5. 회전기계 진동의 평가

Evaluation of Rotating Machinery Vibration

 

5.1 振動 評價의 目的 (Objective of Vibration Evaluation)

진동평가를 위한 한계치(Vibration Limits), 허용치 또는 등급(Level)을 정하는 주된 목적은

① 기계상태의 동적인 원활함을 대표하고, 평가를 용이하게 한다.

② 제품의 진동품질을 평가하는 승인시험을 공통의 기준으로 수행할 수 있다. 공장 시운전시와 현장설치 후, 사용회전속도에서의 진동치에 대한 한계치와 등급을 표시하고, 제작자가 사용자에게 제품 인도시 유용하다.

③ 운전중인 기계의 운전감시 수단으로 유용하다.

∙ 양호한 운전상태로부터의 이탈정도를 표시

∙ 기계의 연속운전에 대한 가부판단을 용이

∙ 향후 운전지침 표시 및 판단의 지표

∙ 기계의 분해점검시기를 결정하는 지표

 

5.2 振動 評價規格의 最近傾向 (Recent Trend of Standards on Vibration Evaluation)

진동의 크기는 기계 제원, 종류, 형식, 목적에 따라 각각 다르며, 또한 진동크기는 동일도면, 동일 가공기계로 제작하여도 각각 상이하게 된다. 따라서 개개의 기계(예로, 증기터빈, 압축기, 펌프 등)에 따라 별도의 진동 한계치가 필요하게 된다. 그러나 예로, 동일한 펌프에서도 형식이나 구조에 따라 각각 한계치가 다르므로 일괄적으로 규정하기에는 어려움이 따른다. 그러므로 규격의 진동 한계치 또는 기준치를 참조하여, 각 기계에 대한 정상, 이상의 판별기준을 설정할 필요가 있다. 최근 경험에 의해 사고의 조기발견, 판단의 질적 향상 및 2차 피해의 방지에는 축진동의 계측이 베어링진동보다 유리함이 입증되고 있고, 또한 축진동에 대한 계측신뢰성의 향상으로 광범위한 기계 진동 평가에 이용이 가능하게 되었다. 축진동에 의한 평가경험은 유럽에 비해 미국이 풍부하고, API 규격에 널리 채용되고 있다. 이러한 배경으로 ISO에서 처음으로 체계적인 축진동 평가규격 ISO 7919를 제정하고, 이 규격의 체계에 맞추어 베어링 진동도 대폭 개정하여 ISO 10816규격을 제정하게 되었다. 아울러 현재 각국의 국가규격을 국제규격에 통합하려는 노력이 계속되고 있고, 선진국에서는 ISO, IEC 등의 국제규격을 번안하여 국가규격으로 제정 되어 가는 추세이다.

 

5.3 振動測定 및 評價基準 (Vibration Measurements and Evaluation Criteria)

현재로는 베어링에서 측정된 베어링진동과 베어링이나 그 부근에서 측정된 축진동이 판정을 위한 신뢰할 수 있는 진동자료 이며, 따라서 기계 진동을 대표하여 측정하는 것이 일반적이다. 이 외에 측정 가능한 부분도 있으나, 기계 구조에 의해 제약을 받고 일반성이 결여된다. 베어링 부분의 진동으로 기계의 모든 부분의 진동상태를 파악할 수 있는 것은 아니지만, 많은 부분에서의 측정을 의무화하거나 한정된 부분의 측정으로 이외의 다른 부분에 대한 상태를 추정하는 방법까지 규정하는 것은 규격의 내용을 복잡하게 하고, 그 결과 실용상 부적절한 것으로 되기 쉽다.

규격의 목적은 공통된 일반성이 있는 평가를 가능하게 하는 것이다. 그러므로 대부분의 경우, 적절한 판단이 가능하다면 규격은 가능한 한 단순한 형으로 그리고 측정도 용이한 것이 좋다.

표 12-1은 베어링 진동과 축진동의 장단점을 비교한 내용이다.

 

베어링 진동

축 진동

장점

1. 측정 데이터가 풍부하고 한계치가 널리 알려져 있다.

2. 측정기기의 신뢰성이 높다.

3. 검출기의 부착과 이탈, 수리가 용이하다.

4. 진동측정이 쉽고, 계측기의 가격이 저렴하다.

5. 진동 측정점을 결정하기 쉽고, 장소의 영향이 적다.

1. 베어링 진동보다 측정 감도가 높다.

2. 진동 응답이 빠르다(베어링 진동의 변화에 앞서 변화하는 것이 많다).

3. 한계치를 설정하기 위한 기본값 (예로 불평형)에 대해 직접적이다.

 

 

 

단점

1. 진동 측정 감도가 낮다.

2. 축이 유연하고, 케이싱이 강한 경우, 과도적인 진동변화나 이상진동의 검출감도가 둔감하다.

3. 기본값에 대해 간접적이다(베어링 강성에 영향을 받는다).

 

1. 평가기준이 일반화되어 있지 않다.

2. 측정기기(특히 검출기)의 신뢰성이 낮다.

3. 부착방법에 제약이 있다.

4. 측정장소에 따라 측정치의 차가 크다.

5. 계측장비가 비교적 고가이다.

 

5.3.1 베어링 振動 (Bearing Vibration)

베어링은 회전체를 지지하고, 반력을 직접 받고 있으므로 고장율이 비교적 높은 부분이다. 그리고 그 구조는 대부분의 경우 매우 유사하다. 이러한 베어링 부분에서의 진동측정은 평가의 목적에 적합하고 측정이 용이한 면도 있어서 오래 전부터 베어링진동에 기초한 많은 규격이 제안되어 왔고, 또한 많은 측정자료가 축적되어 있어 폭넓게 세계적으로 이용되어 왔다. 이 기준의 특징은 진동의 척도로서 진동속도의 RMS 값(실효값)인 진동 시베리티가 사용된다. 이는 진동의 평가가 보다 쉽고 정확하게 이루어질 수 있기 때문이다.

한편 베어링 진동에 관련된 국제 규격의 제정흐름은 그림 12-10과 같다.

그림 12-10 베어링 진동 관련규격의 제정흐름

(1) 측정위치

베어링 진동측정은 그림 12-11~12-14에 나타내듯이 축의 회전중심을 통과하는 3방향, 즉 축방향, 수직방향 및 수평방향에서 측정하는 것이 원칙이다. 기계는 부하, 회전수 등의 운전조건과 설치상태에 따라 진동 상태가 다르게 된다. 그러나 이들을 고려한 각각의 허용치를 정하는 것은 어려움으로 규격에서는 일반적으로 정격 회전수에서의 정상운전 상태의 허용치(한계치)만을 규정하고 있다. 또한 제작 공장내에서 승인 시험시 설치 조건을 정하는 것은 어려운 문제로서 일반적으로 실제 사용상태에 가능한 맞추도록 하고 있다.

그림 12-11 주 베어링에서의 측정점

 

그림 12-12 소형 전기 기계에서의 측정점 그림 12-13 왕복동 엔진에서의 측정점

 

그림 12-14 수직형 기계류에서의 측정점

 

(2) 평가척도

진동의 크기를 나타내는 척도로써 진동변위(㎛, Peak-Peak), 진동속도(㎜/s, rms) 및 진동가속도(m/s2, rms)가 있으나 경험에 기초하여 이 규격에서는 베어링 위에서 측정한 진동속도의 실효치(Root Mean Square)인 rms를 채용하고 있다. 이는 이 값이 진동에너지에 관련되기 때문이다. 물론 진동변위나 가속도 그리고 RMS 값 대신에 피크값이 사용될 수 있으나 이들 경우는 대체 기준이 필요로 된다. 특히 베어링 진동의 경우는 진동속도의 실효치(Vibration Severity라고도 함)를 일반적으로 이용하고 있으며, 다음과 같은 특징이 있다.

① 진동변위로 나타낸 규격의 한계치들은 진동수에 거의 반비례하고 있고, 이는 진동속도에 대해서는 거의 일정하게 된다. 그러므로 진동속도를 척도로서 한계치를 설정할 경우는 도표가 필요 없고, 몇 개의 진동수 성분이 혼합된 진동의 평가시에는 진동수마다의 진동크기를 측정하거나 그 합성을 위한 계산을 하는 번잡함이 필요없다.

② 진동에 의한 동적인 응력에 주의해야할 부분은 베어링이다. 베어링 등 진동에 의한 부재의 파손은 진동속도에 일반적으로 비례한다.

③ 피크치보다도 실효치의 평가가 정확하다. 특히 고조파나 비동기 성분을 포함하는 경우에는 실효치의 경우가 올바른 평가가 가능하다.

 

진동속도의 RMS치는 진동속도의 시간기록 (t)로부터 다음 식에 의해 구해진다.

rms = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1)

스펙트럼 분석으로 진동가속도, 속도 및 변위의 크기가 각각 , , 로 되고, 이들이 진동주파수 의 함수로서 얻어졌을 때는 이에 대응하는 RMS 속도는 다음과 같이 표현된다.

진동이 단지 두 개의 주요한 주파수 성분으로 주어지는 경우, 이들 RMS값을,,라 하면, 는 근사적으로 다음 식으로 결정된다.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (3)

어느 하나의 특정 진동 성분이 탁월할 때는 다음 식과 같이 간단히 표현할 수 있다.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - (4)

여기서, : 진동속도의 Peak 진폭(㎜/s), s : 진동변위의 Peak-peak 진폭(㎛), f : 탁월 진동주파수(㎐)이다.

진동 가속도, 속도 또는 변위값 사이의 환산은 단지 단일 주파수의 조화성분의 경우에 한해 수행될 수 있고, 이들 사이에 관계를 그림 12-15에 나타내고 있다. 예로 단일 주파수 성분의 진동속도가 알려져 있으면 양진폭(Peak-Peak) 변위는 다음 식으로 평가된다.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (5)

그림 12-15 단일주파수 조화성분에 대한 가속도, 속도와 변위 사이의 관계

 

(3) 평가기준

평가기준은 운전상태감시 (Operational Monitoring)와 승인시험 (Acceptance Test) 모두에 관계되며, 단지 기계자체에 의해 발생되는 진동에만 적용되며, 외부에서 전달되는 진동은 포함하지 않는다.

두 개의 평가기준이 다양한 종류의 기계에 대한 진동 시베리티를 평가하는데 사용된다. 즉 하나는 측정된 광대역 진동의 크기를 고려하는 것이고 또 하나는 진동크기의 변화를 고려하는 것이다. 부가적으로 운전한계(Operational Limits)가 제공되고 있다.

(가) 진동크기 (기준Ⅰ)

베어링 하우징 또는 지지대에서 측정된 최대 진동크기는 경험에 의해 확립된 4개의 평가영역으로 나뉘어져 있다.

영역 A : 새로 설비된 기계의 진동은 보통 이 영역에 속한다.

영역 B : 이 영역내에서 진동을 하는 기계는 보통 제한 없이 장시간 운전이 허용될 수 있는 것으로 간주한다.

영역 C : 이 영역내에서 진동을 하는 기계는 보통 장기간 연속운전은 만족스럽지 않는 것으로 간주된다. 일반적으로, 기계는 이 조건에서 정비 조치를 위한 적절한 기회가 생길 때까지 제한된 기간동안 운전할 수 있다.

영역 D : 이 영역내의 진동값은 보통 기계에 손상을 입힐 정도로 충분히 심각한 것으로 간주된다.

이들 영역의 경계에 대한 추천값은 대상기계에 따라 다르게 설정되어 있다.

(나) 진동크기의 변화(기준Ⅱ)

이 기준은 이전에 확립된 참고값으로부터 진동크기의 변화에 대한 평가를 제공한다. 광대역 진동크기에서 중대한 변화가 발생할 수 있고, 이것이 기준 Ⅰ의 영역 C에 도달하지 않았다 하더라도 어떤 조치가 필요하다. 이런 변화는 실제로 시간에 대해서 순간적이거나 점진적일 수도 있으며, 초기 손상이나 다른 어떤 비정상(Irregularity)을 나타낼 수 있다. 기준 Ⅱ는 정상상태의 운전조건하에서 발생하는 광대역 진동크기의 변화에 기초하여 제정되었다. 이들 조건은 정상 운전속도에서 발전기 출력에 대한 미소 변화의 경우에 허용된다.

진동 크기의 증가나 감소가 영역 B의 상한값의 25%를 초과하면, 이 변화는 신중하게 고려되어야 한다. 그리고 진단조사를 통하여 변화에 대한 원인을 확인하고, 앞으로 어떤 조치가 적절한 지를 결정해야 한다.

(다) 운전 한계

장기간 운전의 경우, 운전 진동한계를 설정하는 것이 일반적인 관례이다. 이들 한계는 경보(Alarm)와 비상정지(Trip)의 형태를 가진다.

① 경보(Alarm)

정해진 진동 레벨에 도달했거나, 중요한 변화가 발생하였을 때에 경고를 제공하기 위한 것으로, 이때에는 정비조치가 필요하다. 일반적으로 경보 상황이 발생하면, 진동 변화에 대한 이유를 알아내고 어떠한 필요한 정비 조치를 규정하기 위해 수행되는 조사 기간동안 운전을 계속할 수 있다.

② 비상정지(Trip)

더 이상 운전을 하면 기계에 손상을 일으킬 수 있는 진동크기를 정한 것으로, 이 비상정지레벨을 넘어서면 진동을 줄이기 위해서 즉시 조치를 취하거나, 기계를 정지 시켜야 한다. 정상상태이지만 점진적으로 진동 비상정지 레벨로 진행하고 있는 기계에 대한 조사를 수행하기 위해서는 그 레벨을 일정하게 하거나 또는 더 낮은 값으로 안정화시키기 위해 하중이나 속도의 감소와 같은 조치를 취해야 한다.

③ 경보의 설정

영역 B의 상한의 25%의 값으로 설정되도록 권고.

④ 비상정지의 설정

영역 C의 상한값의 1.25배를 초과하지 않도록 권고.

 

5.3.2 軸振動 (Shaft Vibration)

회전기계 진동의 원인은 대부분 회전축에 관계된다. 따라서 축의 거동을 직접 측정하고, 이를 판정하는 것은 ① 판정의 정도 향상, ② 이상상태의 조기발견, ③ 2차 피해의 회피 등을 위해 바람직한 방법이라 할 수 있다. 특히 다음과 같은 진동현상에 대한 위험 판별에 매우 유리하다.

∙ 케이싱과 회전축의 접촉

∙ 베어링부의 부품의 파손 등에 의한 불평형의 급격한 변화

∙ 베어링의 변위, 침식, 마멸, 회전체의 굽힘 등에 의한 불평형의 완만한 변화

∙ 회전축의 자려진동

(1) 측정방법

축진동은 회전체와 정지부의 접촉을 예방하기 위해서는 베어링의 거의 중간위치나 최소간극부분에서 측정하는 것이 좋다. 또한 베어링에 대한 과대한 응력을 예측하는데는 베어링 또는 그 부근에서 측정하면 좋다. 그러나 회전체의 중앙부근에서 측정하는 것은 일반적으로 불가능하므로 주로 베어링이나 그 부근에서 측정하도록 하고 있다. 이 경우 베어링으로부터의 거리 또는 진동모드에 의해 측정치에 차가 발생하게 되지만, 일반적으로는 동일한 한계치를 채용하고 있다. 측정방향은 수평 기계에서는 축단면의 수평과 수직방향 또는 이와 45˚이내 경사진 두 방향에서 측정한다.

(2) 상대진동과 절대진동

진동에는 두 가지의 표현방법, 즉 절대진동과 상대진동이 있다. 따라서 축진동의 측정과 평가시에는 이중 어느 것인가를 명확히 하여야 한다. 절대 축진동은 정지공간에 대한 축의 진동으로, 그 측정은 지진계식 변환기에 의해서 가능하고, 구조상으로 접촉형 진동계가 된다.

상대 축진동은 축과 베어링 또는 케이싱과 같은 진동변환기의 부착부분과의 상대적인 진동으로 비접촉형 진동계가 주로 이용되고 있다. 비접촉 진동계로 절대진동을 측정하기 위해서는 변환기를 지진계식 진동계 내에 조합하거나, 변환기 부착부분의 절대진동을 별도의 지진계식 절대 진동계에서 검출하여 벡터가산을 하는 방법이 필요하다.

일반적으로 베어링파손의 원인이 되는 진동에 의한 과대한 하중이나 응력, 회전부와 정지부사이의 접촉에 의한 중대한 사고를 방지하기 위한 반경방향 간극의 감시등에는 상대진동이 유리하다. 한편 이상상태의 조기발견을 위하여 정상적인 운전상태의 진동으로부터의 변화를 평가하는데는 변환기 부착부분의 진동의 영향이 없는 절대진동이 유리하다. 따라서 어느 진동을 채택하여 평가할 것인가는 대상기계와 각각의 특징을 고려하여 결정한다. 표 12-2는 축 접촉형 변환기와 비접촉형 변환기의 특징을 비교한 것이다.

 

표 12-2 축 접촉형과 비접촉형 변환기의 비교

 

축 접촉형 변환기

비접촉형 변환기

장점

1. 절대 진동을 측정할 수 있다.

(부착부분 진동의 영향이 있다.)

 

 

1. 회전하는 축과 접촉하지 않으므로 안정된 데이터가 얻어진다.

2. 고속 회전축에 적합하다.

3. 저속 터닝중에도 측정이 가능하다.

단점

1. 원주속도가 큰 고속회전축에서는 큰 진동으로 접촉부에 Chattering을 일으키기 쉽다.

2. 접촉부의 마멸 발생.

3. 저속터닝중의 축 굽힘 측정이 곤란.

1. 부착부분 진동의 영향을 받으며, 대형터빈과 같이 부착부의 진동이 큰 경우에는 올바른 축 진동치를 나타내지 않는다.

2. 축표면의 잔류응력, 자화등의 영향을 받는다.

 

(3) 평가척도

축진동 평가의 척도로는 진동변위의 진폭(최대치)이 적절하고, 대부분 이를 채용하고 있다. 회전체 각각의 단면에서의 축중심 궤적(Orbit)은 일반적으로 원형이 아니고 타원형이 되므로, 그 장축의 방향이 수직이나 수평으로 되지 않는다. 따라서 장축이 수평축과 이루는 각도는 각각의 단면에서 다른 각도로 되는 경우가 있다. 또한 운전주파수 이외의 고조파성분이 포함되면 더욱 복잡한 형으로 된다. 종래의 규격에서는 수직 또는 수평방향 중 어느 방향의 축진동을 측정하여도 되었지만, 이와 같은 축궤적의 형상을 고려하여 최근의 규격에서는 직교하는 두 방향의 축진동을 측정하도록 되었다.

축진동 변위를 나타내는 방법으로는 그림 12-16의 정의에 의해 다음의 3가지 근사적인 방법이 이용된다.

방법 1 : 두 직교방향에서 측정된 양진폭 변위 값의 합성치

이 방법은 원형궤적일 때 최대 40%의 오차로 과대 추정되며, 직선궤적일 때 오차가 최소(0%)로 된다.

방법 2 : 두 직교방향의 양진폭 변위값중 큰 값

이 방법은 미국, 석유화학 산업에서 주로 사용되며, ISO 7919에 채용되고 있다. 직선궤적일 때 최대 30%의 오차로 과대 추정되며, 원형궤적일 때 최소(0 %)로 된다.

방법 3 : 축궤적의 최대치

이 방법은 유럽에서 주로 사용되며, VDI 2059에 채용되고 있다. 근사적으로 로 된다.

여기서 Smax는 다음과 같이 구한다 (그림 12-16참조). 먼저 직교 2방향(A, B방향)에서 진폭파형의 평균치로부터의 편차 SA(t)와 SB(t)를 구한다.

그 출력을 시시각각 합성하여 합성치의 최대치 Smax를 다음과 같이 구한다.

위의 어떤 근사방법도 축궤적의 형상에 따라서 오차를 발생하고, 실용적으로는 방법 2와 1이 많이 사용된다고 생각된다.

 

그림 12-16 축의 궤적-축 변위의 정의 (ISO 7919-1)

 

그림 12-17 축진동의 근사에 의한 차

 

(4) 평가기준

평가기준(Evaluation Criteria)으로는 진동크기(Magnitude), 진동크기의 변화 그리고 운전한계(Operational Limits)가 있다.

(가) 진동크기

이는 두 개의 직교하는 선택된 측정방향에서 측정된 양진폭(Peak-Peak) 변위 중에서 높은 값으로 한다. 이 기준값은 정격속도와 정격부하범위에서 지정된 정상상태 운전조건하에서 적용된다.

최대축진동의 크기는 경험에 의해 확립된 4개의 평가영역으로 나누어져 있다.

영역 A : 새로 설비된 기계의 진동은 보통 이 영역에 속한다.

영역 B : 이 영역내에서 진동을 하는 기계는 보통 제한 없이 장기간 운전이 허용 가능한 것으로 간주한다.

영역 C : 이 영역내에서 진동을 하는 기계는 보통 장기간 연속운전은 만족스럽지 않는 것으로 간주된다. 일반적으로, 기계는 정비조치를 위한 적당한 기회가 생길 때까지 이 조건에서 제한된 기간동안 운전할 수 있다.

영역 D : 이 영역내의 진동값은 보통 기계에 손상을 입힐 정도로 충분히 심각한 것으로 간주된다.

이들 평가영역의 경계에 대한 추천값은 지금까지 축적된 경험에 근거하여 설정되었으며 기계에 따라 다르게 정해져 있다.

(나) 진동크기의 변화

이 기준은 정상상태의 운전조건하에서 발생하는 축진동크기의 변화에 기초하여 제정되었다. 축진동크기의 중대한 증가나 감소가 발생할 수 있고, 이것이 진동크기의 기준이 영역 C에 도달하지 않았더라도 상당한 양이 변하고 영역 B의 상위 한계치의 25%를 초과하면 진동크기가 증가하거나 감소하는 것에 상관없이 이 변화에 대한 원인을 밝히기 위한 어떤 조치가 필요하다.

(다) 운전한계

연속적인 진동상태 감시를 하는 기계에서는 운전시의 진동한계로 경보(Alarm)와 비상정지(Trip)를 설정하는 것이 관례이다.

경보는 정해진 진동값에 도달했거나, 중요한 변화가 발생하였을 때에 경고를 제공하기 위한 것으로 이때에는 정비조치가 필요하다. 경보가 발생하면 변화원인과 필요한 정비조치를 규명하기 위한 조사기간동안은 운전을 계속할 수 있다. 경보치는 기준선보다 높고 영역 B의 상위한계의 25%로 설정할 것을 권고하고 있다.

비상정지는 더 이상 운전을 계속하면 기계에 손상을 일으킬 수 있는 진동의 크기를 나타내고, 이 값을 초과하면 진동을 줄이기 위한 조치가 즉시 이루어지거나 기계를 정지시켜야 한다. 비상정지의 설정값은 설계사양에 의존하고 기계에 따라 차이가 있으므로 정확한 지침은 제공되지 않고, 일반적으로 영역 C와 D에 속할 것이다.

 

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