6. 축 중심 궤적 분석

Shaft Orbit (Lissajous Pattern) Analysis

 

Spectrum 및 Waveform 이외에 진동해석에 유용한 데이터가 Shaft Orbit 이다. 이를 얻기 위해서는 각 베어링에 두개의 Non-Contact Pickup을 서로 90˚ 각도 떨어지게 설치해야 한다. 한 Pickup으로부터 발생된 신호는 Oscilloscope의 수평축 입력이 되고 다른 Pickup으로부터 발생된 출력은 수직축 입력이 된다. Pickup을 설치할 때 베어링 내에서 축의 수직방향 움직임이 Oscilloscope상에서 수직방향으로 나타나며, Oscilloscope 하단이 베어링의 하부로 나타나도록 계기를 Setup하는 것이 좋다. 그러나 Pickup을 정확히 수직과 수평방향으로 설치하기가 현장 작업상 어려운 경우는 45˚ 회전시켜 설치하는 경우가 많은데 이때는 Oscilloscope상에 Orbit가 45˚ 회전되어 나타나는 것 외에 다른 점은 없다.

최근에 Pickup 고장시 기계가 정지될 가능성을 줄이고 좀더 완전한 보호를 위해 중요한 고속 Turbo-Machine에는 보통 두개의 Non-Contact Pickup을 설치한다.

Oscilloscope상에서 Orbit을 관찰할 때 동기(1×RPM)와 같은 어떠한 주파수 기준이 없으면 주파수 정보를 얻을 수 없다. 예로써 그림 7-27과 같은 경우 주파수가 1×RPM인 경우에는 통상적으로 Unbalance 상태라고 간주될 수 있다. 그러나 만일 1×RPM 기준 Pulse가 그림 7-28과 같이 Orbit에 중첩 입력되면 그 해석은 완전히 다르다. 그림 7-28에서 동기 Pulse가 2번 나타나는데 축의 이러한 운동은 축이 2회전 할 때마다 한번 발생하는 것을 나타낸다. 따라서 이 진동은 분명 ½ 회전속도에서 발생하고 있다.

그림 7-27 주파수 정보가 없는 Orbit 그림 7-28 축진동의 주파수 정보가

있는 1/2×RPM에서의 Orbit

동기 기준 Pulse는 Non-Contact Pickup(Proximity Probe)에 의해 얻을 수 있고, Oscilloscope가 장착되어 있으면 기준 Pulse를 “Z”축(Intensity) 입력단자로 보내면 Orbit상에 “Blank”점이 나타난다.

 

진동 원인별 Orbit 모양을 살펴보면 다음과 같다

6.1 Unbalance

이상적으로는 순수한 불평형 상태의 Shaft Orbit은 완전한 진원이다 (그림 7-29(a)). 물론 원의 직경은 진동진폭의 증가에 따라 증가한다. 모든 실제 기계가 이상적인 조건에 아주 접근할지라도 불평형을 나타내는 Orbit의 모양은 타원이다 (그림 7-29(b)). 진원을 가지려면 베어링의 수평 및 수직 강성이 같아야 한다. 통상 기계는 수직방향으로 기초에 체결되기 때문에 수직방향의 강성이 더 크다. 중력의 영향 또한 수직 방향(하향방향)으로 작용하는 힘이다. 따라서 Orbit은 동일하지 않은 강성 즉 운동의 저항으로 인해 어느 정도의 타원이 된다.

(a) (b)

그림 7-29 불평형 시의 전형적인 Orbit

Orbit이 어느 정도로 타원이 되어야 불평형 문제와 관계가 없을까? 엄격한 규칙은 없다. 일반적으로 Orbit의 큰 직경과 작은 직경의 비가 3:1 내지 5:1 정도면 아직도 불평형 상태에 있다고 할 수 있고, 그 비가 5:1을 초과하면 이 상태는 불평형보다는 Misalignment, 공진, 편심 또는 베어링 마멸에 의한 과도한 간극 등과 같은 다른 문제로 점차 기울어지는 것이다. 그러나 예외 없는 규칙은 없다라는 말을 명심할 것.

 

6.2 Misalignment

특히 커플링을 전후하여 축에 Misalignment가 존재하면 Orbit모양은 그림 7-30과 같은 심한 타원이 된다. 일반적으로 Misalignment 상태일 때 Orbit의 큰 직경과 작은 직경의 비는 3:1 내지 8:1이지만 통상은 5:1 내지 6:1이다. 그러나 불평형과는 달리 2×, 3× 또는 고조파 진동을 수반한다. 그림 7-31은 기계적 이완 문제 즉 축의 “End Play”의 영향이 결합된 Misalignment 상태의 Orbit이다. 이 타원은 변형 되였음에 주의하라. 완전한 8자 모양은 아니다. “꼬리”의 길이는 조화(변형)성분에 의한 상대적인 진폭 크기를 나타낸다. 만일 1×RPM 성분이 2×RPM 성분의 1 1/2 또는 2배의 진폭이면 그림 7-32와 같이 8자 모양을 띤다. 이 경우 역시, 전체 모양과 “꼬리”는 존재하는 다른 고조파 성분의 위상과 상대 진폭에 의하여 영향을 받는다.

Misalignment 상태가 과도한 경우는 다른 모양을 띨 수 있다. 즉 그림 7-33과 같은 Truncated Orbit, 그림 7-33(b)와 같은 Banana 모양의 Orbit및 그림 7-33(c)와 같은 복잡한 모양의 Orbit들이 있다. 이 복잡한 모양의 Orbit은 고조파 성분을 가지는 1×RPM 변위 성분의 변형에 의해 생긴다.

그림 7-30 Misalignment, 베어링 마멸 또는 공진시의 Orbit

 

그림 7-31 Misalignment 및 기계 그림 7-32 1×RPM 비가 2:1인
이완 문제가 결합된 Orbit Misalignment 문제의 Orbit

 

그림 7-33 과도한 Misalignment시의 Orbit

 

6.3 Orbit상에서 不平衡, 誤整列 또는 共振 區別

Orbit 분석만으로는 이런 문제들을 구별하는 확실한 방법이 없다. 한가지 해결 방법은 축속도를 더 높게 또는 더 낮게 변화시켜 보는 것이고 또 한가지 방법은 속도가 변화 할 때 기준 “Blank” Spot의 위치 변화를 관찰하는 것이다. 예를 들면 Orbit이 불평형 또는 공진에 의한 것인지를(특히 모양이 타원인지 아닌지를 ) 알아내기 위해서는 “Blank” Spot의 위치변화(방위측정)를 관찰하라. 만일 축이 1차 임계속도 아래에서 운전되고 축속도가 증가되었다면 Orbit상의 “Blank Spot는 바뀔 것이다. 공진시에는 “Blank” Spot는 축의 속도가 변화되기 전의 위치로부터 약 90˚ 바뀔 것이다. 축의 속도가 계속 증가하여 1차 임계속도를 지나면 “Blank” Spot는 원래 위치로부터 약 180˚ 바뀔 것이다. 그러나 이것은 축이 1차 임계속도 아래에서 운전되고 있다는 것을 가정한 것이다. 만일 축의 속도가 1차 및 2차 임계속도 사이에 있다면 “Blank” Spot의 변화가 1차 임계속도 아래의 속도에서 감소하는 것같이 유사하게 “Blank” Spot의 180˚ 위치변화가 관찰될 것이다. 이두가지 경우에서 타원 모양은 임계 속도에 가까이 있는 축의 속도에 기인한 것임이 결론지어진다. 이것은 불평형 상태에 기인한 것이 아니다. 만일 “Blank” Spot이 속도가 증가함에 따라 이동하지 않으면 문제점이 불평형이나 아마도 Misalignment로부터 기인한 것으로 결론 지을 수 있다.

타원 Orbit이 Misalignment 또는 공진으로 기인한 것인지를 알기 위해서는 속도가 변화했을 때 Orbit모양의 변화를 관찰하라. 축이 거의 임계속도에 가깝게 운전되고 있을 때 Orbit의 모양은 축의 속도가 증가되었는지 또는 감소되었는지에 따라서 상당히 변화한다. Orbit 직경의 대소의 비는 8:1 내지 10:1 이상이면 이것은 Rotor가 임계속도 가까이에서 또는 구조물 공진에 가까이에서 운전되고 있음을 강력히 암시한다. Orbit 모양에 영향을 미치는 축의 속도의 변화에 대하여 다시 한번 관찰하라.

이상의 내용은 지침을 의미하지 확실한 규칙은 아니다. 기계의 동적 거동은 대단히 복잡하다. 때로는 그 해는 이처럼 단순하지 않다. 예를 들면 많은 경우에 축의 속도를 증가시키거나 감소시키는 것이 쉬운 과정이 아니다.

6.4 Rotor Rubs

Rub는 일반적으로 로터가 베어링 표면이나 Seal과 같은 정지체와 접촉하므로써 발생되고 통상적인 원인은 과도한 불평형, Misalignment, Soft Foot, 과도한 베어링간극, 열적인 휨 등이 있다. Rotor Rub는 주로 부분 Rub와 전체 Rub로 구분하여 설명된다.

(1) 부분(약한) Rub

아주 약한 Rotor Rub는 축이 단지 1회전에 한번 정지체와 접촉하는 Rub이다. 이런 Rub의 결과는 그림 7-34와 같이 진원의 Orbit이 약간 변형되거나 타원이다. 약한 변형과 더불어 Orbit의 “Blank” Spot의 전후이동이 있다. Keyphasor Oscillation을 나타내는 “Blank” Spot의 이러한 이동이 특히 “Blank” Spot 의 위치가 10˚이상 변할 때 Keyphasor ”Jitter”라고 한다. 부분 Rub는 시간이 경과함에 따라 전체 Rub로 진전되기도 한다.

그림 7-34 아주 약한 Rub시의 Orbit

 

(2) 전체(심한) Rub

Rub가 더욱 심해지면 Orbit은 점차 더욱 복잡하고 일정하지 않는 경향을 띤다. 부품 공진이 가진될 수 있고, 고조파 주파수가 나타날 수 있으며 또한 비동기 주파수들은 상호작용하여 무한한 가능성 있는 영향을 생기게 한다. 그림 7-35는 전체 Rub시의 Orbit의 여러 가지 모양을 나타내는 예이다.

그림 7-35 전체 Rub시의 Orbit

 

“Blank” Spot의 Oscillation을 관찰하므로써 Rub의 정도를 알 수 있다. Rub로 인해 더 나쁜 상태로 될 때 “Blank” Spot 의 이동은 더욱 불규칙하고 일정하지 않게 된다. 이것은 Rub가 발생할 때 축에 발생하고 있는 것을 반영하는 것이다. 처음 약한 Rub가 발생하면 축 회전방향에 약한 저항이 있다. 상황이 더욱 나빠져 진폭의 크기가 증가하면 축회전 반대방향으로 베어링이나 Seal과 접촉하여 축상에 작용하는 접선력이 생긴다. 축이 실제로 정지체 표면과 접촉할 때에 Orbit에서 역세차 운동이 관찰될 것이다. 심한 Rub의 경우에서처럼 접선력이 커질 때 축은 회전하기 위해 구동되는 방향과 반대 방향으로 궤도를 그리며 돈다. 대부분의 경우 전체 Rub 상태로 운전하고 있는 축은 기계의 가공할 만한 손상을 초래한다. 그림 7-36은 심한 Rub시의 역세차 운동의 Orbit을 나타낸다.

그림 7-36 전체 Rub시의 역세차 운동의 Orbit

 

(3) Hit and Bounce Rubs

약한 Rub와 심한 Rub 사이에 “Hit and Bounce”라고 하는 부분 Rub이 있다. Misalignment와 같은 상태는 축이 베어링 표면과 접촉하여 로터를 원주방향 바깥쪽으로 이동하게끔 억압할 수 있다. 그러나 상태가 악화됨에 따라 축은 충돌하고 튕겨 나오며 이로 인해 역세차 운동이 발생할 수 있다. 이것은 정확히 1/2×RPM에서 거의 발생하고 이때 Orbit은 Internal Loop를 가지게 된다. 상태가 더욱 악화됨에 따라 더 많은 충돌이 일어날수 있고, 그림 7-37에서와 같이 Orbit에 영향을 미친다. 충돌이 더욱 빈번할수록 Internal Loop는 더욱 촘촘해진다.

그림 7-37 여러 가지 Hit and Bounce Rub시의 Orbit들

 

(4) 결언

부분 Rub의 경우

•Internal Loop를 가지는 Orbit이 생긴다.

•“Blank” Spot가 Jitter한다.

전체 Rub의 경우

•Orbit회전은 축회전과 반대방향(역세차 운동)이다.

•Rub로 인해 축속도가 감소할지라도 주파수 및 역방향 Rub Orbit은 일정 하다.

6.5 Oil Whirl

Oil Whirl 은 통상 저널 베어링 및 가압 윤활 시스템을 가지는 기계에서 발생한다. 일반적으로 축은 길고 상당히 높은 회전수(1차 임계속도 이상)를 가진다. 불평형이나 Misalignment는 통상 Oil Whirl을 일으키는 힘을 공급하는 가진력을 준다.

축은 축을 들어올리는 영향을 가지는 Oil Wedge상에서 운전하려는 경향이 있다. 이 작은 불안정력은 축과 윤활유가 축회전 방향으로 강력하게 회전하도록 하는 가진력이 있어 축이 회전함에 따라 축을 Whirling하도록 한다. 이 Oil Whirl 주파수는 축 속도의 42~48%사이에 있다.

Oil Whirl 상태에서의 Orbit은 Displacement Orbit축에 대하여 서서히 회전하는 Internal Loop를 나타낸다. 이것은 회전과는 비동기이므로 Displacement Orbit과는 관계없는 주파수에서 회전한다. 그림 7-38은 Oil Whirl상태에 있는 축의 Orbit의 한 예이다.

그림 7-38 Oil Whirl 상태에 있는 축의 Orbit 예

 

6.6 Mechanical Looseness

기계적인 이완에 의한 Orbit의 특성은 Rub의 경우와 유사하다. 기계적인 이완의 가장 일반적인 원인은 베어링의 간극이 너무 큰데 있다. 기계적인 이완의 현저한 결과는 1×RPM의 조화 진동뿐만 아니라 정수배의 차동기(통상 1/2× 또는 1/3×)진동이 있다는 것이다. 차동기 주파수는 Rotor Rub시의 Orbit과 유사한 Internal Loop를 생성한다. 물론 아주 복잡한 상황에서는 Orbit은 그림 7-39에서와 같이 매우 변화가 심하다.

그림 7-39 기계적 이완에 의한 복잡한 Internal Loop를 나타내는 Orbit

 

6.7 Orbit상에서 機械的 弛緩, Rotor Rub 또는 Oil Whirl의 區別 方法

문제점이 기계적인 이완에 의한 것인지 Rotor Rub에 의한 것인지를 아는 주요 요점은 Orbit이 축의 회전과 관계하여 이동하는 방향을 아는데 있다. 만일 문제점이 기계적인 이완이라면 Orbit과 Internal Loop는 축이 회전하는 방향과 관계없이 고정된다. 만일 문제점이 Rotor Rub라면 Displacement Orbit은 특히 전체 Rub인 경우는 축회전과 반대 방향으로 회전하는 경향을 가진다.

문제가 기계적 이완으로부터 생긴 것인지 Oil Whirl로부터 생긴 것인지 알기 위해서는 Internal Loop를 참조할 것임. 만일 문제점이 Oil Whirl이라면 Internal Loop는 축의 회전방향과 같은 방향으로 천천히 회전한다. 만일 문제점이 기계적인 이완이라면 Loop는 1×RPM Displacement Orbit과 동기하고 있기 때문에 정지상태로 있다.

 

TRAC Mark INCOSYS