[스크랩] 2. 振動의 기초

## 소음,진동은 기계의 언어다 ##

1. 진동이란? 기계공학과에서 미분 방정식을 배우는 이유가 진동을 배우기 위해서라고 할 만큼 수학적으로 그리고 역학적으로 어려운 학문이라고 할 수 있다. 진동을 전공하는 기계 공학도들에게 조차 항상 어려운 과제로 생각되어 오고 있으며, 눈에 보이지도 않고 구체적이지도 않은 감각으로만 느낄 수 있는 복잡한 것이었다. 지금까지 진동은 일반인들의 접근을 불허하고 있었다. 많은 사람들이 진동을 배우기 위해 책을 펼치면 복잡한 수식과 이해 되지 않는 많은 도표들이 머리를 복잡하게 하곤 한다. 하지만 실제로는 많은 사람들이 진동에 관해서 충분한 이해가 있다고 생각된다. 진동은 단순히 떨리는 것이다. 그리고 이러한 떨림은 소음을 유발하게 되고, 급기야 기계를 파손시킨다. 만약 여러분이 진동을 학문적으로 연구하는 사람이 아니라면 그 정도로 진동에 관한 공부를 시작할 준비는 충분히 되었다고 생각된다. 지금부터 우리는 학문을 하기 위해서가 아니고 기계의 상태를 진단하고 고장 원인을 분석함으로써, 궁극적으로는 설비의 수명을 연장하기 위해 진동을 배우기로 한다. 도대체 진동이란 무엇일까? 왜 진동은 기계를 손상시키는가? 기계에서 발생되는 진동은 일반 진동과 어떻게 다른가? 진동을 낮추기 위해서 우리는 어떻게 해야 하는가? 이 같은 질문들을 하나씩 해결하기로 한다. 규칙적이거나 그렇지 않거나 간에 우리 주위에 있는 모든 물체는 진동하고 있으며, 직접 또는 간접적으로 우리에게 영향을 미치고 있다. 어떤 진동은 유용하게, 어떤 진동은 불필요하게 작용하기도 한다. 소음이라는 것은 외압에 의해 고막이 진동하는 것인데, 고막을 진동시키는 원인에 따라 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 바람소리와 같이 단순히 공기의 유동 때문에 고막이 진동하여 소음이 발생하는 것을 공기에 의한 소음(Air Bone Noise)이라 하고, 기계에서 발생된 진동이 공기를 진동 시키고 공기의 진동이 다시 고막을 진동시켜 소음으로 느끼는 것을 구조에 의한 소음(Structure Bone Noise)이라고 한다. 우리 주변에서 발생하고 있는 소음, 특히 공장에서 발생하는 소음의 대부분은 구조에 의한 소음(Structure Bone Noise)이라고 할 수 있다. 이와 같은 소음은 측정도 진동센서(가속도 센서)로 수행하며, 소음을 낮추기 위한 근본적인 대책도 진동을 낮추는 것이라고 할 수 있다. 소음도 확실한 진동이다. 진동은 에너지와 같은 형태를 가지고 있으며, 전기와 같이 주변으로 전달되기도 하고 공진이 발생하는 곳에 머물기도 한다. 만약 기계에서 진동이 발생한다면 그 기계를 진동시키는 만큼의 에너지는 손실이 되고 있다고 할 수 있다. 따라서 진동이 크면 클수록 에너지 손실은 많아지게 된다. 기계에서 발생되는 진동은 기계를 손상시킨다. 산업혁명 이전의 기계고장은 주로 무리한 운전과 과부하에 의한 기계 변형(Strain)이 주요 원인이었다면, 산업혁명 이후의 기계고장은 90% 이상이 피로파괴(Fatigue) 때문이라고 할 수 있다. 기계의 속도가 빨라지고 이에 따라 높은 진동이 발생하면서 기계에 가해지는 반복적인 응력이 결국 기계 고장의 주요 원인이 되고 있는 것이다. 진동과 고장과의 관계는 매우 밀접하다고 할 수 있다. 고장은 진동의 세제곱에 비례한다는 말이 있다. 진동이 2배 높으면 고장 날 확률이 8배 높고 진동이 10배 높다면 고장 날 확률이 1,000배 높다는 것이다. 우리는 일상적으로 일본 기계가 튼튼하다고 이야기하지 않는다. 다만 일본 제품은 디자인이 좋고 사용하기 편하다고 이야기 한다. 튼튼한 것은 전통적으로 독일 제품이 튼튼하다고 말한다. 그것은 기계의 재료가 강하기 때문이 아니다. 아무리 강한 재질의 기계라 할지라도 높은 진동에는 견디지 못하기 때문이다. 독일제 기계류가 튼튼하다고 하는 근본적인 이유는 독일만큼 진동에 많은 신경을 쓰는 나라도 없기 때문이다. 전 세계에서 회전체 역학이라는 학문이 가장 발달한 나라는 아마도 독일이라고 할 수 있을 것이다. 만약 수명이 길고 고장 없는 기계를 만들고 싶다면 진동을 제거해야 할 것이다. 또 기계를 고장없이 오래 사용하고자 한다면 그것 역시 진동을 없애는 것 이외에 방법이 없다. 2. 진동의 정의 진동은 어떻게 정의할 수 있을까? 막연하게 보면 매우 복잡할 것처럼 보이는 진동은 의외로 매우 단순하다고 할 수 있다. 진동은 3가지 요소로 구성되고 있으며, 이 3가지 이외에 어떠한 변수도 존재하지 않는다. 진동은 주기적으로 반복되며, 물결 또는 파동과 같은 성질을 갖고 있으며 sin 함수로 표시할 수 있다.

이 두가지 식은 진동을 정의하는데 사용되는 가장 기본적인 식으로써 진동을 이해하기 위해 반드시 알아야 하는 공식이다. 좌표 평면상에서, 직선은 한 점과 기울기를 알면 따로 정의하지 않아도 직선이 지나는 나머지 무수히 많은 점들을 알 수 있고, 원은 원의 중심좌표와 반지름만 알면 그 원이 지나는 무수히 많은 점들을 따로 제시하지 않더라도 알 수 있다. 이것은 도형을 정의하는 방법에 따른 것이다. ①번 공식에서 보면 진동 (sin함수)은 진폭(A)과 각도(θ)만 알면 그것이 어떤 종류의 진동인지 앞으로도 어떻게 진행되어가는 진동 값인지에 대해 정확히 알 수 있는 것으로 되어 있다. 사람이 달나라에도 갈 수 있는 정도로 과학기술이 발전되긴 했지만 사람이 만든 측정기에 의해서도 각도를 직접 측정할 수 있는 방법은 없다. 이 때문에 각도를 측정하기 위해서는 시간을 측정하여 계산한 값을 이용한다. 실제환경에 맞도록 이 식을 변형할 필요가 있다. 이와 같이 시간을 변수로 하는 진동 값을 정의하면 공식②와 같은 식을 얻을 수 있다. 공식②를 분석해 보면 진폭(A)과 위상각(φ) 그리고 각속도(ω)만 알면 이 진동이 시간에 따라 어떻게 변화하는 것인지에 대해 완벽하게 분석할 수 있는 것처럼 보인다. 이 때문에 진폭, 위상각, 주파수( ,각속도는 주파수로 변형할 수 있으며, 일반적으로 주파수로 표현한다.)를 진동의 3요소라고 하며, 위 3요소 중에 한가지라도 정의되지 않은 경우 그 진동값에 대해 정확히 안다고 할 수 없는 것이다. 또한 진동이 복잡한 것처럼 생각되지만 위 3가지 요소 이외에 정의 되는 것이 없는 만큼 진동을 분석할 때에는 위 3요소를 측정함으로써 진동에 대한 완벽한 분석이 가능하다고 할 수 있다. 이 때 위상각은 두가지 이상의 진동의 관계에서 문제가 될 뿐 각각의 진동 자체와는 무관하다고 할 수 있기 때문에 실질적으로 진동을 구성하고 있는 요소 중 중요한 것은 진폭과 주파수라고 할 수 있다. 이해를 쉽게 하기 위해 예를 들어보기로 하자. 아래의 그림은 음악시간에 자주 사용했던 실로폰이다.

우리가 실로폰 소리를 들어보면 어느 건반을 치는가에 따라 서로 다른 음정의 다양한 소리를 들을 수 있고, 실로폰을 치는 강도에 따라 크고 작은 소리들을 들을 수 있다. 실로폰의 건반마다 소리가 다르다는 것은 각각의 음정이 다른 것이고 건반마다 음정이 다른 것은 각각의 소리의 주파수가 다르기 때문이다. 하지만 어떤 건반을 세게 치거나 약하게 치더라도 그 음정은 변하지 않는다. 다만 소리의 크기만이 변할 뿐이다. 그렇다면 오케스트라가 연주하는 복잡한 음악이라도 모든 소리는 진폭과 주파수에 따라 구분할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이를 알기 쉽게 도표로 만든다면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

만약 눈을 감고 실로폰 치는 소리를 듣는다면 우리는 두가지를 느낄 수 있을 것이다. 어떤 건반에서 소리가 났는가 하는 것과 얼마나 세게 때렸는가 하는 것이다. 이와 같이 소음과 진동은 매우 복잡해 보이지만 진폭과 주파수를 분석할 수 있다면 어떤 원인(건반)에 의해서 이 소리가 발생되었는지 하는 것과 얼마나 큰 소리였는지에 대해 알 수 있게 된다. 기계에서도 이와 동일하다. 베어링이 고장 난 경우 외륜이 손상되었을 때 발생되는 음정과 내륜이 고장 난 경우 발생되는 음정은 당연히 서로 다르다. 따라서 진동의 주파수를 분석함으로써 고장의 원인을 분석할 수 있다. 또한 많이 손상된 베어링에서는 큰 소리(진동)가 나고, 고장 초기에는 작은 소리(진동)가 난다고 할 수 있다. 따라서 진동의 크기(진폭)를 분석함으로써 고장의 정도를 분석할 수 있다. 이와 같이 모든 진동은 진폭과 주파수로 이루어져 있으며, 이 두가지를 분석해 봄으로써 설비를 진단할 수 있다. 이것이 설비진단의 기본 개념이라고 할 수 있다.

3. 고유진동수 왜 실로폰의 건반이나 기타 줄은 각각 서로 다른 음정을 나타내는가 ? 우리는 물체에 충격을 가할 때 소리가 난다는 것을 안다. 강하고 튼튼할 수록 높은 소리가 나고, 같은 조건이라면 가벼운 것이 무거운 것 보다는 높은 소리가 난다. 이와 같이 모든 물체는 충격을 가하면 그 물체에 따라 서로 다른 각자의 특정한 소리를 발생시킨다. 실로폰에서 "미"라는 소리가 나는 건반을 아무리 세게 때려도 "파"나 "솔"이 날수 없는 것처럼 반대로 아무리 약하게 때려도 "레"나 "도"가 되지 않는다. 모든 물체는 각각의 특정한 소리가 발생되는데 이를 고유진동수라고 한다. 고유진동수는 재질의 강성 및 질량과 관계가 있으며 이를 식으로 표현하면 다음과 같다. 가장 많이 알려져 있으며, 가장 오래된 식 중의 하나인 이 식은 누가 가장 먼저 사용했는가는 알려져 있지 않다. 위 식 ③과 같이 고유진동수는 물체의 강성(스프링 상수)에 비례하여 커지고 질량에 반비례한다. 큰 종보다 작은 종이 높은 소리가 나고 강한 철이 나무보다 높은 소리가 나는 것은 이와 같은 이유에서라고 할 수 있다. 기계에서도 모든 부품이 각각의 고유진동수를 가지고 있다. 베어링 내륜의 고유진동수는 외륜이나 볼의 고유진동수와 다른 것처럼 베이스의 고유진동수는 케이스의 고유진동수와 다르다. 이 때문에 기계에서 발생되는 진동을 분석하면 어느 부분에서 발생되는 진동인가를 알 수 있고, 이 진동이 기계에 심각한 영향을 미치는 것인지 혹은 내버려 두어도 상관없는 것인지를 알 수 있으며, 경우에 따라 필요하다면 얼마든지 진동을 제거시킬 수 있게 되는 것이다. 4. 공진 (Resonance) 진동은 일종의 에너지이기 때문에 진동원에 노출되어 있을 때 진동이 전달되는 특성을 갖는다. 일반적으로는 외부 진동이 전달될 경우 물체의 댐핑 효과에 의해 다르게 나타나지만 댐핑을 무시한다면 외부에서 전달되는 진동의 진폭 만큼 진동하게 된다. 이는 지진이 발생했을 때 건물이 흔들리는 것과 같은 이치라고 할 수 있다. 하지만 진폭과 무관하게 외부에서 유입되는 진동 주파수가 물체나 구조물의 고유진동수와 일치할 경우, 단순히 전달되는 진동 만큼만 진동하는 것이 아니라 시간에 따라서 진동이 무한히 증폭되는 현상을 보인다. 이와 같이 비정상적으로 발생하는 현상을 공진이라고 한다. 이같은 공진현상은 우리 주위에서 흔히 발생하는 현상이며, 무시되었을 경우 위험한 상태에 이를 수도 있는 현상이라고 할 수 있다. 아마 모두들 어렸을 때 그네를 타본 경험이 있을 것이다. 그네에 충격을 가해 한번 흔들면 마찰력(댐퍼)에 의해 정지될 때 까지 같은 주기(주파수)로 한참동안 흔들리는 것을 본적이 있을 것이다. 이때 흔들리는 주기(주파수)는 진폭에 관계없이 일정하다. (이는 시계추의 흔들림과 같다.) 이때 그네의 주기를 그네의 고유진동수라고 할 수 있다.

 

그네에 올라타서 그네를 구르면 진동은 점점 커지게 된다. 그네를 구를 때 가장 중요한 것은 한번 왕복할 때 한번씩 만 굴러야 한다는 것이다. 만약 한번 왕복하는 동안 여러 번 구른다면 진폭은 증가하지 않고 오히려 줄어드는 것을 알 수 있다. 이와 같이 외부에서 전달되거나 가해지는 진동의 주파수가 물체의 고유진동수와 일치할 때 진동은 그 물체가 파손될 때 까지 무한히 증가하는 특성을 갖게 된다는 것을 알 수 있다. 아래의 그림은 진동 기록계의 원리를 나타낸 그림이다.

스프링에 일정한 질량을 갖는 물체를 매달고 여기에 펜을 부착한 후 종이를 일정한 속도로 움직이면 이 시스템이 진동하는 상태가 종이에 기록될 수 있다. 이는 대부분의 지진계에 적용되고 있는 시스템으로 진동의 속도를 측정하는 일종의 속도 센서라고 할 수 있다. 속도 센서의 원리도 이와 같다. 이 때 천천히 이 시스템을 상하로 움직이면(속도가 매우 느리면) 어떤 현상이 발생하겠는가? 만약 스프링이 움직이지 않을 정도로 천천히 움직인다면 기록용지에는 진동이 거의 없는 것으로 기록될 것이다. (A 부분의 진동) 반대로 이 시스템을 매우 빠르게 가진시키면 어떻게 될 것인가? 스프링의 강성에 따라 다르긴 하지만 (스프링이 강하면 매우 높은 속도에서 이 현상이 나타난다.) 스프링에 매달린 물체는 허공에 정지해 있고 스프링만 늘었다 줄었다를 반복하게 될 것이다. (B 부분의 진동) 그렇다면 이 시스템의 고유진동수는 얼마나 될까? 위에서 언급한 공식 ③에 따르면 고유진동수는 스프링 상수와 스프링에 매달린 질량에 의해 결정되고 있음을 알 수 있다. ( 참조 공식 ③ ) 이 고유진동수에 해당하는 주파수로 이 시스템을 가진 시키면 우리가 그네를 구르는 것과 마찬가지로 진동은 점차 증가하게 되고 결국 스프링이 소성 변형되어 망가질 때 까지 진동은 증가하게 되며, 이때의 진동상태를 공진이라고 한다. (C 부분의 진동) 기계에서도 이와 같은 현상이 자주 발생된다. 기계에서 발생되는 진동 주파수 중에 부품 또는 구조물의 고유진동수와 일치하는 진동이 있다면 그 부품이나 구조물의 진동은 비정상적으로 커지게 되고 높은 진동과 함께 과도한 소음이 발생하게 된다. 이와 같은 공진 현상은 기계에 치명적인 고장을 유발 시킬 수 있으며, 대단히 위험한 일이다. 이 때문에 기계를 설계하는 모든 엔지니어들은 제품을 설계하기 전에 설비에서 발생 가능한 모든 진동 주파수를 열거해야 하고 제품이 제작되기 전에 공진의 발생 위험이 없는 가를 분석해야 한다. 또한 현장에서 기계를 사용하고 있는 엔지니어들 역시 도입 당시 기계를 설치하고, 시운전 할 때 주변의 구조물이나 베이스의 고유진동수를 분석하고 공진이 발생할 가능성이 없는 가를 분석해야 한다. 하지만 이와 같은 공진이 반드시 나쁜 것 만은 아니다. 조립라인에서 진동에 의해 부품을 이송하는 장치나 주물사를 털어내기 위해 사용되는 Vibration screen 등의 설비는 오히려 공진을 이용한 것이다. 또한 공진을 이용한 가전 제품이 있다. 전자레인지가 그 것이다. 전자레인지는 물 분자의 고유진동수에 해당하는 전자파를 쏘아 주는 것이다. 물분자의 고유진동수에 해당하는 주파수가 음식물에 노출될 경우 시간이 지날수록 물분자의 진동은 점차 증가하게 되고, 진동이 증가하게 되면 운동에너지가 점점 높아지게 되어 음식물의 온도가 올라가게 된다. 이와 같은 원리로 음식물이 덥혀지는 것이 전자레인지라고 할 수 있다. 전자레인지를 통해 덥힌 음식물에서 수분이 많이 증발하게 되는 것은 그 때문이다.

 

5. 진동의 3요소

이상과 같이 모든 물체는 각기 고유한 진동 특성을 가지며, 같은 재질의 물체라 하더라도 강성과 질량에 따라 충격을 가했을 때 발생하는 진동 주파수는 달라지게 된다.

이미 발생된 진동을 정의하기 위해서는 진폭, 주파수, 위상각의 3요소가 필요하다.
그러나 어떠한 형태의 진동이 발생되는가 하는 진동 발생의 기본 요소는 식 ③에서 보는 바와 같이 강성(스프링상수)과 질량 그리고 여기에서는 언급하지 않았지만 마찰력과 같이 진동 발생을 방해하는 요소로서 댐퍼라고 하는 3가지 요소에 의해 결정된다.

이와 같이 강성, 질량 그리고 댐퍼를 진동의 3요소라고 하고,물체가 진동하기 위해서는 상기 3가지 요소에 따라 진동의 형태가 달라지게 된다.

우리가 물체의 강성과 질량을 분석할 수 있다면 외부에서 충격이 가해질 때 그 물체가 어떠한 주파수를 갖는 진동을 발생시킬 수 있는지 알 수 있다.
예를 들어 실로폰의 경우 어떠한 재질을 사용하는 가, 그 두께와 크기는 어떻게 할 수 있는가 등 강성과 질량이 결정되면 계산에 의해 어떤 음정을 갖는 건반이 될 지를 알 수 있다.

공진이라고 하는 현상은 진동의 주파수와 구조물의 고유진동수가 일치할 경우 발생된다고 설명한바 있다.
그렇다면 현장에서 공진이 발생했을 경우 우리는 상기 두가지, 진동주파수 또는 고유진동수를 변경시킴으로써 해결할 수 있을 것이다.

만약 진동 주파수를 변경하기 어렵다면(대부분의 경우 진동주파수는 모터의 회전수에 의해 결정되기 때문에 변경하기 어렵다.) 구조물의 고유 진동수를 변경해야 할 것이다.

8. 진동값의 변환 변위를 미분하면 속도가 되며, 속도를 미분하면 가속도가 되기 때문에 어떤 값으로 측정하였거나 진동값은 서로 변환이 가능하다고 할 수 있다. 식 ①로부터 변위 를 미분하면 의 속도 값을 얻을 수 있다. 이 중 진폭은 이므로 진폭이 A인 변위값을 속도로 변환하면 속도값으로는 진폭이 가 된다는 것을 알 수 있다. 이 때 이므로 이를 대입하면 다음과 같은 식들을 얻을 수 있다. ( 는 주파수)

이 때 고려해야 할 사항이 바로 위에서 언급한 강성과 질량이다.

이 두가지 요소는 서로 적절히 사용할 수 있으나 상호간 반비례하는 관계에 있으므로 두 요소가 상쇄되는 쪽으로 적용해서는 안된다.
예를 들면 구조물을 보강함으로써 강성을 높이면 고유진동수가 증가하게 되는데, 동시에 질량을 증가시킨다면 고유진동수가 감소하는 쪽으로 작용하게 되어 강성을 높인 것에 대한 효과를 보기 어렵게 된다.

6. 회전체 진동의 특징

우리는 이상에서 진동에 대한 발생 원인과 진동의 특징에 관해서 알아 보았다.
하지만 이상에서 언급한 진동은 구조진동이라고 할 수 있으며, 회전체 진동과는 다르다.

우리의 관심은 진동 그 자체 보다는 기계에서 발생하는 진동을 분석하고 진동의 원인을 제거함으로써 기계의 수명을 연장하는데 있다고 할 수 있다.
이를 위해 회전체에서 발생하는 진동은 구조진동과 어떻게 다른지에 대해 알아보기로 한다.

모든 기계가 진동에 의해서만 고장이 발생한다고는 할 수 없다.
베어링의 경우도 윤활유 부족이나 조립불량 그리고 이물질의 투입이 그 주된 손상원인이라고 할 수 있다.

하지만 어떤 원인에 의해 베어링이 손상되더라도 손상이 발생되기 시작하면 그 결과는 진동으로 나타나게 된다.
또한 그 근본적인 원인이 조립불량 이었는지, 이물질 유입에 의한 것인지 혹은윤활유 부족에 의한 것인지에 따라 진동의 패턴이 다르기 때문에 고장의 원인분석과 근본적인 치료가 가능하다고 할 수 있다.

기계가 고장나는 부위는 돌아가거나 움직이는 부분이다.
만약 기계가 움직이지 않고 정지해 있다면 녹이 스는 것 이외에 기계가 손상될 이유는 없을 것이다.

기계에서는 회전하기 때문에 고장난다고 할 수 있으므로 회전하기 시작하면 어떤 현상이 발생하는가 하는 것이 회전체 진동 분석에서 가장 중요한 문제가 될 수 있을 것이다.

그렇다면 회전기계의 진동은 구조 진동과 어떻게 다른가?

회전체 진동이 구조진동과 다른 큰 특징은 다음과 같다.

구조진동과 달리 스스로 진동을 만들어 낸다.

반복적으로 동일한 진동이 발생된다.

회전속도에 따라 발생하는 주파수가 다르며, 변속시에는 순간순간의 회전속도에 의해 다양한 주파수가 발생된다.

 

정지해 있는 구조물과 달리 기계는 회전하기 시작하면 원심력이 발생되어 기계 스스로 진동을 만들어 낸다. 이 때문에 회전진동에서 가장 중요한 것은 원심력이라고 할 수 있다. 원심력은 불평형량과 회전반경에 비례하며, 회전 속도의 제곱에 비례한다. 원심력은 회전체에서 발생되는 가장 기본적인 진동이며, 가장 중요한 진동이라고 할 수 있다. 원심력에 의해 발생되는 진동은 회전체가 1번 회전할 때 한번씩 진동이 발생되는데, 이 때문에 1회전에 한번씩 발생하는 진동 주파수를 1X 진동 또는 Synchronous signal, 동기주파수 등으로 부른다. 원심력에 관한 공식은 다음과 같다. 위 식에서 보는 바와 같이 원심력은 회전질량과 회전 반경에 비례하여 커지고 회전속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 이는 다시 말하면 일반적으로 질량이 큰 기계일수록 진동이 높고, 회전반경이 클수록 진동이 높으며, 회전속도가 높을수록 제곱에 비례하여 진동이 커진다는 것을 나타내는 것이다. 예를 들면 같은 기계에서 1,800rpm으로 회전했을 때 이 회전체에서 발생되는 진동이 5mm/sec였다면 단순히 회전속도만을 2배 증가(3,600rpm)시킬 경우 진동은 제곱에 비례하여 4배가 되고, 진동은 20mm/sec가 될 것이라는 것이다. 이때 회전체에서 발생하는 주파수는 1,800rpm의 경우 1회전에 한번씩 진동이 발생하므로 30Hz의 주파수를 가진 진동이 발생되며, 이를 1X라 하고 3,600rpm으로 회전하는 회전체는 60Hz의 주파수를 가진 진동이 발생되는데 이때 진동의 1X는 60HZ가 된다. (Hz는 1초에 발생되는 진동수로 나타낸다. 1분에 1,800번 회전하는 경우 1초에는 30번 회전하게 되므로 30Hz의 주파수를 가진다.) 7. 진동의 단위

진동의 단위는 진폭을 나타내는 방법을 말하며, 진동은 측정하는 센서의 종류에 따라 또는 측정 대상이나 목적에 따라 변경할 수 있다. 아래 그림은 진동의 진폭을 표시하는 방법을 나타낸다. 진동센서에는 진동의 변위를 측정하는 변위계, 속도를 측정하는 속도계 그리고 가속도를 측정하는 가속도계로 구분된다. 1) 변위 ㎛ 또는 mils(1/1,000 inch = 25.4㎛)로 표시되며, 비접촉식 센서로서 진동값은 센서에서 가장 먼 거리에서 가장 가까워진 거리를 뺀 값으로 출력하게 되므로 Peak에서 Peak까지의 거리를 나타낸다. 이 때문에 변위를 표시할 때 측정값 뒤에 Peak - Peak 또는 P - P를 붙인다. (예를 들면 54 ㎛ p-p, 0.3 mils p-p 등) 진동을 변위로 표시하는 것은 눈으로 보는 진동의 크기와 비슷하며, 저주파 진동 이외에 잘 사용되지 않는다. (고주파 진동은 상대적으로 빠른 진동 이므로 변위는 매우 작기 때문에 변위를 사용해 나타내기 어렵다.)

 

2) 속도

mm/sec 또는 in/sec(=25.4 mm/sec)로 표시하며, 속도계는 접촉식 센서로서 기준(진동하지 않았을 때)으로부터 각각의 Peak 값을 출력하므로 0 to Peak (0-peak) 또는 0-P의 기호를 측정값 뒤에 붙인다.
(예를 들면 7.8 mm/sec 0-P 또는 0.3 in/sec 0-P 등으로 표시한다.)

진동의 속도 값은 사람이 촉감으로 느끼는 진동과 가장 유사하다.
일반적으로 진동체에 손을 갖다 대었을 경우 진동이 크다, 작다고 느끼는 것은 진동의 속도를 느낀다고 할 수 있다.
이 때문에 진동값을 서로 비교하거나 진동의 기준을 잡을 때 대부분 속도를 진동의 기준으로 사용한다.

하지만 속도계는 다른 센서에 비해 크기가 크고, 측정범위가 제한적일 뿐 아니라 내부에 Moving parts가 있어 고장 나기 쉽다는 이유로 가속도계를 주로 사용하며, 진동의 비교는 가속도 값을 진동값으로 변환하여 사용한다.

3)가속도

가속도 값은 미터계를 사용하거나 인치계를 사용하거나 간에 동일하게 중력가속도 g를 사용한다.
가속도 센서 역시 접촉식 센서로서 진동하지 않았을 때를 기준으로 각각의 Peak 값을 출력하므로 0 to Peak (0-peak) 또는 0-P의 기호를 측정값 뒤에 붙인다.
(예를 들면 0.15 g 0-P 또는 등으로 표시한다.)

가속도 값은 ( )에서 보는 바와 같이 진동의 부하를 나타내는 것으로써 사람이 느끼는 진동이라기 보다는 기계가 느끼는 진동에 가깝다고 할 수 있다.

가속도계는 작고 측정 범위가 넓으며, 고장도 잘 나지 않기 때문에 최근에 가장 널리 사용되는 센서라고 할 수 있다.

4) rms (root mean square)

기계에서 발생되는 진동은 대부분 여러 종류의 진동 peak를 포함하고 있어서 이 진동이 어떤 진동인지 정확히 규정하기 어려운 경우가 많다.
특히 여러 가지 종류의 기계에서 발생되는 진동을 서로 비교하기 위해서 현재 기계에서 발생되는 진동의 대표값을 구할 필요가 생기게 되었다.

rms는 기계에서 발생되는 각각의 peak값의 제곱을 평균하여 root를 씌운 값으로써 이 값이 정확히 진동의 에너지를 나타내는 식은 아니지만 진동을 에너지로 환산하는데 들어가는 식의 일부이기 때문에 rms 값이 높으면 에너지가 높다고 할 수 있다.

rms 값은 실효값 이라고도 하며, 이와 같이 진동을 서로 비교하기 위해 대표값을 구할 때 주로 사용되는 값이다.
주로 속도값과 변위값 뒤에 붙여서 사용한다.
(예를 들면 4.5 mm/sec rms 또는 0.25 g rms 등과 같다.)

 

1) 예제 1

1775 CPM에서의 변위 50㎛ p-p를 속도값으로 변환하라

우선 변위는 P-P값이고 속도값은 0-p로 표시하므로
50 ㎛ p-p = 25㎛0-p
주파수를 cpm에서 Hz로 변환하면,
f = 1,775 CPM / 60 = 29.58 Hz
(여기서 V = 2 πf D 이므로)
V = 2 (3.14)(29.58)(25)
= 4644 mm/sec
= 4.644 mm/sec 0-p

2) 예제 2

6000Hz에서의 3.5 mm/s 0-p의 속도값을 g's rms의 가속도로 변환하라

A = 2 πf V 이므로
A = 2 (3.14) (6000Hz) (3.5 mm/s 0-p )
A = 131,880 mm/sec²
여기서 1g = 9,810 mm/sec2 이므로
A = 131,880 / 9,810 = 13.44 g's peak
0-p를 rms 단위로 변환하면
A = (13.44)(0.707) = 9.50 g's rms

9. 결론

소음, 진동은 기계에서 당연히 발생하는 불필요한 것들이 아닙니다.
소음, 진동은 기계의 언어입니다.

사람과 마찬가지로 기계가 병들거나 불편할 때 어디가 좋지않다라고 말하는 기계의 이야기입니다.
설비를 관리하는 일의 처음은 기계의 언어를 이해하는 것에서부터 출발한다고 믿습니다.

이제 더 이상 시끄러운 소리라고만 여기지 마시고 기계, 그들의 속삭임에 귀 귀울여 보십시오.
그들의 이야기를 이해하실 수 있을 것입니다.

출처 : 기쁘게 버리는 마음....

글쓴이 : 비즈 원글보기

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