8. 위상 분석

Phase Angle Analysis

 

위상각을 이용하면 로터의 발란싱, 축균열 검출, 축 또는 구조물의 공진 검출, 축의 Mode Shape, 진동의 방향 및 유체 유동에 의한 불안정 근원의 위치를 알아낼 수 있다.

 

8.1 로터 발란싱 (Rotor Balancing)

Balancing 이란 Heavy Spot의 량과 위치를 알아내어 이와 같은 량의 무게를 로터의 반대방향에 달거나 Heavy Spot에서 그만한 량을 제거하는 과정이다. 불평형량이 클수록 진동 진폭은 이에 비례하여 증가하며, 불평형의 위치를 알기 위해서는 Keyphasor Transducer나 Strobe Light를 이용한다. 이와 같이 로터의 질량불평형 상태를 교정하기 위해서는 불평형 위치 즉 위상각 측정 및 이용이 절대 필요하다. 보다 상세한 내용은 “Balancing" 항에서 언급할 것이다.

 

8.2 Cocked 베어링 또는 휜 축의 檢出 (Detecting of Cocked Bearing or Bent Shaft)

그림 7-47 및 7-48과 같은 축계에서 4곳(1, 2, 3, 4)의 베어링 하우징에서 축방향 위상각을 측정한 결과 모두가 동상(150˚)인 경우는 하우징이 Planner Motion을 하고 있는 경우이고, 각각 90˚ 차이를 가지는 경우는 (1과 3은 180˚, 2와 4는 180˚차)상하 및 좌우로 비틀려 운동하고 있어 Cocked 베어링 또는 휜 축인 것이 예상된다. 특히 휜 축인가를 재확인하기 위하여 그림 7-49와 같이 Shaft Stick을 사용하여 축길이 방향으로 베어링 전후에서 동일방향으로 축진동 위상각을 측정하였을 때 역상 (180˚)으로 나타난다.

그림 7-47 Planner Motion을 그림 7-48 휜 축 또는 Cocked
나타내는 축방향 위상각 베어링에 의한 Twist 상태를
나타내는 축방향 위상각

 

그림 7-49 Bent Shaft 확인용 Shaft Stick의 이용

 

8.3 不平衡에 의한 位相特性 (Phase Behavior due to Unbalance)

그림 7-50과 같이 원주방향의 4곳에서 위상각을 측정하였을때 위상각이 90˚차가 있으면 통상 불평형 상태이다.

그림 7-50 불평형시의 원주방향 위상각 측정

그림 7-51과 같은 펌프인 경우 불평형 상태가 심하면 1×RPM 진동은 높아야 하고 양쪽 베어링에서 수평방향의 위상차는 수직방향의 위상차와 같아야 한다 (±30˚이내). 그림의 예에서 전동기 베어링에서 수평방향 위상차는(90˚ - 30˚) = 60˚, 수직방향의 위상차는(180˚ - 120˚) = 60˚로 강력한 불평형 상태를 나타내고 있다.

그림 7-51 1×RPM에서의 탁월한 정적 불평형

 

8.4 弛緩/脆弱에 의한 位相特性 (Phase Behavior due to Looseness/Weakness)

기계부품들이 서로 견고하게 체결되어 있다면 큰 위상차나 진폭차 없이 함께 움직여야 한다. 그림 7-52와 같이 Base Plate와 Concrete Base간에 심한 진폭 및 위상차가 있으면 이들 표면사이에 부적절한 Grouting이 원인이 되어 이완/취약 상태가 예상된다.

그림 7-52 Looseness에 대한 위상측정

 

8.5 誤整列에 의한 位相特性 (Phase Behavior due to Misalignment)

Misalignment는 Angular(Face) Misalignment와 Parallel(Rim) Misalignment 2가지 형태가 있다. Shaft Misalignment는 커플링을 전후로 하여 180˚ 위상차를 가지는 특성이 있다. 원주방향의 위상각은 Parallel Misalignment에, 또 축방향 위상각은 Angular Misalignment에 아주 민감하다. 커플링에 인접한 두 베어링에서의 위상각을 측정, 비교할 때 위상자료의 혼동을 피하기 위하여 진동변환기의 설치방향이 일정하여야 하고, 90˚ 간격의 4개의 측정점은 그림 7-53과 같이 동일한 관측방향이어야 한다.

그림 7-53 인접 베어링에서의 위상측정 위치

 

그림 7-54는 커플링 Misalignment의 한 예로써 간단히 하기 위해 축방향 값만 기록하였다. 전동기 베어링 1과 2 및 Fan 베어링 3과 4는 각기 동상으로 움직이며 따라서 Internal Misalignment, Bent Shaft 또는 Cocked 베어링 징조를 보이지 않고 있다. 그러나 커플링 전후 베어링간의 180˚ 위상변화는 축의 Misalignment 상태를 나타낸다.

그림 7-54 Angular Misalignment에 관한 축방향 위상각의 비교

 

대부분의 Misalignment 상태는 Parallel 및 Angular Misalignment의 조합이지 어느 한쪽만 존재하는 일은 거의 없다. 위상값은 서로 꼭 0˚ 또는 180˚ 차이가 나지 않는다. 통상 위상값이 서로 30˚이내에 있으면 대략 동상으로 간주한다.

상당한 위상변화가 축방향이던 원주방향이던 위상차가 180˚에 가까울수록 Misalignment의 가능성은 더욱 높다.

 

8.6 反力 對 不平衡 檢出 (Detecting Reaction Forces Versus Unbalance)

기계 진동이 1×RPM에서 발생할 때 수평과 수직 방향의 위상 비교로 불평형 상태를 확인할 수 있고 풀리와 기어의 편심, 왕복동력 또는 공진상태 등에 의해 야기되는 반력과 같은 진동에 대한 원인을 규명할 수 있다.

정상적인 불평형 상태는 불평형의 Heavy Spot이 360˚ 회전하면서 동일한 힘을 발생한다. 이로 인해 축 중심선이 기계의 수직 및 수평 방향의 상대 강성에 따라 원형 또는 약간의 타원형으로 움직이게 된다(그림 7-55 참조). 좌우간 기계의 수평방향에서의 최대변위가 발생되기 전에 수직 방향의 최대 변위는 1/4회전 즉 90˚에서 발생된다. 결론적으로 정상적인 불평형 상태에서는 수평방향과 수직방향의 위상차이가 약 90˚ 정도로 나타난다.

그림 7-55 불평형 상태에서는 수평방향과 수직방향의 위상차이가 약 90˚ 정도 나타난다.

다음으로, 편심된 V벨트에 의해 야기되는 기계의 진동은 벨트 장력의 변화로 인해 나타난다(그림 7-56). 즉, 편심된 Pulley의 상단부가 하단부보다 큰 벨트 장력을 일으켜 풀리가 회전함에 따라 벨트장력의 변동으로 불평형 상태에서와 유사하게 편심된 풀리의 1×RPM과 동일한 주파수에서 진동을 일으킨다. 그러나 불평형 상태와는 달리 편심 풀리에 의한 반력은 풀리가 360˚ 회전하는 동안 균일하게 작용하지는 않는다. 대신에 두 축의 중심선을 지나는 선을 따라 벨트 장력의 방향으로 힘이 발생된다. 이것은 수직방향의 최대변위는 수평방향의 최대변위와 동시에 발생될 수 있다는 것을 의미한다. 결론적으로 그림 7-56에서와 같이 편심된 풀리는 수직방향과 수평방향으로 같은 위상차를 나타낸다(Pickup이 베어링의 어느 쪽에 위치하는가에 따라 180˚가 됨). 하여간 위상은 불평형 상태에서 나타난 위상과는 현저하게 다르게 나타난다. 편심된 기어의 경우도 편심 풀리에서 나타난 수직 및 수평방향의 위상과 유사하며 이때 나타나는 반력은 불평형 상태의 진동과 유사하다. 그러나 이러한 힘은 발란싱으로 교정되지 않는다. 이러한 힘들을 발란싱하면 한쪽 원주방향의 진동은 감소되지만 다른 원주방향의 진동은 증가된다. 즉, 수평방향의 진폭을 감소시키기 위한 발란싱은 수직방향의 진폭을 증가시킨다. 압축기나 가솔린 또는 디젤엔진과 같은 왕복동 기계는 밸브불량이나 분사의 문제 또는 점화 등과 같은 결함으로 인해 1×RPM의 진동이 발생한다. 또한 이러한 진동도 불평형 상태와 유사하게 나타나지만 전적으로 발란싱에 의해 보정될 수 없다. 편심된 풀리나 기어에 의해 야기된 반력과 같이 왕복동 기계의 작동상의 문제로부터 야기된 관성력은 편심에 대해 언급한 바와 같이 수직방향과 수평방향의 위상을 취함으로써 검출될 수 있다.

그림 7-56 편심 또는 왕복운동으로 인해 반력이 발생하면
수직방향과 수평방향의 위상차는 0˚ 또는 180˚가 된다.

 

부가적으로 그림 7-57에서와 같이 왕복동 기계에서는 크랭크축상의 불평형 토오크 반력으로 인해 진동을 야기시킬 수 있다. 이것은 질량 불평형에 의해 야기된 원형이나 타원형의 운동이 아닌 크랭크축 중심선에 대한 기계의 비틀림 진동이나 'Rocking'을 일으킨다. 이러한 진동의 비틀림 형태는 종종 크랭크축의 중심선 상하 부분의 수평방향 위상차를 비교하여 검출할 수 있다. 비틀림 진동은 180˚ 다른 위상차를 나타내는 반면에 질량 불평형에 의한 기계의 원형 또는 타원형의 운동은 거의 동일한 위상차를 보여주게 된다.

그림 7-57 왕복동 기계의 비틀림 진동은 크랭크 축 상하에서 측정한
진동 위상을 비교함으로써 불평형과 구별할 수 있다.

 

8.7 共振 糾明 (Resonance Determination)

앞에서 Bode Plot과 Polar Plot에 대해 논술하였고 몇 가지 예를 들면서 기계의 기동 또는 정지시 위상은 기계의 공진 주파수를 검출하고 규명하는데 도움된다고 하였다. 단순 공진은 기계의 속도가 공진 주파수를 통과할 때 위상이 180˚ 이동될 것이다. 만약 기계가 공진점 근처에서 운전되고 있다면(수평 방향의 베어링이 공진 한다고 하면) 수평 및 수직방향에 대한 위상비교를 통하여 확인할 수 있다. 앞에서 논의된 것처럼 대개의 불평형 조건은 일반적으로 수평과 수직 위상 차이가 약 90˚이다. 그러나 만약 기계가 수평 또는 수직 공진 주파수에서 진동하고 있다면 수평 및 수직 방향의 위상은 베어링 픽업 설치위치에 따라 동일하거나 180˚ 반대값이 될 것이다. 이와 같은 상대위상의 뚜렷한 90˚ 오차는 공진 조건에 의해 야기된 90˚ 위상 지연의 결과이다.

 

TRAC Mark INCOSYS