소음’ 기타 그 밖의 대상의 상태를 의미하는 물리적인 특성들(온도, 응력, 변위 등)의 측정에 관한 기술적인 문제로 고민이십니까? 직접 측정하기는 어렵고 선택하기도 쉽지 않습니다. 이제 피할 수 없는 것, 감시시스템(모니터링시스템) 및 진동소음 등 측정진단장비 선택, 교육과 예측진단/진동 분석체계요구, 소음대책 등 다양한 곳에서 우리에게는 반드시 해결해야 하는 문제입니다.

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한국CBM의 (Technical Service)는 아래와 같은 기술 커리큘럼을 가지고 있습니다.

1. 진동진단 기술지원, 진동측정기술지원, 소음진단 기술 지원 및 측정, 특수측정(수송기계, 진동동영상, 음향카메라, 원격측정 등)

2. 각종 상태물성 측정법개발, 신호처리 및 Featuring 파라미터 추출지원

3. 기계 진동진단 관리대행 (연간계약-정기측정-정기보고서)

4. 대책설계 지원 (진동대책, 소음대책), 최적 구매 정보 지원.

5. Trouble Shooting 진단 지원(원인해석)

6. 전체 생산설비의 평가(Assessment), 설비 진동관리 및 평가기준 등의 셋업.

7. PDM측정기술 및 측정주기 셋업, CBM모니터링시스템 최적설계 기술지원.

8. 공동기술개발, 연구 및 설계.

9. 고성능 장비대여

10. Guarantee형 Total 진단(측정-진단-대책-시공-개런티측정; 약속된 진동수준 미달시 미청구)

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39 진동을 일부러 만들어서 뭐하게요 흔들다의 과학원리

가진기는 영구자석을 이용한 자기식, 전류를 공급하는 전자석식, 유압을 이용하는 유압식 등이 있습니다. 가진기를 사용할 수 있는 영역은 가진기의 크기, 원리, 시험체의 무게 등에 따라서 각각 다른 한계 출력을 가지고 있는데 주로 사용하는 용도에 맞춰서 기본사양과 구성을 꾸며야 하며, 정현파 가진(깨끗한 하나의 주파수로 차례에 따라 흔드는)이나 랜덤가진(다양한 주파수 또는 불규칙적인 주파수로 한꺼번에 흔드는) 등을 통해 진동시험을 수행할 수 있습니다. 또 이런 과학적인 가진기 이외에도 흔들어서 무언가 원하는 것을 얻어낼 수 있다면 머리를 써 볼 수도 있습니다. 예를 들면 총을 발사하거나, 큰 물체를 떨어트리거나 진동방식 허리운동장치를 기계에 부착하여 흔든다는 등으로 다양한 실험을 할 수 있답니다. 물론 이런 것도 분명 연구에 속합니다.

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37 모터Motor의 결함과 진동 공극Air gap관련

모터(Motor)의 결함과 진동-공극(Air gap)관련

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모터의 주요 구성부품인 고정자(stator)와 회전자(rotor)는 서로 닿지 않는다. 고정자로부터 유도된 전류로 회전자는 회전하게 되는데 이 두 구조간의 공간을 Air gap(공극)이라 한다. 이 공극은 서로 일정하게 조립되어 있어야 한다. 이 것이 불균일하지 않고 편심이 있으면 전기적인 문제가 기계적인 문제(진동)로 발산된다. 이 것은 전자기력의 힘이므로 균형이 깨진 상태로 지속되면 결국 모터의 수명에 지장을 주게 되어 있다. 공극의 균형상태는 모터제조사의 조립기술 수준을 의미하기도 하는데 좋지 않는 저급의 모터가 소음과 진동이 심한 것은 당연하다고 하겠다.

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Uneven Air Gap(불균형 공극)

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Rotor와 Stator 사이의 Air gap이 일정하다면 Rotor에 작용하는 전자기력(Magnetic force)은 균형이 유지된 상태이다. Air gap이 일정하다는 것은 유도모터에서 대단히 중요한 점이다. 왜냐하면 Air gap은 Rotor에 유도된 전류의 양에 영향을 주기 때문이다. 다시 말하면, Rotor의 전자기력은 Stator 전류의 양보다 Air gap의 평등상태에 더 좌우된다. 따라서 이 Uneven Air gap은 결과적으로 매우 불평형(Imbalanced)한 전자기력을 유도하게 된다.

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진동-가속도센서로 측정하여 변위로 평가해도 되는가

진동-가속도센서로 측정하여 변위로 평가해도 되는가

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어떠한 대상(시험체, 기계 구조, 건물 등)의 진동을 측정하여 그 크기를 정량화하여 평가하려고 할 때 평가단위와 진동센서의 출력단위가 같지 않아서 어려움을 갖는 질문을 받는다. 예를 들어 평가를 하기 위해 기계의 제조사건설사를 통해 제공받은 관리 메뉴얼에 따르면 변위로 평가하라고 되어 있는데 현재 측정하고 있는 계측센서가 가속도센서일 경우 변위로 변환(단순히 두 번 적분)하여 구할 수 있는 것인지에 대한 내용이다. 어떻게 해야 맞는 것인가?

진동단위변환과 측정용 센서 그리고 평가단위

우선, 가장 좋은 방법은 본래 물리량의 단위로 비례하여 출력하는 센서를 사용하여 나온 값으로 평가하는 것이다. 이 것은 가속도센서로 G나 m/s²을 기본으로 평가하는 대상인 인체환경진동, 지진정밀기계류에는 센서출력값의 단위를 그대로 사용하거나 그 단위를 기본으로 추가 변환식에서 산출된 값을 사용한다.  또한 변위센서로 측정해야 하는 축변위 거동감시 대형회전기계류, 파이프대형구조물 등은 변위단위로 평가하는 것 등을 예로 들 수 있다.

그런데 가장 많은 기계류 평가단위로 사용되고 있는 ‘속도인 경우 속도센서라 일반적이지 않고 가지고 있더라도 제한적(고가격, 사용주파수한계, 크기제한)이므로 가속도센서를 사용하여 적분하여 속도단위로 평가하는 것이 일반적이다. 특히 여기에는 주파수관련 이론사항에 대하여 중요하게 생각해야 한다. 가속도는 고주파 영역에서 더 잘 관찰되고 변위는 저주파영역이 더 크게 보인다. 따라서 구름베어링, 기어가 주요 관찰해야 하는 부품인 경우, 가속도로 측정하는 것이 옳고 좋다. 반면에 오일거동, 축의 저주파진동은 상대적으로 저주파이므로 또한 대체로 슬리브베어링을 사용하는 변위센서가 좋은 것이다.

이러한 질문이 많다. 구름베어링을 사용하는 펌프의 제조사에서 제공받은 진동체크 메뉴얼에 변위(µm, p-p)로 평가하게 되어 있다면 가속도센서로 측정된 결과값을 두 번 적분하여 변위로 평가하면 되는가?에 대한 것이다. 이 것은 이렇게 답변한다. 제조사의 진동체크 방식이 국제진동평가방식이 정립되기 매우 오래 전에 작성된 방식, 슬리브베어링을 사용하는 베어링도 혼용하여 평가하고 있다는 것은 명확한 잘못인 것이다. 실험실처럼 단일파형이 나타나지 않는 현장에서 두 번 적분하면 실제 변위와의 적분오차가 심해서 당연히 정확하지 않은 것이므로 rms속도로 평가하는 방식이 국제적이고 가장 일반적인 것이다.

키워드	진동기준, ISO, 진동평가, 가속도, 변위, 적분, 진동량, overall

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