진동 분석이란 무엇인가요?

모든 회전 기계는 진동합니다. 정상적인 기계에서는 진동이 낮고 안정적이며, 이것이 바로 기계의 정상적인 "작동 특성"입니다. 결함이 발생하면 진동은 예측 가능한 방식으로 변화합니다. 이러한 변화를 측정하고 분석함으로써 근본 원인을 파악하고, 고장을 예측하며, 치명적인 고장이 발생하기 전에 유지 보수를 계획할 수 있습니다. 이것이 바로 진동 측정의 기본 원리입니다. 예측 유지 보수.

FFT: 스펙트럼 분석의 핵심

진동 센서(가속도계)는 기계적 진동을 전기 신호로 변환합니다. 시간에 따라 표시되는 이 신호는 다음과 같습니다. 파형 — 여러 오류가 존재할 때 나타나는 복잡하고 혼란스러운 곡선입니다. FFT(고속 푸리에 변환)는 이 복잡한 신호를 각각 고유한 주파수와 진폭을 가진 개별 정현파 성분으로 분해합니다.

FFT를 프리즘이 백색광을 무지개로 나누는 것에 비유해 보세요. 복잡한 파형이 바로 "백색광"이고, FFT는 그 안에 숨겨진 개별 "색깔"(주파수)을 드러냅니다. 그 결과는 다음과 같습니다. 진동 스펙트럼 — 주요 진단 도구.

주요 스펙트럼 매개변수

• 주파수(X축, Hz): 진동이 발생하는 빈도. 발생 원인과 직접적인 관련이 있습니다. 1× = 축 회전 속도. 2× = 축 회전 속도의 두 배.
• 진폭(Y축, mm/s RMS): 각 주파수에서의 진동 강도. 피크가 높을수록 에너지가 많고, 상태가 더 심각함을 의미합니다.
• 배음: 기본 주파수의 정수배: 2×(2차), 3×(3차), 4× 등. 이러한 주파수들의 존재와 상대적인 높이는 진단 정보를 담고 있습니다.
• 위상(°): 서로 다른 측정 지점에서의 시간 관계. 위상 불일치(동위상)와 정렬 불량(180°)을 구분하는 데 필수적입니다.

진동 측정 단위: 변위, 속도, 가속도

진동은 세 가지 물리적 매개변수로 측정할 수 있습니다. 각 매개변수는 서로 다른 주파수 범위를 강조하므로 진단 작업에 따라 적합한 방식이 다릅니다. 어떤 매개변수를 언제 사용해야 하는지 이해하는 것은 효과적인 분석의 핵심입니다.

Balanset-1A를 이용한 측정 기술

센서 배치

진단의 정확도는 측정 정확도에 전적으로 달려 있습니다. 진동력은 베어링을 통해 전달되므로 센서는 베어링 하우징, 즉 하중을 지탱하는 구조물(덮개나 냉각 핀이 아닌)에 최대한 가깝게 장착해야 합니다.

• 표면 준비: 표면은 깨끗하고 평평하며 페인트 벗겨짐이 없어야 합니다. 자석 받침대는 평평하게 놓여야 합니다.
• 반경 방향 수평(H): 축에 수직인 수평면. 종종 가장 큰 진폭을 나타냅니다.
• 방사형 수직(V): 축에 수직인 수직면.
• 축방향(A): 축과 평행함. 정렬 불량을 감지하는 데 매우 중요함.

Balanset-1A 진단 모드

• F1 — 스펙트럼 분석기: 전체 FFT 표시. 주요 진단 모드입니다.
• F5 — 진동계: 빠른 평가. V1s(총 RMS)와 V1o(1배)를 비교합니다. V1s ≈ V1o이면 불균형입니다. V1s ≫ V1o이면 다른 결함입니다.
• F8 — 차트: 상세 스펙트럼 및 시간 파형. 고조파 패턴 및 방위각 주파수 분석에 최적입니다.

위상 분석 — 진단적 차별화 요소

주파수는 당신에게 알려줍니다 무엇 진동하고 있습니다. 위상은 당신에게 알려줍니다. 어떻게. 두 개의 결함이 동일한 스펙트럼(둘 다 1×가 지배적임)을 생성할 수 있지만, 위상 분석으로만 구별할 수 있습니다. 위상은 서로 다른 측정 지점에서의 진동 사이의 각도 관계이며, 도(0°~360°) 단위로 측정됩니다.

오류 1: 불균형

원인: 무게중심이 회전축에서 벗어남. 제조 공차, 침전물 축적, 침식, 칼날 파손, 무게 감소.

스펙트럼: 가장 강한 피크는 정확히 1×RPM에서 나타납니다. 매우 낮은 고조파를 가지며, 방사형 진동을 보입니다. 진폭은 속도의 제곱에 비례하여 증가합니다. 위상은 안정적이며 반복 가능합니다.

정적 불균형(단일 평면)

순수한 1배 피크, 정현파 파형. 두 베어링 모두 동위상. 단일 평면 보정.

동적 불균형 (2차원/커플)

또한 1×가 지배적이지만 방위각이 약 180° 위상차가 있습니다. 2면 보정이 필요합니다.

결함 2: 축 정렬 불량

원인: 연결된 축의 축은 일치하지 않습니다. 평행(오프셋)이거나 각도(틸트)를 이룰 수 있으며, 일반적으로 두 가지 모두 해당됩니다.

평행 정렬 불량(방사형)

반경 방향으로 높은 1배율 및 2배율. 2배율은 종종 1배율 이상임. 결합을 가로지르는 위상차는 180°.

각도 오정렬 — 방사형

방사형 구조에는 1×와 2×가 모두 존재하지만, 일반적으로 2×가 우세합니다.

각도 정렬 불량 — 축

축 방향 진동은 반경 방향으로 50% 이상이어야 합니다. 축 방향 커플링에서 180° 위상차가 발생합니다. 이것이 핵심적인 구별 측정값입니다.

결함 3: 기계적 풀림

원인: 구조적 강성 손실 - 볼트 풀림, 기초 균열, 베어링 시트 마모, 과도한 간극.

구성 요소 느슨함

"진폭이 점차 감소하는 1배, 2배, 3배, 4배… 최대 10배 이상의 고조파 "숲"이 나타납니다. 0.5배의 하위 고조파가 나타날 수도 있습니다.

구조적 느슨함

1배 또는 2배의 배음이 지배적입니다. 고차 고조파는 거의 없습니다. 수직 진동이 강합니다.

결함 4: 구름 베어링 결함

원인: 트랙, 구름 요소 또는 케이지의 마모, 박리, 손상.

외륜 결함(BPFO)

BPFO, 2×BPFO, 3×BPFO…에서 일련의 피크가 나타나고, 1× 측파대는 나타나지 않음(정지 링). 가장 흔한 베어링 결함.

내인성 결함(BPFI)

BPFI 고조파는 ±1× 측파대(회전 링, 부하 영역 변조)를 포함합니다. 측파대 패턴이 핵심 식별 요소입니다.

구름 요소 결함(BSF)

BSF 고조파. 2×BSF가 지배적인 경우가 많음. 비동기적. 종종 레이스 손상을 동반함.

케이지 결함(FTF)

서브동기 피크(FTF ≈ 축 회전 속도의 0.4배). 저주파. 다른 베어링 손상과 동반되는 경우가 많습니다.

엔벨로프(복조) 분석 — 초기 방위각 탐지

표준 FFT 스펙트럼 분석은 2단계부터 베어링 결함을 감지합니다. 그러나 1단계에서는 베어링 충격이 너무 미약하여 노이즈 레벨 이상으로 나타나지 않습니다. 봉투 분석 (복조 또는 고주파 검출(HFD)이라고도 함)은 검출 범위를 훨씬 더 초기 단계까지 확장합니다.

작동 방식

구름 요소가 결함에 부딪히면 짧은 충격 펄스가 발생하여 고주파 구조 공진(일반적으로 5~20kHz)을 유발합니다. 이러한 공진은 각 충격 시 짧은 시간 동안 "울림"을 발생시킵니다. 엔벨로프 분석은 세 단계로 진행됩니다.

1. 대역 통과 필터: 충격음이 울리는 고주파 공명 대역(예: 5~15kHz)을 분리합니다.
2. 정정하고 봉투에 넣으세요: 진동의 최고점을 따라 나타나는 "엔벨로프"인 진폭 변조 패턴을 추출합니다.
3. 엔벨로프의 FFT: 엔벨로프 신호에 FFT를 적용합니다. 결과는 다음과 같습니다. 반복률 충격 횟수 — 이는 베어링 결함 빈도(BPFO, BPFI, BSF, FTF)와 같습니다.

관련 매개변수

• 스파이크 에너지(SE): 고주파 충격 에너지의 전체 측정값. 스칼라 추세 값. 합격/불합격 판정에 유용함.
• gSE / HFD / PeakVue: 벤더별로 봉투에서 파생된 매개변수에 대한 이름이 다릅니다. 모두 동일한 원칙에 기반합니다.
• 가속도 포락선: Balanset-1A는 속도(mm/s) 단위로 측정합니다. 전체 엔벨로프 분석을 위해서는 가속도 입력 및 대역 통과 필터링 기능을 갖춘 전용 분석기가 이상적입니다. 하지만 Balanset-1A의 FFT 기능 또한 표준 속도 스펙트럼에서 2단계 이상의 베어링 결함을 효과적으로 감지할 수 있습니다.

결함 5: 기어 결함

원인: 마모되거나, 움푹 패이거나, 부러진 톱니. 기어 편심. GMF = 톱니 수 × 축 회전수 / 60.

기어 편심

GMF는 축 속도의 ±1배에 해당하는 측파대를 포함합니다. 기어의 1배율도 높아질 수 있습니다.

기어 톱니 마모/손상

밀집된 측파대를 가진 다수의 GMF 고조파. 측파대 개수 및 진폭에 따른 심각도 추적.

전기적 결함(모터)

전자기 결함은 진동을 발생시킵니다. 2배 라인 주파수 (50Hz 그리드에서 100Hz, 60Hz 그리드에서 120Hz). 중요 테스트: 진동이 사라짐 곧 정전이 되면 기계적 결함은 서서히 사라집니다.

• 고정자 편심률: 2배의 라인 주파수, 일정한 진폭.
• 로터 바 결함: 슬립 주파수 간격에서 라인 주파수 주변의 측파대.
• 부드러운 발: 개별 모터 지지대를 느슨하게 하면 진동이 변합니다.

오류 7: 벨트 구동 문제

원인: 마모되었거나, 정렬이 잘못되었거나, 장력이 부적절한 벨트. 벨트 구동 장치는 진동을 발생시킵니다. 벨트 통과 빈도, 벨트 길이가 풀리 둘레보다 길기 때문에 일반적으로 동기 주파수보다 낮은 주파수(축 속도의 1배 미만)가 나타납니다.

공통 벨트 특징

• 벨트 마모/결함: 벨트 주파수(f)에서의 피크_벨트) 및 그 고조파(2×, 3×, 4× f)_벨트이러한 현상은 축 회전 속도의 1배 미만에서 나타나며, 아동기 피크가 핵심 지표입니다.
• 벨트 정렬 불량: 축 회전 속도가 1배 및 2배일 때 축 방향 진동이 증가합니다. 이는 축 정렬 불량과 유사하지만 벨트 구동식 기계에만 해당됩니다.
• 부적절한 장력: 벨트 장력 조절에 따라 진동이 크게 변하는 높은 1배율 진동입니다. 벨트가 너무 팽팽하면 베어링 부하가 증가하고, 벨트가 너무 느슨하면 벨트 소음과 벨트 진동 주파수 피크가 발생합니다.
• 공명: 벨트의 고유 진동수(벨트 "플러터")는 벨트 간격의 공진이 작동 속도와 일치할 때 발생할 수 있습니다. 이는 벨트 고유 진동수에서 넓은 피크로 나타납니다.

오류 8: 펌프 캐비테이션

원인: 증기 방울은 주변 압력이 액체의 증기압보다 낮아지면(일반적으로 펌프 흡입구에서) 격렬하게 형성되고 붕괴됩니다. 각 방울 붕괴는 미세한 충격을 발생시키며, 초당 수천 번의 붕괴가 특징적인 광대역 잡음을 만들어냅니다.

스펙트럼 신호

• 광대역 고주파 에너지: 기계적 결함(불연속적인 피크를 생성함)과는 달리, 캐비테이션은 일반적으로 2~5kHz 이상의 넓은 주파수 범위에 걸쳐 상승된 노이즈 플로어를 생성합니다. 스펙트럼은 날카로운 피크보다는 "혹" 또는 상승된 고원처럼 보입니다.
• 무작위적이고 비주기적인: 배음이 없고, 축 회전 속도와도 상관관계가 없습니다. 소음은 마치 "자갈 소리"나 "딱딱거리는 소리"처럼 들리는데, 계측기 없이도 들립니다.
• 저주파 효과: 심한 캐비테이션은 1배율에서 불안정성을 유발할 수 있으며, 유동 난류로 인해 광대역 저주파 소음이 발생할 수도 있습니다.

결함 9: 오일 와류 및 오일 흔들림 (저널 베어링)

원인: 저널(슬리브) 베어링의 유체막 불안정성. 오일막 쐐기가 축을 베어링 간극 내에서 동기 주파수보다 낮은 주파수로 회전하게 만듭니다. 이는 구름 요소 베어링 결함과는 구별되며, 일반/저널 베어링에서만 발생합니다.

오일 소용돌이

• 빈도: 약 0.42배에서 0.48배 축 회전 속도(흔히 ~0.43배로 인용됨)와 관련이 있습니다. 이는 축 회전 속도를 따라가는 동기 피크로, RPM이 증가하면 회전 주파수도 비례적으로 증가합니다.
• 스펙트럼: 약 0.43배 부근에 단일 피크가 나타나며 속도에 따라 이동합니다. 진폭은 중간 정도일 수 있습니다.
• 상태: 오일 휩 현상의 전조 증상. 일반적으로 즉각적인 파괴를 초래하지는 않지만 불안정성을 나타냅니다.

오일 휩

• 빈도: 로터의 첫 번째 부분을 고정합니다. 고유 진동수 (임계 속도). 와류와 달리 축 속도를 추적하지 않습니다. 즉, RPM이 변하더라도 주파수는 일정하게 유지됩니다.
• 스펙트럼: 회전자의 첫 번째 임계 속도에서 큰 서브동기 피크가 발생합니다. 진폭이 매우 클 수 있으며, 이는 파괴적일 수 있습니다.
• 상태: 위험한. 즉각적인 조치가 필요합니다. 베어링 파손 및 축 손상으로 이어질 수 있습니다.

ISO 10816 진동 심각도 - 전체 분류표

ISO 10816(ISO 20816으로 대체되었지만 여전히 널리 참조됨)은 네 가지 기계 등급에 대한 진동 심각도 구역을 정의합니다. 진동은 베어링 하우징에서 mm/s RMS 단위의 속도로 측정됩니다. 아래 표는 네 가지 등급 모두에 대한 모든 구역 경계를 보여줍니다. 측정값을 평가할 때 빠른 참조 자료로 활용하십시오.

측정에서 모니터링까지

추세 분석

단일 스펙트럼은 스냅샷일 뿐입니다. 진동 분석의 힘은 바로 여기에 있습니다. 추세 분석 — 시간 경과에 따른 변화를 추적합니다.

• 기준선을 설정하세요: 새 장비 또는 정상 작동하는 장비를 측정하고 스펙트럼을 저장하세요.
• 간격을 설정하세요: 중요: 주간. 표준: 월간. 보조: 분기별.
• 반복성을 확보하십시오: 동일한 지점, 동일한 방향, 동일한 작동 조건.
• 변경 내용 추적: ISO A 구역에 속하더라도 기준치 대비 2배 증가는 상당한 증가입니다.

결정 알고리즘

1. 고품질 스펙트럼(F8 차트, 방사형 + 축방향)을 얻으십시오.
2. 가장 높은 봉우리를 파악하세요. 이것이 가장 큰 문제입니다.
3. 오류 유형과 일치:
   • 1배가 지배적이다 → 불균형 → Balanset-1A를 사용하여 균형을 맞춥니다.
   • 2배 우세 + 높은 축 방향 → 정렬 불량 → 축을 재정렬하십시오.
   • 많은 배음 → 헐거움 → 점검 후 조여주세요.
   • 비동기 피크 → 베어링 → 교체 계획.
   • GMF + 사이드밴드 → 기어 → 오일을 점검하고, 변속기를 점검하십시오.
4. 주된 원인을 먼저 해결하면 부차적인 증상은 종종 사라집니다.

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