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1. 개요
Vibration. 물질의 위치 등 어떠한 물리량이 하나의 일정한 규칙에 따라 변동하는 현상을 말한다.
2. 계측방법
대부분 회전기 진동의 계측은 회전체의 반력을 직접 받으며 지지하는 역할을 하므로 인해 고장률이 높은 베어링 부분의 계측이 널리 이용되고 있다. 이는 베어링 부분의 측정이 쉽다는 점에서 오래전부터 활용되어 왔으며 많은 자료가 축적되어 있다. 그러나 Slide 베어링을 채용한 회전기계는 축진동의 계측에 의한 진동평가 방법이 많이 활용되고 있다. 베어링 부 진동계측과 축 진동계측을 비교해 본 표이다.| 베어링 부 진동 계측 | 축 진동 계측 | |
| 측정 부위 | 진동측정이 쉽다[1] | 진동측정이 어렵다[2] |
| D a t a | 많은 규격치가 brg부 전동계측 방법으로 되어 있으므로 Data가 풍부하고 한계치도 널리 알려져 있다. | Data가 부족하면 한계치의 설정이 어렵다. |
| 진동 감도 | 낮다. | 높다. |
| 계측 장비 | 가격이 싸고 각종 계측 장비가 있다. | 가격이 비싸다. |
| 측정 Data의 정도 | 측정위치 결정이 쉽고 장비가 제약을 적기 받는다. | 측정위치 결정이 쉽지않고 측정 장소의 제약을 받는다.측정위치,측정자에 따라 Data의 산포가 크다. |
특히 2차적인 피해방지 등에서 베어리부 계측보다는 현실적으로 축진동 계측이 유리하다는 판단에 의해 축진동 계측의 방법을 채택하는 경우가 많고 축진동 계측기의 신뢰성이 향상되어 회전기계의 진동평가에 최근에 와서 많이 이용되고 있다.
3. 진동 분석
일반적으로 진동분석은 일반적인 기계적 진동을 주기적으로 점검하거나 소음 현상이 뚜렷이 증가할 때 실시한다. 진동감지기가 기계에 문제가 생겼다는 경보신호를 울릴 때 주로 실시한다. 기계공구인 경우 만족한 표몬조도 또는 치수의 정밀도를 유지하지 못 한다는 것은 필히 기계적 문제가 있다는 징조인데, 이러한 경우에 실시하는 것이 바로 진동분석. 기계적 진동분석은 기계운전상태를 점검하는 예방보수 계획에서부터 시작한다. 기계내의 고장이 있으면 우리는 분석을 통해 원인을 시정조치해야 한다,진동 분석의 기초는 자료수집이다. 먼저 기계 스케치를 하고 표본측정분석을 하여야 한다. 기계의 진동 세기를 조사함으로써 다른 기기의 진동으로부터 영향을 얼마나 받았는지 알 수 있다. 분석을 통해 어느 부품이 나쁜가를 결정할 수 있다.
4. 진동의 원인
4.1. 기계적 원인
4.1.1. 불평형과 오정렬로 발생하는 진동
불평형은 진동의 가장 대표적인 원인이다. 불평형으로 발생하는 진동은 주파수가 문제부품의 회전속도와 같으며 진동의 세기는 불평형의 정도에 비례한다. 일반적으로 가장 큰 전동세기는 반경 방향에서 측정되지만. 회전자는 불평형일때 측방향으로 높은 진동이 발생할 수도 있다. 오정렬은 불평형처럼 가장 일반적인 문제이다. 자동 조심형 베어링,그리고 유연성 카플링에도 불구하고 진동이 발생되지 않게 두 축 및 그들 지지 베어링을 정열시킨다는 것은 매우 어려운 것이다. 오정렬의 조건은 카플링일수도 있지만 다른 경우에도 있다. 축과 베어링이 오정렬의 한 예인데 보통 불평형으로 인하여 오정렬된 베어링의 반작용으로 유발되는 진동처럼 반경 방향 진동이 생기게 된다. 오정렬은 백해무익한 진동을 발생시킬 뿐만 아니라 여러 부품을 가속시켜주는 결과를 나타낸다.4.1.2. 편심(偏心)으로 인해 발생되는 진동
편심은 또다른 기계적 전동발생의 일반적인 원인이다. 이 경우 축이 타원이라는 뜻이 아니고 회전축의 중심이 회전자(回轉子)축의 중심과 일치하지 않는다는 것이다. 실질적으로 편심은 불평형의 원인이 되는데 회전에서 한쪽에 무게가 치우치게 된다. 또한 모터와 발전기에는 전기적인 문제로 발생되는 진동이 있다. 권선의 단절이나 회전자 bar의 부서짐등이 고정자 중심에 위치하지 않으면 진동을 유발시키는 원인이다. 해결방법은 표준 모터 시험절차를 사용하여 육안점검을 실시하면 전기적 문제의 원인을 발견할 수 있다. 편심이나 송풍기, 펌프 그리고 압축기회전자 역시 진동을 유발시키는 힘을 발생한다. 이러한 경우 회전자에 비치는 공기역학적이거나 유체역학적인 힘이 불평형하게 작용하기 때문이다. 이들의 힘은 회전자의 무거운쪽에 작용하므로 결과적으로 불평형과 유사한 진동을 발생하게 된다.4.1.3. 왕복(往復)에 의해 발생되는 진동
왕복등 압축기, 피스톤 펌프, 가솔린 같은 기계에는 보통 원설계자체 왕복작용력과 기계의 운전에서 오는 진동을 가지게 된다. 이 고유진동은 왕복운동부품의 관성에 피스톤에 가해지는 압력의 변화로 일어난다. 왕복동기계의 진동분석은 많은 종류의 주파수가 자주 나타나므로 약간 어렵다. 주파수는 보통 RPM의 2배로 타나나는데 하지만 이렇게 높은 주파수가 나타난다는 것은 일반적인 사실이지만 이것은 피스톤수와 행정에 매우 큰 관계가 있다. 예를들면 6실린더에 4싸이클 행정인 엔진에서는크랭크샤프트의 동력 충격을 가지게 된다. 물론 이것은 3RPM의 주파수를 가진 진동을 발생한다.왕복동기계에서 과대한 진동을 일으킬 수 있는것은 기계적인 문제와 운전상의 문제가 있다. 기계적인 문제는 이미 설명한 바와 같이 불균형,축의 휨,이완 ,베어링의 고장 등이다. 운전상의 문제는 옆샘의 누설 벨브의 고착 그리고 주입기등의 문제로 볼 수 있다. 이룹분의 경우 운전상 및 기계적 문제로 인한 진동특성은 거의 같다. 그러므로 때로는 분석자료의 세밀한 평가없이는 실제의 존재하는 문제의 정확한 원인을 찾기란 매우 어렵다. 운전상의 문제와 기계적인 문제를 구별하는데에는 몇가지 방법이 있다. 점화고창 같은 운전상의 문제는 일반적으로 과대한 진동발생과 기계의 중대한 효율의 저하를 수반케 한다. 또 달리 불균형과 같은 기계적 문제는 전체적인 효율에는 약간 또는 전혀 영향을 미치지 않는다.
나아가서 운전상의 문제는 불균일한 왕복력이 작용되는 경향이 있으므로 왕복운동의 평행한 방향으로 많은 진동이 증가되지만 그 운동에 수직방향으로는 아주 작은 진동이 증가될 뿐이다.
4.1.4. 마찰(摩擦)로 인해 발생하는 진동
기계의 고정부품과 회전부품사이에서 일어나는 마찰은 회전속도 또는 2배의 주파수를 가진 진동을 유발시킨다.만약 마찰이 계속된다면 어떤 특별한 진동특성이 있을 것 같지는 않다. 하지만 실제로 마찰 현상이 존재한다면 매우 높은 주파수의 진동과 소음을 발생하게 된다. 증기터빈이나 이와 유사한 대형기계에서의 마찰을 계통의 변화가 있을떄는 한 동작에서 다음 동작으로 갈 때. 진동세기 및 위상의 변화가 크게 된다. 예를들면 3600rpg으로 돌고 있는 증기터빈이 회전속도에 맞는 주파수와 그에 맞는 안정된 진동세기 및 위상을 가지고 있다고 가정하고 1800rpm으로 속도를 감소시켰다가 다시 3600rpg으로 속도를 증가시키면 진동세기 및 위상이 자주 변화하게 된다. 이것은 마찰부분이 한 곳에서 다른 곳으로 변하고 있다는 것을 나타내는데. 물론 이러한 현상은 사전에 바란싱을 교정할 때 제거된 것이다.
이것이 계속된다면 축이 휘거나 부품의 파손 그리고 손상이 일으키게 된다.
판의 충돌로 마찰이 생겨 진동이 발생하는 경우도 있는데, 이것이 흔히 말하는 지진이다.
4.1.5. 공진(共振)에 의해 발생되는 진동
모든 물체 또는 기계의 모든 부품은 고유주파수를 가지고 있다는 것은 누구나 아는 사실이다. 예를들어 종을 때렸을 때 종은 고유주파수로 진동하게 되는데 이 계속되는 진동은 " 자유진동 "이라고 이라고 부르며 이것은 고유의 재동 때문에 나중에는 없어지게 된다. 자유진동은 따라서 강제진동시의 주파수는 기계 또는 구조물에 적용될 구동력이 주파수에 달려 있다. 모터의 강제진동은 회전자 불평행 구동력에 원인이 되는데 이러 경우에 이 강제진동의 주파수는 모터의 회전속도에 의해 결정된다.부품이 공진현상으로 진동하는지 알 수 있는 방법은 펌프 시험이 있다. 펌프 시험은 기계를 정지시켜 두고 진동에 충부한 힘으로 기계 또는 구조물을 간단하게 때리는 실험이다. 만약 진동이 매우 빨리 소멸하면 연속적으로 기계를 때려주어야 한다.
공진문제는 우연히 나타나는 현상이다. 이에 대한 해결법으로는 기계의 회전속도를 증감시키거나 실재 고유주파수를 변화시키는 방법으로 해결할 수 있다.
4.1.6. 점성(粘性)의 기동저항에 의해 발생하는 진동
점성 유체의 영향으로 진동이 일어나기도 한다. 이런 경우에는 정밀 감사를 하여 윤활유가 적절하지 않고 필요 이상으로 높아져 기동저항이 생기는 이유이다. 이런 경우에는 점도 선정치를 잘 보아야 한다. 그 후 기름을 적절한 윤활유로 바꾸어줘야 한다. 아래는 점도 선정치이다.| 검토내역 | 1120kw | 2320kw | |
| 회전 수 | 150~480RPM | 410~820RPG | |
| Shaft | de/Nde | Ø360 / Ø 300 | Ø280 / Ø 280 |
| Journal Surface Speed | de/Nde | 1782 / 1485 | 2368 |
| OIL viscosity Sua 100F | 200~250 | 150~200 | |
| OIL ISO 선정 | ISO #46 | ISO #48 | |
이와 같이 윤활유의 과다주입은 교반저항에 의한 발열 및 외부방열의 차단 등에 의한 진동이 될 수 있다. 주입량은 2개월 이상 휴지후 Re-Greasion후 가동시켜야 하고 적절한 시기에 보급량을 보급시켜야 한다. 서로 혼합되지 않는 윤할유를 주입하면 주도변경이나 최대허용속도의 감소가 일어날수 있으니 주의하자. 중주제가 가고 기유가 비슷한 윤할유는 서로 혼입할 수 있따. 그러나 동종이 아니면 혼합이 되더라도 성능이 저하될 수 있으므로 다른 윤활유를 사용할 경우에는 기존 윤할유를 완전히 제거하는게 점성의 기동저항이 생기지 않는다.
4.1.7. Thermal expansion의 의한 진동
Thermal expansion에 의한 진동도 발생한다. 부하 운전시 서서히 진동이 상승하면서 더 이상 운전이 곤란할정도로 열이 팽창되었을때를 말한다. 이는 전기적 진동이 아니다. 이 진동이 일어나는 원인으로는 로터가 전체적으로 열변색이 되었거나 링이 부하에서 반부하측으로 10mm 이동되거나 열에 밀리는 압력에 못이겨 crack이 발생할때이다. 이 원인으로는 수개월 전부처 첨두부하용으로 사용하면서 잦은 기동과 정지가 반복되고 부하측과 반부하측의 Fan에 의한 온도상승의 편차가 발생한것.이는 시원한곳에서 기계를 돌려야하고 오랫동안 기계를 돌리지 않고 좀 셔야한다.