9.4 스파이크 에너지 측정

Spike Energy Measurements

 

Spike Energy란 “짧은 시간 동안에 금속간의 충격 및 구조물을 통하여 전달되는 불규칙 진동에 의하여 생기는 진동 에너지”라고 정의 되어왔다. 다음 내용은 Spike Energy 측정이 구름 베어링의 상태를 평가하는데 얼마나 유용한지를 보여준다.

베어링은 가장 정밀하게 만들어진 부품 중의 하나이므로 좋은 베어링의 진동의 크기는 다른 기계 부품보다도 아주 낮아야 한다. 베어링 결함 진전의 초기 단계에서는 베어링 진동은 다른 부품에 의한 진동에 파묻힐 만큼 아주 낮다.

여기서 중요한 점은 진동속도나 가속도의 Overall 즉, Filter Out 측정으로는 베어링 상태가 임계점에 이를 때까지는 결함의 특성을 때로는 보여주지 못한다는 것이다. 그래서 총진동의 측정이나 감시로는 진전되고 있는 베어링의 문제점들에 대한 충분한 경고가 되지 못한다.

그림 10-36에서와 같이 베어링 Raceway 또는 Rolling Element 상의 결함은 베어링 부품간에서 간헐적인 충격의 원인이 된다. 이들 짧은 충격은 여러 베어링 부품들의 공진 주파수들을 여기한다.

그림 10-36 결함 베어링에 의한 Spike Energy의 모양

 

또한 Spike Energy를 측정하도록 진동계를 조정하여 놓으면 5,000 ㎐(300,000 cpm)이하의 어떤 잔류 주파수 성분도 배제하는 High-Pass Filter를 받아들인다. 따라서 기계의 불평형이나 Misalignment와 같은 문제점에 의한 진동 증가로 인하여 Spike Energy 값의 증가 원인이 되지 않는다. 환언하면 이런 계측기의 Spike Energy Mode는 결함 베어링의 특성인 충격과 불규칙 진동력에 응답하도록 설계되어 있다.

그림 10-37은 기계 표면에 부착한 가속도계이다. 베어링 충격에 의한 에너지는 여러 통로를 지나 기계 바깥 표면으로 전달된다. 가속도계 Pickup에서 이 신호의 진폭은 아주 낮지만 Spike Energy 계측기의 특수한 신호처리 회로가 있어 이 신호를 수치로 전환할 수 있다. 이 값은 g-SE 단위로 표현된다

Oscilloscope 상에서 시간파형으로 베어링 진동을 관찰하여도 특정 베어링 주파수들을 검출할 수 있다. 그림 10-38의 시간파형은 Inner Raceway상에 이미 알고 있는 결함을 가진 베어링으로부터 취한 것으로 구름요소가 결함부를 통과할 때 화면에서 분명히 볼 수 있는 Spike를 일으킨다. 그리고 화면의 주기를 기록하면 진동주파수도 쉽게 구할 수 있다. 이와 같이 진동주파수를 구하면 이것과 베어링의 계산 회전 주파수와 비교할 수 있다.

Oscilloscope 화면에 나타난 진동신호는 Inner Race상의 결함이 회전하기 때문에 진폭이 변화하며 따라서 베어링에 설치된 진동 Pickup에 관하여 그 위치도 계속 변화한다. 진폭의 변화는 규칙적인 정현파로 나타나기도 하고 또한 다소 불규칙하게 나타나기도 한다.

그림 10-37 베어링 결함은 진동(Spike Energy)을 일으킨다.

 

그림 10-38 베어링 결함의 Oscilloscope 화면

 

(1) 측정 절차

Spike Energy의 측정 이력이 없는 기계에서는 베어링 상태의 변화를 Tracking이나 Trending한 값을 사용한다. Spike Energy 값과 베어링 고장간의 상호관계는 실 경험에 의해 확립되어야 한다. 이 상관관계가 일단 확립되면 실제 베어링 상태를 알아내기 위한 Spike Energy 측정치의 사용 기준을 가지는 것이 된다.

어떠한 경우에도 Spike Energy 측정 기준치만으로 기계를 정지하는 것은 추천할 수 없다. 가속도나 속도와 같은 다른 진동변수를 적어도 하나를 검토한 후에 판단을 해야 한다. 그 이유는 기계의 운전조건의 변화에 따라 주기적인 Spike Energy 측정치가 크게 변화할 수 있기 때문이다. 베어링 결함뿐만 아니라 증기량, 난류, 고압 공기량 및 케비테이션도 Spike Energy 신호를 발생시킨다. 따라서 이들 운전변수의 변화도 측정한 Spike Energy 신호들의 변화를 일으킬 수 있다.

예를 들면 베어링에서 Spike Energy 값의 갑작스런 증가는 긴박한 고장을 나타내는 것이라고 믿게 된다. 그러나 진동 가속도나 속도 측정치가 크게 증가하지 않은 것으로 나타나면 갑작스런 Spike Energy 값의 증가는 베어링의 변형이라기 보다는 기계 운전상태의 변화(예를 들면 케비테이션)의 결과일 수도 있다.

기계상태를 판단하는 제2의 기준 선택은 기계의 기능에 따라 다르다. 고속기계는 진동력에 의해 쉽게, 크게 영향을 받으므로 가속도 측정이 훌륭한 지침이 된다. 상대운동이 운전에 영향을 미치는 저속기계에서는 변위가 Spike Energy에 대한 후비 측정으로 좋다.

(2) Pickup 설치 방법

Spike Energy 측정치의 정확성 및 반복성을 확실히 하기 위해서는 어떤 필요조건을 만족시키는 것이 특히 중요하다. 이런 관점에서 Pickup 설치시 사용되는 기술이 특히 중요하다. 그림 10-39는 여러 가지 설치방법을 그린 것이다.

그림 10-39 Spike Energy Pickup의 설치 방법

 

Stud Mounting(또는 강력 접착제로 부착)은 기계표면에 가속도계를 부착시키는 유효한 방법이다. 이 기술의 주된 이점은 기계로부터 Pickup으로 낮은 진폭, 높은 주파수 진동을 전달하는 최상의 경로가 된다는 것이다. 그러나 이것은 부착을 신속하게 할 수 없기 때문에 주기적 점검용으로는 일반적으로 적합치 않다.

다른 방법으로 Magnetic Holder를 사용하는데 이것은 주기적 점검용으로 사용하기에는 보다 단순하지만 기계와 가속도계간의 진동 Energy 손실이 다소 있다. 따라서 동일 위치에서 Stud Mounting으로 측정한 Spike Energy 값보다는 낮을 수 있다. 반복성을 유지하기 위해서는 측정할 때마다 정확히 동일한 위치에 Magnetic Holder를 위치시키도록 주의를 기우려야 한다.

세 번째 방법으로는 Hand-Held Probe를 사용하는 것이다. Spike Energy 값은 통상 앞의 2가지 방법보다는 낮다. 이것은 주로 Probe의 감쇠 때문이다. 또한 주기적 점검시 값의 반복성은 Probe를 제자리에 일관성 있게 위치시키느냐에 따라 다르다. Hand-Held Probe는 다른 방법을 사용할 때보다도 베어링에 아주 가깝게 위치시킬 수 있는 이점을 가지고 있다.

Pickup 설치방법을 포함하여 동일 조건하에서 값을 취하지 않는 한 동일 위치에서 측정한 Spike Energy 값이라도 비교해서는 안된다.

측정시마다 정확히 동일 위치에 가속도계를 부착시키는 것이 중요하다. 부착되는 가속도계 주위에 Paint로 원을 그려 놓으면 다음 측정시 동일한 위치에 다시 부착하는 것이 쉽다.

측정되는 표면은 청결하고 이물질이 없어야 한다. Paint나 Grease 같은 표면의 재료는 가속도계 밑에서 Spring 역할을 하므로 공진 주파수를 낮추며 고주파수의 Spike Energy 진폭을 감소시킨다. 또한 표면은 가속도계가 부착됐을 때 떨리지 않도록 평평해야 한다. Stud Mounting을 사용할 때 그 축이 표면에 직각이 되도록 하여 가속도계도 표면상부에서 직각이 되도록 해야 한다.

가속도계와 설치표면 사이에 Silicon Grease나 윤활유를 약간 도포 한다. 이렇게 함으로써 강성 및 비압축성 층이 형성되어 고주파수 진동이 전달된다. Magnetic Holder를 사용할 때 설치표면에 Oil을 약간 도포하면 고주파수 전달이 개선된다.

 

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