회전기계의 진동 (feat. 원인, 해결방안)

오늘은 회전기계에서 발생하는 진동과 원인 그리고 해결방안에 대해 원론적인 이야기를 해보도록 하겠다.

 

1. 회전체에서 발생하는 원심력과 진동

 

물체가 회전을 하면 원심력이 발생한다. 회전체가 완벽한 원형이고, 회전체의 질량이 전면적을 걸쳐 일정하며, 회전의 중심이 회전체의 완벽히 중앙에 위치한다면 이 원심력은 회전체의 반경방향으로 항상 일정하게 작용된다.

원심력의 크기는 다음과 같이 구할 수 있다.

F = m⋅r⋅ω2

m은 질량, r은 질량 중심이 회전 중심에서 벗어난 거리(편심), ω는 각속도이다.

원심력은 질량과 거리에 비례하고, 회전속도에는 제곱에 비례하는 것을 알 수 있다.

< 회전체에서 발생하는 원심력 >

 

그러나 회전체가 완벽한 원형일 수 없고, 회전체의 질량이 전면적에 걸쳐 일정할 수 없으며, 그 중심이 한 치의 오차도 없이 완벽히 중앙에 위치하기란 매우 어렵다. 따라서 회전체에는 필연적으로 원심력의 불균형이 발생하여 진동이 발생할 수 밖에 없다. 크고 작음만 있을 뿐이다. 그래서 진동은 허용범위가 존재하며 상시 관리해야 하는 Risk로 인식된다.

회전체의 문제가 아니라 다른 환경 문제로도 발생할 수 있다. 회전체와 축이 제대로 연결되어 있지 않거나 불량한 경우도 있으며, 회전시키는 힘 자체가 일정하지 않을 수도 있다. 또, 회전체의 무게를 지탱하지 못해 축이 휘어서 원심력의 불균형을 야기하기도 한다.

종합해보면 회전체 자체의 문제이거나 다른 환경적 문제로 인해 회전체의 원심력이 불균형해질 경우 진동이 발생하게 되는 것이다.

 

2. 회전체 진동의 결과

 

회전체의 진동을 바로잡지 않고 방치할 경우 어떤 결과로 이어질지 생각해보자.

1) 요구 성능이 발휘되지 않음

2) 에너지 효율이 떨어짐

3) 진동이 심해져 공진으로 발전하고 결국 고장에 이름

4) 진동에 의한 발열

5) 진동에 의한 소음이 심해져 작업자의 청력 손상

 

그 밖에도 다양한 문제를 야기할 것이다. 따라서 이러한 문제로 확산되기 전에 진동을 초기에 잡는 것이 중요하다.

진동을 없애기 위해서는 진동이 발생하는 원인에 대해 알아야 한다.

 

3. 회전체의 진동 발생 원인

 

회전체 진동 발생의 원인을 세분화해보면 다음과 같이 정리할 수 있다.

1) 불균형 (40%)

2) 축정렬 불량 (30%)

3) 공진 (20%)

 

 

1) Unbalance (회전 불균형) – 회전체 자체의 문제

 

진동 문제의 약 40%를 차지하는 대표적인 원인에 해당한다.

원인	해결방안
- 회전체의 질량 중심과 회전 중심 불일치 - 생산오차로 회전중심이 벗어남 - 회전체 재료 불량으로 이물질이 들어가는 등 질량이 불균일 - 열적 불균형, 기계적 변형 발생 - 부식, 마모 발생	- 추가적인 무게를 삽입하거나 불필요한 질량을 제거함 (하중점에 대응하여 correction weight 삽입) - 불량 회전체를 정상 제품으로 교체

 

 

특징

- 1XRPM 특성이 주로 나타남 (회전속도와 동일한 주파수의 진동이 발생하며 1회전 시 1번의 진동이 발생) - 반경 방향으로 강한 진동이 발생 (원심력의 불균형으로 원심력방향으로 충격 발생)

 

 

2) Mis-alignment (축정렬 불량) – 회전체 연결부 문제

 

진동 문제의 약 30%가 축정렬 불량에 기인한 것으로 알려져 있다. 축정렬 불량은 대부분 펌프나 압축기 같은 대형 기계에서 발생한다.

그 형태는 다음과 같다.

원인	해결방안
- 축 각도 정렬 불량 (Anglar Misalignment) 두 개의 축이 서로 비스듬하게 교체하는 상태	- 축의 각도, 직진도가 맞는지 점검하고 alignment 작업 수행 - 축을 연결하는 볼트가 헐거운지 torque가 동일하게 적용되었는지 확인
- 축 평형도 불량 (Parallel Misalignment) 두 개의 축이 평행하지만 중심축이 어긋난 상태	- 축 평형도가 맞는지 측정하고 alignment 작업 수행 - 축의 처짐, 변형이 발생했는지 점검후 조치
- 베어링 불량 (Bearing Misalignment) 베어링 정렬이 불량한 상태	- 베어링의 정렬 상태를 확인하고 편마모, 피로파괴 등이 발생했을 경우 교체 - 윤활, 오염 상태 확인하여 조치

 

특징

- 2XRPM 특성이 주로 나타남 (1회전 시 2번의 진동이 발생) - 축 각도 정렬 불량은 축 방향으로 큰 진동이 발생하고, 축 형평도 불량 및 베어링 불량의 경우는 반경 방향으로 큰 진동이 발생함

 

3) Resonance (공진) – 공진회피설계 문제

회전체, 축, 케이싱 등은 고유진동수가 있다. 이것은 물체의 재질과 형상에 따라 다른데, 회전에 따라 발생하는 진동 주파수가 회전체의 고유진동수와 일치할 경우 공진현상이 발생한다. 공진현상은 주파수가 동일할 때 진폭이 커지는 것이고, 공진현상을 바로잡지 않을 경우 시간이 지남에 따라 진폭이 지속적으로 커지게 되어 결국 파괴에 이르게 된다.

앞서 설명한 이유로 회전체에는 진동이 발생하게 되는데, 이 진동이 불규칙하게 일어나면서 어느 순간 고유진동수와 일치하게 되고 그때 공진이 발생하는 것이다. 따라서 공진은 진동을 일으키는 근본원인인 경우보다 진동에 의해 공진이 발생하고 공진이 더욱 큰 진동을 유발하는 경우가 많다.

원인	해결방안
- 회전체의 고유진동수와 회전에 의한 진동수가 일치 - 불균형, 축정렬불량이 일으킨 진동	- 공진회피 설계를 적용 - 일반적으로 공진속도의 + 또는 - 20% - 약간의 변화만으로도 공진 감소

 

특징

- 시간이 지남에 따라 진동의 크기가 커짐 - 크기, 형상, 연결방법에 따라 공진특성이 다름

 

 

회전체에서 발생하는 진동의 원인은 훨씬 복합적인 요소에 의해 발생한다. 다만, 위 기본적인 내용을 알고 접근해야 수월하게 해결할 수 있을 것이다.

진동의 발생으로 기계가 고장난다면 결국 유지보수를 해야 하고 유지보수를 하기 위해 작업자가 투입되어하며, 작업자가 투입되면 사고의 우려가 높아지기 때문에 안전관리자가 알아야 할 지식이라 할 수 있다.