Misalignment
진동은 Misalignment 정도에 따라 응답하지만 Misalignment의 양과 진동의 양은 1:1의 관계를 갖지 않는다. John Mitchell은 그의 저서에서 다음과 같이 언급하였다. “Misalign된 Flexible Coupling을 가지는 진동의 특성은 Misalignment의 양에 직접 관계하지 않고, Misalignment를 조절하는 Coupled System의 능력에 따른다. 따라서 축간의 Offset에 의한 작용 외에 속도, 또는 커플링의 강성을 변화시켜 주어진 Offset 양을 조절하여 커플링의 능력을 변화시키는 부식 및 찌꺼기와 같은 다른 조건들에 의하여 영향을 받는다.”
Misalignment가 있으면 커플링은 물론 다른 부품의 손상을 일으킬 수 있다. 예를 들면 커플링이 인접한 베어링보다 더 강하면 커플링에는 손상 없이 과도한 힘을 베어링에 작용하게 한다. 마찬가지로 이와 같은 Misalignment는 기어, 벨트, Sheave, Blading 등을 포함하는 다른 부품에도 나쁜 영향을 미친다.
Misalignment에 의한 가장 큰 반작용은 커플링에 인접한 베어링에서 발생하지 않고 오히려 Free측, 즉 외측 끝 베어링에서 발생할 수 있다. 이것은 커플링으로부터 받는 힘이 커플링에 인접한 시스템을 안정시킬 만큼 강하기 때문이다.
4.1 誤整列시의 軸方向 振動 (Axial Vibration During Misalignment)
불평형과는 달리 Misalignment는 높은 축방향 및 반경방향 진동을 수반한다. 높은 축방향 진동을 일으키는 진동원은 Misalignment 이외에도 다음과 같은 것들이 있다.
① Bent Shaft
② Resonant Whirl 상태의 축
③ 축 부위에서 휜 Misaligned 베어링
④ 축방향 부품의 공진
⑤ 마멸된 Thrust Bearing, Helical Gear, Bevel Gear
⑥ Magnetic Center 조정불량에 의한 슬리브 베어링을 가지는 전동기의 난조 (Hunting).
⑦ Dynamic Unbalance의 Couple 성분
따라서 축방향의 고진동이 발생한다고 해서 쉽사리 Misalignment에 의한 문제점이라고 결론지어서는 안된다. 특히 위상각 및 진동 Spectrum을 참고해야 한다.
한편 Misalignment는 높은 축방향 진동을 가진다고 통상 규정짓고 있으나 항상 그렇지는 않다. 예를 들면 Angular Misalignment에 비하여 Parallel Misalignment 값이 상당히 큰 경우는 축방향 진동치가 반경방향 진동치의 1/4이 될 수도 있다.
4.2 誤整列시의 半經方向 振動 (Radial Vibration during Misalignment)
수평방향의 Alignment 상태는 양호하나 수직방향의 Alignment가 불량한 경우 반경방향의 한쪽 진동이 다른 쪽보다 더 높을 수 있다. 수평방향의 Parallel Alignment 상태가 불량하면 수평방향으로 큰 힘이 작용한다고 생각하나 대부분의 경우, 높은 수평방향의 진폭은 주로 수직방향의 Misalignment의 경우이고, 그 반대인 경우도 성립한다.
4.3 誤整列의 振動 周波數 (Frequency of Misalignment)
Misalignment인 경우 축방향뿐만 아니라 반경방향으로 작용하는 정상적인 2×RPM 보다 높은 진동이 종종 발생한다. 이 2×RPM 진동은 기계 및 그 구조물 또는 커플링의 비대칭 강성에 기인한다. 즉, 매회전마다 전후운동을 하는 지지물, Frame, 기초 및 커플링 자체 강성의 차이가 있기 때문에 2×RPM 진동을 초래한다.
Misalignment는 Spectrum상 기계이완 및 과도한 간극문제로 나타나는 고주파수 진동을 일으킬 수 있다. 분명한 것은 축방향에서 2×RPM 진동이 높게 나타나는 것이다. 여러 번의 시험결과 Misalignment가 더 심해지면 고주파수 진동이 나타나기 시작한다.
4.4 位相角에 의한 診斷 (Phase is Best Indicator)
1×RPM 및 2×RPM 에서 고진동이 발생할 때 Misalignment 문제에 기인한 것인가를 가장 잘 알 수 있는 방법은 위상측정이다. 위상각은 다른 진동원이 되는 1×RPM과 2×RPM간을 구별한다. Misalignment 시의 위상각 거동은 다음과 같다.
① Misalignment 문제를 확인하는 가장 좋은 방법은 커플링을 지나면서 위상각의 변화를 평가하는 것이다. 한가지 방법은 구동축과 그 커플링이 종동축과 그 커플링에 어떻게 작용하는가를 확인하는 것이다. 커플링 전후로 위상각 차이가 180˚(±40～50˚)에 접근하면 Misalignment일 때가 많다. Misalignment가 심할수록 위상차이는 180˚에 더 가깝다. 마찬가지로 불평형, 편심, 공진 등과 같은 문제가 작을수록 위상차는 더욱 180˚에 접근한다. 다른 한가지는 각 베어링 하우징에서 수평, 수직 및 축방향으로 진동 Spectrum과 위상각을 측정하는 것이다.
② 축의 수평방향 Alignment 상태는 좋고 수직방향 상태가 나쁠 때(이의 반대도 마찬가지), 수평방향의 위상각 차이와 수직방향 위상각 차이가 상당히 다른 것이 일반적이다. 이러한 특별한 경우 Shaft Orbit은 심한 타원이 되어 Misalignment가 마치 편심, 공진 또는 이와 유사한 문제점인 것으로 나타난다. 즉, 한쪽의 반경방향의 진폭이 다른 쪽보다 크게 나타난다. 그러나 기계전반에 걸친 위상차이 검증으로 Misalignment 문제인 것을 알 수 있다.
③ 전동기, 펌프, Fan 등과 같이 하나의 로터상의 위상차를 검토해 보면 심한 Misalignment에 대한 반경방향 위상차는 0˚ 또는 180˚(±30˚)이다. 불평형인 경우는 제멋대로(즉 70˚ 정도)이다.
④ 동일 로터상에서 수평 위상차와 수직 위상차를 비교하면 Misalignment된 기계의 약 90%는 수직 및 수평간의 위상차가 180˚에 이른다. 예를 들면 외측 및 내측 베어링간의 수평 위상차가 약 30˚이면 수직위상차는 약 210˚가 된다. 불평형 로터는 수평방향에서의 위상차는 수직방향에서 위상차와 거의 같아 Misalignment된 로터와는 다른 위상특성을 갖는다.
이상을 종합하면 위상은 문제점의 주원인이 유사한 증상을 가지는 다른 문제점과 대비하여 Misalignment인가를 구별하는 중요한 척도이므로 1×, 2×RPM에서 높은 진동을 가지는 기계에서는 가능하다면 위상자료를 수집해야 한다. 높은 축방향 진동 및 조화 진동도 Misalignment 인가를 확인하는 좋은 도구이지만 더욱 중요한 것은 위상분석이다. 예를 들면 위상분석은 Misalignment를 나타내고 있으나 축방향 진동은 그렇지 않은 경우 위상분석에 더 비중을 두어야 한다.
4.5 Alignment 變化의 監視 (Monitoring Alignment Change)
특히 필수기계를 Alignment할 때 Alignment를 감시하고 또 그것이 어떻게 변화하는지 관찰하는 것이 도움이 되는 경우가 많고, 이를 행할 때 기계의 각 베어링에서 3방향으로 위상각을 감시하는 것이 특히 중요하다. Thermal Offset (Growth)을 가지는 대부분의 기계에서는 대기온도로부터 승속시킬 때 초기에는 Misalignment 증상이 나타나고 전출력 운전온도에 이르면 이 증상이 사라진다. 예를 들면 커플링 전후의 위상각 차이가 초기에는 150～180˚ 근방에 있다가 최종적으로는 0～30˚에 가깝도록 떨어져야 한다. 위상각 이외에도 진동 Spectrum은 어떻게 변화하며, 베어링온도, 지지물의 다리의 온도 및 유막압력과 같은 진동과 관련 없는 변수들도 감시해야 한다. Alignment를 감시할 때 다음 사항들도 고려되어야 한다.
① 1×RPM
1차 조화진동은 다른 문제점(불평형, 공진, 편심, 휜축 등)에 의해서도 영향을 받기 때문에 1×RPM 보다 높은 2～4×RPM의 조화진동도 감시하는 것이 좋다.
② 2×RPM
3600 rpm 기계가 아니라면 1×보다는 2× 성분이 Alignment를 확인하는 좋은 척도가 된다 (만일 3600 rpm 기계라면, 2×RPM 진폭은 2×Line 주파수와 아주 가까워 이들 두 주파수를 분리할 수 없는 한 분명한 2× 진폭은 알 수 없게 된다).
③ 3×RPM
3× 성분은 Alignment 변화를 확인하는 가장 좋은 척도이다. 1×나 2× 성분보다 클 필요는 없고 단지 3× 성분이 증가하면 Alignment 변화가 있음을 나타낸다.
④ 4×RPM
1,800 rpm 회전기계인 것을 제외하고는 3×RPM 경우와 같은 유추를 적용한다 (이 경우 4×RPM은 7200 cpm에서 2×Line Frequency에 아주 근접한다).
⑤ Coupling Grid 수량 × RPM
어떤 커플링은 여러 개의 Grid(또는 Segment)를 가지고 있는데 특히 Misalignment가 심한 경우 이것이 한쪽 커플링상의 Grid 수 × RPM에서 진동을 야기 시킨다. 이러한 경우 커플링 구성품 그 자체가 영향을 받아 Misalignment로 응답하는 곳에서는 이 주파수는 감시하는데 우수한 좋은 방법이다. 왜냐하면 이것은 Alignment 보다는 불평형, 굽은 축, 편심 및 다른 근원들과는 관련이 거의 없기 때문이다.
4.6 Angular(Face) Misalignment
Angular Misalignment는 그림 10-7과 같은 경우이며 다음과 같은 특성이 있다.
① Angular Misalignment는 특히 1× 및 2×RPM에서 높은 축방향 진동을 일으킨다. 그러나 이들 Peak(1×, 2× 또는 3×RPM)중의 하나가 특히 탁월한 것은 통상적으로 있는 일이다.
② 그러나 일반적으로 축방향으로의 2× 또는 3×RPM의 진폭이 1×RPM 진폭의 약 30%～50%를 초과하면 Angular Misalignment의 징후가 있는 경우다.
③ Angular Misalignment인 경우 커플링을 전후한 축방향의 위상이 거의 180˚ 차이가 있다 (그림 10-7 참조).
그림 10-7 Angular Misalignment의 스펙트럼과 위상응답
4.7 Parallel(Rim or Offset) Misalignment
Parallel Misalignment는 그림 10-8과 같은 경우이며 다음과 같은 특성이 있다.
그림 10-8 Parallel Misalignment의 스펙트럼과 위상응답
① Parallel Misalignment는 주로 반경방향 진동에 영향을 미친다.
② Parallel Misalignment인 경우 커플링을 전후한 반경방향의 위상이 거의 180˚ 차이가 있다.
③ 2×RPM 진폭이 1×RPM 진폭의 약 50%를 초과하면 Parallel Misalignment의 징조가 있다. Parallel Misalignment가 심한 경우 2×RPM 진폭이 1×RPM 진폭보다 큰 경우가 일반적이다.
④ Angular 또는 Parallel Misalignment가 심해지면 4～8차 Harmonic을 발생할 수 있다. 이 경우 심한 Misalignment Spectrum은 기계적인 이완으로 나타날 수 있다.
4.8 軸上에서 비틀린 誤整列된 베어링 (Misaligned Bearing Cocked on the Shaft)
슬리브 또는 구름 베어링이 Misalignment 되었거나 축상에서 비틀린 경우 고진동과 비정상적인 부하를 일으킬 수 있다. 만일 이 같은 사실이 검출되면, 부품의 조기손상을 일으키기 전에 빨리 해결해야 한다. 그림 10-9는 이런 경우의 예이고 다음과 같은 특성을 가진다.
① 비틀린 베어링은 통상 1×RPM에서 뿐만 아니라 2×RPM에서 상당한 축방향 진동을 일으킨다.
② 그림 10-10에서와 같이 90˚ 간격으로 4곳에서 축방향의 위상각을 측정하면 상하, 좌우에서의 위상차는 180˚이다.
③ 커플링을 정렬한다던가 로터를 Balancing해도 이 문제는 해결되지 않는다. 이 베어링은 취외하여 올바르게 설치해야 한다.
그림 10-9 축상에서 비틀린 Misalignment 베어링
그림 10-10 축상에서 비틀린 베어링을 나타내는 축방향 위상
4.9 커플링의 問題點들 (Coupling Problems)
진동신호나 위상분석으로 문제점이 Misalignment에 의한 것인지 커플링의 문제점인지 구별하기란 어렵다. 커플링은 형태에 따라 서로 연결된 기계의 응답에 미치는 영향이 다르다. 이 응답에 미치는 또 다른 요소로는 축간의 간격, 축의 직경 및 베어링 형식 등이 있다. 그러나 문제가 되는 커플링의 특성은 다음과 같다.
① 특히 너무 길거나 짧은 Spacer를 가지는 커플링에서 3×RPM 진동은 커플링에 문제점이 있음을 나타내는 경우가 많다. 이런 경우에 반경방향의 스펙트럼은 분명하게 괄목할만한 3×RPM 진동을 통상 나타낼 것이고, 축방향의 스펙트럼은 3× 성분보다는 훨씬 높은 진동을 보여줄 것이다. 이런 문제점들은 Spacer를 올바르게 맞추거나 구동기 또는 종동기를 재 위치시켜 해결된다.
② 기어형 커플링의 경우 기어 이빨에서 발생된 마찰력이 기어에 작용한 힘보다 더 커서 커플링이 강성체가 될 때 커플링 잠금(Coupling Lockup)현상이 발생하기도 한다. 만약 윤활이 부족하면 이곳에서 특히 기어이빨의 마찰 용융이 발생될 수 있다. 커플링 잠금현상은 심각한 문제들을 유발할 수 있으며 또한 만약 기어 이빨들이 함께 용융되었다가 분리되면 커플링 치면에 Pit Mark가 남는다. 커플링의 잠금 상태는 부하가 변하거나 나뭇조각 혹은 망치로 치면 일단 해소된다. 그러나 이 경우 커플링을 가능한 빨리 정밀점검하여 치면의 손상, 윤활 부족 및 축정렬 불량 등 원인을 규명해야 하며 필요시 교체해야 한다.
커플링의 잠금현상은 보통 축방향 및 반경방향 진동을 발생시키는데 통상 축방향 진동이 더 높게 발생한다. 대부분 1×RPM 진동에 가장 큰 영향을 미친다. 그러나 커플링 형식에 따라 “Christmas Tree”와 비슷한 모양의 주파수 분포를 나타내기도 하는데 이 경우 2차에서 5, 6차 조화파까지 약 25%의 균일한 감소가 있다.
③ 커플링 이완이 생기면 그림 10-11에서와 같이 측대파가 Blade Pass Frequency 주변에 있게 된다 (Blade Pass와 Mesh Frequency의 측대파가 항상 커플링 이완을 나타내지는 않는다). 이 현상은 커플링 이완으로 기계를 일정 속도로 구동시키지 않고 오히려 축속도의 수배 주파수에서 구동 시킴으로써 발생된다. 따라서 커플링 rpm으로 균등하게 간격을 가진 측대파와 유사한 진동신호는 커플링이 이완된 상태(축에 불량조립 또는 마멸된 커플링의 부품으로부터)라는 것을 의미할 수 있다.
그림 10-11 Blade Pass Frequency 근방에 커플링 운전속도의 측대파가 나타난 커플링의 이완