4. 진동상태감시 (vibration condition monitoring)

PUKYONG NATIONAL UNIV. - 1 - Intelligent Mechanics Lab.

4. 4. 진동상태감시진동상태감시 (Vibration Condition Monitoring)

목 차

1. 진동상태감시시스템의 목적 및 종류2. 데이터의 수집3. 진동신호 측정의 종류4. 측정량(변위, 속도, 가속도)5. 변환기(transducer): 변위계, 속도계, 가속도계6. 변환기 부착위치 및 방법7. 진폭 및 주파수영역8. 기준선(baseline)9. 진동 경향(trending)


진동상태진동상태 감시시스템의감시시스템의 목적목적

진동감시는 운전중인 기계의 “건강상태” 평가를 지원

감시되는 기계유형과 중요 부품에 따라서 하나 또는 그 이상의 측정 파라메터와 적절한 감시시스템이 선택되어야 됨

목적은 고장이 일어나기 전에 수복작업(remedial action)을 하기에 충분한시간 내에 “이상상태” 의 인지

감시프로그램은 효과적인 정비비용 계획이 수립될 수 있도록 데이터를

제공


상태감시상태감시 프로그램프로그램

감시 설비의 선정, 적절한 측정시스템의 유형을 결정 후, 상태감시프로그램의 흐름도(flow chart) 이용을 권장

속도, 부하, 온도 등의 운전조건은 명확한 표현으로 수집된 진동데이터에도 반영

최소한 이러한 표현은 축 속도(rpm), 기계의 부하(동력, 유량, 압력 등) 및측정되는 진동에 영향을 줄 수 있는 다른 운전 파라미터를 포함

일반적으로 데이터 취득 시, 운전조건이 가능한 한 기계의 정격 또는 통상운전에 가까울 것을 강력히 요구

데이터는 기계가 동일한 또는 유사한 조건하에서 운전될 때 그리고 알려진 재현성이 있는 프로세스 파라미터가 취득되어야 함

이것이 무리인 경우, 데이터의 차이를 평가하기 위해서는 기계의 특성을잘 숙지해야 함


진동상태감시시스템의진동상태감시시스템의 종류종류

설치형태

영구설치시스템 (Permanently Installed Systems)

반영구설치시스템 (Semi-Permanent Systems)

휴대용 감시시스템 (Portable Monitoring Systems)

데이터 취득 방법

연속데이터 수집 (Continuous Data Collection)

주기적 데이터 수집 (Periodic Data Collection)


영구설치시스템영구설치시스템

변환기, 신호조정기(signal conditioner), 데이터 처리 및 데이터 저장장비가영구적으로 설치데이터는 연속적이거나 주기적으로 수집

영구설치 시스템의 적용은 통상 고가의 중요기계에 한정


반영구반영구 시스템시스템

영구시스템과 휴대용 시스템의 중간시스템

변환기는 일반적으로 영구 설치

전자 데이터 취득장비는 간헐적으로 연결


휴대용휴대용 감시시스템감시시스템

연속 온라인 시스템과 유사한 기능을 수행

비교적 덜 정교하고, 저렴한 비용으로 제작

데이터는 휴대용 데이터 수집기로 자동또는 수동으로 주기적으로 수집

기계의 사전 설정 위치에서 주기적인간격(주, 월 단위 등)으로 수동 측정을기록하기 위해 사용

데이터는 보통 휴대용 데이터 수집기에 국부적으로 수록되고 저장

보다 깊이 있는 처리와 분석을 위해, 데이터는 적절한 소프트웨어를 가지는 PC에 전송


데이터데이터 수집방법의수집방법의 결정결정 인자인자

기계운전의 위험정도

기계정지에 따른 손실금액

파괴적인 손상(damage)에 의한 손실

원자력 플랜트 또는 다른 원격지에서와 같은 수복과 정비의 용이성

감시시스템의 비용(구입, 설치 및 운용)

안전도(safety)

환경적인 충격(impact)


연속연속 데이터데이터 수집수집

기계의 중요한 위치에 진동변환기가 영구적으로 장착, 기계의 작동중진동의 측정이 통상 연속적으로 기록되고 저장되는 시스템

중요한 데이터나 경향치(trends)를 잃어버리지 않도록 충분히 빠른 multi-plexing rate를 제공하는 multi-plex connection을 가지는 자동진동감시시스템을 포함 가능

계측된 데이터는 이전에 취득한 데이터와 정기적으로 비교하는 것이 가능한 기계의 광대역의 정보나 스펙트럼 정보중 어느 쪽인가 한쪽을 제공하기 위해서 처리

저장된 데이터에 경보한계(alert limits)를 설정하는 것에 의해 운전자에게기계의 진동 패턴 변화(증가 또는 감소)의 정보나, 진단절차가 요구되는지의 정보를 제공 가능

기계운전자의 직접적인 이용을 위해 기계설치장소에 설치하거나 중앙데이터 분석센터에 데이터를 전송하는 원격지에 설치가능

이점은 실시간(real time)으로 온 라인 기계상태의 이용이 가능


주기적주기적 데이터데이터 수집수집

주기적 데이터 수집은 영구온라인시스템이나 휴대용 시스템으로도 가능

온라인 주기적 시스템은 multi-plexer connection을 가지는 자동진동감시시스템을 포함 가능

이 경우에 모든 채널들은 off-limit상태에 대해 차례로 주기적으로 조사

측정시스템은 영구적으로 작동상태에 있으나 감시되는 채널수와 채널당의 측정주기에 의존되는 개개 측정점들을 감시하는 데에 간격이 있고, 이들 시스템은 때때로 scanning 또는 Intermittent시스템으로 불림

영구온라인 시스템이 이용 될 수 없는 기계의 경우, 휴대용 시스템이 통상사용되고, 이들은 대부분의 경우 주기적인 감시에 적절


감시방법의감시방법의 비교비교

On-line과 Off-line monitoring의 비교

Off-line monitoringCheapDuplicationRedundancyMany linesNo maintenance staffIntensive maintenanceMore work all of the timeRetrofit easy

On-line monitoringExpensiveNo duplicationNo redundancySingle line processMany maintenance staffMaintenance freeScreen for further workInstalling for retrofit is difficult


정비프로그램의정비프로그램의 유효성유효성


진동측정의진동측정의 종류종류

진동상태감시를 위해 권장되는 측정의 종류

비회전 구조물의 진동 (stationary vibration) : 베어링 하우징, 기계 케이싱 또는 기계 밑면(base) 등과 같은 부분

상대진동(relative vibration) :회전체(rotor)와 고정된 베어링 또는 하우징 사이

절대진동(absolute vibration) :회전요소


비회전비회전 구조물상의구조물상의 진동측정진동측정

ISO 10816 시리즈에 여러 등급(class)의 기계에 대해 명확한 측정절차와계측방법을 제시.

평가 파라미터 : 광대역 RMS 진동속도(mm/sec, rms)를 적용

측정용 변환기 : 속도변환기(velocity transducer) 또는 적분회로를 가지는가속도계(accelerometer)

측정위치 : 전형적으로 수평형 기계와 수직형 기계에 표시된 각각의베어링 하우징 또는 지지대(pedestal) 위 (ISO 10816 Part 1)

스러스트 베어링이 부착된 기계 : 기계의 축방향 운동(axial motion)도감시하는 것을 권장


하우징에하우징에 대한대한 축의축의 상대진동상대진동 측정측정

ISO 7919 시리즈에 측정절차와 방법을 상세히 제시

상대변위는 회전축 또는 요소와 동일 횡평면 내의 정지요소사이의반경방향 상대진동을 측정하도록 배치된 2개의 비접촉 변환기로 측정

변환기 설치위치 : 통상 베어링이나 베어링에 가능한 가까운 위치에서로 직각방향으로 설치

변환기 위치는 기계의 동적인 힘에대해 정확한 감도를 제공해야 함

유연축(flexible shaft)의 기계와 같이베어링 보다는 다른 위치에 변환기를 설치하는 것이 타당한 경우도 있음

축의 변위측정에는 서로 90° 각도를가지도록 설치하고, 벡터해석에 의해서 최대변위와 방향이 확인될 수있도록 2개의 변환기가 필요 상대진동측정 시스템


회전축의회전축의 절대진동절대진동 측정측정

축 진동(shaft vibration) 측정에 선호되는 측정량은 진동변위(ISO 7919 Part 1)절대진동 측정이 필요한 경우 : 1) 유연지지 구조를 갖는 회전체, 2) 탄성회전체(flexible rotor), 3) 회전체의 고유진동수 부근에서 운전되는 기계

비접촉 변환기와 seismic 변환기의 조합이 바람직하고 선호되는 방법

축 접촉형 센서(shaft riding sensor)는 일부 사용되고 있으나, 주파수영역이 제한되고,축의 반경방향 위치를 제공할 수 없음

절대 / 상대진동 측정시스템(비접촉 변위계와 seismic 변환기의 조합)절대진동 측정시스템 (shaft rider와 seismic 변환기의 조합)


측정량측정량(1)(1)

진동은 변위(µm), 속도(mm/s) 또는 가속도(m/s2)의 형태로 정량화

기계의 정지부에서 상태감시를 위한 권장 측정량 : 진동속도

회전부의 상대위치와 운동을 상태 감시하는 경우 : 진동변위

구름요소베어링과 기어의 상태감시를 위한 권장 측정량 : 진동가속도이는 이들이 높은 주파수에서 결함을 일으키기 때문

측정량의 선정 시 예상되는 가진주파수에 근거를 두어야 함

유막베어링으로 지지된 회전축은 기계가 정지에서 작동으로 이동할 때에DC 또는 정적 이동을 경험할 수 있고, 비록 이 변위가 직접적인 진동성분은 아니더라도, 진동변위 변환기에 의해서 제공되는 값이고 기계의 동적인 축 진동 거동을 측정하는 기준위치를 제공하므로 기록


측정량측정량(2)(2)

고속 회전기계, 기어장치 및 구름베어링을 갖는 기계는가속도의 peak값과 속도의 rms값이 함께 감시목적으로 흔히 사용

회전부품의 절대 및 상대변위는 ISO 7919-1에 정의된 변위량에 의해 더욱 상세히 정의

Smax : 시간적분된 제로 평균위치로부터 축변위의 최대값

Sp-p : 측정방향에서 양진폭(peak to peak) 변위

상태감시에는 부가적인 진동측정과 분석이 필요• 스펙트럼분석• Filtering• 시간파형과 괘적(orbit)• 진폭과 위상의 벡터분석

주) ISO 10816과 ISO 7919는 광대역(broadband) 측정만을 기술


변환기의변환기의 선정선정(1)(1)

변환기는 개개의 적용에 의존하여 선정

일반적으로 상태감시용 변환기로는

1) 출력이 세 가지 모든 파라미터(가속도, 속도 및 변위)의 어느것을제공하도록 처리되는 가속도계

2) 출력이 변위를 제공하기위해 적분될 수 있는 속도변환기3) 출력이 기계의 회전요소와 비회전요소 사이의 상대변위에

직접적으로 비례하는 비접촉 변위변환기로 구성

특별한 환경하에서는 각각의 변환기 영역은 진단목적을 위해 주로사용되도록 확대가 가능


변환기의변환기의 선정선정(2)(2)

기계 상태 감시용 변환기의 적용 동적 범위와 주파수영역


가속도계가속도계((accelerometer)accelerometer)

기계적 진동가속도에 비례하는 출력신호를 발생하는 seismic장치

일반적으로, 가속도계는 기계의 정지(비회전)구조물에 설치

전형적으로 10kHz에서 100kHz까지의 여러 설치공진주파수를 갖는 것

이 이용가능

가속도계의 선정 : 가속도계의 설치공진주파수가 예상되는 기계의최대 가진주파수의 적어도 3배 이상이 될 것이 권장

가속도계의특성

1) 주파수범위 : 0.1Hz ~ 30kHz

2) 질량범위 : 10 ~ 200 g (전형적인상태감시용의경우)

3) 온도범위 : ~ 120C (내장형전하증폭기(charge amp.)의경우)

~ 250C (외장형전하증폭기)


속도변환기속도변환기((velocity transducer)velocity transducer)

측정되는 물체의 기계적인 진동속도에 비례하는 전압신호를 발생시키는 장치

일반적으로 속도변환기는 기계의 정지(비회전)구조물에 설치

요구되는 측정량이 변위일 때, 변위 출력을 제공하기위해 속도변환기의 출력을 적분

속도변환기의 스프링-질량특성은 일반적으로 약 4Hz~20Hz의 조립(built-in) 공진주파수를 가짐

고유진동수 부근의 주파수영역에서 변환기출력은 내부감쇠에 의존

대부분의 경우, 참 속도와 위상비례는 변환기의 고유진동수보다 아주 높을 때에만정의됨

고유진동수 이하에서 사용이 필요하다면, 적용을 위해 적절하게 교정되어야 함

10Hz이상의 고유진동수를 가지는 최근의 전용속도변환기는 1Hz까지 낮아진 고유진동수이하의 주파수범위에서 감도를 수정하는 조정용 전자장치가 설치됨

속도변환기에 대한 전형적인 주파수, 온도 및 질량 범위

주파수 범위 : 1 ~ 2000Hz온도 범위 : - 50 ~ 200 °C 질량 범위 : 50 ~ 200g


축축 변위변위 변환기변환기 (proximity transducer)

회전기계, 특히 대형 중요 터보기계와 회전체질량에 비해 지지구조물의질량이 큰 기계에서는 회전체와 고정체 구조물사이의 상대변위 측정이 필요

근접변환기(proximity transducer)는 고정된 베어링이나 기계의 하우징에

대한 회전축의 진동변위와 위치를 직접 측정할 수 있는 비접촉 장치

근접변환기는 진동운동에 대한 AC성분과 위치에 대한 DC성분을 제공

근접변환기가 변위를 제공하기위해 신호가 적분되는 seismic 하우징변환기와조합되어 사용될 때, 회전축의 절대변위측정은 두 변위신호를 벡터적으로

더함으로서 얻음

Seismic과 근접변환기로부터 출력신호의 위상변화가 다르면,

이것은 변환기의 조합을 위해 신호조정장비에서 보상

변위 변환기에 대한 전형적인 주파수, 측정 및 온도 범위주파수 범위 : 0.01Hz ~ 10kHz측정 범위 : 1 ~ 10mm온도 범위 : -50 ~ 200 °C변환기내에 통합된 발진기의 경우, 온도범위 : -50 ~ 125 °C


변환기의변환기의 위치위치(1)(1)

상태감시용 변환기의 위치는 각 기계와 그 특유의 파라미터에 의존하며, 위치를 정하기 전에 먼저 어느 파라미터가 감시될 것인가의 확인이 필요

기계 하우징의 절대진동

하우징에 대한 회전체의 진동

기계작동 중에 하우징에 대한 축의 위치

축의 절대진동

일반적으로는 베어링이나 베어링 부근의 위치, 특정 기계의 경험과실용적인 측면에서 다음과 같이 다른 위치에도 설치가능

진동의 최대치를 가장 잘 제공할 위치(예, 대형가스터빈 중간축의 mid-span)

정지부와 회전부 사이에 접촉(rubbing)이 발생할 수 있는 위치

어느 측정면이 선택되든 마모나 결함의 초기표시를 가장 잘 제공하는

각 위치(angular position)에 설치


변환기의변환기의 위치위치(2)(2)

수평형 기계 수직형 기계


기계유형에기계유형에 따른따른 측정량측정량, , 변환기변환기 및및 측정위치측정위치(1)(1)


변환기의변환기의 부착부착

기계진동의 적절한 측정은 변환기의 움직임을 정확하게 변환하는 것에 크게 의존

정밀성을 유지하는 가장 넓은 측정 영역은 고정된 센서부착방법이나, 경우에 따라서는 휴대용(hand-held) 검출기로도 충분

가속도계의 변환기 부착방법과 성능에의 영향에 대해서는 ISO 5348, Mechanical Vibration and Shock - Mechanical Mounting of Accelerometers을 참조

고정센서 부착을 위한 바람직한 방법은 변환기와 기계에 드릴로 구멍을 뚫고 피스로 2개를 조합. 정확한 기계적 고정임

피스에 의한 고정은 거의 또는 전혀 신호손실(signal loss) 없이 고주파신호를 전달할 수 있는 능력 보유

기계표면은 매끄럽고 평탄하며 깨끗하며, 특히 고주파수에서 응답신호의 전달성과정도의 향상을 위해, 표면전체에 실리콘 그리스의 얇은 코팅을 권장

피스 부착이 비현실적 또는 불가능한 경우, 접착제(cements)로 변환기를 기계표면에부착. 접착제는 경화되었을 때 높은 강성을 갖어야 하고, 탄력이 있는 접착제는 신호전송의 충실도가 감소하므로 사용되지 않음

간편한 변환기 부착 방법으로 영구자석(magnet)을 사용, 부착면의 편평도가 중요

접착제와 자석은 주파수, 온도, 진폭의 제한, 상태감시에서는 충분한 주의 사용 필요


변환기변환기 부착의부착의 영향영향

차례로 기계에 부착되는 bracket 위의 변환기를 설치하는 경우에는모든 기계적인 부착물들은 단단히 견고하게 설치하는 것이 매우 중요

부가적으로 완전 조립품, 변환기 및 bracket의 설치고유진동수는 관심 있는 최대주파수의 적어도 3배 이상이어야 함

영구적 부착 변환기를 사용할 수 없는 곳은 휴대용 검출기가 이용가능

휴대용 검출기는 주파수에 제한, 1 kHz 이상의 사용은 권장하지 않음

부착방법에 따른 가속도계설치공진주파수의 영향( 30kHz 내부공진주파수)


진폭진폭 영역영역 (magnitude range)

측정되어야 할 진폭영역은 이전의 경험이나 감시되는 특정 기계의 평가에적용되는 기준에 근거해서 선택

예상되는 최저진폭으로부터 최대진폭까지를 망라해야 함

이전의 경험이 없는 경우에는 권장되는 진폭영역의 적용 가능한 기준(즉, ISO 10816 또는 ISO 7919)을 참조

시험장비는 측정해야 할 최소 진동값의 적어도 10dB 이하의 또는 1/3의자기잡음(self noise)를 확보하도록 함과 동시에 예상되는 최대신호보다적어도 10dB 이상을 수용할 수 있도록 설계


주파수주파수 영역영역((frequency range) (1)frequency range) (1)

신뢰할 수 있는 상태감시를 위해 측정장비는 축 회전주파수 및 그 조화성분(harmonics) 만이 아니라, 베어링, 기어, 시일, 블레이드, 깃(vane) 등의다른 요소에 기인하는 진동수도 포함하도록 넓은 주파수영역(frequency range)을 망라

주파수영역은 가능하면 감시되는 특유의 기계에 맞추어져야 함

변환기의 최대선형영역을 초과해서는 안됨

변환기의 최대선형영역은 지정된 측정정도의 범위내에 있고, 변환기의교정감도(calibration sensitivity)가 일정한 주파수와 진폭의 범위

시스템의 선형 주파수영역은 최저회전주파수의 0.2배에서 최고가진주파수의 3.5배 까지를 망라(일반적으로 10kHz를 초과하지 않음)

전형적으로 최고 가진 주파수는 회전진동수와 블레이드수, 기어의 잇수또는 깃수의 곱, 구름베어링 주파수의 하나


주파수주파수 영역영역(2)(2)

권장되는 기본 주파수 영역(Eshleman)

• 축진동(shaft vibration) : 10 X RPM (Rotation Per Minute)

• 기어상자(gearbox) : 3 X GMF (Gear Mesh Frequency)

• 구름요소베어링 : 10 X BPFI (Ball Pass Frequency of Inner race)

• 펌프(pump) : 3 X VPF (Vane Passing Frequency)

• 모터/발전기 : 3 X 2LF (Line Frequency)

• 홴(fan) : 3 X BPF (Blade Passing Frequency)

• 저널베어링 : 10 X RPM

• 엔진(engine) : 12 X RPM


주파수주파수 영역영역(3)(3)

펌프의 경우 캐비테이션 가진 진동이 역시 발생, 이 영역을 초과할 수 있음

기계적인 적합성(suitability)의 경우, 10kHz가 적당

비록 변환기 제작자가 권장하는 선형사용영역(그림)을 넘어서더라도, 기어나 구름요소베어링의 경우와 같은 매우 높은 주파수 신호를 진단하는경우는 10kHz의 한계가 증가할 수 있음


위상위상(phase)

2개의 진동원 사이의 위상각은 신호를 평가할 때, 중요한 고려사항

위상은 하나의 정현진동신호의 다른 신호에 대한 각도차 또는 시간차이거나 고정된 기준에 대한 진동신호의 시간차의 척도

상태감시의 목적을 위해 위상지연(phase lag)이 일반적으로 사용

위상지연은 예로 축 위의 기준점과 진동신호의 최대진폭 또는 zero crossing사이의지연시간에 대응

축 위의 기준점(reference point)을 통과할 때, 신호를 발생할 수 있는 고정된 변환기가 위상기준으로서 사용

종종 트리거위치(trigger location)라 불리는 위상기준점의 물리적인 위치는 임의 이지만, 만약 가능하다면 축의 키 홈(keyway)이 기준점으로서 권장

키 홈이 없을 때는, 1회전 당 단지 한번씩 존재하고 뚜렷한 신호를 발생할 수 있는축 위의 어떤 다른 불연속점도 영구적인 위상기준으로서 사용 가능

일시적인 방법으로는 축에 반사테이프를 부착하고 광 센서(optical sensor)를 사용

가장 일반적인 사용은 불평형(unbalance)의 결정과 수정

부가적으로 위상측정은 기계부품사이의 상대운동의 측정을 통한 결함 검출, 열 벡터(thermal vectoring), 정렬불량의 입증, 로터 크랙, 연성효과(cross-coupling effect)의결정 및 기계공진의 동정(identification)을 포함하기 위해 사용


측정측정 정도정도 및및 재현성재현성

Type 1의 측정 : 측정의 요구되는 진폭과 주파수영역에 대해 교정감도의 5%의 허용 오차(allowable tolerance)Type 2의 측정 : 측정의 요구되는 진폭과 주파수영역에 대해 교정감도의 10%의 허용오차

요구되는 진폭과 주파수영역에 대해 교정감도의 변화가 10%를 넘어서는 측정은 만일오차 범위 이내가 되도록 특별한 주의를 기울이지 않는다면, 이 절차를 따를 수 없음

이에 따른 측정은 적절한 Type 1 또는 Type 2의 명칭을 이용해서 명기

중요한 것은 데이터의 재현성(repeatability)이므로, 데이터는 동일한 계측기, 부착방법, 감도및 교정이 요구

정확하게 알려진 보정(compensation)이 이루어질 수없다면, 기계상태신호의비교와 경향은 판단을 그르치게 할 수 있음

시스템 주파수 응답


신호조정시스템신호조정시스템

진동변환기로부터 발생되는 신호는 유용한 측정을 제공하기 위해서 어느정도의 조정(conditioning)이 전형적으로 요구

신호조정기능은 변환기 출력신호의 전류나 전압과 같이 측정 가능한 양으로의 변환 및 요구되는 측정을 위해 적절한 형태로의 신호처리를 수행

측정시스템의 복잡성에 의존해서 필요한 신호조정회로를 선택

변환기의 적분 부분

측정장비의 적분 부분

변환기와 측정장비사이의 신호경로에 있어서 분리 또는 내장된 계측기

신호처리와 분석은 ISO 13373 - 2에서 취급


데이터의데이터의 형식형식

기계의 진동상태감시를 위한 데이터는 기준선 데이터(baseline data)를취할 때 처음에 설정되는 많은 기본형식(formats)으로 분석되고 제시됨

이들 형식은 제한 없이 다음 사항을 포함• 광대역 값의 경향치• 주파수 스펙트럼 분석, • 이산주파수 스펙트럼 데이터의 경향치• 제한된 주파수대역 또는 협대역 주파수 스펙트럼 데이터의 경향치• Cascade(waterfall)분석• Bode 선도• Nyquist 또는 극선도(polar plot)• 축 괘적(orbit)

위의 데이터 분석기술과 데이터의 제시 및 보고형식의 설정에 관한보다 상세한 정보는 ISO 13373-2 및 ISO 13373-3을 참조


기준선의기준선의 정의정의(1)(1)

기준선(baseline)의 진동데이터는 장비의 작동이 만족되고, 안정되어

있을 때 측정 또는 관측된 데이터 또는 이들 데이터의 조합

모든 이후 측정은 진동의 변화를 검지하기 위해 이들 기준선의 값과 비교

기준선 데이터는 정상 운전모드와 유량(flow rate)에서 운전되는 기계의

초기 안정한 진동상태를 정확하게 정의해야 함

새로운 설비와 분해검사(overhaul)된 설비에는 길들이는 기간(wear-in period)이 있어, 최초의 수일 또는 수주간의 운전동안진동레벨의 변화를 보는 것이 일반

결국 기준선을 설정하기 전, 길들이기 기간을 할당해야 함

매우 장기간에 걸쳐 운전되어 온 기계에 처음으로 감시를 하고자 하는경우, 기준선은 경향을 보기 위한 기준점으로 설정 가능


기준선의기준선의 정의정의(2)(2)

진동과 운전데이터는 기계가 안정한 상태에 도달한 것을 확인하기위해 충분한 간격에서 취득되어야 함

이 때에 충분한 기준선 데이터가 얻어지고 기계의 운전능력(operability)을 결정하기 위해 적용 가능한 규격과 비교 됨

기준선신호는 또한 축 불안정 등의 바람직하지 않는 상태의 증거를위해 조사됨

이들 데이터는 금후 기계에 문제가 발견되어 진단되는 경우 기본이 됨

이들 데이터는 간단하게 쉽게 회복할 수 있고 안전한 방법으로 저장

기준선 진동데이터는 일반적으로 기계의 진동상태를 정의하기위해 사용되는 모든 잠재적인 진동 파라미터들로 구성

기준선의 초기 정의를 이해하면 할수록 기계의 능력저하의 적절한발견, 진단 그리고 추적의 가능성이 더욱더 크게 됨


진동기준선진동기준선 정의를정의를 위한위한 데이터데이터 종류종류

광대역(broadband) 진폭(변위, 속도 그리고/또는 가속도)

회전주파수

회전주파수의 진폭

진동벡터(진폭과 위상)

정상상태 진동신호의 주파수 스펙트럼분석

기동/정지중의 주파수응답데이터(즉, Bode선도, waterfall선도, 극선도)

축 궤도(orbit)분석

축 중심선 위치(shaft centerline position)


광대역광대역 진동진동 (broadband vibration)

만일 사전 지식이 없다면 기준선의 광대역진동은 그 기계의 모든 가진력을포함하도록 충분한 동적 영역(dynamic range)과 주파수응답을 감당하도록

요구됨

일반적으로 이것은 가장 낮은 회전주파수의 0.2배에서 관심 있는 가장 높은주파수의 3.5배의 주파수영역을 취하는 0.1~100 mm/s rms의 범위가 필요

대부분의 기계의 경우, 이 주파수영역은 계측시스템의 제한 때문에 상한10 kHz로 제한. 하한은 저속 회전기계를 제외하고 보통 10Hz

회전체의 운동과 정지부분의 광대역 진동레벨의 계측 순서는ISO 7919와 ISO 10816에 기록

기준선 데이터는 장래 기계의 평가와 진단에 참고하기위해 저장됨


굽힘진동의굽힘진동의 일반적인일반적인 원인원인(1)(1)


굽힘진동의굽힘진동의 일반적인일반적인 원인원인(2)(2)


비틀림진동의비틀림진동의 일반적인일반적인 원인원인


진동진동 경향경향((trending)trending)

경향관리프로그램의 설정 시, 측정 시간구간(intervals)의 설정이 중요

정상상태 조건 하에서 운전되는 신규 또는 최근 분해 점검된 설비에서실제적인 시간구간은 계의 위험도(criticality), 기계의 신뢰도 이력과

기록장비의 데이터 저장능력에 의해 결정

예로 연속 On-line시스템에서 만일 진동크기가 특정시간동안 변하지

않으면, 거의 변동값이 없는 것으로 간주되어 오래된 데이터는 사전설정된 폐기(dumping)가 이루어짐

주기적인 시스템의 경우, 진동이 증가하기 시작할 때 측정시간구간을줄여 감시(surveillance)를 늘리는 것이 타당

기동/정지시의 진동을 경향 감시할 때, 측정은 기계유형에 적합한특정 속도단계(step)에서 취득

비교적 느리게 가속되는 대형 기계의 경우, 속도 증분은 5 rpm 이하로이용되나, 이 샘플링 율은 높은 가속도나 감가속도를 가지는 기계의

경우는 실용적이지 않으므로 기동이나 정지동안의 연속측정을 권고


광대역광대역 경향경향((broad band trending) (1)broad band trending) (1)

축 또는 정지구조물의 진동크기에 대한 평가기준 설정 시 고려할 사항진동의 크기진동의 어떤 중대한 변화진동의 변화율

신설 기계의 경우, 어느 정도 미리 정해지고 합의된 허용치에 관한진동크기를 근거로 평가

한번 기계가 운전되고 통상의 작동레벨이 결정되면 이들 레벨만이아니라, 발생한 어떤 중요한 변화에 의해서도 평가

회전기계의 정비를 언제 계획할 것 인가를 결정할 때, ISO 7919, ISO 10816 이 결정기준을 제공하는데 이용

ISO 7919 시리즈 : 회전축에서 측정될 때 비왕복운동 기계의 광대역진동의측정과 평가

ISO 10816 시리즈 : 비회전부에서 측정될 때의 광대역진동의 측정과 평가

두 규격은 4개의 영역과 진동의 변화로 평가기준을 제시


광대역광대역 경향경향 (2)(2)

대부분의 경우, 넓은 범위의 운전속도에 대해 진동의 심각도(severity)를 나타내는데 진동속도만으로 충분함을 발견

그러나 주파수를 무시한 하나의 속도 값만의 사용은 허용할 수 없이 큰 진동변위를 일으킬 수 있고, 특히 진동성분이 1회전당 한번 탁월할 때 낮은 운전속도를 가진 기계에서 나타남

유사하게, 높은 운전속도 또는 기계구성요소에 의해 발생된 높은 주파수에서의 진동을 가진 기계에 대해 일정속도 기준은 허용할 수 없는 가속도를 발생

평가영역영역 A : 새로 설비된 기계영역 B : 제한 없이 장시간운전을

허용영역 C : 보수조치를 위한 적절한

기회까지의 제한된기간동안 운전허용

영역 D : 기계의 손상을 입힐정도의 심각한 상태


광대역광대역 경향경향 (3)(3)

진동영역은 주파수상한(fu)과 주파수하한(fl)을 나타내고, 정의된 주

파수 fx 이하와 fy 이상의 허용 진동속도는 진동주파수의 함수이고,fx와 fy 사이는 일정속도기준을 적용

특정기계형태에 대한 fl, fu, fx와 fy의 값과 평가기준은 ISO 10816의 관

련부분에서 주어짐

새로 이용된 기계의 진동은 대개 영역 A 이내

영역 B 이내의 진동크기를 가진 기계는 대개 제한 없이 장기간 운전에

대해 허용가능으로 간주

영역 C 내의 진동크기를 가진 기계는 장기간 연속운전에 대해 만족스

럽지 못한 것으로 간주

일반적으로 기계는 수복작업(remedial action)을 위한 적당한 기회까지영역 C 내에서 제한된 기간동안 운전

영역 D 내의 진동크기는 대개 기계에 손상을 야기할 만큼 충분히

심각하다고 간주


광대역광대역 경향경향 : : 경보경보 ((alarm)

선택된 값은 대개 그 특정 기계 또는 기계의 부류(class)에 대해 측정위치와

방향에 대하여 경험으로부터 결정된 기준선 크기에 비례하여 설정

경보값은 B영역의 상한의 25%와 같은 기준선보다 높은 값의 설정을 권장

기준선이 낮다면, 기준선은 영역 C 아래

새로운 기계와 같이 확립된 기준선이 없는 대부분의 경우, 초기경보값은다른 유사한 기계에서의 경험이나 일치된 허용값을 기초로 설정

일정 기간 후, 정상상태의 기준선 값이 설정되어야 하고, 경보설정은그것에 따라 조정되어야 함

어떤 경우에도 경보한계는 대개 영역 B 상한의 1.25배를 초과하지 않을 것을

권장

만약 정상상태의 기준선이 변화하면(예를 들면 기계의 분해검사(overhaul) 후), 경보설정은 그것에 따라서 수정 필요


광대역광대역 경향경향: : 비상정지비상정지(trip)

비상정지(trip)값은 일반적으로 기계의 기계적인 보전(integrity)에관계되고, 기계가 비정상적인 동적인 힘에 견딜 수 있게 하기 위해도입된 특정의 설계특성(design feature)에 의존

따라서 사용되는 값은 일반적으로 유사한 설계의 모든 기계에 대해같고, 대개 경보설정에 사용되는 정상상태의 기준선 값과는 무관

다른 설계의 기계에 대해서는 차이가 있고, 절대적인 비상정지의크기에 대한 명확한 기준(guideline)을 제공하는 것은 불가능

일반적으로 비상정지 크기는 영역 C 또는 영역 D 이내이지만, 비상정지 값은 영역 C 상한의 1.25배를 초과하지 않을 것이 권장

ISO 7919와 ISO 10816에서 권장되는 영역의 경계는 전 세계적인

산업조사의 통계적인 해석에 기초


정상범위의정상범위의 예예

이 경우 다음의 조치기준은 진동영역 A 또는 B내의 진동경향곡선에 적용

만약 이전의 데이터로부터 진동크기에 명백한 변화가 없으면, 그 때는 어떠한 조치도 요구되지 않음

만약 진동이 증가하고 있고, 직선적인 증가와, 크기가 다음의 예정된 감시이전에 정상영역의 상한을 넘지 않도록 계획되었다면, 어떠한 조치도 요구되지 않음

증가율이 비선형적이거나 또는 변화율이 미리 맞춰진 시간 틀(time frame)이내에서 이전의 수치(reading)로부터25%증가한다면, 연속적인 감시로 비율을 확정하고, 보다 빈번한 감시를계획하며 진단프로그램의 실행을고려

만약 계획된 크기가 다음 감시 이전의상한을 초과하는 것을 나타낸다면, 상한에 도달했을 때 보다 더욱 빈번한 감시를 계획

정상범위에서 진동진폭


경보영역의경보영역의 예예

이 경우 다음의 조치기준은 진동영역 C이내의 진동경향곡선에 적용

크기에 변화가 없으면, 감시간격을 동일하게 유지

만약 크기가 선형적으로 증가하고, 예정된 정비 전 또는 다음의 예정되어 있는 감시 이전의 조치의 크기를 초과하도록 계획되었거나, 또는 증가율이 비선형이라면, 연속적으로 또는 보다 빈번한 감시에 의해증가율을 확정하고, 정비를 재계획(reschedule)

재 계획된 정비 이전에 3개의 데이터점이 모이도록 하기위해 감시 빈도를 증가

문제와 요구되는 정비를 결정하기위해 진단프로그램이 권장

관찰된 진동크기가 감소한다면,격주의 감시 빈도는 지속되어야하고, 진단을 권장

경고 영역에서 진동진폭


기동기동//정지시의정지시의 진동진동

기동/정지시의 진동은 기계 열(train)의 기동과 정지동안에 취득된

진동정보를 의미

이런 종류의 데이터는 정상상태운전동안에 취득될 수 없는 기계의기계적인 상태에 대한 통찰력을 제공

예를 들면 불평형응답, 위험속도, 감쇠, 전자기적 이상현상, 마찰, 축의 크랙을 포함한 구조적인 공진과 구성부품의 공진의 존재는기동/정지 데이터로부터 가장 잘 검지되고, 해석이 가능

기동/정지의 표시(display)는 동일한 정상상태의 스펙트럼보다 더욱복잡하고, 만약 속도에 대해서 그린다면, 1회전 당 1번의 기준(reference)이 필요

진동데이터는 대개 Bode선도, Nyquist/극 선도, Campbell 선도,cascade(waterfall)선도와 같은 형식으로 표시

초기시험이 보다 폭 넓을 수록, 기계 열화(deterioration)의 적절한

검지, 진단과 추적의 가능성이 증가


과도진동과도진동 경향경향

과도상태의 표시는 동일한 정상상태의 표시보다 더욱 복잡하지만, 기계 상태변화의 존재를 검지하기위해서는 시간에 대한 진동경향이필요

복잡한 3차원 데이터의 폭넓은 해석은 정상상태운전에서 나타나지 않는이상현상(anomalies)을 검지 가능

기계의 속도가 일정하게 유지되더라도 과도운전은 환경적인조건(온도, 압력 등), 하중, 프로세스 파라미터(process parameter)등의 변화에 의해 발생

따라서 이들 요인의 변화와 관련된 과도 진동의 측정은 가능하면많은 동일한 운전조건에서의 경향데이터를 가질 것이 필요


이산주파수이산주파수 진동진동

광대역 진동은 경보의 특정 원인을 밝히기에 충분한 정보를 항상 제공하지는 않으며, 이는 특히 여러 가진 주파수가 주파수 스펙트럼에 나타나는 복잡한 장치에서 그러함. 이 때는 광대역 진동신호를 이산주파수(discrete frequency)성분으로 분해할 것을 권장

대부분의 경우, 각각의 주파수는 관련 기계부품의 운동과 서로 대응하며, 이들 진동성분이 변할 때 이상(irregularity) 또는 기계의 손상이 종종 초기단계에서도 검지 가능

이산주파수분석에 의해 검지될 수 있는 예 : 기계적 또는 열적으로 여기된 회전체 불평형,자려진동, 마찰(rubbing), 정렬변화, 베어링또는 기어손상과 크랙

실제로는, 기계의 기준 스펙트럼은 기계의신설 동안 또는 분해검사(overhaul)후에 기록하여, 기준선신호로 하고, 이 기준 스펙트럼은 어떤 변화를 검지하기위해 이후의주파수 분석과 비교

주파수 피크의 크기가 비정상적인 이상현상(anomalies)을 나타낼 때 명백한 주파수피크의 근원(source)을 평가하는 것은 중요.즉시 이를 조사하여 문제의 조기검지 가능

주파수 스펙트럼


이산주파수이산주파수 진동의진동의 경향경향

진동 스펙트럼에서 이산주파수의 경향은 진동 한계설정에 대한 보다폭 넓은 데이터를 제공

그림은 시간함수로서의 기본주파수(1x)와 조화성분(2x, 3x)의 경향에대한 전형적인 예를 나타냄

이산주파수 진동의 경향


광대역과광대역과 협대역협대역 경향의경향의 비교비교

Broadband Trending Narrowband Trending측정점으로부터 overall rms 또는 광대역 진동치를 취득 진동주파수의 특정대역에 대한 총에너지 제공

통상 10∼10,000 Hz 사이의 총진동에너지를 제공 특정기계요소 또는 고장 모드를 나타내는 진동주파수들을 이용

기계의 측정점의 Unfiltering된 전체진동값 중요기계부품의 상태를 빠르게 감시하는 수단제공

개별적인 진동주파수성분의 정보를 제공하지 않음

기계열의 측정점에서 overall 진동에너지변화를 제공 특정기계요소의 진동에너지 변화를 제공


5.5. 이상진동진단이상진동진단 (Abnormal Vibration Diagnostics)

목 차

1. 이상진동진단의 배경

2. 정상/이상 판별방법

3. 진동현상 판별방법

4. 진동원인 판별방법

5. 이상진단의 순서

6. 이상진동진단의 단계

7. 결함진단기법

8. 스펙트럼 분석


이상진동진단의이상진동진단의 배경배경

• 회전기계는 각종 장치, 설비에 널리 사용, 중요한 역할을 수행

• 안전운전의 확보를 위해 설계, 제작, 운전관리에 세심한 배려

• 예기치 않은 원인으로 각종 트러블을 경험

• 트러블 중에는 기계내부의 이상이 외적 증상(진동)으로 발현

• 회전기계의 진단에는 진동이 유력한 정보의 하나로 이용

• 통상 회전기계는 Muliti-Bearing Multi-Rotor System• 각 베어링부에 설치된 진동센서(변위, 속도, 가속도)의 검출데이터 이용

진동진단에 필요한 항목 :1) 정상/이상판별

2) 현상판별

3) 원인(요인) 판별

4) 발생위치 동정


정상정상//이상판별이상판별 방법방법

인체진단 시에 처음에 체온 측정

예 : 정상(37도 이하), 미열(37-37.5도), 가벼운 열(37.5-38도), 중간 열(38-39도), 고열

(39도 이상)

기계진단도 최초 정상(건강)/이상(병)의 판별이 필요

이상판별은 진동의 overall진폭, 주파수성분의 한계치(baseline data, reference value, threshold value)와의 대소 비교에 의한 판별이 일반적

판별의 근거가 되는 한계치가 중요

진폭한계치는 기계 종류, 크기, 운전속도 등에 따라 설정(ISO 7919)진동데이터 종류에 따른 이상판별 방법

1) 진동진폭

2) 진동진폭 변화율

3) 진동주파수성분

4) 진동진폭과 주파수성분


이상판별방법이상판별방법((진동진폭진동진폭))

측정된 overall진폭을 미리 설정한 한계치와 비교하여 정상/이상을 판별

1) 측정치 < 한계치 : 정상(normal)2) 측정치 > 한계치 : 이상(abnormal)

다른 방법에 비해 가장 기본적이고, 편리하여 감시 및 진단에 널리 사용

한계치로는 ISO 7919(구 ISO 2372, 2373, 3945) 등의 진동허용치를 사용

진동진폭의 한계치를 2단계(warning, trip치)로 설정

기계의 건전성을 3단계로 구별

정상(normal), 주의(warning, 경보) 위험(trip, 운전정지)


이상판별방법이상판별방법((진동진폭의진동진폭의 변화율변화율))

시간대비 변화율 :

진폭의 시간 미분값(기울기)

일정속도 운전시의 이상검출에 적합

실제 진폭이 한계치 이하라도 기계내부에는 적지만 이상원인이 발생

하는 경우, 이상의 조기발견이 가능

회전속도대비 변화율 :

진폭의 속도 미분값(기울기)

회전기계의 증속, 감속 등의 변속과정(과도상태)의 이상판별에 적합

이 방법은 특성상 통상 진동진폭 이용 판별법과 병용


한계치에한계치에 의한의한 이상판별방법이상판별방법


이상판별방법이상판별방법((진동주파수성분진동주파수성분, , 진폭과진폭과 주파수성분주파수성분))

진동주파수성분 :

• 이상진동발생시 회전주파수(1X)뿐만 아니라 분수조화(subharmonics) 및고차 조화성분(superharmonics)이 Overall진동에 포함

• 주파수분석이 필요

• Overall진폭 중 정상이 아닌 주파수성분이 높은 비율을 점하는 경우에 이상

으로 판정

• 회전주파수성분만이 과대한 이상진동도 있으므로, 진동진폭 판별법과 병용

• 또는 각 주파수성분마다 한계치를 설정, 상세히 판별하기도 함

진폭과 주파수성분 :• 진동진폭과 주파수성분을 이용한 판별법의 조합

• 진단정보가 2종류이므로, 정상/이상구별과 함께 이상현상의 대별도 가능

• 컴퓨터이용 진단시스템의 상시감시기능으로 이용가능


진동현상진동현상 판별방법판별방법

• 진동진단의 첫 단계는 정상/이상의 판별

• 다음 단계는 현상판별(진동현상의 종류판별) 단계

• 현상 판별법 : 진동의 종류를 변별/판정하는 진단과정

예) 체온의 변화패턴 관찰: 어느 정도 질환의 감별(병명판정)이 가능

환자의 체온변화로부터 병명을 판정하는 감별에 해당

• 현상판별의 편리한 방법: 이상진동마다의 특징을 표 형식으로 정리, 사용

예) Oil Whip: 휘돌림진동수가 축계 위험속도와 거의 같고, 회전 동기성이 없으며, 위험속도의 2배 이상에서 발생

• 이상진동마다 특징을 상세히 추출, 정리한 결과에 기초하여 실제 데이터와비교, 현상을 판별

• Decision Tree법 : 현상마다의 특징 파라미터를 이용, 판별논리를 가지분할논리형식으로 정리. 계단적으로 판단을 진행하는 형식

• Decision Table법: 진동현상과 그 특징 파라미터의 관계를 행렬형식으로 정리한 표(고장 행렬(fault matrix))를 이용. 실제 증상(특징)에 해당하는 진동현상(또는 원인)을 표 중에서 검색하는 형식


Decision Tree Decision Tree 법법(1)(1)


Decision Tree Decision Tree 법법(2)(2)

베어링 거더, 이물질9127

베어링 유막비선형

진 동

41265

Crack91254

2차적 위험속도91253

Oil whip1, 4, 7124

Steam whirl2, 5, 7123

Hysteresis whip6123

Friction whip9122

2

Rubbing1, 8411

베어링 급유 부족5133

자기적 불평형2, 3321

기계적 불평형9221

열적 불평형불평형

진 동

2, 3111

1

진동원인조건변화위상변화진폭변화회전수진동수


진동원인진동원인 판별방법판별방법

• 이상진동을 일으키는 원인을 판별

예) 불평형 진동 : 회전주파수성분이 탁월한 진동현상. 불평형을 일으키는 원인은 다수 존재

1) 평형잡이(balancing)불량에 의한 잔류 불평형

2) 회전체 부재의 결손

3) 열적 불평형(thermal unbalance)에 의한 회전체의 굽힘(thermal bent)4) 회전체와 정지부의 접촉(rubbing)

• 주파수분석은 회전주파수성분이 모두 탁월, 원인판별이 불가능

• 불평형 진동 벡터(회전주파수성분 벡터)의 시간적 변화 특징을 이용

1) 잔류 불평형 : 거의 일정. 좁은 범위내의 변화

2) 결손 : 결손발생 직후 짧은 시간동안 크게 이동

3) 열 굽힘 : 위상은 거의 일정. 진폭만 변화

4) 접촉 : 접촉위치의 변화에 따라 진폭과 위상이 모두 변화


진동벡터분석의진동벡터분석의 원인판별원인판별 ((불평형불평형))


진동형태진동형태 분석에분석에 의한의한 원인판별원인판별


이상진단의이상진단의 순서순서(1)(1)

설비에 이상진동이 발생하였을 때, 어떤 순서로 진단을 수행하는가가 매우 중요

관찰 및 측정에 시간이 필요함으로, 특히 측정 전의 사전조사가 중요

실제 진동측정에서도 최소한의 측정으로 문제를 파악해야 되고, 운전조건의 변경 등으로 이상진동이 발생하는 경우, 특히 짧은 시간 내에 측정이 필요함으로 측정점의 선택이 매우 어렵고 중요

진단의 성패는 측정점의 선택과 어떤 조건에서 수행하는가의 조합으로 결정

단계 1 : 사전조사

1) 진단기술자는 설계, 운전, 정비담당자 등으로부터 가능한 면밀히 정보를 입수

2) 무엇이 원인인가를 상정(진단전문가는 이 간접진단단계에서 거의 원인을 파악)

3) 이에 관한 자료를 수집

4) 그 결과에 따라, 다음의 현장조사에서의 중요 포인트를 결정

(1) 발생개시시간

a) 제작, 운전개시로부터, b) 어느 정도(년수) 경과 후부터, c) 개조공사, Overhaul

을 하고부터



(2) 발생조건

a) 생산량, 출력, 회전수를 변화했을 때(특히 증가하였을 때) 발생

b) 제품을 변경하였을 때 발생

c) 계절, 기후, 외부환경이 변화되면, 발생

d) 1일 중 어느 특정 시간에 발생

e) 통상 운전 시에 항상 발생

(3) 발생형태

a) 발생하면 멈추지 않는다. b) 발생하거나, 하지않거나 한다.

(4) 발생범위

a) 공장 전체 또는 설비전체, b) 특정부위 및 특정범위

(5) 기타 증상( 소음 등)



단계 2 : 현장조사

1) 사전조사단계의 정보를 기초로 바로 측정할 수 있지만, 측정전의 진동이나, 소음의발생상황을 현장에서 개관하는 것이 중요

2) 이 시점에서 어느 곳을 어떠한 조건으로 측정할 것인가를 결정

3) 이 조건의 설정은 매우 중요하며, 가장 양호한 데이터를 얻도록 한다

4) 당연히 설비 운전원을 비롯하여, 서로 관계하는 사람들의 협력이 필요

단계 3 : 측정

1) 측정은 기계의 사양이나 운전상태 등 여러 종류에 걸쳐서 수행

2) 측정점은 미리 결정하지만, 측정 중에 추가 또는 생략하거나 동시 측정하여 비교하기 쉽게 하는 등 현장에서 측정하면서 어느 정도 유연성을 가지고 대처

3) 나중에 데이터가 부족하면 곤란함으로 허용시간 내에 가능한 많이 취득

4) 문제가 단순한 경우는 간이진동계나 FFT분석기로 충분하나, 운전조건의 변경 측정시는 Data Recorder를 이용



단계 4 : 분석 및 판별

1) 회전기계는 베어링의 수직(V), 수평(H), 축(A)방향이나 기초에서, 배관계는 측정점마다 동서남북, 상하방향에 대해 측정점 순으로 진동레벨을 기록하고, 어느 점과 어느방향이 문제를 일으키는 가를 파악

2) 이때 운전조건의 변화마다 동시에 기록하면, 그 조건 변화가 어느 점에 영향을 미치는가를 파악함으로 한층 진단이 용이

3) 정밀진단시스템에 의해 중요 측정점 혹은 이상부 만에 대해 진동분석을 수행

4) 정상에서 이상으로 이행되어 갈 때의 발생진동수의 변화, 이상을 나타내는 주파수등의 정보를 파악하고, 이를 기초로 이상진동의 원인을 명확히 한다. 즉, 진동원이 무엇인가. 이에 의해 발생하는 진동이 강제진동인지 또는 공진인지를 판별

5) 올바른 추론을 위해서는 이론과 경험을 어떻게 적절히 구사하는가가 중요. 또한 정상시의 데이터와의 비교도 중요. 이를 위해 운전조건마다 진동의 변화를 파악하여 놓는다.

6) 최후로 발생 메커니즘을 이론이나 경험을 기초로 해명

주의사항: 데이터를 충실히 분석할 것. 좋은 결론을 얻기 위해서는 데이터의 임의 취사선택은 금물. 데이터를 순수하게 받아들이고, 어떤 미소한 변화도 놓치지 않는다.



단계 5 : 대책과 확인

분석 및 판별결과를 기초로 가진원의 진동레벨을 낮추도록 몇가지 대책안을 제시. 그리고 이 중에서 기술적, 경제적인 측면에서 가장 효과적인 방법을 채택

1. 강제진동의 경우

1) 공진회피 운전 : 위험속도를 정격운전속도로부터 가능한 분리(30%정도)

2) 외부감쇠 증가 : 베어링, 시일 등의 외부감쇠를 최적화하여 계의 감쇠를 최대화함으로 공진배율을 저감

3) 가진력의 저감 : (1) 잔류 불평형에 대한 평형잡이(balancing)를 수행

(2) 유체력 등의 비동기 가진력을 제거 또는 감소

2. 자려진동의 경우

1) 1차 위험속도를 가능한 높인다

2) 시일, 래비린스, 회전차 등에서의 불안정화력을 최소화(swirl breaker설치 등)

3) 베어링을 감쇠가 크고 강성이 작으며, 또한 베어링 하우징의 지지 강성차가 크도록(Kv> Kh) 직교 이방성을 크게 한다.

대책 후에 다시 한번 측정을 수행하여 충분히 목적을 달성하였는지를 확인


진동진동 진단의진단의 단계단계(1)(1)

1) FFT분석기에 의해 측정 진동수와 그 성분 조사(스펙트럼 조사)2) 발생진동수가 가진진동수의 어느 것과 같으면, 강제진동으로 진동원인의 동정 가능

발생 진동수 조사

1) 강제진동의 경우 : 공진여부

2) 자려진동의 경우 : 발생진동이 고유진동수로 진동하는지

를 확인하기위해 필요

회전체의 위험속도, 각 부분의 고유진동수 조사

1) 시간파형은 모든 현상의 원점(raw signal)2) 항상 회전펄스(기준신호)와 동시 계측, 기록이 필요

3) 파형 관찰에 의해 상당한 정보를 취득

발생진동의 시간

응답파형 관찰

1) 기계의 종류, 설치조건, 운전조건 등에 따라 각각의 여진력이 작용

2) 기계의 사양을 검토, 이를 조사하고 그 진동수를 파악

3) 가진력 크기의 파악은 매우 어려우나, 진동수 확인은 비교적 용이

가진력의 종류와

진동수의 확인

내 용단 계


진동진동 진단의진단의 단계단계(2)(2)

1) 회전수 이외에 부하, 압력, 유량 등을 변경2) 기동 후의 운전에 따른 온도변화에 주목3) 지지조건의 변경(배관계 등), 4) 부하분리 단독운전(solo test) 실시

운전조건 등의 변화에 따른 발생진동의 변화 관찰

1) 어느 부분이 많이 진동하는가, 진동모드는 어떠한가를 조사2) 회전펄스와 함께 2개소 이상의 진동을 동시 기록하고, 그 진폭과 회전펄스의 위상차를 조사3) 가진력과 진동, 기계의 운동과 진동의 관계를 조사 가능

발생진동의 모드, 위상 조사

2) 운전중의 정보를 확인하는 방법으로(1) 회전수를 변경하여 진폭변화를 관찰(2) 회전수 변경이 불가능한 경우, 기동, 정지중의 정보로 확인회전수 변화가 빠르면, 공진진폭이 충분히 성장하지않고, 피크의 위

치도 회전수가 변화하는 방향으로 이동(3) 타격시험(Hammering Test)으로 자유진동의 파형, 주파수를 분석(4) 상미동의 계측(건축물, 대형기계 등)단, 이 경우는 일정주파수의 가진원에 의한 진동피크와 고유진동수의구별이 필요

회전체의 위험속도, 각 부분의 고유진동수 조사

내 용단 계


•

실측실측 자료의자료의 조사항목조사항목

축방향의 진동분포진동모드

• 전향(forward)• 후향(backward)

휘돌림 상태

• 스펙트럼의 진폭

• 스펙트럼의 수(단수, 복수)• 회전수와 동기, 비동기, 고조화, 분수조화, 무관계

진동 스펙트럼

• 시간응답 진동파형

• Trend시간응답

• 회전수(정격운전, 기동정지 시) • 부하, 온도, 압력, 기타

발생조건

내 용항 목


결함진단기법결함진단기법(Defect Diagnostic Techniques)

FFT분석기, 데이터수집기

진폭-주파수진동주파수, 고유진동수, 측대역(sidebands), 울림(beats), 분수조화성분, 합/차주파수

스펙트럼분석

(spectrum analysis)

스트로보스코프, 디지털벡터필터,오실로스코프,FFT분석기

힘과 진동신호또는 2개 이상의진동신호사이의상대적 시간

힘/운동관계, 진동/공간관계

위상분석

(phase analysis)

디지털벡터필터, 오실로스코프

회전체-베어링의 상대변위

축 운동, 분수 동기휘돌림(subsynchronous whirl)

괘도분석

(orbital analysis)

오실로스코프

(아날로그, 디지털), FFT분석기

진폭-시간변조(modulation),펄스, 위상, 신호절단

시간파형분석

(time waveform analysis)

장비설명용도기법


스펙트럼분석스펙트럼분석 단계단계 (Eshleman)

단계 1 : 운전주파수와 조화성분의 확인

운전주파수(운전속도)성분 1X와 그 배수 주파수성분인 조화성분(harmonics) nX (n = 1, 2, … )을 확인한다(그림 1).

단계 2 : 탁월주파수성분의 확인

운전주파수의 배수 중에 탁월주파수성분이 있는지를 확인한다(그림 2). 예) 깃통과주파수(펌프), 블레이드통과주파수(홴), 기어맞물림주파수

단계 3 : 비동기 배수성분의 확인

베어링 결함주파수와 같은 운전주파수의 비동기 배수성분이 있는지를 확인한 다(그림 3).

단계 4 : 울림주파수의 확인

서로 근접한 2개의 주파수성분들에 의해 발생하는 울림주파수(beat frequency) 성분을 확인한다(그림4).

단계 5 : 고유진동수 및 전달진동수의 확인

고유진동수나 인접한 기계로부터 전달되는 주파수와 같은 운전주파수에 직접 의존하지 않는 주파수들이 있는지를 확인한다(그림 5).

단계 6 : 측대역 성분의 확인

높은 주파수 진동의 진폭을 변조(변동)시키는 저주파수 진동성분에 관계하는 측대역 성분(sidebands)이 있는지를 확인한다(그림 6). 측대역 성분은 스펙트럼에서 기어맞물림주파수와 같은 탁월주파수의주위에 일정 간격으로 나타나는 주파수성분이다.


스펙트럼분석스펙트럼분석 예예(1)(1)

운전속도와 조화성분 예

그림 1. 정렬불량에 의한 터빈발전기의공극(air-gap) 진동:운전주파수와 그 조화성분이 발생

탁월 조화성분 예

그림 2. 감속기 기어상자의 기어마모 시의가속도신호(9 MW): 운전속도의 배수인 기어맞물림주파수가 탁월주파수


스펙트럼분석스펙트럼분석 예예(2)(2)

비동기 배수주파수 예

그림 3. 구름요소 베어링의외륜결함(spall 발생)

울림주파수 예

그림 4. 보일러급수펌프에서 발생한울림(beat) : 운전속도(3300 rpm)가고유진동수에 근접


스펙트럼분석스펙트럼분석 예예 ( 측대역 성분)

측대역 성분 예

그림 6. 2단 기어감속기 상자(부적절한 end float 상태) :

744Hz 주위에 측대역 주파수가발생


5. 5. 이상원인별이상원인별 진동진동 특성특성

목 차

1. 공진(위험속도)

2. 질량 불평형(mass unbalance)

3. 정렬불량(misalignment)

4. 울림(beat)

5. 축 굽힘(shaft bent)

6. 베어링 마멸/과대 틈새

7. 접촉(rubbing)

8. 느슨함(looseness)

9. 구름요소베어링 결함


위험속도위험속도 ( Critical Speeds)

위험속도: 임계감쇠의 15%미만의 저감쇠에서 고유진동수와 가진주파수가 동일하거나근접한 상태를 공진(resonance), 회전기계에서는 위험속도라 함

충분한 구동력이 작용하여 위험속도 통과 시 가속도가 크고, 충분한 감쇠 및 평형잡이(balancing)가 되어있다면, 회전체(rotor)는 위험속도를 통과 가능. 위험속도 부근(공진영역)의 운전 시는 기계계의 감쇠능력과 위험속도에의 근접도에 따라 진동진폭이 증폭

그림 7. 전동기 구동 편지지홴(fan)의 위험속도선도(critical speed map)


질량질량 불평형불평형( Mass Unbalance)

발생원인 : 회전체의 기하학적 중심(축 중심선)과 질량중심이 일치되지 않을 때에 발생하고 반경방향의 회전력을 야기시켜 진동을 일으킴

진동주파수 : 축 1회전 당 한 번씩 발생하는운전주파수성분(1X)

위상각 : 축에 부착된 기준신호에 대하여 일정

과도한 질량불평형에 의해 베어링이나 베어링지지대(pedestal)에 비선형 특성이 발생하면, 운전속도보다 낮은 진폭의 조화성분진동(예로 2X, 3X)이 발생

수평방향의 진동이 일반적으로 수직방향 진동보다 크다. 축 방향 진동은 일반적으로 반경방향진동에 비해 미소

그림 8 모터의 질량 불평형진동


정렬불량정렬불량 ( Misalignment)

과도하게 지지된 회전체(3개나 그 이상의 반경방향 부하 베어링을 갖는 rotor)의 정렬불량은축 운전속도에서 베어링, 축, 외부 커플링에서 회전주파수의 예하중(preload)를 야기

심각한 정렬불량은 한쪽 또는 두 방향에서 비선형 베어링 거동을 야기시키고, 베어링의 비대칭성과 pedestal(또는 foundation)의 강성에 의존. 비선형 거동은 축 진동의 절단된 시간파형과 비선형적으로 생성된 2차와 고차성분을 야기. 심각한 경우, 2X 진폭이 1X보다 크게된다.

그림 9. 여자기(exciter)와 발전기사이의 정렬불량진동


정렬불량정렬불량 ( Misalignment)

• 일반적으로는 1X 성분이 제일 크고, 불평형 진동과 혼동되기 쉽다.• 정렬불량이 심각한 경우에는 2X 성분은 1X 성분보다 크게 된다. • 괘도(Orbit)의 형상은 원형에서 예하중(preload)이 작용하는 방향으로 굽혀지고

심한 경우는 8자 모양이 된다. • 정렬불량이 미소하면 괘도는 1회전 당 1회 진동의 형태가 된다. • 또한 높은 1X 성분의 축진동이 정렬불량의 증상이 된다.

그림 10. 정렬불량과 커플링의괘도(orbit)


질량질량 불평형불평형 진동과진동과 정렬불량정렬불량 진동의진동의 비교비교

축 중심선 편차, 커플링 flange, hole불량, 구름베어링 내,외륜 편심

기계적 불평형, 열적 불평형발생요인

회전방향(forward)회전방향(forward)휘돌림방향

항상 일정항상 일정위상변화

통상의 커플링에서는 회전주파수(1X)심한 경우, 조화성분(2X, 3X 등) 발생

회전주파수(1X)진동주파수

회전수 저하와 관계없이 변위진폭은 일정하거나 증가

회전수저하와 함께 변위진폭이 0에 접근

진동형태

축방향으로 진동발생 용이

판정기준:1) A >V/2, H/2 (IRD)2) 2X >1X/2, 1X >3.8mm/s (Bloch&Geitner)3) 커플링 좌우의 위상차

180+-30도 (Jackson)

주로 반경방향, 베어링구조로수평방향의 진동이 크다

내다지형에서는 축방향 진동이 반경진동과 같은 정도

진동방향

정렬불량 진동불평형 진동항목


축축 굽힘굽힘( rotor bow/bent shaft)

• 회전체의 굽힘(rotor bow)이나 굽힌 축(bent shaft)은 종종 베어링에 예하중을 가하고, 질량 불평형을 발생.

• 진동 레벨의 증가 뒤에 따르는 돌연한 감소는 rotor bow의 징후. • 보상 밸런싱은 한정된 기간동안에 연속된 운전을 허용가능. • 불균일한 열적 조건, 회전체의 처짐, 마찰(rubbing)

• 증기, 가스 터빈에서 정지 후에 발생하는 대류 냉각으로 회전체 상부와 하부에서불균일한 온도분포는 회전체를 비틀리게 하고, rotor bow를 야기.

• 회전체의 재 기동 시, 심각한 진동을 피하기 위해 정지 후에 일정기간동안 저속 회전(slow-roll)시켜야 함

• 러빙은 위험속도 이하에서 bow와불안정한 상태를 야기시킬 수 있으며,이는 축의 운동이 진동을 일으키는 힘을 가진 위상에 있기 때문

그림 11. 터빈(200 MW) 정지 시발생한 축 굽힘


베어링베어링 마멸마멸/ / 과대한과대한 틈새틈새

저널 베어링의 마멸(wear)과 과도한틈새(clearance)는 운전속도성분(1X)의 높은 진동을 야기시킬 수 있고,질량 불평형으로 오인 가능

회전체를 평형잡기(balancing)하기위해 시험중량을 부착하는 경우, 진폭과 위상이 비정상적으로 변화하여 평형잡이의 수행이 불가능

그림 12 과도한 베어링 틈새(9 MW 증기터빈 거버너 베어링)


접촉접촉 (Rubbing)

발생 부위 :

회전체와 고정부(케이싱 등) 사이의 미소 틈새부(Seal, Blade tip, Shroud)

예) 대형터빈 : Grand부(0.5mm ), 중앙부(0.8mm), 보일러급수펌프 : Wear-ring, Balance piston(0.22-0.25mm)

발생 원인 :

1) 회전상승과 함께 베어링 유막 두께가 증가하여 회전체를 부상

2) 회전체의 상하온도분포 불균일에 의한 열변형으로 thermal bent가 생기고 편심이 발생

3) 차실 상하, 좌우에 온도차가 있으면, 열변형으로 정렬불량이 발생

진동 특징 :

1) 느슨함(looseness)과 반대로 접촉동안 축계의 강성계수가 증가, 평균강성계수의 증가

로 고유진동수 변화, 분수조화공진이 발생

2) 괘도(orbit)의 향(sense)은 느슨함과 반대

3) 진동주파수는 주로 1X이고, ½X 가 비교적 발생, 1/3X, 1/4X는 약간 발생


느슨함느슨함 (Looseness)

발생부위 : 체결부, 끼워박음부, 케이싱, 베어링지지대, Base plate

특징 : 1) 불평형력이 없으면 발생하지 않음2) 회전체굽힘으로 인한 slip발생으로

회전체에 마찰력으로 작용, 휘돌림을 여기(일부 디스크의 열박음)

3) 느슨함이 심한 경우, 미소한 여진력에도 큰 진동 발생

4) 발생진동수 : 1X, 2X, 3X, 1/2X,1/3X5) 강성계수의 변화에 따라 고유진동

수가 변화, 강성계수 저하에 의해1/2X, 1/3X 또는 1/4X에 접근 분수조화공진(subharmonic resonance) 또는 고유진동수에 가까운 배수성분에서 조화공진(harmonic resonance)을 발생

그림 13 홴 저널 베어링의 헐거움


구름요소베어링구름요소베어링(Rolling Element Bearings)

구름요소(전동체)가 내륜, 외륜, cage에서 발생된 결함을 통과할 때, 충격력이발생하고 하나 또는 그 이상의 베어링 주파수들이 조합된 진동을 발생

그림 15 구름요소 베어링의 구조 및 명칭


베어링베어링 주파수주파수( Bearing frequencies)

구름요소베어링에서는 베어링형상과 운전속도에 따라 결정되는 특이한베어링 주파수가 발생

손상이 발생된 베어링은 기본적으로 4개의 결함주파수를 발생(1) 외륜의 볼 통과 주파수(Ball Pass Frequency of the outer race; BPFO)

BPFO = (N/2)W[1-(B/P)cosf](2) 내륜의 볼 통과 주파수(Ball Pass Frequency of the inner race; BPFI)

BPFI = (N/2)W[1+(B/P)cosf](3) 볼 자전 주파수(Ball Spin Frequency; BSF)

BSF = (P/2B)W[1-(B/P)2cos2f](4) 기본 열 주파수(Fundamental Train Frequency; FTF)

FTF = (W/2)[1-(B/P)cosf]

베어링 결함주파수는 회전속도로 변조되어, 회전속도 간격의 측대역(sideband) 주파수발생

어떤 경우에는 기본열 통과 주파수 혹은 볼자전주파수가 고유진동수나 볼통과주파수를 변조

결함베어링에서 발생하는 주파수는 베어링 주파수, 고유진동수 및 회전주파수의 조합


베어링베어링 결함의결함의 측정측정 및및 분석분석 기법기법

1) 베어링 결함의 진동분석은 일반적으로 속도계나 가속도계로 측정2) 모든 측정은 가능한 베어링에 가까운 하중영역(load zone)에서 수행3) 반경 베어링(radial bearing)은 반경방향 진동을 측정하며, angular contact

베어링은 축방향이 더 양호4) 베어링 결함의 초기단계에서는 이산적 주파수가 발생하고, 측대역(sideband)

은 이후의 단계에서 발생. 따라서 운전주파수와 기본열주파수의 sideband를결정하기 위한 충분한 해상도를 가진 분석기를 사용하는 것이 중요.

5) 베어링 결함의 초기단계에서 시간파형에 충격파(pulse)가 발생.

6) 베어링 주파수의 작은 진폭들이 정렬불량, 질량 불평형 및 기어 맞물림과 같은회전 결함으로부터 발생하는 상대적으로 큰 신호에 뭍일 수 있는 것에 주의

구름요소베어링의 협대역 진동분석 단계

Step 1. 베어링의 결함 주파수 계산Step 2. 진동신호의 측정과 분석Step 3. 스펙트럼에서 측대역 주파수 및 중심주파수를 확인Step 4. 스펙트럼과 시간파형의 신호 형태, 에너지 그리고 진폭을 평가


구름요소베어링의구름요소베어링의 결함결함

운전속도(RPS)의 배수가 고유진동수를 변조

고유진동수과대한

내부틈새

FTF로 변조된 고유진동수BSF 또는 FTF 및그 조화성분

전동체결함

결함초기 : 감소된 크기의 조화성분

결함성장 : 운전속도에 의해 변조된

조화성분

BPFI와 그 조화성분내륜결함

BPFO의 조화성분BPFO와 그 조화성분외륜결함

시간파형/스펙트럼 형상발생주파수결함


내륜내륜 결함결함 ( Inner race defects) 예

그림 17. 분석 2주 후의 스펙트럼1) 베어링상태 악화에 따라 측대역성분 발생2) 결함주파수와 배수성분 주위에 회전속도의

간격으로 측대역성분 발생

그림 16. 롤러베어링의 내륜 결함 진동1) BPFI 성분 : 42Hz2) 조화성분 : 84 Hz, 124 Hz, 166 Hz얇은 파편(shallow flaking)이 내륜에 발생


케이지케이지 결함결함//과도한과도한 베어링베어링 틈새틈새

그림 18. Cage 결함 진동1) FTF성분 : 6Hz2) 결함주파수와 조화성분: 78Hz, 151Hz, 224Hz3) 결함주파수 주위에 6Hz의 측대역성분 발생4) 진폭이 0.03 in/s rms로 작더라도, 베어링의

상태는 위험하고, 교체요망

그림 19. 과도한 베어링 틈새 진동운전속도의 배수성분으로 측대역성분 발생만약 틈새가 충분히 크다면, 대상기계의고유진동수가 가진

4. 진동상태감시 (vibration condition monitoring)

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