2.2 공진 확인을 위한 충격시험

Impact/Bump Test to Identify Resonance

 

공진상태 여부를 진단하는 가장 쉽고 저렴한 시험이 충격시험이다. 이 시험을 위해서는 분석하고자 하는 기계를 정지시켜야할 필요가 있다.

충격을 받은 어느 물체도 그 고유 진동수에서 진동한다. 좋은 예가 종, Tuning Fork 또는 기타 줄이다. 물론 충격에 의해 가진된 주파수는 감쇠에 의해 소멸된다. 시스템에서 가장 중요한 공진 주파수들을 확인하기 위해서는 주파수 분석을 수행할 시간이 필요하므로 반복된 충격을 가하여 고유 진동수를 유지하게 한다.

충격시험을 하기 위해서는 분석할 기계를 정지하고, 예상되는 공진 위치와 방향에 진동 변환기를 설치한다. 예를 들면 그림 9-7에 나타낸 Fan의 분석 자료를 참고하면, 진동 변환기는 비정상적으로 고진동이 발생하는 Fan의 외측 베어링에 수평 방향으로 설치되어야 한다. 주변 진동원이 문제에 영향을 미칠지 모를 가능성을 배제하기 위해서는, 주변 진동의 진폭 대 주파수 분석이 충격시험 전에 수행되어야 한다. 주변 진동원으로부터의 진동 진폭이 상당히 크면, 성공적인 충격시험이 수행되기 전에 기계를 정지할 필요가 있다.

일단 주변 진동원이 제거되었던지 또는 진동시험 결과 그리 대단하지 않으면 충격시험을 행할 수 있다. 진동 변환기를 설치한 상태로 주변 진동치 보다 훨씬 높은 값으로 진동하게끔 충분한 힘으로 기계에 충격을 준다. 기계에 충격을 주기 위한 적절한 기구는 고무, 생가죽 또는 플라스틱 망치이던지 큰 목재이다. 대장간 망치와 같은 금속제를 사용하면 국부적인 공진만을 가진시키고 시스템 공진은 가진시키지 않는 경향이 있으므로 사용하지 말아야 한다. 또한 금속재로 타격하면 기계나 그 부품에 과도한 손상을 일으킬 수 있다.

기계에 충격을 가하면 시스템의 고유 진동수가 가진된다. 그러나 감쇠 때문에 공진은 빨리 소멸한다. 이러한 이유로 필요한 주파수 분석을 수행하는데 요하는 시간 동안은 진동을 유지하기 위해 반복적으로 기계에 충격을 가할 필요가 있다. 최상의 결과를 위해서는 공진 주파수를 유지하기 위해서 뿐만 아니라 일관된 진폭에서 공진 주파수를 유지하기 위해서 초당 1내지 2회의 충격을 기계에 가하는 것을 추천하고 있다. 이것은 사용하는 분석 장비(최신의 FFT 분석기)가 자동 진폭범위(Auto-Ranging) 기능을 가지는 경우는 특히 중요하다. 충격 간격간의 시간이 너무 길면 진동진폭이 2개 이상의 자동으로 선정되는 범위에 걸쳐서 변화하기 때문에 진동 자료는 너무 낮은 진폭 눈금 상에 표시된다. 자료가 눈금 밖으로 나타나기 때문에 즉 진폭 눈금이 너무 커서 분석 자료는 상당히 감쇠 되거나 삭제된다.

수동으로 선택할 수 있는 진폭 범위를 가지는 아날로그(Swept Filter) 주파수 분석기가 충격시험용으로 사용되는 경우는, 계측기의 필터 Selector는 먼저 Filter-Out 위치로 절환 되어야 하며 최상의 진폭응답 눈금을 주는 진폭 범위를 선택하도록 수분간 기계에 충격을 가해야 한다. Filter-Out 위치에서 최상의 진폭 범위가 선정된 다음에는 주파수 필터들중 하나에(광대역 또는 협대역 폭) 필터 Selector를 절환할 수 있으며 그 다음에 충격시험 주파수 분석을 수행한다.

변위, 속도 또는 가속도 단위의 진폭으로 충격시험을 할 수 있지만 진동 진폭의 각 매개 변수는 어떤 진동 주파수에서는 응답이 좋고 또 다른 주파수에서는 응답이 나쁘다. 예를 들면 진동 변위는 상당히 낮은 진동 주파수(600 cpm 이하)에서는 일반적으로 응답이 좋다. 그러나 기어 Mesh 주파수나 펌프의 Vane Passing 주파수와 같이 높은 진동 주파수를 무시하는 경향이 있다. 한편 진동 가속도는 높은 진동 주파수에서는 응답이 좋고 낮은 주파수에서는 나쁘다. 일반적으로 진동 속도는 높고 낮은 모든 주파수에서 응답이 좋다.

그림 9-9는 동일한 기계에서 측정 위치는 같으나 측정 매개변수를 다르게 하여 비교하기 위한 충격시험 결과이다. 변위자료는 가속도 충격시험 자료에서는 분명치 않은 아주 낮은 주파수에서 시스템의 공진 주파수를 보여 준다. 한편 가속도 자료는 변위 자료에서는 보여주지 못하는 높은 시스템 공진 주파수를 나타내고 있다. 속도 단위로 취한 충격시험 분석 자료는 낮은 주파수에서뿐만 아니라 높은 시스템 고유 진동수들도 나타내고 있다. 이러한 비교로부터 관심사가 시스템의 낮은 고유 진동수 시험의 경우에는 변위나 속도 측정으로 선택되어야 하고, 60,000 cpm(100 ㎐) 이상의 높은 고유 진동수를 확인하려면 가속도 측정이 바람직한 선택임이 분명하다.

그림 9-9 충격시험시에 예상되는 공진 주파수에 최적의 응답을 주는 진폭 매개변수를 선정한다.

그림 9-10은 전형적인 충격시험의 시간 파형을 나타낸 것이다. 표시된 전체 시간은 대략 8초이며, 5회의 충격을 기계에 준 것이 분명하다. 충격간의 간격은 약 1.6초이며 시스템의 공진 진폭이 감쇠에 의해 충격간에서 소멸되고 있다. 이 그림은 시험 중에 신속한 반복 충격의 중요성을 설명한다.

그림 9-10 충격 간격이 1.6초이고 5회의 충격을 가한 충격시험의 시간 파형

 

그림 9-11의 진동 파형 자료는 그림 9-10으로부터 확대된 것이며 전체 시간은 약 2초이며 기계에 한번의 충격을 가한 결과이다. 시스템의 공진 또는 고유 진동수는 파형으로부터 공진의 사이클간의 시간 간격 즉 주기를 앎으로서 구할 수 있다. 이 예에서 한 Peak는 9.632 sec에서 발생하였고 이보다 앞선 또 하나의 Peak는 9.480 sec에서 발생하였다. 따라서 공진 주파수의 한 사이클당 시간 주기는 0.152 sec이다. 진동 주파수는 주기의 역수이므로

이며, 분당 사이클로 환산하면 다음과 같다.

6.58 cycle/sec × 60 sec/min = 395 cycle/min (cpm)

그림 9-11 충격시험에 의한 시스템의 공진 주파수는 파형으로부터 주기를 구하여 이 주기의 역수를 계산한 것이다.

 

그림 9-12는 앞의 충격시험으로부터의 시간파형 자료와 진폭 대 주파수 분석자료의 시간 파형이다. 주파수 분석자료에서 계산한 고유 진동수가 395 cpm인 것에 주목해야 한다.

그림 9-12 전형적인 충격시험에서의 시간 파형과 주파수 분석자료

충격시험치를 설명하기 위해서 그림 9-13은 대형 디젤 엔진구동 화물선의 2개의 수직 윤활 펌프를 보여주고 있다. 이 펌프는 125마력의 전동기로 구동되는 용적 Screw 펌프로 약 1200 rpm으로 운전한다. 이 펌프들은 공동 토출 배관에 연결되어 있고 화물선 앞쪽에 있는 윤활유 필터로 연결되는 직경 10 inch의 하나의 파이프로 공급한다.

초기 설치 및 기동후 두 펌프는 아주 높은 진동 진폭이 발생하였다. 문제점을 해결하기 위해서 상세한 진동 분석이 이루어지기 전에 2개의 펌프와 또 화물선 구조물에 Bracing하여 단지 강성을 높여 진동을 저감시키려 하였다. Bracing한 결과 펌프와 전동기의 진동 저감은 고사하고 화물선 구조물에 진동을 전달하는 효과만 가져왔다.

그림 9-14의 진동 분석 결과 펌프의 탁월 진동 주파수는 약 2400 cpm 즉 2×RPM 이었다. 이러한 진동 주파수는 용적 펌프에서는 통상적인 것이며, 정상적인 압력 맥동을 나타낸다. 최대진폭(0.4 in/sec)은 펌프 출구에 직각인 원주 방향의 펌프 상부에서 발생되었다. 그러나 펌프에 연결된 토출관에서는 펌프 출구에 직각인 동일한 방향에서 2.0 in/sec이상 값으로 진동하고 있었음이 나타났다. 극히 높은 진폭과 토출관 진동의 큰 방향성의 특성 때문에 공진 문제가 예상되었다.

그림 9-13 Bracing으로 2개의 수직 윤활 펌프의 진동 저감이 실패하였다.

 

공진 시험을 하기 위해서 펌프는 정지되었고 펌프 출구에 직각 방향의 토출관에서 충격시험이 수행되었다. 약 초당 2회 토출관을 고무 망치로 충격을 주었다. 그림 9-14가 그 시험 결과이며, 그 문제점이 토출관의 공진에 의해 발생된 것으로 증명되는 2400 cpm(2×RPM)에서 가진된 고유진동수를 보여주고 있다. 그림 9-14는 2대 펌프가 정지된 이후 취한 주변 진동의 주파수 분석도 보여주고 있다.

2400 cpm 주파수에서는 어떠한 주변 진동도 없어 문제점이 공진으로 결정되었다. 2400 cpm 주파수에서 충격시험으로 생긴 진동진폭(약 0.03 in/sec) 자체는 중요하지 않음에 염두에 둘 일이다. 공진 주파수에서 여기된 진폭은 오직 충격력에 따라 다르다. 충격시험에서 중요한 사항은 오직 2400 cpm에서 시스템 진동수가 실제로 2400 cpm의 정상적인 가진 주파수와 일치한다는 사실에 주의하는 것이다.

이 사례는 공진 문제를 확인하기 위한 충격시험의 가치뿐만 아니라 파이핑, 덕트, 기초, 주변 진동원 등과 같은 관련 사항들을 포함하는 기계의 폭넓은 진동 분석의 중요성을 설명한다. 이 예는 또한 임의로 하거나 진동분석 자료의 뒷받침 없이 Bracing, Stiffening 또는 구조적 개조를 함으로서 때로는 시간과 자금을 낭비하게 된다는 것을 보여준다.

그림 9-14 On-Line 진동분석, 주변 진동분석 및 충격시험 자료 비교 결과 문제점이 공진이었음을 보여준다.

 

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