VISOPE-진동소음음향방출분석-진단모니터링-한국CBM

2021년 7월 30일 금요일

배관유체진동-압축기송풍기

--------------------------------------------------------------------

유체기계(펌프, 팬, 블로어, 압축기; 터보형, 용적형)에서 풀부하운전이 아닌 저유량운전시 배관문제를 잘 경험할 수 있다. 특히 시험운전에서 잘 발생하는 진동문제는 유량을 증가시키면 진동이 더 증가될 것을 우려하여 셧다운을 할 때가 많다. 이 것이 바로 배관과 유체간의 진동 첫 번째 원인이다.

배관유체진동-터보형 공기유체기계

가장 잘 알려진 배관계의 공기유체기계의 진동현상은 서징(surging)이다. 배관내의 유량과 압력이 수Hz의 저주파에서 주기적으로 변동하므로 스펙트럼으로 확인하는 것은 정확하지 않다. 배관에 진동과 소음이 발생하여 운전에 지장을 준다. 이 현상은 배관계통이 공기를 강성으로 하는 복원력과 유체의 관성력에 의해 발생하는 진동계가 되어 전동기를 포함하는 송풍기 시스템의 특정속도영역에서 유량증가에 따라 압력이 상승하는 불안정 현상이다. 진동계를 구성하는 복원력을 없애거나 송풍기의 유량압력특성을 개선하면 된다. 구체적으로 액체의 기공을 제거하거나 토출구의 유량조절밸브 등의 위치를 바꾸어 송풍기의 유량-압력특성을 개선하거나 음의 영역에서 운전하지 않도록 서징방지기를 설치해도 된다.

FD팬과 ID팬 등의 덕트에서 발생하는 유체관련진동으로 선회실속과 원추와류(ICV, Inlet corn vortex)가 있다. 선회실속은 저유량운전시 임펠러에 대해 유체의 유입각이 전부하운전시와 비교해서 커져 잘개면의 경게층이 박리하여 실속(유체의 공전이 반대로 이동하는)하는 현상을 말한다. 보통 회전수의 0.5배유사(0.3~0.8X)와 그의 배수까지 존재한다. ICV는 입구안내깃의 개폐로 유량을 조절하는 송풍기에서 발생하는 맥동현상으로 입구 안내깃을 닫으면 임펠러에 들어가는 유동의 선회성분이 증가하고 유동이 편심되어 생기는 맥동이다. 보통 회전수의 2배에서 발생한다. 방지대책으로 선회실속은 가변입구안내깃을 ICV는 흡입부에 선회유동방지용 링을 설치하면 효과가 있다.

2021년 7월 23일 금요일

진동평가를 위한 측정 및 방법 두가지

--------------------------------------------------------------------

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 오차가 심해서 당연히 정확하지 않은 것이므로 rms속도로 평가하는 방식이 국제적이고 가장 일반적인 것이다.

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

All copyright 한국CBM written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415, www.kCBM.kr

2021년 7월 16일 금요일

설비진단 진동평가기준 2 (ISO10816 Vs ISO7919)

--------------------------------------------------------------------

기계(설비)의 진단을 위한 진동평가기준에는 과거에는 엔지니어협회, 계측기 제조사, 보험사 등이 각각 만들어 놓은 기준들이 많았다. 따라서 ISO에서는 이러한 기준들을 상황에 맞게 조정하여 재정리하였는데 크게 2가지 종류로 다시 구분해야 할 필요가 있었다. 그 방법은 변위센서(회전축거동을 비접촉방법으로 측정)의 기준과 가속도센서(베어링으로부터 전달된 진동의 비회전부의 측정)의 기준으로 나누어졌다.

평가기준(회전기계) ISO10816 Vs ISO7919

10816	ISO세부항목	7919
1	일반사항	1
2	증기터빈	2
3	산업용기계	3
4	가스터빈	4
5	수력기계	5
6	왕복동기계
7	회전형(Rotodynamic) 펌프

진동평가는 Overall(진동량)으로 평가한다. 진동계(Vibrometer)에서 읽어 나타내는 그 값이다. 비접촉 변위진동센서를 이용하여 기계의 축의 변위(Peak to Peak, ㎛)를 관찰하는 것과 다른 하나는 가속도 센서를 이용하여 진동속도(rms, mm/s)의 값을 측정하는 것이다. 이 중에서 가속도 센서를 이용하여 측정하는 방법은 베어링 케이싱에 접촉형센서(가속도센서)를 부착하고 진동계에서 값을 읽는 방법으로 가장 많이 사용되고 있는, 손쉬운 기계상태평가방법이다. 1970년 전부터 사용되던 진동평가기준은 회전수에 따라 얼마만큼의 진폭을 나타내는가(Blake chart, Rathbone chart 1939년, VDI2056 1964년)에 따라 상태를 등급화 했지만, 1989년에 개정된 ISO10816(아래표)에는 ISO2372의 기준을 포함하여 기계의 크기(동력), 종류와 지지형식에 따른 진폭으로 세분화한 것이 특징이다. 하지만, 이것도 절대적 표준은 아니며, 법적인 기준도 전혀 없으므로, 각 설비의 상태에 적합한 기준은 제조사 매뉴얼을 가장 많이 참조하며, 제조산업의 위험도 및 수준, 또는 경험에 의한 MTBF(고장빈도율) 수명판단 등에 따라 각기 달리 정하는 바가 옳다고 생각한다.

주요용도별로 정리하면 다음과 같다.

10816: 가속도센서로 측정, 속도(rms)값으로 판단, 적어도 10Hz에서 1000Hz를 포함하여 측정하여야 함, 주로 구름베어링이 사용되는 산업용기계 10816-3이 주로 사용됨, VDI2056, ISO2372, ISO3945가 모체

7919: 변위센서(Proximity probe)로 측정, 변위(Peak to Peak)로 판단, 적어도 회전속도의 2.5배 이상 주파수를 포함하여 측정하여야 함, 주로 Sleeve bearing이 사용되는 대형 고속 회전기기(2,3,4가 주로 사용)에 사용, 절대진동과 상대진동기준이 별도로 있으며 낮은 기준으로 우선 적용, Dresser-Clark선도, API611, VDI2059가 모체.

주의사항

하나의 설비 조합 유닛(Application, Assembly component)에서 측정된 수평, 수직, 축방향 DE측 NDE측 모두에서 측정된 것 중 최고 진동량(Overall)으로 평가하며 7919와 10816으로 동시에 평가했을 경우에는 더 낮은 평가로 우선 적용한다.

2021년 7월 9일 금요일

한눈에 사례 15 팬 압축기

--------------------------------------------------------------------

사례요약 5팬 압축기-일부생략

설비진동진단사례를 현상에 따라 한눈에 요약하였다. 체크하면서 패턴을 확인하며 학습할 수 있다.

번호	진단의 문제	현상	비고
1	팬 cage결함,크랙	구름베어링 제지기계 140G peak, FTF 127mm/s	팬베어링간의 misalignment
2	팬하모닉	구름베어링 Inboard측, Harmonics 전기분해에 의해 손상베어링
3	Comp aerodynamic whip	유체진동, tilting pad 0.457X, 위상차변동 0~82도, 토출단 sub harmonics	Seal에 anti-swirl공급장치설치
4	Comp 자려진동	4단원심, 4pad tilt brg, 50Hz전후 저주파진동증가, 저속축에서만 발생, 베어링제진능력부족	Preload 0.3->0.5상승, pad지지점을 후방으로이동
7	팬 공진	3600rpm, 520kW 베어링지지대 진동크고, 축방향큼, 위상각 90도변화, 베어링지지대 축방향 Fn일치	베어링지지대 하부를 H형강의 리브구조로 변경
8	Comp rubbing	스크롤압축기(에어컨 서리제거용), 급유량중단시 진동증가,기어치면 맞닿음, 편심접촉, Orbit	스프링으로 가동스크롤의 경사를 구속함(한쪽만 닿도록 스프링으로 수정)
9	comp공진	2700kW, 14293rpm, 피니언 축진동 6X증가, Fn의 3차모드가 pinion4차모드 6X와 중첩, S/W고유치해석	기어재연삭(F저감), 베어링형상변경(Fn저감)
10	Comp 불평형+Misalignment	Expander gear motor 1X, 2X

키워드	1X, 스펙트럼, 진동분석, 설비진단사례, 진동진단, 사례요약

All copyright 한국CBM written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415, www.kCBM.kr

2021년 6월 24일 목요일

자동차와 진동소음1

--------------------------------------------------------------------

자동차는 수많은 부품들로 이루어진 종합기계인 동시에 최근에는 단순한 이동수단이면서 동시에 생활공간으로까지 인식되고 있다. 이에 따라 과거의 자동차 외부로 전달되는 소음과 진동에 큰 노력을 하였던 것과는 달리 이외에 자동차 내부에서 발생하는 소음과 진동은 직접적인 차량의 품질과 관련되고 있다. 따라서 엔진 및 풍단절 소음이외에 BSR(buzz버튼전자기, squeak마찰, rattle부재충격)같은 잡소리연구에도 많은 노력을 기울여야 하며 반면에 전기자동차 같은 소음이 거의 없는 곳에서는 새로운 품질의 음발생장치도 개발되고 있다.

자동차잡소리

국제적인 자동차 품질평가기관에서도 최악품질 10개 항목에서 잡소리를 중요하게 다루고 있다. 그 잡소리의 측정은 물론 마이크로폰과 진동가속도 센서 등으로 수행하는데 음향카메라가 효과적인 추적장비로 활용될 수 있다. 한편 이 잡소리의 평가는 대표적으로 ISO및 KS에 규정된 Loudness를 이용하기도 하는데 이때에는 일정시간 측정 후 라우드니스 값의 N10(통계레벨80%상한선)을 계산한다.

다음은 자동차 마케팅사?의 2012년 한국자동차 품질백서 TGW-d worst Items 10개 항목을 정리한 것으로 이 10개 항목 중 소음과 진동에 관련된 항목이 6개가 되는 것을 알 수 있다.

소음진동관련성	순서	내용 bisope	%
y	1	주행시 바람소리	21.48
	2	공조기 작동시 냄새	20.32
y	3	차체하부로부터 이상음	10.6
y	4	비정상적 이상음	9.2
	5	엔진출력부족	8.94
y	6	타이어 편마모	8.57
	7	바닥매트 고정불량	8.33
y	8	브레이크 마찰음	8.26
	9	라디오 수신불량	7.35
y	10	변속기의 부드럽지 않은 변속	7.19

키워드	자동차진동소음, 수송기계진동, 소음진동, 라우드니스, BSR, N10

All copyright 한국CBM(주) written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415, www.kCBM.kr

2021년 6월 4일 금요일

Misalignment(축정렬불량)-3

--------------------------------------------------------------------

운전 중에 각 축의 중심이 동일 축 선상에서 벗어나 있다면 축정렬 불량인 상태이다. 이러한 축정렬 불량이 발생할 경우 축 전체에 초기 굽힘을 발생시켜 회전할 때마다 회전수 성분의 진동을 일으키며, 1차 위험속도에서 과대한 진동을 발생시킨다. 축정렬 불량의 상태는 각도성 불량과 평행선 불량의 상태로 구분할 수 있으나 이 것은 물론 운전상태일 경우를 의미한다는 것을 명심해야 한다. 왜냐하면 정지해 있을 때 정렬작업을 했으나 운전중에 어긋남이 발생할 경우가 있다. 또한 축정렬은 자동차 타이어의 정렬과 마찬가지로 작업한 이후 일정한 시간이 지나면 정렬상태가 흐트러질 수 있으므로 현상을 확인하는 것은 중요한 정비업무에 필요한 사항이다.

Misalignment의 원인

l 부적절한 조립과 설치 (Improper assembly and Adjustment)

l 기초 파손 (Foundation failure)

l 열적 증가 (Thermal growth)

l 커플링고착 (Locked coupling)

Misalignment의 특성

l 축 방향의 높은 진동 레벨

l 1X, 2X, 3X, 4X 또는 고차 배수에서 반경 방향의 높은 진동

l 커플링을 따라서 축과 반경 방향의 180° 위상차

l 회전 당 1, 2, 3 또는 4개의 선명한 피크를 갖는 반복적이고 주기적인 시간 파형

l 베어링의 과도한 온도

l 베어링의 조기 결함

l 커플링의 결함

l 밀봉점에서의 오일 유출

l 커플링 커버상의 과도한 양의 그리스

l 축의 파손

All copyright 한국CBM(주) written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415, www.kCBM.kr

키워드	축정렬불량, Misalignment, 커플링, 2X, 스펙트럼

2021년 5월 28일 금요일

유체진동-5-칼만과 록인

--------------------------------------------------------------------

유체의 와류(Vortex shedding)에 대한 진동으로는 유속’V’의 유동장에 놓인 직경 ‘D’의 후방에서 발생하는 칼만와류가 있다. 이 현상은 매우 변화무쌍한 유동유체 물리현상이며 유체의 밀도와 점성계수와도 관련이 있다. 관군을 형성했을 때 매우 큰 진동과 파괴를 유발할 수 있으며 공진(록인현상)과도 매우 밀접하다. 유체의 유기활동에 민감한 교량, 파이프관군, 초고층건축물, 수력기기 등에 설계가 감안이 되어 있다.

Karman vortex & Lock in

이 칼만와류는 유동의 직각방향으로 양력변동을 일으켜 원기둥일 경우 유동과 직각방향으로 진동한다.

여기서 스트로할 수는 상수인데 와류의 발생은 레이놀즈수 ‘Re’와 관련이 있다. 이 상수는 안정한 와류, 원기둥일 경우 0.2의 상수이며 기둥의 형상에 따라서 변동이 있다.

칼만와류의 생성을 방지하려면 기둥 후부의 형상변경, 후류제어 표면유동교란방법이 있다. 대체로 유동직각방향의 진동현상이 주요하지만 유동방향의 진동도 문제가 있었다. (1995년 12월 몬주 원자로사고, 대칭와류에 의한 유동방향진동(In line진동). 또한 배관의 군(array)에 의한 진동현상도 복잡한 연구의 결과를 보이는데 병렬로 배치했을 때 엇갈려 배치했을 때의 결과 등에 의해 다양한 공명진동도 발생한다.

유동 속에 놓인 원기둥은 칼만와류 발생주파수로 진동할 때의 상태를 강제진동으로 본다면 이 때 지지부를 포함한 원기둥의 고유진동수와 가진주파수가 일치하면 공진(Resonance)이 발생한다. 이 때 다시 유속을 올려도 진동은 즉시 멈추지는 않고 유속을 많이 올려야 진동이 작아진다. 이처럼 와류 가진주파수가 시스템의 고유진동수에 가까워지면 공진하는데 일단 진동이 커지면 와류가진주파수와 관계없이 고유진동수 성분의 진동이 지속된다. 이를 잠김(Lock in)현상이라고 한다. 따라서 칼만와류에 의한 진동은 강제진동이며 또한 자려진동이기도 하다. 이때의 대책은 다음의 예를 들 수 있다.

-기둥에 나선형 고리를 부착(spoiler)

-사각기둥일 경우 모서리에 홈을 만들어 난류를 임의형성(와류생성방해)

-원기둥 후류에 유동분리판 설치(분기장치)

-기타 발생주파수를 와류주파수와 이격(공진회피)

키워드	유체진동, 자려진동, cavitation, surging, BPF, Recirculation, 캐비테이션, 공동현상, 난류유동, 와류진동

All copyright 한국CBM written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415, www.kCBM.kr

2021년 5월 21일 금요일

고유주파수 산출방법 (Natural frequency를 확인하는 방법)

-------------------------------------------------------------------

공진(Resonance)은 고유주파수가 강제주파수(기계회전, 유체발생, 전기발생주파수 등)와 중첩되어 진폭이 상승하는 경우를 의미하므로 고유진동주파수를 미리 알아내는 것이 설계 및 Trouble shooting의 핵심이라고 해도 과언이 아니다. 이것은 안전문제뿐만 아니라 제품의 품질과 기계나 구조의 수명에 모두 해당하는 중요한 설계요소이다.

고유주파수 산출방법(Natural frequency)

먼저 고유주파수를 알아내는 방법으로 정현 주파수(Sine wave)를 sweep 가진에 의한 방법과 충격 주파수를 이용해서 Broadband가진하는 방법이 있다. 현실적으로는 기계의 속도(RPM)를 상승시켜 시간-주파수그래프(Waterfall)를 이용하는 방법과 Impact test에 의한 방법, 그리고 컴퓨터 시뮬레이션(FEM)에 의한 산출방법이 많이 사용되고 있다. 물론, 실험에 의한 해석이 시뮬레이션해석보다 정확하고 우선한다. 실험할 수 없을 경우(물체가 큰 경우)에 시뮬레이션 해석을 주로 사용하고 실험이 전제로 된 설계수정작업에 매우 적절한 방법이다. 고유주파수를 알아내는 응용방법들을 정리하면 다음과 같다.

1. 가진기(shaker)를 이용하여 주파수를 Sweep하는 방법(고가의 설비 및 부대시설 필요)

2. Impact 가진(Force sensor hammer, Bump test, Running negative averaging)

3. Speed변속 가진, 위험속도 분석(Bode, Nyquist, Waterfall, Polar plot)

고유주파수를 측정하는 방법에는 센서 선정부터 미리 준비하고 알고 있어야 할 사전지식이 많이 요구된다. 구조의 대략적인 고유방향성(비틀림포함)파악, 그래프를 읽는 방법, 가진의 실수요소, 가진 Tip의 선택, Averaging횟수, 위상(Phase)의 변화, 기여도 확인(Coherence), Sampling 등이다. 고유주파수는 우리가 보통 생각하는 어떤 구조체(기계, 구조, 시스템)에서 연성(Coupling)에 의해서 무한대의 고유주파수가 재생산되므로 모두를 알아내는 것이 아니라 내가 원하는 주파수대역의 주요 고유주파수를 알아내는 데 그 초점이 있다는 것이 키워드라고 할 수 있다.

All copyright 한국CBM written by BISOPE , vs72@naver.com, 070-4388-0415, www.kCBM.kr