2.1 정적 불평형 (Static Unbalance)
2.2 커플 불평형 (Couple Unbalance)
2.3 쿼지-정적 불평형 (Quasi-Static Unbalance-Single Unbalance)
2.4 동적 불평형 (Dynamic Unbalance)
2.5 매달린 축 불평형 (Overhung Rotor Unbalance)
Types of Unbalance
앞에서 불평형이란 회전체의 회전 중심선에 대하여 회전체 무게의 불균일한 분포라고 정의하였다. 한편 불평형은 회전 중심선과 회전체의 주관성축선(Central Principal Axis)이 같지 않을때 있게 되는 상태라고도 정의할 수 있다.
주관성축선이란 회전체의 무게가 균등하게 분포되어 있는 질량 중심선이며 회전체가 원활하게 회전하는 축선이라고 생각할 수 있다. 만일 회전체가 베어링 내에서 제약을 받으면 회전 중심선과 주관성축선이 일치하지 않게 될 때 진동이 발생한다.
실제로 회전체의 불평형 형태에는 회전체에 존재하는 불평형 형태에 따라 4가지 즉 Static(또는 Force 또는 Kinetic), Couple, Quasi-Static 및 Dynamic Unbalance가 있으며 2개 이상의 교정면에서 발란싱이 필요하다.
1 정적 불평형
Static Unbalance
Static Unbalance는 그림 3-7과 같이 주관성 축선이 회전 중심선과 평행하게 놓인 불평형 상태이다. Static Unbalance는 때로는 Force 또는 Kinetic Unbalance라고 불리우며 평행한 두 개의 Knife Edge 위에 회전체를 놓았을 때 회전체의 무거운쪽이 아래로 내려오게 될 것이다. 교정 Weight는 필요한 만큼 추가하거나 제거할 수 있으며 이 회전체는 그것이 놓인 위치에 관계없이 Knife Edge 위에서 회전하지 않을 때 정적으로 Balance 되었다고 한다.
Static Unbalance는 축 또는 베어링에서의 진폭과 위상을 비교하므로써 알아낼 수도 있다. 실제로 Static Unbalance라면 양쪽베어링에서나 축에서 측정한 진동진폭과 위상치가 똑같게 나타날 것이다. 그러나 Overhung Rotor에 대해서는 이것이 적용되지 않는다. 또 위험속도에서는 진동이 높으나 정격속도 부근에서는 낮다.
그림 3-7 Static Unbalance
Static Unbalance에는 2가지 형태가 있다. 하나는 그림 3-7에서와 같이 불평형 Weight가 회전체 중앙에 위치한 Mid Span Static Unbalance이고 다른 하나는 동일한 크기의 불평형 Weight가 회전체 양쪽 끝에 동일한 위치에 있는 Pair Static Unbalance 이다. 이 두 경우는 진동특성이 같아 교정방법도 같다. 이 경우에는 불평형 Weight의 반대편 180° 위치에 동일한 크기의 Weight를 달면 교정된다. Mid Span Unbalance를 교정하는 경우 Mid Span에 교정 Weight를 다는 대신에 Pair Static Unbalance 교정방법인 양쪽 끝에 같은 크기의 교정 Weight를 달아도 되며 이 반대의 경우도 성립한다.
Static Unbalance는 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① 1×RPM에서 불평형력은 일반적으로 양쪽 베어링 하우징상에 거의 동일하게 나타난다 (그러나 수평과 수직에서의 응답은 각 방향에서의 지지강성에 의해 다소 다르게 나타날 수도 있다).
② 순수한 Static Unbalance라면 동일 축의 내측 및 외측 베어링에서의 수평위상은 같을 것이다 (즉, 축의 양끝이 같이 움직이므로 만약 외측 베어링 수평위상이 6시 방향이라면 내측 베어링의 수평위상도 약 6시 방향이어야 한다).
③ 마찬가지로 동일 축에서는 외측 베어링 수직위상은 내측 베어링의 수직위상과 거의 같다.
④ Static Unbalance는 무게중심을 통해 동작하는 Counterweight를 가지고 1면 교정만으로도 된다.
⑤ 내-외측 베어링 수평 위상차는 수직 위상차와 거의 같아야 하며, 만약 불평형이 우세하면 커플링 전후의 위상변화는 작아야 한다 (60°～90°이하).
2 커플 불평형
Couple Unbalance
Couple Unbalance는 주관성축이 회전체의 무게중심에서 회전 중심선과 교차하는 Unbalance 상태이다.
“Couple”이란 다른 교정면에서 서로 반대 방향으로 작용하는 두 개의 평형한 힘이다. 따라서 Couple Unbalance는 그림 3-8과 같이 회전체의 양끝에서 반대 방향으로 동일한 Heavy Spot에 의하여 생긴 상태이다. Static Unbalance와는 달리 Couple Unbalance는 Knife Edge 위에 물체를 놓으므로서 알아낼 수 없고 회전체가 회전할 때 축 또는 베어링에서의 진폭과 위상을 비교하므로써 확인할 수 있다.
회전체의 불평형이 Couple Unbalance라면 양쪽끝의 축 또는 베어링에서 진동진폭은 같으나 위험속도에서는 낮고 정격속도 부근에서는 높다. 그리고 위상은 180°차가 난다. 이 내용은 Overhung Rotor에는 적용되지 않는다.
Single Plane에서 교정될 수 있는 Static Unbalance와는 달리 Couple Unbalance는 Two Plane에서만 Unbalance 상태를 교정할 수 있다.
순수한 Static 또는 순수한 Couple Unbalance를 갖는 경우는 드물다. 통상적으로 불평형된 회전체는 이 두 형태의 특성을 어느 정도 갖고 있다.
그림 3-8 Couple Unbalance
Couple Unbalance는 각각 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① Couple Unbalance는 내․외측 베어링 하우징에서 1×RPM의 높은 진동진폭이 나타나는데 한 베어링에서의 진폭이 다른 베어링 진폭보다 다소 크게 나타날 수도 있다.
② 상당한 크기의 Couple Unbalance는 때때로 높은 축 방향 진동을 발생시킨다.
③ 내․외측 베어링 사이의 수평 위상차는 대략 180°가 된다 (Rocking Motion이 양끝에서 서로 반대로 움직이기 때문에 외측 베어링의 수평위상이 6시 방향이라면 내측 베어링의 수평위상은 거의 약 12시 방향이 될 것이다).
④ 마찬가지로, 내․외측 베어링의 수직 방향 위상차도 거의 180°이다.
⑤ Couple Unbalance에 대하여 위상이 어떻게 작용하는지를 보여주는 그림 3-6의 표 B를 참조하라. ①과 ②의 위치 사이에서 수평성분 위상차(210°-30°)는 180°이며, 수직 성분 위상차(295°-120°)는 175°임을 주목하라. 만약 문제가 Couple Unbalance라면(Misalignment가 아니라면) 수평과 수직성분의 양 위상차는 서로 거의 같으며 둘 다 내․외측 베어링 사이에서의 위상차는 대략 180°이다.
3 쿼지-정적 불평형
Quasi-Static Unbalance – Single Unbalance
Quasi-Static Unbalance는 주관성축이 회전체의 무게중심이 아닌곳에서 회전 중심선과 교차되는 상태이다. 이 형태의 불평형은 그림 3-9에서 보는 바와 같이 Static과 Couple Unbalance의 조합으로 생각할 수 있다. 그림 3-9에서 Mid Span Weight는 Pair Weight로 분배할 수 있으므로 한쪽 회전체 끝에서는 Weight가 서로 반대 방향으로 있게되어 자체 발란스가 된 상태이고 반대쪽 회전체 끝에는 Weight가 2배로 되어 마치 한쪽끝에만 Weight가 있는 상태가 되어 Single Unbalance라고도 한다.
Quasi-Static Unbalance(Single Unbalance)의 경우는 위험속도 및 정격속도에서 진동이 높다. 특히 불평형이 된 교정면에서는 더욱 높다. 또 양베어링에서의 위상은 위험속도까지는 Static Unbalance의 경우에서처럼 동상(0°)이나 정격속도 부근에서는 Couple Unbalance의 경우에서처럼 역상(180°)이다.
그림 3-9 Quasi-Static(Single) Unbalance
4 동적 불평형
Dynamic Unbalance
Dynamic Unbalance는 가장 일반적인 형태의 불평형이며, 주관성축과 회전 중심선이 일치하거나 만나지 않는 불평형이다. 이 형태의 불평형은 Static 및 Couple Unbalance가 존재하지만 Static 성분이 어떠한 Couple 성분과도 일치하지 않는 곳에 있는 경우이다. 그 결과 그림 3-10에서와 같이 주관성축은 회전 중심선과는 어느 곳에서도 교차되지 않는다.
일반적으로 Dynamic Unbalance 상태는 서로 같지도 않고 정반대도 아닌 위상차를 나타낸다. 이 형태의 불평형은 최소 2개의 교정면에서 Weight 교정을 해야 발란스될수 있다.
Dynamic Unbalance는 각각 다음과 같은 특징을 나타낸다.
① Dynamic Unbalance는 1×RPM에서 높은 진동이 발생하지만, 외측 베어링에서의 진폭은 내측 베어링 위에서의 진폭과 약간 다르게 나타날 수 있다. 다른 중요한 문제가 나타나지 않는 한 진폭의 크기가 동일하거나 약 3:1 이하가 되어야 한다.
② Static 및 Couple Unbalance와 같이 Dynamic Unbalance가 주성분일 때도 위상은 여전히 안정된 상태이고 재현성이 있다.
그림 3-10 Dynamic Unbalance
③ 비록 내측 및 외측 베어링 사이의 수평 방향 위상차가 0°에서 180°이지만, 수직 방향의 위상차도 거의 같아야 한다. 예를 들면 만약 수평 방향의 위상차가 약 60°라면, 수직 방향의 위상차도 약 60°(±30°)로 마찬가지라는 것을 그림 3-6의 표 C에 나타내고 있다. 이 예제에서 ①과 ②의 위치에서의 수평 및 수직 방향의 양 위상차가 약 60°이고 커플링 전후의 위상차는 180°에 가깝지 않다는 것에 주목하라. Dynamic Unbalance는 최소 2개 교정면에서 교정을 해야 한다.
④ Static 또는 Couple Unbalance가 주성분이든 아니든 간에 ①과 ②번 베어링에서의 수평 방향 위상차는 이들 두 베어링 수직 방향의 위상차와 거의 같다 (만약 수평 방향의 위상차가 약 150°에서 큰 Couple Unbalance가 보여지면 수직 방향의 위상차도 역시 거의 150°가 될 것이다).
5 매달린 축 불평형
Overhung Rotor Unbalance
그림 3-11은 Overhung Rotor를 나타낸다. 이 경우에, 구동되는 로터는 ①과 ②의 베어링 외측에 설치되어 있다 (베어링 사이에 위치한 로터는 단순지지 로터로 알려져 있다). Overhung Rotor들은 여러 가지 재미있는 진동 징후들을 발생시킬 수 있으며, 발란싱을 시도하는 분석가에게 실제 문제로 종종 나타난다.
Overhung Rotor들의 특징은 다음과 같다.
① Overhung Rotor는 1×RPM에서 반경 방향의 진동진폭보다 큰 축 방향 진동을 일으킬 수 있는 축 방향의 힘을 발생시킬 수 있다.
② Overhung Rotor는 Static Unbalance에 추가하여 더 큰 Couple Unbalance를 발생하며, 이들 둘 다 교정되어야 한다.
③ 그림 3-11에 의하면, Overhung Rotor의 순수한 불평형 성분 때문에 ①번 베어링에서의 Axial Phase는 ②번 베어링의 Axial Phase(±30°)와 거의 같을 것이다. 여기서 이 위상차는 Misalignment나 공진과 같은 다른 것들에 비해서 불평형 문제가 얼마나 우세한가에 따라 다르다.
④ 일반적으로 Overhung Rotor Unbalance는 먼저 Static Unbalance 성분을 없애고, 그 다음에 서로 180° 반대인 2면에서 교정 Weight를 달아 Couple 성분을 없애 교정될 수 있다.
그림 3-11 Overhung Rotor의 진동측정