6. 벨트 구동장치

Belt Drivers

 

벨트로 구동되는 기계의 진동은 왕복동 압축기와 같이 근원적으로 고진동이 발생하는 것으로부터 공작기계의 스핀들 같이 아주 낮은 진동이 요구되는 것까지 아주 다양하다. 그렇지만 만약 적절한 예방책이 취해지면 대부분의 벨트 구동기계의 진동을 감소시킬 수 있다. 아마도 벨트 구동기계의 진동을 좌우하는 3대 요소는 다음과 같을 것이다.

• 활차의 정렬

• 활차의 동심도

• 활차의 제작 및 부착 방법

 

만약 이런 요소들을 주의 깊게 고려하면 벨트 구동장치에서 고질적인 고진동 문제가 발생할 이유는 없다. 특별히 진동 분석에 의하여 탐지 가능한 벨트 구동장치의 문제를 논하기 전에 먼저 벨트 구동 장치에 대한 일반적 사항을 언급하고자 한다.

① 그림 11-43에서처럼 벨트 방향과 일치하여 반경방향 진동을 측정하는 것이 가장 좋다.

② 조절 방식의 V벨트 활차는 심한 진동이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 벨트 및 활차의 손상이 쉽게 발생한다. 이런 장치들은 고질적인 진동 문제를 갖고 있는데 그 이유는 활차면들을 서로 평행으로 유지하기가 불가능하여 회전할 때마다 벨트가 홈에서 부드럽게 끼워지거나 빠지지 못하기 때문이다. 그 결과 벨트 인장력의 변화가 발생하고 이것이 고진동을 유발하며 벨트와 활차의 마멸을 촉진시킨다.

그림 11-43 벨트 구동 장치의 올바른 측정

 

③ 벨트 구동 장치에서 다른 중요 요소는 활차 편심의 총 량이다 (즉 Runout). 불행히도 일반 기계에 사용하기 위하여 구입하는 활차는 거의 항상 일반 회전기기에 사용되는 다른 회전 부품보다 훨씬 큰 편심을 갖고 있다. 그 결과 이것들이 기계에 조립되자마자 이들 자신이 고진동을 발생시키고 심지어 회전할 때마다 벨트의 길이와 인장력의 큰 변화를 유발시킨다.

④ V벨트 구동장치들은 실제로 이것들이 불평형, 축정렬 불량, 기계적인 헐거움 등과 같은 다른 기계적 문제들과 반응할 때 자주 고진동원이라는 비난을 받는다. 이런 다른 문제들이 존재하면 벨트 자신은 문제의 근원이 아님에도 벨트에서 고진동을 발생시킬 수 있다.

다음은 진동 분석으로 탐지 가능한 벨트 구동장치의 문제들에 대하여 논한다.

 

6.1 磨滅, 弛緩 혹은 不調和 벨트 (Worn, Loose or Mismatched Belts)

벨트 주파수의 조화파들은 그들 모두가 이번 예에서는 구동축과 종동축 회전 rpm보다 아래임을 유의하라. 벨트 주파수(혹은 벨트 rpm)는 다음과 같이 계산된다.

 

상기 공식을 이용할 때 동일 Pulley의 rpm과 피치 직경으로 계산하여야 한다. 두 변수가 동일 풀리에서 취하는 한 어떤 풀리의 값을 사용해도 문제가 없다. 그렇지만 벨트 주파수의 고조파는 이들중 하나 혹은 둘 다보다 높을 수 있다. 낡거나 헐겁거나 부조화된 벨트는 다음과 같은 특성을 나타낸다.

① 진동 분석으로 탐지 가능한 낡은 벨트 결함은 균열, 벨트의 부분 탈락, 딱딱하고 연한 점들, 벨트 면의 덩어리 및 포장이나 보관시 변형으로 발생한 벨트의 구부러짐 등이다.

② 문제가 낡은 벨트에 기인하면 벨트 회전 주파수의 3, 4배 주파수에서 진동이 발생한다. 때로는 벨트의 2배 주파수에서 뚜렷한 피크가 발생하기도 한다. 어떤 경우에는 기본 벨트 주파수 피크 자체가 나타나지 않을 수도 있다. 더욱이 낡은 벨트는 때때로 차동기 주파수 영역에서 스펙트럼을 들어올려 그림 11-44에서 보여주는 것과 같이 구동부와 종동부 속도를 초과하기도 한다. 각 경우에 낡은 벨트는 불안정한 진동을 발생시켜 만약 이것의 조화파가 구동부 및 종동부 속도 부근에 있을 경우 때때로 구동부나 종동부의 rpm으로 진동하기도 한다.

그림 11-44 낡은 벨트의 스펙트럼

 

③ 벨트 결함에 의한 진동은 보통 벨트 인장력과 평행한 방향의 진동진폭이 더 크게 발생한다. 얼마나 많은 진동이 벨트 결함 자체에 기인하는가를 확인하는 방법은 벨트 rpm 진동진폭을 벨트 인장력 방향값과 이의 수직방향 값을 비교하는 것이다.

④ 벨트 rpm 고조파를 나타내는 다른 벨트 문제로는 벨트 폭의 변동이 있는데 이는 벨트가 풀리 홈을 타고 내려갔다 올라갔다 하여 벨트 인장력의 변화에 기인한 진동을 발생시킨다.

⑤ Loose Cog Belt는 #Cog × rpm에서 고진동이 발생하며 또한 상기 공식으로 계산된 Cog Belt 자체 주파수에서 고진동이 발생한다.

⑥ 다중 V 벨트 구동 장치는 만약 그것들이 불균일하게 인장되면 축방향으로 고진동이 발생한다. 이는 추력 베어링의 과도한 마손을 유발할 수 있다. 이런 문제는 때때로 각각의 벨트를 한 Piece로 제작된 다중 벨트로 교체함으로서 해결되기도 한다. 이 벨트를 사용할 경우는 활차의 정렬에 특별히 유의해야 한다.

⑦ 마멸, 이완, 혹은 부조화된 벨트는 통상 반경방향으로 가장 큰 진동 진폭이 발생하는데 특히 벨트 인장력 작용 방향으로 그러하다.

 

6.2 벨트/滑車 整列 不良 (Belt/Sheave Misalignment)

벨트 구동 장치의 가장 큰 진동 발생원 중의 하나는 구동 혹은 종동 활차의 정렬 불량이다. 활차간에 단순히 Chalk Line을 적용하므로서 진폭을 대폭 감소시킬 수 있다. 활차의 축정렬 불량은 다음과 같은 특성이 있다.

① 활차 정렬 불량은 일반적으로 대부분 축방향 진동을 발생시키며 따라서 추력 베어링의 마손율을 가속시킨다.

② 활차의 정렬 불량은 1×RPM에서 큰 진동을 발생시키는데 축방향에서 특히 그러하다. 큰 진동이 구동축 rpm에서 자주 발생되나 때로는 종동 rpm에서 발생되기도 한다. 구동과 종동 rpm 진동 진폭비는 데이터를 수집한 위치 및 상대 질량과 구조물의 강도에 따라 다르다.

③ 때로는 활차의 정렬 불량의 경우 전동기의 최대 축방향 진동이 Fan rpm에서 발생하고 Fan의 가장 높은 축방향 진동은 전동기 rpm에서 발생하기도 하나 반드시 그런 것은 아니다.

 

6.3 滑車의 偏心 (Eccentric Sheaves)

활차의 편심은 오늘날 벨트 구동 기계의 고진동 발생 주원인 중의 하나인데 이는 기계 구입시 동심도를 엄격하게 규제하지 않음에 기인한다. 활차의 편심은 다음과 같은 특성이 있다.

① 편심 및/혹은 불평형 활차는 편심 활차의 1×RPM에서 고진동을 발생시킨다.

② 최대 진동 진폭은 보통 벨트와 같은 방향으로 발생하며 구동부와 종동부 활차 모두에서 발생한다.

③ 불평형과는 달리 편심 풀리에 의하여 발생된 반작용력은 풀리의 360˚에 걸쳐 동일하게 발생되지 않는다. 이 힘은 두 축의 중심선을 연결하는 선을 따라 벨트 인장력이 작용하는 방향으로 집중된다. 그 결과 높은 방향성 진동이 발생되기 때문에 측정을 위한 진동 변환기가 베어링의 어느 쪽에 위치하였는가에 따라 수평과 수직방향의 진동 위상각은 서로 동상이던가 180〫차이가 발생한다. 어떤 경우에는 두 위상각 값이 베어링이 한 선으로 움직이고 있음을 보여준다.

④ 본질적으로 힘이 방향성이 있으므로 이에 의하여 발생되는 진동은 Taperlock 볼트에 와셔를 추가하는 Balancing으로 완전히 교정할 수 없다. 그리고 비록 교정된다고 하더라도 편심된 활차는 벨트 길이와 인장력이 계속 변하는 현상을 유발하여 벨트와 활차의 베어링 및 활차 그 자체의 손상을 촉진시킨다.

 

6.4 벨트의 共振 (Belt Resonance)

자연에 있는 모든 물체와 마찬가지로 벨트도 고유 진동수를 가지고 있는데 이는 벨트의 강성, 벨트 질량 및 운전중 발생된 벨트의 처짐에 의하여 결정된다. 벨트의 고유 진동수는 간단히 벨트를 당겼다 놓았다 하면서 그 응답을 측정하므로서 알 수 있다. 벨트 공진은 다음과 같은 특징이 있다.

① 벨트 고유 진동수는 구동이나 종동기중 하나의 1×RPM 가까이 있다. 만약 이렇게 되면 벨트의 고유 진동수로 인해 벨트의 인장측에서 큰 Flapping이 발생한다.

② 풀리의 속도가 벨트 공진을 가진할 뿐 아니라 만약 벨트 rpm 고조파수 벨트 고유 진동수와 일치할 때도 이런 현상이 발생한다.

③ 벨트 공진 주파수에서 진동 진폭과 위상각은 불안정하다.

④ 벨트 고유 진동수는 벨트의 인장 혹은 활차 중심간의 벨트길이를 변경시키거나 중간에 Idler Pulley를 추가하여 변경시킬 수 있다.

 

6.5 電動機 支持臺나 基礎의 共振에 의한 過度한 電動機 振動
(Excessive Motor Vibration at Fan Speed due to Motor Frame/Foundation Resonance)

벨트 구동기계의 경우 때때로 전동기에 과도한 진동이 발생된다. 그러나 이를 주파수 분석하여 보면 전동기 속도 성분의 진동값은 낮고 Fan 속도 성분의 진동값은 높은 경우가 있다. 이러한 현상은 축방향 및 반경방향 진동중 하나에서 발생할 수 있다. 이것은 종동기의 1×RPM 진동이 높은 현상으로 인해, 특별히 전동기에서 한 방향의 진동이 높은 것으로 알 수 있다. 이런 현상이 발생하는 문제의 근본 원인은 때로 전동기 지지대나 기초가 Fan 속도성분 진동에 의하여 가진되는데 있다 (가진에 의한 간단한 고유 진동수 측정시험으로 확인 가능하다). 이 경우 만약 공진으로 확인되면 해결책은 통상 지지대나 기초에 버팀대를 추가하거나 Base에 콘크리트를 추가하여 강성을 증가시키는 것이다.

 

6.6 Pulley나 Fan Hub의 헐거움 (Loose Pulley or Fan Hub)

풀리나 Fan Hub의 헐거움에 기인한 높은 진동이 벨트로 구동되는 기계에서 때로 발생된다. 이러한 현상은 다음과 같은 특징으로 확인 가능하다.

① 1×RPM에서 특히 큰 진동이 발생하며 또한 몇 개의 회전속도 고조파에서도 높은 진동이 발생한다.

② 이러한 현상을 가장 잘 확인할 수 있는 것은 안정되지 않은 위상각이다. 만약 운전이 정상적으로 이루어지면 수평, 수직, 축방향 진동의 위상각은 안정될 것이다. 만약 Set Screw로 고정된 Fan Hub가 헐거워지면 기계 기동시마다 위상각과 진폭이 달라질 것이다. 이러한 경우 Balancing은 임시 해결책밖에 되지 않는다. 한두 시간 동안은 괜찮겠지만 Fan Hub나 Pulley가 축에서 회전하면 무게 균형이 다시 깨져 진폭 및 위상각이 크게 변할 것이다. 이러한 현상은 풀리나 허브가 Taper Fit으로 되어 있는 상태에서 적절히 축에 당겨져 조여져 있지 않을 때도 발생된다.

③ 이러한 경우 해결책은 축에 부착된 모든 회전체를 확실히 고정하는 것이며 Taper Fit의 경우 Taper 각도가 적절히 맞아야 한다.

 

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