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무료 엔지니어링 도구 — #009

로터 임계 속도 계산기

중심 질량 또는 분포 질량을 가진 축의 첫 번째 임계 속도(고유 진동수)를 레일리 방법을 사용하여 계산하십시오. 안전 여유를 위해 작동 RPM과 비교하십시오.

중심 질량 레일리 방법 3가지 지원 유형
빠른 사전 설정

결과

임계 속도(중심 질량)
-
고유 주파수
-
각주파수 ω_n
-
관성 모멘트 I
-
샤프트 강성 k
-
운영 속도 마진
-

면적의 2차 모멘트

중심 질량 — 단순 지지형

질량이 집중된 축의 경우 m 중앙부 및 단순 지지단에서:

지원 조건 요인

강성 계수 k 지원 유형에 따른 변경 사항:

지지대강성 k요인 대 SS
단순 지지 (중앙 하중)48EI/L³1.00
고정-고정(중앙 하중)192EI/L³4.00
캔틸레버(단부하)3EI/L³0.0625

실제 사례

예시 — 펌프 샤프트

주어진 조건: 길이 L = 800 mm, 직경 d = 50 mm, 질량 m = 30 kg, 강재 탄성계수 E = 210 GPa, 단순 지지

I = π × 50⁴ / 64 = 306,796mm⁴

k = 48 × 210,000 × 306,796 / 800³ = 6,040 N/mm

ω_n = √(6,040,000 / 30) = 448.7 rad/s

N_cr = 448.7 × 60 / (2π) = 4,285 RPM

⚠️ 주의: 이 단순화된 모델은 질량이 없는 축에 단일 집중 질량이 있다고 가정합니다. 질량이 큰 축에 대한 보다 정확한 결과를 얻으려면 축의 분포 질량을 고려하는 Rayleigh 또는 Dunkerley 방법을 고려하십시오.

Critical speed is the rotational speed at which a shaft's rotational frequency matches one of its natural bending frequencies, causing resonance. At critical speed, even tiny unbalance forces are amplified dramatically, leading to dangerous vibration levels.

Every rotating shaft has one or more critical speeds. The first (lowest) critical speed is the most important for design purposes.

Operating near critical speed causes:

  • Exponential amplification of vibration from unbalance
  • Excessive bearing loads and premature failure
  • Shaft deflection beyond elastic limits
  • Seal damage and oil leakage
  • Risk of catastrophic shaft failure

The industry standard is to maintain at least a 20% margin between operating speed and any critical speed.

Critical speed can be increased by:

  • Increasing shaft diameter — stiffness scales with d⁴, very effective
  • Reducing shaft length — stiffness scales with 1/L³
  • Using stiffer material — higher E modulus
  • Reducing rotor mass — lighter rotor = higher frequency
  • Changing supports — fixed-fixed is 4× stiffer than simply supported

A rigid rotor operates well below its first critical speed (N_op < 0.7 × N_cr). It can be balanced at low speed in a balancing machine.

A flexible rotor operates above its first critical speed and must pass through resonance during startup. It requires high-speed balancing and may need modal balancing at multiple speeds.

Common standards recommend:

  • API 610/617: First critical speed ≥ 120% of max continuous speed (rigid rotors)
  • API 612: Operating speed ≥ 115% above first critical (flexible rotors)
  • General practice: Stay at least 20–30% away from any critical speed

The ±20% band around a critical speed is considered the danger zone and should be avoided during continuous operation.

이 페이지에 설명된 절차는 Vibromera 팀이 현장 로터 밸런싱용 휴대형 2채널 밸런서 겸 진동 분석기인 Balanset-1A를 사용하여 개발하고 현장에서 테스트한 것입니다.

Vibromera — 휴대용 밸런싱 및 진동 분석
전문가용 현장 밸런싱 장비 및 소프트웨어. 진동 측정, 임계 속도 파악, 현장 로터 밸런싱 작업 가능. 50개국 이상에서 사용 중.
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Nikolai Shelkovenko

Nikolai Shelkovenko

Nikolai Shelkovenko는 진동 분석 엔지니어이자 Vibromera의 창립자 겸 CEO입니다. 그는 15년 넘게 회전 장비를 실험실 테스트 벤치가 아닌 현장에서 직접 밸런싱해 왔습니다 — 멀처, 산업용 팬, 파쇄기, 원심분리기, 샤프트, 스핀들 등입니다. Balanset 기기는 바로 이러한 경험에서 탄생했습니다 — 실험실 장비가 아니라, 전문가가 직접 현장의 기계까지 가지고 가서 혼자서도 사용할 수 있는 도구로 설계되었습니다. Vibromera는 2017년에 설립되었으며 2023년부터 포르투갈 포르투를 거점으로 하고 있습니다. Balanset 제품군의 개발, 조립, 지원 업무 모두 이곳에서 이루어집니다. 대표 기기는 Balanset-1A로, 1면 및 2면 밸런싱과 진동 진단을 위한 휴대용 분석기입니다. Nikolai는 고객 지원, 까다로운 밸런싱 사례 해결, 소프트웨어 개발에 직접 참여하고 있습니다. 그는 전 세계 고객들과 어떤 언어로든 소통하며 함께 일합니다.

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