1.7 소프트 풋

Soft Foot

 

1.7.1 Soft Foot 矯正의 重要性 (The Importance of Correcting Soft Foot)

Soft Foot라는 용어는 실제로는 잘못된 호칭이다. Soft Foot에 있어서 부드러움이란 아무 것도 없다. 그보다는 오히려 Soft Foot라는 것은 Foot Bolt가 꽉 조여젔거나 이완되었을 때 기계 Frame의 변형을 의미하는 것이다.

그림 2-10 일반적인 Mounting Foot Jacking Bolt의 설치

그림 2-11 커플링에서의 Misalignment

그림 2-11의 예에서와 같이 커플링은 Foot Bolt가 느슨해지거나 꽉 조일 때마다 약 16 mils(0.4 ㎜) 움직인다. 정확한 움직임 량은 기계 Frame의 강성에 따라 다르다. 더욱 바람직하지 않은 것은 커플링의 움직임 량이 정확히 얼마인가는 볼트의 조임 순서와 토오크 값에 달려 있다는 것이다.

 

1.7.2 內部 部品의 誤整列 (Internal Misalignment)

그림 2-11의 예에서와 같이, 커플링에서의 Alignment 변화뿐만 아니라 내부 베어링들 사이에서도 Alignment 변화가 있다는 것을 알아야 한다. 이른바 자동 조심 내부 베어링은 베어링 캡이 너무 조여지면 움직이지 않기 때문에 내부 Misalignment는 심각한 상황이 된다. 기계 수명의 큰 증가는 Soft Foot를 제거하므로써 서로 잘 정렬된 기계 베어링으로부터 얻어진다. Misalignment와 연관된 많은 베어링 손상과 고진동은 실제적으로 Soft Foot에 의한 한 기계의 내부 베어링들 사이의 Misalignment에 의해서 일어난다.

만약 기계 Frame이 Soft Foot에 의하여 비틀렸다면(그림 2-12), 베어링들은 그것에 따라 이동한다. 베어링 허용 공차를 초과하면 베어링(그리고 하우징)이 계속하여 이동할 수 있는 유일한 방법은 축을 처지게 하는 것이다. 축의 처짐에 의하여 축으로부터 베어링에 Preload가 가해진다. 축의 처짐에 의한 정적 베어링에 부가되는 Preload의 결과는 치명적이고, 축이 회전할 때 더욱 나쁘게 된다.

그림 2-12 내부 Misalignment

축의 회전시 180°마다 축의 Bending 위치는 정확히 반대 방향으로 된다는 것을 알아야 한다. 이러한 앞뒤로의 Bending은 항상 적지만 주기적이고, 역 응력이 생기며 축이 회전될 때마다 발생한다 (그림 2-13). 1,800 rpm 기계에서, 축은 매초 30회의 역 응력 주기를 나타낸다. 이것은 24시간마다 2,592,000의 앞뒤의 굽힘 주기에 해당하는 양이다. 이런 시기가 지난 후의 축은 피로 균열 및 손상으로 발전할 수도 있다.

그림 2-13 내부의 Misalignment에 의해 발생되는 축의 처짐

 

1.7.3 비틀린 베어링 (Distorted Bearings)

그림 2-14는 Soft Foot 및 느슨한 Base Bolt 상태의 기계를 나타낸다. 기계는 End Housing에 그려진 수평선들을 가지고 있다. 그림 2-15는 볼트가 조여진 후 선의 양상을 나타낸 것이다.

그 곡선은 “Stress Line”이라 불리며, Soft Foot 때문에 발생하는 기계 Frame에서의 비틀림 양상을 나타낸다. 축 베어링 하우징 중심에서도 같은 양상으로 비틀어진다 (그림 2-15). 이러한 베어링 비틀림에 대한 확인으로서, 수많은 손상된 베어링은 180°떨어진 두 개의 부하 영역을 가지고 있다. 베어링 외륜의 비틀림 또는 Preloading을 제외하고는 대부분의 기계 베어링에서 두개의 부하 영역이 생긴다는 것은 불가능하다. Soft Foot는 적절히 설치된 베어링에서 베어링 외륜 비틀림의 주요 원인 중의 하나다.

그림 2-14 Soft Foot 및 볼트가 느슨한 상태의 기계

그림 2-15 볼트가 조여진 Soft Foot에 발생된 기계 케이싱의 응력

 

1.7.4 Soft Foot 形態의 區別 方法 (How to Distinguish Types of Soft Foot)

전 산업을 통하여 Soft Foot 용어와 관련된 많은 오해들이 있다. 이 항은 이러한 주제에 대한 정리와 이해를 얻기 위한 시도이다. Soft Foot는 항상 같지 않다는 것은 확실하다. Soft Foot는 다양한 상황에 의해서 일어나며, 심지어 어떤 몇몇 경우에는 기계 자체와 관련이 없을 수도 있다. 그러나 모든 Soft Foot 문제는 제거되어져야 한다. 제거 방법은 Soft Foot의 원인 또는 발생 근원에 따라 다르다.

많은 경험을 가진 정비 기술자는 기계를 움직이거나 정지 상태에서 Soft Foot을 제거한다. Soft Foot 제거의 장점은 명백하지만 시행여부의 판단은 잘 운전되고 있는 설비가 손상되기 전에 이루어져야 한다.

다이얼 게이지뿐만 아니라, 레이저 시스템은 축 위에서 Soft Foot의 영향 및 크기를 측정하는데 사용될 수 있다. 그러나 이 시스템은 축 위치의 각도 변화를 탐지해야 하므로 우수한 분석력을 가져야 한다 [0.1 mils(0.003 ㎜) 또는 그 이하가 추천됨]. 다이얼 게이지 또는 레이저 시스템은 둘다 원인 또는 교정 조치를 결정할 수 없다. 이것이 Foot와 Base 사이 이외의 다른 위치에 설치되는 모든 측정 시스템의 한계이다.

원인 및 교정 조치는 Feeler Gage 사용으로 결정할 수 있으며 Soft Foot를 제거하는데 필수적이다. Single Foot에 대한 적절한 Feeler Gage 기술은 동일한 각 모서리 아래의 간극을 측정하는 것이다. 4개의 측정 수치로부터 간극 모양에 대한 탁월한 아이디어를 창출해 낼 수 있다.

처짐을 완전히 제거하기 위하여 노력해야 하지만 최대 허용 축 처짐량은 2 mils(0.05 ㎜)이다. Soft Foot에 대한 최대허용 다이얼 게이지의 각도는 Foot들 사이의 전 거리에 걸쳐 1 mils(0.03 ㎜) 이하가 되어야 한다.

Soft Foot의 종류, 원인, 교정 기술에 대해서 살펴보자.

(1) 同一 平面이 아닌 Mounting Feet (Mounting Feet Out-of-Plane)

상황 : 이것은 Soft Foot라는 용어와 관련 있는 가장 흔한 Mental Picture이다. 3개의 Foot는 단단하고 평평하게 위치하고 있지만, 한 개의 Foot는 닿지 않고 있다 (그림 2-16). Feeler Gauge로는 Foot의 네 모퉁이에서 같은 간격을 나타낼 것이다. 일반적인 가정과는 반대로, 이런 형태의 Soft Foot는 아주 드물다. 대각선으로 반대인 Foot는 Soft한 상태일 것이지만, 크기는 더 작다는 것을 알아야 한다. 4개의 Foot를 가진 하나의 기계에서 세 개의 Foot가 평행한 간극을 갖는다는 것은 불가능하다. 마찬가지로, 2개의 Foot가 나란히 간격을 가진다는 것도 불가능하다. Foot들은 서로 대각선의 반대 방향일 것임에 틀림없다.

원인 : 하나의 다리가 너무 짧다. ; 하나의 기초대 Mounting Pad가 다른 3개와 동일 평면이 아니다. ; 한 개의 Foot 아래의 Shim이 불충분하다.

그림 2-16 동일 평면이 아닌 한 개의 Mounting Foot에 의한 Soft Foot

교정 : Feeler Gage로 측정한 양만큼 Shim을 넣는다. 2개의 대각선 방향 Soft Feet 사이에 Shim을 분리하여 넣는 비생산적인 함정에 종종 빠지지 않아야 한다. 4개의 Foot에서의 Alignment 측정값은 Foot들이 상대적으로 동일 평면임을 나타낸다. Feeler Gage 결과에 따라서 이것은 세 개의 Foot는 주로 동일 평면을 이루며 네 번째의 Foot는 확실히 Shim이 고여져야 하는 것으로 종종 나타날 것이다. 만약 두 대각 방향의 Soft Foot Alignment 측정값이 같은 값을 나타내고 Feeler Gage 간극이 대각 방향으로 같다면, 두 개의 Foot에 Shim을 넣는다. 경험상으로 두 개의 대각 방향으로 반대인 Soft Foot는 4개 Foot의 동일평면 상태에 따라서 Shim을 넣을 수 있으나 이것은 바람직하지 않다. Shim을 하나의 Foot에 넣고, 측정을 재 수행하고, Alignment를 재 계산하는 것이 더 좋은 방법이다.

(2) 휜 Foot (Bent Foot)

상황 : Foot의 바닥이 Base와 동일 평면이 아니다 (그림 2-17). Feeler Gage의 측정값은 분명히 Foot의 한 모서리에서 다른 모서리까지 경사를 나타내고 있다. 항상 그렇지는 않지만, 종종 Foot의 한 모서리 또는 한 면이 Base에 닿아 있어 볼트로 조일 때 Lever처럼 작동한다. 이 때문에 휜 Foot는 항상 두 개의 반대방향 Foot에서 그리고 가끔은 네 번째 Foot에서 Soft Foot를 야기 시킨다. 이것은 3~4개의 Soft Foot를 가지는 기계에서 나타나지만, Soft Foot들은 휜 Foot가 교정될 때 즉시 사라진다.

원인 : 아래로 떨어졌거나 거칠게 다룬기계 ; 휘거나 조잡하게 가공한 Base Plate ; 수직 방향으로 심하게 모가난 Misalignment ; 용접된 Foot ; 기초 침하.

그림 2-17 휜 Foot (Bent Foot)

그림 2-18 Step Shimming

교정 : Foot, Base 또는 둘다 재 제작. 그렇지 않으면, Step Shim을 조립한다 (그림 2-18). 이것은 안전하고 효과적인 것으로 현장에서 증명된 방법이다. 시행 절차는 다음과 같다. :

① Foot의 한쪽 모서리 또는 끝이 닿도록 전체 Foot의 아래에 존재하는 공간을 채운다.

② 가장 크게 남아 있는 간극을 측정한다.

③ 이 간극을 Step Thickness를 얻기 위해 4~5 또는 6 단계(Step 수)로 나눈다.

④ 4~5 또는 6개의 두께 Shim을 선택하고 한 번에 1단씩 넣는다. 기계의 들림이 없이 안정한 상태까지만 손으로 넣는다. Foot의 경사에 일치하도록 Step Shim을 조립하는 것이 이상적이다.

대각선 방향으로 Bent되고 경사진 Foot에 대해서는 방법의 개선이 요구된다. Alignment를 하는 동안 Foot에 대한 각 수직 방향의 Shim 교정은 Step으로의 재조립을 필요로 한다. 수직 방향으로 모가난 것의 교정은 Foot의 경사에 영향을 주므로 Steps은 Shim 설치후 정확히 같은 방법으로 맞춰지기를 기대하지 말아야 한다. 최종 Alignment후 Step Shim의 돌출부를 자르고 버린다.

(3) 一貫性없는 Soft Foot [Inconsistent(Spongy) Soft Foot]

상황 : Alignment 측정으로는 분명하게 또 반복하여 Soft Foot임을 나타내지만 Feeler Gage로는 간극이 적거나 없다고 나타낸다 (그림 2-19).

그림 2-19 일관성 없는 Soft Foot의 원인

원인 : Foot와 Base 사이의 먼지, 그리스, 페인트, 녹, 기름 및 다른 외부 이물질이 있을 경우 ; 구부러진 Shim ; 돌기 또는 “Thread Bite” 상태의 Shim ; 너무 많은 Shim. 각각의 Shim은 아무리 깨끗하다 하더라도 Oil Film 및 표면의 더러움과 같은 결점을 가지고 있다. 비록 미세하지만, 이러한 결점은 Foot가 조여져 아래로 갈 때 Shim 사이에서 압축된다. 이러한 미세한 스프링 효과는 Shim 1개마다 3 mils(0.08 ㎜)의 압축 비율로 축적됨을 볼 수 있다 (그리스가 제거되고, 깨끗한 새로운 Shim은 작고, 사용된 Shim은 더 크다). Foot당 4개의 Shim이하만 사용하는 것이 유용한 규칙으로 되어있다.

교정 : 먼지, 휜 Shim, 또는 일관성 있게 불량의 원인이 되는 것들을 제거한다. 청결한 Base, 깨끗한 Foot 및 Shim의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않는다. 가장 더러운 환경일지라도 각각의 Foot 아래의 작은 공간 및 Foot 자체는 항상 금속이 드러난(Wire Brush 작업시행) 상태로 깨끗하게 하여야 한다. Foot의 상부도 역시 깨끗해야 한다. 여기에 쌓여 있는 오물은 볼트를 조이고 풀때 렌치에 의해 떨어진다. 이 오물은 삽입될 다음 Shim에 의해 Foot 아래로 들어오는 특별한 경우가 있다. 이런 경우에는 진공 청소기가 매우 유용하다.

(4) 다른 힘에 의한 Soft Foot (Induced Soft Foot)

상황 : Alignment 측정으로는 항상 기계의 동일 측면 또는 동일한 끝 부위의 두 개 Foot가 Soft Foot 상태임을 보여주며, Feeler Gage로는 항상 평행하거나 거의 평행한 Feet의 간극이 있음을 나타낸다 (그림 2-20). 두 번째의 증상은 Foot가 더 좋아지지 않거나, 점점 더 나빠지며, 또는 다른 Foot는 간극만큼 Shim을 넣은 후 훨씬 더 나빠진다.

그림 2-20 유도된 Soft Foot

원인 : 기계에 외부의 힘이 작용한다. 커플링 변형 및 배관의 변형은 가장 일반적인 두 원인이다. 만약 Misalignment 때문에 커플링에 볼트를 채우기가 어렵다면, Alignment가 개선 될 때까지 Soft Foot가 예상된다. 외부적인 힘이 발생되는 다른 근원들은 매달린 기계 또는 부속품, 벨트 또는 체인의 부하, 기어, 어떤 매달리거나 연장된 축, 호스, 전선관, 기계에 부착된 구조물의 받침대 및 무심코 단단히 조여진 Jacking Bolt이다.

교정 : 힘을 발생시키는 원인을 제거한다. 레이저 Alignment 측정법은 건설중 배관 변형을 시험하는 우수한 수단이다. 배관을 연결하기 전에 Alignment 시스템을 취부하지만, 모든 Base Bolt는 꽉 조여야 한다. 기계로부터 어떤 Soft Foot를 제거하고 하나의 Foot(어떤 Foot)를 측정하기 위해 Alignment 시스템을 설치한다. 배관에 볼트를 조립한다. 만약 Alignment 시스템에서 플랜지 볼트가 조립되는 동안 움직임 량이 1.5 mils(0.04 ㎜) 이상인 경우 배관은 기계를 변형시킨다. 더욱더 확실히 하기 위해 배관을 죄는 동안 Soft Foot를 재시험하고, 배관이 연결되기 전에 존재했던 Soft Foot 상황과 비교한다.

(5) Soft Foot가 없음에도 間隙 發生 (Gaps Without Soft Foot)

상황 : 조심성 있는 축정렬 작업자는 때때로 Alignment 측정으로 Soft Foot가 나타나지 않는 Foot임을 알 것이다. 그러나 사실 볼트가 조여졌을 때는 간극이 없으며 볼트가 느슨할 때는 Foot 아래에 다소 큰 간극을 가지고 있다. 이와 같은 현상에 대한 다른 하나의 견해는 Alignment 측정은 상대적으로 작은 Soft Foot를 나타내며, Feeler Gage는 훨씬 큰 간극을 나타낸다는 것이다.

원인 : Base가 움직임. 기계의 굽힘이 아닌 Foot의 굽힘 (약하거나 무른 Foot). Base 또는 기계가 균열되고, 느슨하거나, 다른 결함이 있을 때.

교정 : 간극을 메우기 위해 Shim을 넣는 것은 대부분의 사람들의 느낌만 좋게 할 뿐이다. 이런 상황이 주어진 기계의 운전 상태는 좀처럼 개선되지 않는다. Base 또는 기계는 문제를 제거하기 위해 정비되거나 재 제작되어야 한다. 이런 상황은 수직 방향의 Alignment 교정을 수행할 때 (예기치 않거나 심지어 불가능한) 부작용으로 종종 나타남을 알아야 한다. 만약 기계를 정렬할 수 있고(즉, 수직 방향으로 Alignment 교정됨) 기계가 Loose되거나 파손되지 않는다면, 그 간극은 종종 무시될 수 있다. 만약 Foot의 Base Bolt를 조이고 풀때 축 중심선에 영향을 주지 않는다면, 베어링은 움직이거나 변형되지 않으며, 회전체, 베어링, 커플링에서 손상이 일어나지 않는다.

만약 Alignment 측정시 Soft Foot가 나타난다면, 더 진행되기 전에 교정되어야 한다. 그러나 어떤 조치를 행하기 전에 Soft Foot의 원인과 형태를 분석하는데 주의해야 한다. 무작정 Shim 조립 작업을 시행하거나 또는 시행착오법은 종종 상태를 더 악화시킬 것이다.

 

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