special contribution 7/특별기고_201007_01.pdf ·  · 2017-08-30bently nevada, 1993,...

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Special contribution 81 2010.7 1. 서 문 최근에는 IT 기술의 발전과 함께 성능이 좋은 진동 Monitoring System과 진동 계측기가 지속적으로 출시되고 있으며, 이와 아울러 진동분야의 전문가가 아니라도 정밀한 진동 자료를 취득하는데 큰 어려움은 없는 것이 현실이다. 회전기계의 특정 문제점을 검출하고 확인하기 위하여 진동 자료를 취득하고 분석하는 방법은 여러 가지가 있다. 본 고에서는 취득되는 진동 자료의 종류와 분석 기술에 대하여 설명하고자 한다. 진단을 실시하기 전에 기계이력 및 기계 특성을 파악하는 것은 정확한 진단의 기본이라 할 수 있다. 2. 기계의 이력과 진동 진동이 과도하게 증가되었을때 기계의 이력을 검토해 보면 많은 것을 알 수 있다. Coupling, Sheaves 또는 Bearing과 같은 부품을 교체한 경우라면 Balance나 Alignment가 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 구조물에 기계를 추가 로 설치한 경우는 구조물의 고유진동수가 변하여 공진의 원인이 될 수 있다. 속 도, 부하, 온도 또는 압력 등 정상운전 조건이 변하면 Unbalance, Cavitation, Aerodynamics 또는 Hydraulic Force 등에 의해 기계진동의 큰 변화를 일으 킬 수 있다. 아울러 기계에 Arc 용접을 할 때 부적절한 Grounding은 Bearing 이나 Coupling에 손상을 일으킬 수 있다. 진동 Data의 형태 및 해석기술 / 한전KPS 기술연구원 [email protected]

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Page 1: Special contribution 7/특별기고_201007_01.pdf ·  · 2017-08-30BENTLY NEVADA, 1993, “Machinery Diagnostics” 3. Donald E, Bently, 2002, “Fundamentals of Rotating Machinery

Special contribution

812010. 7

1. 서문

최근에는 IT 기술의발전과함께성능이좋은진동Monitoring System과

진동계측기가지속적으로출시되고있으며, 이와아울러진동분야의전문가가

아니라도정밀한진동자료를취득하는데큰어려움은없는것이현실이다.

회전기계의특정문제점을검출하고확인하기위하여진동자료를취득하고

분석하는방법은여러가지가있다. 본고에서는취득되는진동자료의종류와

분석기술에대하여설명하고자한다. 진단을실시하기전에기계이력및기계

특성을파악하는것은정확한진단의기본이라할수있다.

2. 기계의이력과진동

진동이과도하게증가되었을때기계의이력을검토해보면많은것을알수

있다. Coupling, Sheaves 또는 Bearing과 같은 부품을 교체한 경우라면

Balance나Alignment가영향을미쳤을가능성이있다. 구조물에기계를추가

로설치한경우는구조물의고유진동수가변하여공진의원인이될수있다. 속

도, 부하, 온도또는압력등정상운전조건이변하면Unbalance, Cavitation,

Aerodynamics 또는Hydraulic Force 등에의해기계진동의큰변화를일으

킬수있다. 아울러기계에Arc 용접을할때부적절한Grounding은Bearing

이나Coupling에손상을일으킬수있다.

진동Data의형태및해석기술

봉 석 근 / 한전KPS 기술연구원[email protected]

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Special contribution특·별·기·고

82 계장기술

기계진동이증가하면그원인은일반적으로기계적

상태의마모또는변형에의한것이나, 또는기계나구

조물에발생된변화에의한것이다. 많은경우이런변

화들이진동증가와관련이있는가를알기위해서기계

의이력을검토함으로써상당한분석시간과노력을절

약할수있다.

3. 기계의특성과진동

회전수(rpm), Bearing 형식, Gear 주파수, Coupling

의 형태 등과 같은 기계의 특성을 검토하면 예상되는

진동주파수를파악하는데크게도움이된다. 이러한자

료는 분석을 위해 필요한 계측장비 및 진동픽업

(Transducer)의형식을결정하는데도움이될것이다.

기계의운전특성또한필요한계측장비의형식을결

정하는데도움이된다. 예를들면수명이대단히짧은

생산기계공구는제한된분석시간때문에 Real Time

Spectrum Analyzer가 필요하다. 연속적으로 속도나

부하가 변화되는 가변상태를 가지는 기계는 Real

Time Analysis Tracking Filter 기능을가진계측장

비의사용이요구된다. 대단히복합적이고, 불규칙하거나

과도적인진동을가지는기계는Spectrum Averaging

또는“Transient Capture”기능을필요로한다.

진동분석은통상2가지단계가있다. 첫째는정확하

게진동자료를취득하는것이고, 둘째는자료를평가,

분석하는것이다.

4. 운전상태에따른진동Data

(1) 정상운전상태

(Steady State Operation Conditions)

기계가정속으로운전되고있고, 주요및보조운전

자료가변화하지않거나, 변하더라도아주서서히변화

할때를정상운전상태로정의한다.

▣정상운전상태에서분석에유용한Plot

: Time Base Display, Orbit Plot,

Trend Plot(진동, 위상각), Spectrum 등

(2) 과도운전상태

(Transient Operating Conditions)

과도운전상태는통상기동및정지시와관련이있

다. 부하나 속도변화를 가지는 과도상태에서의 진동

Data 분석은설비의결함상태또는특성을파악하는데

중요한정보를제공한다.

회전수

과도상태 정상상태 과도상태시간

그림 1. 과도상태와 정상상태의 구분

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진동 Data의 형태 및 해석기술

832010. 7

▣과도상태에서분석에유용한Plot

: Bode Plot, Polar Plot, Cascade Plot,

Average Shaft Centerline Plot, Spectrum 등

5. 각종진동Data의이해및해석

(1) 진폭, 위상대시간선도

(The amplitude, phase vs time plot)

진동진폭및위상각을계속하여기록함으로써기계

적인 문제가 시간의 경과에 따라 급격히 발생했는가,

점진적으로발생했는가를알수있다.

이것은 중요기계의 정지여부를 결정하는데 중요한

정보가된다. 만약진동이오랜기간에걸쳐매우서서

히증가되어왔다면정비를위한정지는필요시연기할

수있다. 그러나진동이갑자기증가한다면정밀진단을

즉시실시해야하고필요시정비를실시하여야한다. 이

때정밀진단결과는정비범위와정비공정을결정하는데

중요한역할을하게된다. 진폭, 위상대시간선도는이

상문제를조기발견하는데결정적인도움을준다.

(2) 축중심선도(The Shaft Centerline Plot)

X-Y 비접촉식(Non-Contact) 픽업으로부터DC Gap

Voltage를계속감시하면결함을진단할수있는유용

한정보를얻을수있다. 정지상태→기동상태→정상

운전상태에서DC Gap Voltage를연속적으로취득하

면베어링내에서의축중심의위치변화를알수있어

설비진단및정비에유용하게활용할수있다.

그림 2

RCP - 1A

PHASE LAG

(Degrees)

AMPLITUDE

(Mils pp)

A-PUMP

위상각 변화시작

1SEP 25SEP 19OCT 12NOV

1SEP 25SEP 19OCT 12NOV

6DEC

진폭 변화시작

0

90

180

270

360

10.0

8.0

6.0

4.0

2.0

0

TREND 12wk

BEGIN : 3 SEP 9:35 END : 21NOV 9:35POINT : A PUMP 1A X TYPE : 2X PHASE LAG

POINT : A PUMP 1 AX TYPE : 2X AMPLITUDE

그림 3. Average Shaft Centerline Plot(기동부터 3600RPM 승속예)

POINT : 2Y REL ∠45°Left REF : -10.7 VoltsPOINT : 2Y REL ∠45°Right REF : -10.4 VoltsMACHINE : TBN INLET ENDFrom 15APR2000 06:25:54 To 15APR2000 09:43:49 Shutdown(not orbit or polar plot)

2.381.56(-72.9, 354) 3601

20 micro m/div

400

300

200

100

0

-200 -100 100 2000

Up

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Special contribution특·별·기·고

84 계장기술

(3) 스펙트럼(Spectrum, 주파수대진폭)

진동주파수별진동진폭크기를나타낸것으로진동

분석을위해서매우유용한방법이다. Spectrum은 Y

축은진폭, X축은진동주파수를나타낸다.

기계의진동은그구성요소나고장원인에따라각기

고유한 주파수의 진동을 발생시키므로 Spectrum은

진동발생의원인규명에매우유효한데이터이다.

진동진폭대진동주파수는여러가지방법으로얻을

수있다. 크게나누어Swept Filter를이용하는방법과

Real Time 분석기(FFT)를 이용하는 방법이 있으며,

최근에는거의Real Time 분석기가사용된다.

진동이크게발생되는주파수대역은결함원인을파

악할수있는중요한실마리를제공한다. 따라서기계

문제점진단시에는Filter-out(Total 진동) 진동값만

으로심각도를판단하지말고, 철저한진동주파수분석

이이루어져야정확한기계진단이가능하다.

상기그림은 Steam Turbine에서 Shaft 진동에대

한Spectrum의일예로, 종축은진폭을횡축은진동주

파수를나타낸다.

(4) Waterfall Plot

(주파수대진폭대시간또는Spectrum 대시간)

Waterfall Plot은 선택된 기계 진동 측정점에서의

Spectrum Plot들을일정시간주기로나타내어비교한

것이다. 가장좋은비교는동일한운전조건하에서Spectrum

을취했을때이루어진다. Waterfall Plot은진동Spec

trum의분명한경향을나타낸다. 따라서진동이변화

되었을때언제, 어떤주파수가변화되었는지를찾아내

는데유용하게활용된다.

(5) Cascade Plot

(주파수-진폭대RPM = Spectrum 대RPM)

Waterfall과Cascade는Plot이비슷하나, Waterfall이

Spectrum을시간대별로나타내주는것, 즉Spectrum

의 경향분석인데비하여, Cascade는 Spectrum을 회

전기기의속도별로나타낸것이다.

그림 4. Spectrum Polt(1X 주파수가 60Hz의 경우)

AMPLITUDE : 5um pp/dv

55.7@60Hz100

80

60

40

20

00 100 200 300 400 500

FREQUENCY : 20Hz/div

그림 5. Waterfall Plot

20:31:0020:29:4020:28:2020:27:0020:25:4020:24:2020:23:0020:21:4020:20:2020:19:0020:17:4020:16:2020:15:0020:13:4020:12:2020:11:00

3600360136023603360236023599359835993599360136003603360136003599 rpm

0

ORDERS : 0.5X/div

2X 4X 6X 8X 10X

AMPLITUDE : 1um pp/div

POINT : BRG#6 Y REL. ∠45°Left

From 17898 20:11:00 To 17898 20:31:40 Steady State 20:11:00WINDOW : None SPECTRAL LINE : 512

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진동 Data의 형태 및 해석기술

852010. 7

따라서 정상운전 상태일 때는 Waterfall이 사용되

며, 과도운전상태일때는 Cascade가 사용된다. 비록

과도상태일지라도일정회전수마다가아닌일정시간

마다Sampling하여Waterfall을사용할수는있다.

하나의 Spectrum은 특별한 속도 특별한 부하에서

한순간의진동특성을보여주는데반하여, Cascade Plot

은기동(또는정지)시반복하여Spectrum을관찰하는

것이가능하다. 예를들어기동시발생된여러주파수

에대하여임계속도에서가진되는지혹은공진구간이

있는지와, 부하·온도등다른운전변수의변동에따른

기계의진동진폭과주파수의변화를알아야할필요가

있다.

Real Time Spectrum Analyzer는고속으로분석할

수있는능력이있으므로이러한요구조건에이상적으

로부응할수있다. 즉, Cascade 및Waterfall은고유

진동구역의 통과여부, Oil Whip과 Oil Whirl의 존재

및Oil Whirl로부터Oil Whip으로변화되는모습은물

론1X, 2X, 3X 등의존재여부와이들의크기를비교할

수있으므로진동원인규명에아주유용하다.

(6) Bode Plot(진폭-위상각대RPM)

회전기계의 응답특성을 파악하기 위해서 일반적으

로Bode Plot이사용된다.

이는 RPM에대한회전속도의진동진폭(1X, 2X 등)

과위상지연각을나타낸것이다. 이 Plot은기계의일

정 속도영역에서 나타나는 위험속도(Critical Speed)

를정확히판단할때, Damping Ratio, Rotor의공진여

부, 위험속도영역의진동을감소시키기위한 Critical

Weight Balancing시매우유용하게활용된다.

상기 그림에서 위험속도는 855RPM에서 나타난다.

일부는위험속도를기계의기동, 정지시에진동이급

격히상승하는현상으로인식하고있으나, 위험속도의

정확한정의는진동이크게증가되는속도영역이아니

라위상각이180°변화되는영역으로정의한다. 따라서

어떤기계에서는진동의큰증가없이위상각만180°변

화하는 경우도 종종 발생되며, 이러한 경우는 통상

Rotor가잘Balance되었을때나타나게된다.

AMPLITUDE :

20ml pp/div

PHASE LAG

10 deg/div

POINT : BRG 1 Horizontal ∠90°right 1X UNCOMP 592∠4°MACHINE : MachineFrom 21FEB06 13:48:41 To 21FEB06 13:48:41 Startup 860rpm

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

0

IW ECCENTRICITYLATERAL NATURAL

FREQUENCY

RANGE OF“IST CRITICAL”

HIGH ECCENTRICITY LATERALNATURAL FREQUENCY

1000 2000 3000 4000 5000FREQUENCY : 200 CPM/div

6000

BENTLY & MUSZYNSKA THRESHOLD

47X0.5X

1X

LARGE 1X RASESTHRESHOLD OFSTABIUTY ABOVEMACHINE SPEED 2X

WHIRL

WHIRL

SPEED : 200 rpm/div

WHIP

그림 6. Cascade Plot

그림 7. Bode Plot(위험속도 855RPM)

200

300

360

60

500

400

300

200

100

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

SPEED : 50 rpm/div)

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

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Special contribution특·별·기·고

86 계장기술

(7) Polar Plot(진폭, 위상각대RPM)

Polar Plot은 극좌표에서 축의 회전속도 함수로써

그려진연속된진동Vector(전형적으로 1X)이다. 각기

다른회전속도에서1X 진동Vector의진폭및위상지

연각이2 축상에직접그려진다. 대응하는축회전속도

도기재될수있다.

Polar Plot은Bode Plot과동일한정보를가지고있

으나, 강조하는 바는 다르다. 즉, Slow Roll Speed,

Slow Roll Vector 및동기증폭계수는통상Bode Plot

에서얻기가용이하고, Heavy spot과Structural Response

는통상Polar Plot으로확인하기가보다쉽다.

(8) 시간파형(Time Waveform)

비록진폭대주파수(스펙트럼) 특성에의한진동분

석이기계진동문제해결에유용하지만, Gear나 구름

베어링을구성부품으로갖는기계의결함을진단하고

거동을진단하기위해서는Time Waveform을관찰하

는것이도움이된다. Waveform의수직축은진폭이고

수평축은시간을나타낸다.

어떤기계적문제의경우주파수는같더라도동적거

동(Dynamic behavior)은 아주 다르다. 예를 들어 기

어에서하나의이가변형되거나손상된경우, 그이는

매 회전시마다 맞물리는 기어에 충격을 가하여 1X

RPM의진동주파수를발생할것이다. 이것은Unbalance

에의한진동으로잘못판단할수있다.

그러나Waveform으로보면손상된기어에의한진

동과Unbalance에의한진동은확연히구별된다.

(9) Shaft Orbit Plot

Spectrum 및Waveform 이외에진동해석에유용

한데이터는Shaft Orbit이다. 이를얻기위해서는각

베어링에 두 개의 Non-contact 픽업을 그림과 같이

90°각도로설치해야한다. 한픽업으로부터발생된신

호는 수평축 입력이 되고, 다른 픽업으로부터 발생된

출력은수직축입력이된다.

Orbit Data를수집할때취득하려는주파수기준이

그림 8. Polar Plot

POINT : BRG 1 Horizontal ∠90°right 1X UNCOMP 592∠4° @860rpmMACHINE : MachineFrom 21FEB06 13:48:41 To 21FEB06 13:48:41 Startup

POINT : #6 BRG REL X ∠45°Right DIR AMPL : 47.3 micro m ppMACHINE : LP 2 TBN Rear10JUN2009 03:53:42.1 Startup DIRECT

270°

90°

180°

mil pp700

0

700mil pp FULL SCALE CCW ROTATION

그림 9. Time Waveform

AC COUPLED

2 micro m/div

30

0 50 1003602 rpmROTATION : X TO Y(CCW)

30

10

10

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진동 Data의 형태 및 해석기술

872010. 7

없으면(예 : 1X rpm) 주파수정보를얻을수없다. 그

림과같은경우, 주파수가1X RPM인곳에서는통상적

으로Unbalance 상태라고간주될수있다.

동기기준Pulse는X, Y 픽업이외에또다른Non-

Contact 픽업을설치하면얻어질수있으며, 계측기에

서는이기준Pulse를Orbit에서“Blank”로표시한다.

Orbit Plot은 무게 불평형, 예압(Preload)의 상태,

Rubbing 상태, Shaft면의흠집(Glitch) 등을진단하는

유용한도구로활용된다.

그림 10

<참고문헌>

1. 봉석근외6명, 2007, “기계상태감시및진단실무”,

한전KPS.

2. BENTLY NEVADA, 1993, “Machinery Diagnostics”

3. Donald E, Bently, 2002, “Fundamentals of Rotating

Machinery Diagnostics”

Up

Up

1

1

1

1

2

2

2

2

3

3

3

3

4

4

4 4

5

5

5

5

Up

Down

Down

Right

Rotationdirection

Rotationdirection Probe

locations

50μm/div

γ

χ

Left

Right

Left