9.2 스파이크 에너지와 쇼크 펄스

Spike Energy and Shock Pulse

 

초음파 계측기는 대략 25,000~100,000 ㎐(1,500,000~6,000,000 cpm) 주파수 범위 내에서 에너지 크기를 측정하도록 설계되어있다. 여기에는 Spike Energy와 Shock Pulse가 포함된다. 이들 두개의 변수들은 각각 1970년도에 개발되었고, 설치된 진동변환기 자체의 공진 주파수에서만 고주파수의 문제점 근원에 대해 기계적 및 전기적으로 응답하도록 설계되어 있다. Spike Energy와 Shock Pulse에 대한 유효범위는 그림 10-33에 나타낸 바와 같이 5,000~50,000 ㎐이다. Spike Energy 측정용으로 현재 우수한 가속도계는 약 30,000 ㎐의 고유주파수를 가진다. 유사하게 Shock Pulse 변환기내에 있는 기준질량은 대략 32,000 ㎐의 공진 주파수에서 응답하도록 설계되어 있다.

이런 기술들은 모두 규정대로 측정한다면 가치 있고, 베어링 마멸의 초기단계를 검출하는 유용한 도구로써 쓰일 수 있음이 증명되어 있다. 베어링이 처음 마멸하기 시작할 때 그들은 부품들(구름요소, 베어링 Race 및 Cage) 자신의 고유진동수를 가진하기 시작한다. 이들 고유진동수들의 한 Set는 500~2,000 ㎐(30,000~120,000 cpm)의 범위 내에 집중되어있다. 다른 한 Set는 SPM 및 Spike Energy 변환기의 고주파수 부근의 초음파 주파수 이내에 있다. 따라서 초기 마멸이 구름 베어링 내에서 시작할 때 베어링 부품들은 충격이 가해지기 시작하여 SPM 및 Spike Energy 변환기의 고유진동수를 가진하는 것과 같이 자신들의 고유진동수도 가진 한다. 초음파 응답을 발생시키는 기본적인 결함 Mechanism은 다음 사항을 포함한다.

① Misalignment, 과부하, 부적절한 Sealing 및 부적합한 조립에 기인한 피로 또는 과도한 응력으로부터의 미세조각 및 균열

② 불충분한 윤활에 의한 표면의 거칠기

③ 베어링을 통하여 전류가 흘러 생긴 경질입자에 의한 Micro Pitting에 의한 표면의 움푹 파임.

Spike Energy의 경우 가속도계는 30,000 ㎐의 설치 고유진동수를 가지도록 설계되어 왔다. 베어링으로부터의 Sharp Pulse 및 광대역 불규칙한 초음파 가진은 가속도계 설치가 Stud-Mounted, Magnetic-Mounted 또는 Probe-Mounted 어느 것이든지 가속도계의 고유주파수를 가진하게 된다(분명히 Stud-Mounting은 가장 높은 Spike Energy 크기와 가장 반복성 있는 결과를 준다). 그러나 이들 3가지 Mounting 모두가 Spike Energy 값을 제공한다. 측정자가 Stud로부터 Magnet 또는 Probe Mount로 이동할 때 진동측정 질의 결과에 어떤 일이 발생하는가를 생각하면 다소 의문점이 생긴다. 그러나 초음파 고유진동수 Set를 나타내는 구름 베어링에서 취한 경험적인 자료에 의하면 이 Set는 "Free-Free" 상태에서나 기계에 설치된 베어링에서나 별 차이가 없음을 보여주고 있으며 이러한 현상은 Spike Energy의 경우에도 같이 나타난다. 비전문가들은 Spike Energy는 들어오는 초음파 진동이 가속도계의 고유진동수를 가진하고, 이것이 다시 전자적으로 조정되고 여과된 전기적인 전압응답이 발생하여 최종적으로 충격 에너지로 전환될 때 발생한다고 설명한다. 이 충격 에너지는 들어오는 충격속도에 비례한다. 이것은 아마도 마찰측정 변수로는 가장 좋은 생각일 것이다.

높은 주파수에서 작용하는 이들 Pulse는 구조물을 통하여 신속하게 전파한다. 베어링의 경우 이들 탄성파 Energy Pulse는 베어링 및 주변의 구조물을 통하여 철에서의 음파 즉, 탄성파 (17,549 ㎞/hr)의 속도인 거의 4,880 m/sec 속도로 전달한다. 이 충격파가 2개의 재질 즉, 구성품의 접촉면에서 만날 때 많은 Energy를 상실한다. 이 접촉면은 Bearing Outer Race와 그 하우징 사이 또는 하나의 기계 부품과 이를 조인 부품 사이의 영역이다. 이들 초음파가 접촉면과 만날 때 에너지의 일부는 통과하고 또 일부는 반사된다. 반사된 에너지량은 여러 인자들에 따라 다르다. 즉, Pulse의 예리함, 경계면에서 금속간의 차, 진동 Source들이 어떻게 촘촘히 서로 일치하는가에 따라 다르다. 일반적으로 전형적으로는 에너지의 대략 60%~80%가 각 접촉면에서 반사된다. 따라서 이것은 측정 초음파 변환기를 가능한한 베어링에 가까이 설치하는 것이 왜 중요한지를 설명하고 있다.

이 에너지 손실은 취약점으로 간주되지만 장점도 가지고 있다. 예를 들면 베어링이 손상 되었을 때 그 진동의 대부분은 이 베어링 내에 존재 할뿐 아니라 다른 구조물이나 베어링으로도 전달된다. 한편 초음파 에너지는 상당히 국한되어 있어 문제점을 가지는 특정 베어링을 격리하기가 쉽다.

여기서 Spike Energy와 Shock Pulse는 베어링 마멸에 응답 할뿐만 아니라 다음 사항들 각각에 대하여 초음파 측정에도 응답한다는 사실을 아는 것이 중요하다.

• 베어링 마멸

• 베어링 윤활

• 케비테이션

• Rotor 또는 Seal Rub

• 벨트의 끽끽거리는 소리

• Gear Meshing

• Guard와의 Sheave Rub

• 증기 및 고압공기의 흐름

• 기계부품의 충격 가진 (예: 왕복동 기계에서의 Valve)

초음파 측정은 이들 모든 문제점들에 응답하기 때문에 보다 널리 사용된다. 어떤 경우에는 그 문제점이 베어링으로부터 기인된 것인지 아니면 위에서 언급한 여러 진동원에 의해 기인된 것인지 혼동이 된다. 그러나 초음파 에너지는 신속하게 방산 된다는(대단히 국한된다는) 사실을 알고 있으면 문제점을 진단하는데 도움이 될 수 있다. 예를 들면 펌프의 경우에 만일 Spike Energy가 양쪽 베어링에서 높으면 케비테이션이나 Seal Rub가 발생하고 있을 가능성이 높다. 만일 운전원이 자갈 소리 같은 것을 듣는다면 이는 케비테이션의 경우가 매우 유력하다. 한편 동일 펌프에서 Spike Energy가 그 베어링중 한 곳에서만 높았다면 이 베어링에서 마멸 또는 윤활상의 문제일 가능성 있음을 시사한다.

마지막으로 초음파 측정은 다음 사항에 대해서는 응답하지 않는다는 것을 아는 것도 중요하다.

• 불평형

• Misalignment

• 축의 휨

• 전기적인 문제점

• 편심 로터

• 공진

• 구조물 이완 또는 취약

• 맥놀이 진동

Shock Pulse나 Spike Energy가 위의 문제점들에 응답하지 않는 이유는 이 문제들은 보다 낮은 주파수 진동을 일으키는 경향이 있기 때문이다. 그림 10-33에서 보는 바와 같이 SPM이나 Spike Energy는 유효범위인 5,000 ㎐(300,000 cpm) 이하에서는 확인하지 못하지만 베어링 윤활, 케비테이션 및 Rub와 같은 문제들을 찾아내는데는 대단히 유용하다.

이러한 기술들도 또한 어느 정도의 불리한 점을 가지고 있다. Shock Pulse의 경우 Bearing Bore와 rpm(또는 베어링 형식과 수량)은 참고기준으로써 반드시 알아두어야 한다. Shock Pulse 계측기는 통상 초음파 측정만 하기 때문에 보다 낮은 주파수의 문제점을 나타내는 진동값(특히 여과된 진동 스펙트럼)을 얻기 위해서는 또 다른 계측기가 필요하다. 또한 Shock Pulse 계측기는 예방정비 Software에 아직은 포함되어 있지 않기 때문에 하나의 경향분석도표에서 진동과 Shock Pulse 값들을 직접 비교할 수 있는 PMP Software에 이 측정치들을 저장하고 경향분석을 하기 원한다면 이 값들은 이들 Program내에 수동 입력시켜야 한다(그러나 SPM은 Shock Pulse 값 자체만을 경향분석하기 위한 Software는 있다).

그림 10-33 Spike Energy와 Shock Pulse에 대한 일반적인 주파수 응답.

Spike Energy의 경우 이의 단점의 하나는 특정 가속계만을 사용하여야 참값을 얻을 수 있고, 증기가 있는 곳에서 Spike Energy 값을 취할 때 증기 자신이 다양한 값을 발생시킬 수 있다는 것이다.

한편 Shock Pulse와 Spike Energy 값은 측정시마다 동일한 점에서 값을 취해야 한다(만일 그렇게 하지 않으면 경향분석이 변화해 버린다). 이렇게 함으로써 측정시마다 자료의 정도, 신뢰도 및 반복성을 향상시킨다. 또한 그 값이 Magnet 또는 Stud Mounted 대신 손으로 잡아 취해진다면 측정자에 의해 변환기에 가한 힘으로 다소 더 높게 또는 더 낮게 지시될 것이다. 이 두 경우에 만일 값들을 Stud Mounted 위치에서 취할 수 있다면 그 경향은 상당히 개선될 수 있을 것이다. Spike Energy 값은 Stud Mount 보다는 못하지만 Magnet Mount를 사용하여도 좋은 반복성을 가진다는 것이 증명되었다.

어느 경우든 초음파 측정은 고속기계나 고주파수 진동원 (구름 베어링, 기어 등)을 가지는 저속기계에 추천되고 있다. 이것은 특히 초기 단계에 때로는 다음 단계에서도 달리 눈에 띄지 않은 많은 문제점을 찾아내는데 대단히 유용하다. 베어링의 경우 이들 도구중 어느 것도 성능감소 4 단계중 첫 번째 단계에서 문제점을 찾아 낼 수 있다. 마지막으로 이들 초음파 변수의 각각에 대하여 개발된 Severity Chart가 있다. 그림 10-34 및 10-35는 Spike Energy와 Shock Pulse 각각에 대한 Severity Chart 예 이다.

그림 10-34 구름 베어링에 대한 Spike Energy Severity Chart

그림 10-35 구름 베어링을 가지는 기계에 대한 진동과 IFD 일반허용 도표

 

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