Types of Balancing and Residual Unbalance
4.1 발란스 問題의 形態 (Types of Balance Problems)
발란스 문제를 해결하기 위하여 회전체가 Static, Couple, Quasi-Static 또는 Dynamic Unbalance인지를 아는 것이 필수적인 것은 아니지만 모든 Balance 문제가 1면 발란싱으로 해결할 수 없다는 점을 분명히 해야한다. 1면 또는 2면 발란싱이 필요한지를 결정하는 지침으로써 어떤 사람은 발란스 교정면의 수는 길이대 직경비 즉 회전체 길이를 직경으로 나눈 값에 따른다고 말하고 있다.
L/D비는 지지하는 축을 제외한 회전체의 길이를 사용한다. 그림 3-19에서 L/D비가 0.5 이하인 경우 운전속도가 1000 rpm까지는 1면 발란싱이면 충분하고 1000 rpm이상이면 2면 발란싱이 필요하다. 또 L/D비가 0.5이상인 경우 운전속도가 150 rpm이상이면 2면 발란싱이 필요하다. 2면 이상인 다면 발란싱은 탄성 회전체나 2면 발란스로 불충분한 경우에 필요하다. L/D비와 회전체 속도에 근거를 둔 1면 발란싱과 2면 발란싱을 선정하는 이 절차는 단지 하나의 지침이지 모든 경우에 적용되는 것은 아님을 염두에 두어야 한다. 예를 들면 Single-Sheave Pulley, Grinding Wheel 및 이와 유사한 장비의 회전체는 비록 운전속도가 1000 rpm이상일지라도 1면 발란싱으로도 충분하다.
그림 3-19 L/D와 속도에 근거한 1면, 2면 또는 다면 발란싱 선정법
4.2 許容 殘留 不平衡과 ISO 規格 (Allowable Residual Unbalance and ISO Balance Quality Grade)
4.2.1 ISO 規格 (ISO Balance Quality Grade)
1950년대에 Balance 기술자들은 잔류 불평형은 로터 자체중량, 운전속도 뿐만 아니라 잔류편심의 양과 반경에 비례함을 알았다. 따라서 그들은 일련의 Balance Tolerance(ISO-1940, “Balance Quality of Rotating Rigid Bodies”)를 개발하였다. 표 3-1은 로터 형태별로 Balance 정도(Quality Grade)를 나타낸 것이고, 그림 3-20은 ISO Balance 정도를 숫자로 나타낸 것이다. G 허용치가 낮을수록 Balance 정도는 더욱 정밀하며, 수직축은 로터 중량당 잔류 불평형을 또 수평축은 로터 rpm을 기준으로 한 것이다. 표 3-1은 동일한 Balance 정도를 보기 쉽게 나타내었다. Balance 정도의 숫자는 로터 중량중심의 최대 허용 원주속도(㎜/sec)를 나타낸 것이다. 1966년에 제정한 ISO 규격은 당시의 기술경험으로 보아 상당히 여유있게 만들었기 때문에 이를 사용할 때는 발란싱하고자 하는 기계에 대한 특정 Balance 정도보다는 한 단계 높은 정도를 사용할 것을 추천한다. 예를 들면 Fan Wheel을 발란싱하고자할 때 표 3-1에서 Fan에 대한 ISO Balance 정도는 G-6.3이다. 이 경우 ISO Balance 정도 G-2.5를 목표로 사용할 것을 추천한다.
4.2.2 殘留 不平衡 計算 (Residual Unbalance Calculation)
현장 발란싱을 시행할 때 발란싱이 성공적으로 수행되었는지를 알기 위해서는 발란싱후 회전체에 남아있는 잔류 불평형량이 허용치 이내에 있는가를 알아야 한다. 이에 대한 절차는 다음과 같다.
① 초기 진폭 및 위상각을 측정하여 극좌표에 그린다. 이를 “0” 벡터라 한다. ② Trial Weight를 달고 이의 중량 및 설치반경을 기록한다. ③ 로터를 기동하여 진폭 및 위상각을 측정하고 극좌표에 그린다. 이를 “0+T” 벡터라 한다. ④ 두 개의 벡터 끝을 연결한 것을 벡터 “T”라 하며, 이는 Trial Weight에 의한 효과 벡터이다. ⑤ 동일한 눈금을 사용하여 벡터 “T”의 크기를 측정한다. ⑥ 다음 식에 의해 로터 Sensitivity를 계산한다.
⑦ 다음 식을 사용하여 잔류 불평형량을 계산한다. 잔류 불평형이 허용치 이내에 들지 않으면 Trial Weight에 의한 효과 벡터를 이용하여 허용치내에 들도록 계속 Trim 발란싱 한다.
예를 들어 Balance 정도가 G-2.5인 기계의 로터 중량이 45 ㎏이고 회전속도가 800 rpm, 발란싱후 진폭이 50.8 ㎛이라고 하면 그림 3-17에서 허용 잔류 불평형 Uper = 1,267.36 gr-㎜ total (Single Plane Balance)이다.
표 3-1 대표적인 강성 로터의 그룹별 Balance 정도의 등급
① 
n/10, 여기서 n는 rpm이고 ω의 단위는 rad/sec이다.
② 일반적으로 2개의 교정면을 갖는 강성 Rorotr에서는 추천 잔류 불평형량의 반은 각 교정면에서 취해진 것이고, 이 값들은 통상 임의로 선택한 교정면에 적용하지만 각 베어링에서 불평형 상태는 개선될 것이다. 디스크형 로터에서는 추천한 값 전체가 1면에 해당한다.
③ Crank 축계란 Crank 축, Fly Wheel, Clutch, Pulley, 연결봉의 회전부, Damper 등을 포함한 전체이다.
④ 이 규격에서는 Piston의 속도가 9 m/s 이하의 것을 저속, 이것을 초과하는 것을 고속 Diesel 기관으로 하고 있다.
⑤ 기관의 완성품에서는 그 로터 질량은 상기 주(3)의 Crank 축계에 속하는 모든 질량의 합계로 한다.
그림 3-20 각 Balance Quality 등급의 최대 허용잔류 불평형-ISO 1940