설비진동의 측정과 분석 |
1. 개 요 |
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[3] 진동의 측정 모드 (1) 변 위 진동체가 상한점으로부터 하한점까지 이동한 거리를 전진동변위(全振動變位)라고 하며 미터법에서는 미크론으로 표시한다. (2) 속 도 |
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| 그림 2에서 추(Weight)가 움직이고 있는 한 어떤 속도를
가지고 움직이고 있음에 틀림없다. 추의 속도는 계속 변하여 상한점에서 반대 방향으로 내려오기 전에 정지하여야 하므로 추의 속도는 '0'이 된다. 이 운동 속도는 중심점을 지날 때 가장 크며 전 싸이클에 걸쳐 계속 변화하고 있기 때문에 가장 높은 속도 즉 최대 속도를 측정함으로써 구해진다. 진동에서의 속도의 단위는 mm/sec가 된다. |
| (3) 가 속
도 물체의 속도가 운동의 극한점(상한점 혹은 하한점)에서 '0'이 된다. 물체가 극한점에서 정지하였다가 다른 극한점으로 이동할 때 속도을 더하기 위해서는 가속이 필요하다. 가속은 속도의 변화율이라고 표현할 수 있다. 물체의 가속도는 속도가 '0'인 점 A에서(그림 2) 최대가 되며 물체의 속도가 증가함에 따라 가속도는 감소한다. 중심점 B에서 속도는 최대가 되며 가속도는 '0'이 된다. 물체가 중심점을 지나 다른 극한점에 달할 때 감속이 있게 되며 C점에서 가속은 최대가 된다. 진동 가속도는 일반적으로 "g"로 표시하며 g는 지표상에서 중력에 의해 생긴 가속도이다. 표준 중량 가속도 g는 980.655cm/sec2으로 되어 있다. |
| (4) 변위,
속도, 가속도의 비교 앞에서 살펴본 바와 같이 진동의 측정 모드에는 세가지가 있다. |
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진동 변위(O-P)가 A(상수)일 때 변위, 속도, 가속도의 함수는 다음과 같다. 변 위 X = A sin wt ································· (1) 변 위 V = Aw cos wt ······························· (2) 변 위 A = -Aw2 sin wt ······························ (3) 여기서 w는 w = 2 πf (f는 주파수)에서 주어진 각속도이며 t는 시간이다. 위 방정식에서 보면 변위는 주파수와 관계가 없고 속도는 A가 일정하므로 주파수와 비례하며 가속도에서는 주파수의 자승에 비례한다. 변위의 크기는 같지만 주파수가 다른 두 진동 L과 H (H 주파수 = L 주파수 x 10)에 대하여 생각해 보면, 이 두 진동은 변위를 측정해 보면 같지만 속도 모드로 측정하게 되면 진동 H는 진동 L보다 10배가 커지게 된다. 만일 가속도 모드로 측정하게 된다면 진동 H는 진동 L보다 100배가 커지게 될 것이다. 이 사실은 낮은 주파수 영역에서는 변위 모드로, 중간 주파수 영역에서는 속도 모드로, 그리고 높은 주파수 영역에서는 가속도 모드로 측정해야 함을 보여준다. 보통 변위 모드는 600RPM 이하의 저속 회전 기계에 적용을 하고 속도 모드는 600RPM 이상의 회전 기계에서 샤프트의 발라스, 커플링의 정렬 불량, 부품의 마찰, 기초 불량, 오일 휘프 등에 의한 진동을 측정하고 가속도 모드는 베어링, 기어 등의 진동을 주로 측정한다. 일반적으로 낮은 주파수 영역은 수십 Hz까지, 중간 주파수 영역은 1000Hz까지 그리고 높은 주파수는 1000Hz 이상을 가리킨다. 그림 3에서 측정 모드와 진동 주파수와의 관계를 보여준다. 일반적으로 진동계에서는 변위는 P-P 값으로, 속도와 가속도는 O-P 값으로 나타낸다. 또다른 표시 값으로는 RMS(Root - Mean - Square) 값이 있다. 이들의 상관 관계는 아래와 같다. |
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O-P 값 = 1 / 2 x P-P 값 =
1.414 x RMS 값 |
| [4]
진동 픽업 (Vibration Pick-up) 진동 픽업은 크게 세가지로 나누어진다. |
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(1) 속도형 픽업 (Electrodynamic Type) 픽업의 캐스팅 안쪽에 자석이 붙어 있고 그 안에 있는 코일은 스프링으로 지지된다. 이 구조를 seismic 시스템이라고 부르며 코일은 스프링으로 지지되기 때문에 캐스팅이 진동할 때 고정된 상태가 되고 이 자석이 캐스팅과 같이 진동하기 때문에 자석이 움직이는 속도에 비례하여 코일에 기전력이 유도된다. 이 자석식 픽업의 측정 주파수는 10 ~ 1000 Hz이지만 출력이 안정적이기 때문에 폭넓게 쓰인다. (2) 가속도형 픽업 (Piezoelectric Type) 이 픽업은 압전소자(바륨 티탄산염 또는 지르콘산 티탄산 납으로 만듦)와 weight(캐스팅 내에서 스프링에 의하여 압전 소자를 누름)로 구성되어 있다. 이것도 seismic 시스템의 한 형태로써, 압전 소자는 캐스팅과 진동이 되며 weight의 가속도에 비례한 힘을 받게 되는데 이 힘에 비례한 전압을 출력시키게 된다. 측정주파수 영역은 1 Hz 미만에서 수만 Hz 혹은 수십만 Hz까지 가능하다. (3) 변위 타입 픽업 (Displacement Type) |
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| 그림
4에서 본 것처럼 이 픽업은 대부분 비접촉으로 와류
유도 방식이다. 이 종류의 픽업 코일은 고주파의 전류를 전달하고 고주파 자기장을 형성한다. 측정할 피검물이 이 자기장 안에 놓여 있을 때 피검물과 픽업 사이의 거리에 비례하여 와전류가 유도된다. 또한 피검물이 진동할 때 진동 변위에 비례하여 코일에 와류가 유도되어 돌아오는 것을 이용하여 진동 변위를 측정할 수 있는 것이다. 측정 주파수 영역은 DC에서 수십 Hz인데 주로 터어빈 등 축 진동을 직접 측정할 때 쓰인다. 픽업의 출력은 진동의 진폭에 비례하여 속도, 가속도 또는 변위로 표시되며 전기 회로를 통해 필요에 따라 원하는 모드로 변환할 수 있다. 변위인 경우에는 변환할 수 없다. |
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| [5]진동 픽업의 고정 방법 |
| 진동 측정을 위한 픽업의 고정 방법에는 크게 네가지가 있다. |
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(1) 픽업에 rod가 달려있어 손으로 고정시키는 방법 |
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장소가 협소하거나 충분한 접촉 면적을 얻을
수 없는 가는 파이프를 측정하는 경우 그리고 휴대용
진동계로 현장을 순회하며 진동을 측정할 때 많이 쓰인다. |
(2) 픽업에 마그네트를 사용하여 고정시키는 방법 |
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피검물이 자석에 붙는 경우 마그네트 홀더를
사용하면 픽업을 간단히 고정할 수 있다. 접촉면을 매끈하게 해주고 접촉면에 실리콘 오일을 발라 주면 더 좋은 효과를 얻을 수 있다. |
(3) 픽업에 양면 테이프를 사용하여 고정시키는 방법 |
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진동 레벨과 주파수가 비교적 낮은 경우에는 양면
테이프를 사용하여 픽업을 고정하는 것이 좋을 수 있다. 양면 테이프가 진동을 흡수하기는 하나 대략 10 kHz까지 무난히 사용할 수 있다. |
(4) 픽업에 나사를 사용하여 고정시키는 방법 |
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나사를 사용한 고정 방법이 가장 이상적인
방법이기는 하나 또한 실제 사용하기에는 가장
번거로운 방법일 수 있다. 나사로 고정한 경우 토오크를 일정하게 하고 그 접촉면에 실리콘 오일을 발라준 경우 공진 주파수가 32 kHz까지 올라갈 수 있다. (1)방법을 사용할 경우 일반적으로 1 kHz 근처에서 공진 주파수가 발생하게 된다. 접촉면에서의 픽업과 피검물에서의 공진에 대한 그래프가 그림 6에 나와 있다. |
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[6]진동의 측정 지점 |
| 설비를 진단하기
위한 효과적인 진동 측정 지점은 여러 곳이 있을 수
있지만 중요한 것은 동력 발생 지점 가까운 곳에서 측정해야 한다는 것이다. 회전기류에 있어서 베어링 지점의 진동은 보통 세 방향을 측정한다. 고장의 종류에 따라 다를 수 있지만 큰 진동은 축방향보다 수직 방향에서 나타난다. |
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3. 진동 데이터의 분석 일반적으로 설비는 불규칙하며 복잡한 진동 파형을 발생한다. 그러므로 설비를 진단하기 위해서는 픽업으로부터 얻은 진동 파형을 분석할 필요가 있다. 신호를 분석하는 방법은 여러가지가 있는데 그 중 주파수를 분석하는 것이 진동의 원인을 규명하는데 가장 유용하다. 먼저 주파수 분석과 FFT 분석에 대하여 살펴보자. [1] 주파수 분석 일반적인 설비의 진동파형은 그림 8과 같이 각기 다른 진폭, 위상 주파수로 되어 있다. 주파수 분석이란 복잡한 파형으로 나타나는 진동의 각 성분을 구별하고 그 성분의 주파수와 진폭을 알아내므로 진동의 발생 포인트와 크기를 찾아 내는 것이다. |
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그림 9에서 어떤 진동 (d)는 (a), (b), (c)의 세가지
성분으로 구성되어 있다고 가정하자. (주파수 분석은
위상간의 차이와는 별개임) 진동파형 (d)의 주파수를 분석하면 (a), (b), (c)와 같이 3가지 성분의 주파수 및 진폭으로 분리하여 표시할 수 있다. 마찬가지로 그림 8의 진동 파형을 주파수 분석하면 그림 9의 (f)와 같이 된다. 이 분석 결과와 판정 차트를 사용하여 비정상적인 포인트가 어디인지를 찾아낼 수 있는 것이다. |
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[2] FFT 분석 주파수 분석에는 통상 2가지 방법이 사용되는데 Bandpass 필터를 사용한 아날로그 방법(예상되는 각 포인트의 주파수 대역에서의 진폭을 보고 이상 유무를 판정함)과 FFT를 사용한 디지탈 방법이 있다. 각 방법에는 장단점이 있지만 주파수 분해능과 분석 결과를 처리하는 면에 있어서 아날로그 방법보다는 디지탈 방법이 좋다고 할 수 있다. 특히 베어링의 경우처럼 높은 주파수인 경우 분해능이 나쁘면 정확한 진단이 불가능하므로 주파수 분해능이 탁월한 디지탈 방법이 선호된다. FFT란 Fast Fourier Transform의 첫글자(initial)에서 나온 것으로 디지탈 계산을 통하여 빠른 속도로 주파수를 분석하는 연산법이다. FFT라는 표현이 자주 사용되나 실제로는 DFT로써 디지탈 프리에 변환을 의미한다. * Kawatetsu Advantech사의 MK-500이 전형적인 FFT에 의한 설비 진동 분석기이다. |
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[3] 회전
기계의 진단 진동의 진단 작업은 다음과 같이 이루어진다. a. 진단하는 기계나 설비가 정상인지 비정상인지를 결정하기 위하여 진동의 전체값을 측정해야 한다. b. 기계나 설비가 정상이 아니라고 판단될 경우 진동 주파수를 분석하고 분석 결과로부터 어느 부분에 어떤 결함이 발생했는지를 판단해야 한다. |
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(1) 전체값(Overall)으로부터의 진동 판단
기준 어떤 경우는 오랜 경험이나 기록에 의해 진동 판정의 임계값을 정하여 기준으로 사용할 수 있다. 일반적으로는 ISO(JIS, VDI) 등의 국제 규격을 참고로 사용한다. 이러한 규격들은 판정의 기준이 될 뿐이고 모든 회전 기계에 절대적으로 적용되는 것은 아니다. 표 2는 ISO 규격의 일부이다. |
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[4] 진동 주파수 분석에 의한 기계 진단의 사례 Overall 값이 비정상을 나타낼 경우 진동 주파수 분석에 의해 어느 부분에 어떤 결함이 있는지 찾아낼 수 있다. 표 3은 진동 주파수의 성분, 이상의 원인 및 부위 등의 관계를 보여준다. 이러한 관계는 오랜 시간의 경험과 기록을 통하여 얻어진 것이다. |
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롤 베어링의 경우에 경험이라기 보다 이론상의
관계로 볼 때 표 3에서 주어진 이론적인 주파수보다
때때로 더 높은 주파수(하모닉 주파수)에서 나타나기도 한다. 언발란스가 작은 상태에서 나타나는 진동 성분보다 언발란스가 크거나 축 정렬 불량, 베어링의 마모, 작은 결함으로 인한 주파수 성분이 보다 높은 주파수에서 나타나는데 기계 진단시 유의해야 할 사항이다. 다음은 현장에서 자주 일어나는 언발란스, 커플링 정렬 불량, Uneven Installation, 축의 휨, 베어링 손상 등의 주파수 분석에 관한 것이다. |
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| (1) 언발란스 (발란스 불량) |
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중력의 중심이 회전기의 중심과
일치하지 않을 때 원심력에 의하여 언발란스가 일어나는데
샤프트의 회전 속도 주파수(RPS)에서의 높은 레디얼(radial) 진동이 특징이다. 이 경우 진동의 크기가 작을 때 상대적으로 문제가 되지 않지만 진동이 클 때는 문제가 심각해진다. 그림 12처럼 밸런스를 수정한 후에는 진동이 1/3 정도 축소된다. |
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(2) 커플링 정렬 불량 샤프트의 회전 속도 주파수 F0와 Bent Shaft의 경우에서 볼 수 있는 2F0, 2F0 ..... 등에 의한 특징을 갖는 진동 성분이 된다. 이 경우 주로 축 방향의 진동으로 나타나게 된다. 그림 13과 같이 축 정렬 불량을 수정한 후에는 F0 성분의 진동만이 축소된다. |
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(3) Uneven Installation 기초 볼트가 풀려 있을 때 나타나며 언발란스의 경우처럼 비정상적인 상태는 샤프트의 회전 속도, 주파수에 의해 특징을 갖는데 진동 모드는 수직 방향보다 축 방향에서 나타나게 된다. 이런 진동은 기초 볼트를 조임으로 줄일 수 있다. (4) 롤 베어링의 손상 롤 베어링의 결함은 크게 세가지로 볼 수 있다. Outer race, Inner race, Ball 혹은 Roller의 결함이다. 각각의 경우 관련된 진동 주파수가 표 3에 나와있다. 주파수 성분은 높은 곳에서 나타난다. 진동 모드는 주로 수직 방향이다. For, Fir, Fb 등의 기초 성분과 이들 결함으로 인한 F0의 증폭된 2차 주파수가 함께 나타나지만 베어링의 결함 부분을 교환하면 거의 사라진다. (5) Bent Shaft 샤프트의 회전속도 주파수 F0, 2F0, 3F0의 수직 진동에 의해 특징을 갖는다. 이 경우 샤프트를 대체함으로 진동을 줄일 수 있다. |
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4. 결 론 |
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앞에서 서술된 것처럼 설비의 이상
상태는 온도의 이상 상승, 진동과 소음의 변화를
수반하여 나타나게 된다. 이 중 진동값만이 ISO에 따른 규격을 가지고 있고 (표2) 판정 기준이 되므로 이를 적용하여 효율적인 설비의 예방 보전을 할 수 있다. 또한 진동 장비로 측정한 전체값(Overall)을 표2, 그림 10과 비교하여 설비의 상태를 판정하고 진동 장비가 DFT기능을 갖추고 있다면 진동을 표 3에 의하여 분석함으로써 설비 진동의 원인을 규명하고 보수할 수가 있다. 근래의 진동 장비 중에는 현장에서 진동을 측정하고 메모리한 다음 사무실에 있는 PC에 전송시켜 진동값을 일별, 주별, 월별로 관리할 수 있도록 되어 있는 것들도 있으므로 이와같은 장비를 사용한다면 보다 효율적인 설비의 예방 보전이 가능할 것이다. |
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* 본 paper는 일본 Kawatetsu
Advantech사에서 제공한 것을 엠케이씨코리아에서 번역한
것임. Download : data.pdf |
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