1.1 서론: 장비 진동을 무시할 수 없는 이유

산업 생산 분야에서 진동은 장비 작동 시 피할 수 없는 요소입니다. 그러나 정상적인 작동 진동과 문제가 되는 진동 사이에는 중요한 경계가 존재하며, 이를 이해하고 제어하는 것이 중요합니다. 기계 및 기구 진동은 정상적인 작동을 나타내는 지표이자 심각한 기술 문제의 전조가 될 수 있는 복잡한 물리적 현상입니다.

진동은 장비에 문제가 있음을 알려주는 첫 번째 청각적 또는 촉각적 신호인 경우가 많습니다. 인간의 귀는 작동 중인 기계의 음향 특성 변화를 구분할 수 있으며, 이는 역사적으로 숙련된 정비사와 작업자의 주요 진단 방법으로 사용되었습니다. 그러나 현대의 진단 정확도와 신뢰성에 대한 요구는 인간의 감각 능력을 훨씬 뛰어넘습니다.

일정 수준의 진동은 많은 장치 작동에 내재되어 있으며 메커니즘의 동적 과정의 자연스러운 결과이지만, 과도한 진동은 심각한 결과를 초래할 수 있는 근본적인 문제의 명백한 징후입니다. 정상 진동과 문제 진동의 경계는 절대적인 값이 아니라 장비 유형, 작동 조건, 기계 연식, 수행되는 작업에 대한 정확도 요구 사항 등 여러 요인에 따라 달라진다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

부품의 균형이 제대로 맞지 않으면 진동, 소음, 그리고 부품 마모를 가속시키는 힘이 필연적으로 발생합니다. 이러한 과정은 지수 법칙에 따라 진행됩니다. 초기의 작은 불균형이 시간이 지남에 따라 베어링의 틈새를 증가시키고, 이는 다시 진동을 심화시키고 마모를 가속시킵니다. 결과적으로 장비 성능 저하의 악순환이 형성됩니다.

따라서 진동을 이해하고 관리하는 것은 산업 운영의 신뢰성, 효율성, 그리고 안전성을 보장하는 데 있어 근본적인 토대입니다. 현대 생산 공정은 고도의 자동화와 통합을 특징으로 하며, 이는 하나의 요소에 문제가 발생하더라도 전체 기술 사슬이 마비될 수 있음을 의미합니다. 이러한 상황에서 진동 문제를 무시하는 것은 엄청난 비용을 초래할 수 있습니다.

정상적인 작동 진동과 문제가 있거나 증상을 나타내는 진동을 구분할 필요가 있습니다. 정상적인 진동은 시간 경과에 따라 안정적인 매개변수, 장비 작동 주파수와 관련된 예측 가능한 주파수 특성, 그리고 정해진 기준을 초과하지 않는 진폭을 특징으로 합니다. 반대로, 문제가 있는 진동은 매개변수 불안정성, 새로운 주파수 성분의 출현, 급격한 진폭 증가 또는 위상 관계의 변화를 통해 나타납니다.

문제가 되는 진동을 마모, 고장, 비용 등 부정적인 결과와 연결시키면 기술 인력에게 긴박감과 관련성을 부여합니다. 통계에 따르면 계획되지 않은 생산 중단은 계획된 유지보수보다 평균 50~100배 더 많은 비용이 발생합니다. 더욱이, 대부분의 중단은 시기적절한 진동 진단을 통해 예방할 수 있습니다.

현대 기술은 문제를 조기에 감지할 뿐만 아니라 결함 발생을 예측하고, 최적의 개입 시간을 계획하며, 생산 공정에 미치는 영향을 최소화할 수 있도록 지원합니다. 이는 특히 한 시간의 가동 중단이 시장 지위 상실을 의미할 수 있는 치열한 경쟁 환경에서 매우 중요합니다.

안전 문제에서 인적 요소를 고려하는 것 또한 중요합니다. 과도한 진동은 작업자의 불편함을 유발하고 생산성과 주의력을 저하시켜 사고 위험을 증가시킬 수 있습니다. 또한, 사람이 진동에 장기간 노출되면 직업병을 유발하여 기업에 추가적인 법적, 재정적 위험을 초래할 수 있습니다.

기업의 환경적 책임에 대한 현대적 요구 속에서 진동 제어는 환경 영향을 줄이는 데 중요한 역할을 합니다. 장비를 최적으로 운영하면 에너지 소비량과 소음, 배출이 감소하여 지속 가능한 개발 원칙에 부합하며, 환경 인증 및 허가 취득 시 중요한 요소가 될 수 있습니다.

1.2 기계 진동의 과학: 핵심 개념

기계 진동은 기계체 또는 시스템이 평형점을 중심으로 진동하는 복잡한 물리적 현상입니다. 이 정의는 간단해 보이지만, 그 안에는 수많은 미묘한 차이와 복잡성이 숨겨져 있으며, 이러한 복잡성을 이해하는 것은 산업 장비의 효과적인 진단 및 진동 관리에 매우 중요합니다.

진동을 설명하고 정량적으로 평가하는 데에는 몇 가지 기본 매개변수가 사용되며, 각 매개변수는 중요한 진단 정보를 담고 있습니다. 이러한 매개변수와 그 상호 관계를 이해하는 것은 장비 상태를 정확하게 분석하는 데 필수적입니다.

진동 진폭: 문제 심각도 지표

진폭은 진동의 크기, 즉 구성 요소가 평형 위치에 대해 얼마나 움직이는지를 나타냅니다. 이 매개변수는 다양한 단위로 측정할 수 있으며, 각 단위는 특정 유형의 분석 및 진단에 적합합니다.

변위(일반적으로 밀리미터 또는 마이크로미터로 측정)는 평형 위치에서의 최대 편차를 나타냅니다. 이 매개변수는 저주파 진동 및 기초 진동 분석 시 특히 중요합니다. 큰 변위 값은 시스템 강성 또는 공진 현상에 문제가 있음을 나타낼 수 있습니다.

진동 속도(mm/s 또는 inch/s로 측정)는 10Hz에서 1000Hz까지의 주파수 범위에서 대부분의 기계 문제를 진단하는 데 가장 보편적인 매개변수입니다. ISO 20816과 같은 국제 표준은 진동 속도 측정을 기반으로 합니다. 이 매개변수는 진동 에너지와 밀접한 관련이 있으며, 결과적으로 잠재적인 장비 손상과도 관련이 있습니다.

진동 가속도(m/s² 또는 g 단위로 측정, 여기서 g = 9.81 m/s²)는 고주파 진동 성분에 가장 민감하며, 베어링 결함, 기어 변속기 및 기타 고주파 진동원을 진단하는 데 사용됩니다. 가속도는 구조물에 작용하는 힘에 비례하므로 구조 하중을 평가하는 데 중요합니다.

큰 진폭은 일반적으로 더 심각한 문제를 나타내지만, 절대 진폭 값은 장비 유형, 작동 조건 및 측정 시스템 특성을 고려하여 해석해야 한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 5mm/s의 진동 진폭은 대형 저속 모터에서는 정상일 수 있지만, 고속 CNC 기계 스핀들에서는 매우 중요할 수 있습니다.

진동 주파수: 소스 식별의 핵심

주파수는 진동 발생률을 말하며 일반적으로 초당 사이클 수에 해당하는 헤르츠(Hz) 또는 분당 사이클 수(CPM)로 표현됩니다. 특히 회전 장비를 분석할 때 CPM이 편리한데, 이는 분당 회전 수(RPM)와 직접 관련이 있기 때문입니다.

주파수 분석은 다양한 유형의 결함이 특정 주파수에서 나타나기 때문에 가장 강력한 진단 도구 중 하나입니다. 예를 들어, 로터 불균형은 회전 주파수(1X RPM)에서 발생하고, 축 정렬 불량은 두 배 회전 주파수(2X RPM)에서 진동을 발생시키며, 베어링 결함은 베어링 형상 및 회전 속도에 따라 특정 주파수에서 진동을 발생시킵니다.

분당 회전수(RPM)와 헤르츠(Hz) 주파수 사이의 수학적 관계는 간단한 공식 f(Hz) = RPM/60으로 표현됩니다. 이 공식을 사용하면 회전 속도를 기본 고조파 주파수로 쉽게 변환하고, 중요한 진단 정보를 포함하는 여러 주파수(고조파)를 분석할 수 있습니다.

진동 단계: 움직임에 대한 공간 정보

위상은 기계의 한 부분이 다른 부분 또는 고정된 기준점에 대해 상대적으로 진동하는 움직임을 나타냅니다. 이 매개변수는 여러 측정 지점 간의 특징적인 위상 관계에서 나타나는 특정 유형의 불균형, 정렬 불량 및 기타 결함을 진단할 때 특히 중요합니다.

위상 분석은 일반적으로 타코미터나 스트로브에서 나오는 기준 신호를 사용하여 여러 지점에서 동시에 진동을 측정하는 것을 필요로 합니다. 여러 측정 지점 간의 위상 차이는 문제의 유형과 위치를 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 불균형은 일반적으로 베어링 지지대의 동상(in-phase) 이동으로 특징지어지며, 정렬 불량은 위상이 반대로(out-of-phase) 이동하는 것으로 나타납니다.

진단에서 주파수 특성의 중요성

다양한 기계적 문제는 특히 특정 주파수에서 특유의 진동 특성을 보이는 경향이 있다는 점에 유의해야 합니다. 이러한 패턴은 전문가 진단 시스템 및 자동 결함 인식 알고리즘 개발의 기반이 됩니다.

서브하모닉(기본 회전 주파수보다 낮은 주파수, 예: 0.5X, 0.33X)은 회전 불안정성, 구름 베어링 문제, 또는 슬라이딩 베어링의 오일 웨지 문제를 나타낼 수 있습니다. 서브하모닉이 발생하는 것은 종종 심각한 문제가 발생하고 있다는 신호입니다.

이러한 기본 개념을 이해하는 것은 특히 진동 전문가는 아니지만, 유지보수 및 수리에 대한 정보에 기반한 결정을 내리기 위해 문제의 본질을 이해해야 하는 독자에게는 필수적입니다. 이러한 지식은 스펙트럼 분석, 포락선 분석, 켑스트럼 분석과 같은 더 복잡한 분석 방법에 대한 후속 논의의 토대를 마련합니다.

최신 진동 분석 시스템은 방대한 양의 데이터를 실시간으로 처리하여 결함 발생의 미미한 징후까지 감지할 수 있습니다. 진동 신호의 자동 패턴 인식을 위해 머신 러닝과 인공지능이 점점 더 많이 적용되면서 진단 정확도와 속도가 크게 향상되고 있습니다.

1.3 일반적인 원인: 과도한 진동의 근본 원인 식별

산업 장비의 과도한 진동은 고립된 문제로 나타나는 경우가 거의 없습니다. 일반적으로 이는 하나 또는 여러 가지 결함이 독립적으로 또는 서로 상호작용하여 발생할 수 있는 증상입니다. 이러한 근본 원인을 이해하는 것은 심각한 장비 고장을 효과적으로 진단하고 예방하는 데 매우 중요합니다.

불균형: 진동의 가장 흔한 원인

불균형은 회전 부품의 질량 분포가 불균일하여 발생하며, 이로 인해 원심력을 발생시키고 결과적으로 진동을 유발하는 "무거운 지점"이 형성됩니다. 이는 모터, 로터, 팬, 펌프 및 기타 회전 장비에서 진동을 유발하는 가장 흔한 원인 중 하나입니다.

정적 불균형

무게 중심이 회전축과 일치하지 않습니다. 한 평면에서 나타나며 회전 주파수에서 방사형 진동을 유발합니다.

동적 불균형

관성축이 회전축과 일치하지 않습니다. 두 평면에서 수정이 필요하며, 로터 흔들림을 유발하는 모멘트가 발생합니다.

수학적으로, 불균형으로 인한 원심력은 다음 공식으로 표현됩니다.

이 공식을 통해 불균형력은 회전 속도의 제곱에 비례한다는 것이 분명해지며, 이는 불균형 문제가 고속에서 특히 심각한 이유를 설명합니다. 회전 속도가 두 배로 증가하면 불균형력은 네 배로 증가합니다.

불균형의 원인은 다양하며, 제조 오류, 불균일한 마모, 오염 물질 축적, 밸런싱 웨이트 손실, 온도 영향으로 인한 변형, 부식 등이 있습니다. 작동 중 불균형은 점차 심화될 수 있으며, 주기적인 장비 재밸런싱이 필요합니다.

정렬 불량: 신뢰성에 대한 숨겨진 위협

정렬 불량은 연결된 기계(예: 모터 및 펌프)의 축이 잘못 정렬될 때 발생합니다. 정렬 불량에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 평행(축 오프셋)과 각도(축 교차 각도)입니다. 실제로는 두 가지 유형을 모두 포함하는 복합 정렬 불량이 가장 흔합니다.

정렬 불량은 커플링, 베어링, 샤프트에 반복적인 하중을 발생시키며, 이는 주로 2배 회전 주파수(2X RPM)에서 진동으로 나타납니다. 그러나 정렬 불량의 유형과 정도, 그리고 커플링 특성에 따라 다른 고조파도 존재할 수 있습니다.

허용 가능한 정렬 불량 한도는 회전 속도와 장비 유형에 따라 달라집니다. 정밀 고속 장비의 경우 허용 오차는 수백 분의 몇 밀리미터에 불과할 수 있지만, 저속 장비의 경우 허용 오차는 더 클 수 있습니다. 그러나 어떤 경우든 정밀 정렬은 안정적인 작동과 긴 장비 수명을 위해 매우 중요합니다.

기계적 느슨함: 불안정성의 원인

기계적 느슨함은 구성 요소 간의 과도한 간극을 의미하며 다양한 형태로 나타날 수 있습니다. 느슨한 기초 또는 장착 볼트, 내부 간극이 너무 큰 마모된 베어링, 샤프트에 부품이 제대로 맞지 않음, 키 연결부의 마모, 하우징 부품의 변형 등이 있습니다.

느슨함은 다른 진동원을 증폭시켜 불균형이나 정렬 불량을 증폭시키는 역할을 할 수 있습니다. 또한, 느슨함은 충격이나 노크와 같은 비선형 효과를 발생시켜 광대역 진동과 고주파 성분을 발생시킬 수 있습니다.

베어링 결함: 고주파 문제 지표

베어링의 궤도나 구름 요소의 마모, 피팅 또는 손상은 고주파 진동의 주요 원인입니다. 베어링은 그 형상 및 운동학과 관련된 특성 주파수를 생성합니다.

다음 공식을 사용하면 특징적인 베어링 결함 주파수를 계산할 수 있습니다. BPFO(Ball Pass Frequency Outer race), BPFI(Ball Pass Frequency Inner race), BSF(Ball Spin Frequency), FTF(Fundamental Train Frequency).

공명: 모든 문제의 증폭기

공진은 여자 주파수(예: 회전 속도 또는 그 배수)가 기계 또는 구조물의 고유 진동수와 일치할 때 발생합니다. 이로 인해 진동이 급격히 증폭되어 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.

공명 현상

공진은 여기 주파수가 고유 주파수와 일치할 때 진동을 증폭합니다.

공진 현상은 특히 장비 시동 및 정지 시 회전 주파수가 임계 값을 초과할 때 매우 위험합니다. 최신 제어 시스템에는 공진 영역을 빠르게 통과하여 증폭된 진동 노출 시간을 최소화하는 알고리즘이 포함되어 있는 경우가 많습니다.

진동의 추가 원인

주요 원인 외에도 과도한 진동을 유발할 수 있는 다른 요인이 많이 있습니다.

구부러진 샤프트 회전 주파수와 그 고조파에서 진동을 발생시키며, 진동 특성은 굽힘의 정도와 유형에 따라 달라집니다. 열 굽힘은 샤프트의 불균일한 가열 또는 냉각으로 인해 발생할 수 있습니다.

기어 전달 문제 톱니 마모, 톱니 파손 또는 이가 쪼개짐, 제조상의 부정확성, 부정확한 간극 등이 포함됩니다. 기어 변속은 맞물림 주파수(톱니 수 × RPM)와 그 고조파에서 진동을 발생시킵니다.

모터의 전기적 문제 불균일한 공극, 파손된 로터 바, DC 모터의 정류 문제, 3상 모터의 위상 불균형 등이 포함될 수 있습니다. 이러한 문제는 주전원 주파수와 관련된 주파수에서 종종 나타납니다.

최신 진단 시스템은 결함 시그니처 데이터베이스와 전문가 시스템을 활용하여 다양한 문제 조합을 자동으로 인식합니다. 이를 통해 결함의 존재를 감지할 뿐만 아니라 심각도, 개발 속도, 제거 우선순위를 평가할 수 있습니다.

1.4 도미노 효과: 제어되지 않은 진동이 효율성, 서비스 수명 및 안전성에 미치는 영향

과도한 진동을 무시하면 도미노 효과에 비견될 수 있는 연쇄적인 성능 저하 과정이 발생합니다. 타일 하나가 쓰러지면 필연적으로 다른 모든 타일도 쓰러지게 됩니다. 산업 장비의 경우, 이는 초기의 작은 문제를 방치하면 전체 생산 시스템에 치명적인 결과를 초래할 수 있음을 의미합니다.

가속화된 구성 요소 마모: 파괴 사슬의 첫 번째 고리

부품 마모의 가속은 과도한 진동의 가장 직접적이고 명백한 결과 중 하나입니다. 이 과정은 거의 모든 기계 요소에 영향을 미치지만, 베어링, 씰, 샤프트, 커플링, 심지어 기계 기초까지 가장 취약합니다.

베어링은 진동에 특히 민감합니다. 진동은 금속의 피로 파괴를 가속화하는 추가적인 동적 하중을 발생시키기 때문입니다. 연구에 따르면 진동 수준을 20%만 높여도 베어링 수명이 40~50% 단축될 수 있습니다. 이는 룬드버그-팔름그렌 방정식에 따르면 베어링의 피로 내구성은 작용 하중의 세제곱에 반비례하기 때문입니다.

씰은 진동으로 인해 씰링 표면 간 접촉 안정성이 저하되어 손상을 입습니다. 이로 인해 윤활유 누출, 오염 물질 유입, 그리고 베어링 작동 조건의 악화가 발생합니다. 통계에 따르면 심각한 진동이 발생하면 씰 수명이 3~5배 단축될 수 있습니다.

샤프트는 진동으로 인한 반복 응력을 받으며, 이는 피로 균열로 이어질 수 있습니다. 특히 베어링 시트 영역, 키웨이, 직경 전이부와 같은 응력 집중 영역에서 피로 균열이 발생할 수 있습니다. 샤프트에 피로 균열이 발생하면 갑작스러운 파손으로 이어질 수 있으므로 특히 위험합니다.

운영 효율성 손실: 숨겨진 에너지 손실

진동은 에너지가 유용한 작업을 수행하는 대신 기계적 진동으로 소모되기 때문에 필연적으로 운영 효율 저하로 이어집니다. 이로 인해 에너지 소비가 증가하며, 이는 문제 심각도와 장비 유형에 따라 5%에서 25%까지 증가할 수 있습니다.

추가 에너지 소비는 여러 출처에서 발생합니다.

• 마찰 손실: 진동이 증가하면 베어링 및 기타 접촉 표면의 마찰이 증가합니다.
• 공기역학적 손실: 팬 블레이드와 로터 진동으로 인해 효율성이 저하됩니다.
• 드라이브 손실: 정렬 불량 및 기타 결함으로 인해 커플링 및 기어박스의 손실이 증가합니다.
• 변형 손실: 에너지는 구조물의 탄성 변형에 소모됩니다.

높은 정밀도가 요구되는 생산 공정에서 진동은 최종 제품 품질을 위협할 수 있습니다. 특히 반도체 제조, 정밀 가공, 제약 산업과 같이 미세한 진동만으로도 제품 결함을 초래할 수 있는 산업에서는 진동이 매우 중요합니다.

경제적 결과: 숨겨진 비용과 명백한 비용

잦은 수리, 그리고 무엇보다 계획되지 않은 가동 중단으로 인해 유지보수 비용이 증가합니다. 산업체 통계 자료에 따르면 진동 문제와 관련된 비용 구조는 다음과 같습니다.

특히 예상치 못한 가동 중단은 큰 타격을 줄 수 있으며, 대규모 생산 라인의 경우 시간당 수십만 달러에 달하는 비용이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 석유화학 산업에서 크래킹 설비를 정지하는 데는 계약 의무 위반으로 인한 손실을 제외하고도 하루에 100만~150만 달러의 비용이 발생할 수 있습니다.

안전 위험: 인력 및 환경에 대한 위협

통제되지 않은 진동은 구조적 또는 치명적인 장비 고장으로 이어져 인명 피해를 초래할 수 있으므로 심각한 산업 안전 위험이 존재합니다. 산업 역사에서는 진동 문제를 무시하다가 비극적인 결과를 초래한 사례가 많이 있습니다.

주요 안전 위험 요소는 다음과 같습니다.

• 기계적 부상: 파괴된 장비의 날아다니는 부품에서
• 화재 및 폭발: 씰 불량으로 인한 가연성 액체 또는 가스 누출
• 화학 물질 중독: 독성 물질이 있는 시스템의 압력이 낮아지면
• 구조적 붕괴: 기초 또는 지지 구조물이 파손된 경우

진동으로 인한 과도한 소음 또한 심각한 문제를 야기합니다. 작업자의 편안함을 저해하고 집중력을 저하시키며 직업성 청력 질환을 유발할 수 있습니다. 85dB 이상의 소음에 장시간 노출되면 돌이킬 수 없는 청력 손실을 초래하여 고용주에게 법적 위험을 초래할 수 있습니다.

환경적 결과: 환경에 대한 숨겨진 영향

진동으로 인한 에너지 비효율은 CO₂ 및 기타 온실가스 배출량 증가를 통해 부정적인 환경 영향을 초래합니다. 대규모 산업체의 연간 에너지 소비량이 수백 기가와트시에 달하는 상황에서, 5%의 비효율만으로도 수천 톤의 CO₂ 배출량이 추가로 발생할 수 있습니다.

또한 진동 문제로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 환경으로의 공정 유체 누출
• 가속된 마모로 인한 폐기물 발생 증가
• 주변 지역의 소음 공해
• 환경적 결과를 초래하는 기술 프로세스 안정성의 붕괴

비즈니스 프로세스에 대한 포괄적인 영향

이러한 모든 부정적인 결과에 대한 자세한 설명은 사전 예방적 진동 관리의 필요성을 강조하고, 현대 진단 솔루션이 충족하고자 하는 "요구"에 대한 명확한 이해를 제공합니다. 진동 문제의 결과는 기술적 측면을 훨씬 넘어 모든 비즈니스 수준에 영향을 미친다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

• 운영 수준: 생산성 감소, 유지 관리 비용 증가
• 전술 수준: 생산 계획 차질, 공급 문제
• 전략적 수준: 경쟁 우위 상실, 평판 손상

현대 경제 현실은 기업이 최대의 효율성을 달성하고 위험을 최소화하도록 요구합니다. 이러한 맥락에서 선제적 진동 관리는 단순한 기술적 필수 요소를 넘어 경쟁에서 성공과 실패를 가르는 전략적 우위로 자리매김합니다.

1.5 진단 경로: 진동 분석 도구 및 방법 개요

진동 진단 프로세스는 첨단 측정 기술, 복잡한 분석 알고리즘, 그리고 전문 지식을 결합하여 "원시" 진동 데이터를 귀중한 진단 정보로 변환하는 포괄적인 방법론입니다. 이 프로세스는 일반적으로 측정, 분석, 그리고 해석의 세 가지 주요 단계로 구성되며, 각 단계는 정확하고 유용한 결과를 얻는 데 매우 중요합니다.

측정 단계: 진동 세계를 들여다보는 창으로서의 센서

센서는 진동 진단 과정에서 매우 중요한 첫 번째 단계입니다. 주로 가속도계가 사용됩니다. 가속도계는 장비에 설치되어 기계적 진동을 포착하여 전기 신호로 변환하는 장치입니다. 센서의 품질과 특성은 전체 진단 과정의 정확도와 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

현대 가속도계는 몇 가지 주요 유형으로 구분됩니다.

매우 중요한 센서 특성은 다음과 같습니다.

• 민감도: 일반적으로 mV/g 또는 pC/g 단위로 측정합니다. 감도가 높으면 약한 신호도 감지할 수 있지만, 강한 진동으로 인해 과부하가 발생할 수 있습니다.
• 주파수 범위: 센서가 정확하게 측정할 수 있는 주파수 스펙트럼을 결정합니다. 베어링 진단에는 최대 20~50kHz의 범위가 필요할 수 있습니다.
• 다이나믹 레인지: 측정 가능한 최대값과 최소값의 비율입니다. 넓은 동적 범위 덕분에 약한 진동과 강한 진동을 모두 측정할 수 있습니다.
• 온도 안정성: 넓은 작동 온도 범위를 갖는 산업용 애플리케이션에 중요합니다.

진동계: 전반적인 상태의 빠른 평가

진동계는 일반적인 진동 레벨 측정을 제공하는 휴대용 계측기로, 장비 상태를 신속하게 점검하거나 장기적인 기계 상태 추세를 추적하는 데 유용합니다. 이러한 계측기는 일반적으로 RMS 속도나 최대 가속도와 같은 하나 이상의 적분 진동 매개변수를 표시합니다.

최신 진동계에는 종종 다음과 같은 기능이 포함됩니다.

• 대략적인 문제 위치 파악을 위한 여러 주파수 대역 측정
• 추세 분석을 위한 데이터 저장
• 사전 설정된 표준(ISO 20816, ISO 10816)과의 비교
• 간단한 스펙트럼 시각화
• 무선 데이터 전송

진동 분석기: 심층 진단

진동의 심층적인 진단 및 근본 원인 파악을 위해 진동 분석기 또는 주파수 분석기가 사용됩니다. 이러한 복잡한 장비는 실시간 진동 신호 처리에 최적화된 특수 컴퓨터입니다.

현대 분석기 작동의 기본은 고속 푸리에 변환(FFT)입니다. FFT는 복소 시간 신호를 개별 주파수 성분으로 분해하는 수학적 알고리즘입니다. 이 과정을 통해 진동 스펙트럼, 즉 진동 진폭을 주파수의 함수로 나타낸 그래프가 생성됩니다.

최신 진동 분석기는 다음과 같은 다양한 고급 기능을 제공합니다.

• 다중 채널 분석: 위상 분석을 위한 여러 지점에서의 동시 진동 측정
• 고해상도 FFT: 최대 25,600개 라인으로 세부적인 스펙트럼 분석 가능
• 시간 분석: 과도 프로세스의 캡처 및 분석
• 봉투 분석: 베어링 진단을 위한 변조 신호 추출
• 케프스트럼 분석: 스펙트럼에서 주기적 구조의 감지
• 궤도 분석: 공간에서의 샤프트 이동 시각화

시간 파형 분석: 과도 프로세스 검색

시간 파형 분석은 또 다른 귀중한 방법으로, 특히 주파수 스펙트럼에서 보이지 않는 충격, 과도 현상, 그리고 비정상 현상을 감지하는 데 유용합니다. 이 방법을 사용하면 진동 신호를 시간의 함수인 "자연스러운" 형태로 관찰할 수 있습니다.

주요 시간 분석 매개변수는 다음과 같습니다.

• 크레스트 팩터: 최대값과 RMS의 비율입니다. 값이 높을수록 충격이 있음을 나타냅니다.
• 첨도: 분포 "날카로움"의 통계적 측정. 첨도 증가는 베어링 결함 발생의 초기 징후인 경우가 많습니다.
• 비대칭성: 진폭 분포 비대칭의 측정.

진단 장비의 최신 동향

기술 개발로 진동 진단에 새로운 역량이 도입되었습니다.

• 무선 모니터링 시스템: 자율 전력 및 무선 데이터 전송 기능을 갖춘 센서 네트워크
• 인공지능: 자동 결함 패턴 인식 및 고장 예측
• 클라우드 플랫폼: 대규모 컴퓨팅 리소스를 사용하여 여러 객체의 중앙 집중식 데이터 처리
• 모바일 애플리케이션: 스마트폰을 휴대용 진동 분석기로 전환
• IIoT 통합: 산업용 사물 인터넷 시스템에 진동 모니터링 포함

이러한 도구와 방법, 특히 FFT 분석을 구현하면, 효과적인 현장 진단을 위한 정교한 분석 기능, 특히 휴대성을 갖추는 것의 이점을 논의할 수 있는 토대가 마련됩니다. 최신 휴대용 분석기는 고정형 시스템의 성능과 현장 사용의 편의성을 결합하여 장비에서 직접 종합적인 진단을 수행할 수 있도록 합니다.

진동 진단의 미래는 결함을 탐지하고 분류할 뿐만 아니라 결함 발생을 예측하고, 유지 관리 계획을 최적화하고, 일반 기업 관리 시스템과 통합하여 운영 효율성을 극대화할 수 있는 지능형 시스템을 만드는 데 있습니다.

1.6 사전 예방적 진동 관리의 힘: 조기 감지 및 수정의 이점

기존의 사후적인 "고장 발생 후 수리" 방식 대신 선제적인 진동 관리 방식을 도입하는 것은 유지보수 철학의 근본적인 변화를 의미합니다. 이러한 접근 방식은 치명적인 고장을 예방할 뿐만 아니라 전체 장비 수명 주기를 최적화하여 유지보수를 비용 중심에서 경쟁 우위의 원천으로 전환합니다.

장비 서비스 수명 연장: 내구성의 수학

선제적 진동 관리는 여러 가지 중요한 이점을 제공하는데, 특히 장비 부품의 수명 연장이 두드러집니다. 연구에 따르면 적절한 진동 관리를 통해 베어링의 수명을 200~300Tp3T, 씰의 수명을 150~200Tp3T, 그리고 전체 기계의 수명을 50~100Tp3T까지 연장할 수 있습니다.

이러한 개선은 재료 피로 파괴의 기본 원리에 기반합니다. 뵐러 방정식에 따르면, 피로 내구성은 대부분의 금속에서 응력 진폭에 반비례하며, 그 크기는 3에서 10승에 이릅니다. 즉, 진동 수준이 조금만 낮아져도 사용 수명이 크게 증가할 수 있습니다.

전체 장비 효율성(OEE) 개선

전체 장비 효율(OEE)은 가용성, 성능, 품질을 고려하는 주요 생산 효율 지표입니다. 사전 진동 관리는 세 가지 OEE 요소 모두에 긍정적인 영향을 미칩니다.

• 유효성: 비상 실패 방지를 통한 계획되지 않은 가동 중지 시간 감소
• 성능: 최적의 작동 매개변수 및 속도 유지
• 품질: 기술 프로세스의 안정성을 통한 결함 감소

통계에 따르면 포괄적인 진동 관리 프로그램을 시행하는 기업은 OEE가 5-15%로 개선되는데, 이는 대규모 제조 기업의 경우 매년 수백만 달러의 추가 이익을 의미할 수 있습니다.

심각하고 비용이 많이 드는 실패 예방

선제적 접근 방식의 가장 중요한 이점 중 하나는 심각하고 비용이 많이 드는 장애를 예방하는 것입니다. 한 구성 요소의 고장이 다른 시스템 구성 요소의 손상으로 이어지는 연쇄적 장애는 재정적, 운영적 측면에서 특히 파괴적일 수 있습니다.

고속 터보기계의 베어링 고장은 전형적인 예입니다. 베어링 파손은 로터-스테이터 접촉으로 이어져 블레이드, 하우징, 샤프트를 손상시키고 심지어 기초까지 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 연쇄 고장으로 인한 비용은 베어링을 적시에 교체하는 비용의 50~100배에 달할 수 있습니다.

작동 소음 및 진동 감소

효과적인 진동 관리의 또 다른 이점은 작동 소음의 눈에 띄는 감소입니다. 산업 환경에서의 소음은 작업자에게 불편함을 유발할 뿐만 아니라 기술적 문제를 나타내거나, 작업자의 작업 정확도에 영향을 미치거나, 산업 안전 요건과 관련된 법적 위험을 초래할 수 있습니다.

소음 수준이 10dB 감소하면 사람의 귀는 소리가 두 배로 줄어드는 것으로 인식합니다. 소음 수준이 90dB를 초과할 수 있는 생산 시설의 경우, 작은 감소라도 작업 편의성과 직원 생산성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

예측 유지 관리의 기초로서의 진동 분석

진동 분석은 예측 유지보수(PdM)의 초석입니다. PdM은 지속적 또는 주기적인 장비 상태 모니터링을 통해 고장을 예측하는 전략입니다. PdM은 사후 대응적이고 예방적인 유지보수에서 지능적이고 데이터 기반의 접근 방식으로의 진화를 나타냅니다.

예측 유지 관리의 핵심 원칙은 다음과 같습니다.

• 상태 모니터링: 주요 매개변수의 지속적 또는 정기적 측정
• 추세 분석: 시간 경과에 따른 변화를 추적하여 발생하는 문제를 식별합니다.
• 예측: 통계 모델과 머신 러닝을 사용하여 실패 예측
• 최적화: 운영 요구 사항을 고려하여 최적의 시기에 개입 계획

조기 발견 및 개입 계획

진동 분석 프로그램을 구현하면 성능에 영향을 미치지는 않지만 민감한 진단 방법을 통해 감지 가능한 초기 단계에서 문제를 감지할 수 있습니다. 이를 통해 예기치 않은 가동 중단 위험을 줄이고 유지보수 계획을 최적화할 수 있습니다.

PF(잠재적 기능적 실패) 곡선은 시간 경과에 따른 결함 발생을 보여줍니다.

다양한 결함 유형에 대한 PF 간격은 며칠에서 몇 달까지 다양하며, 최적의 개입을 계획하기에 충분한 시간을 제공합니다.

직접적인 경제적 이익

이는 가동 중단 시간 단축과 상당한 비용 절감으로 직접 이어집니다. 경제적 편익 분석에 따르면 진동 모니터링 시스템에 투자하는 1달러는 생산 유형 및 장비 중요도에 따라 3달러에서 15달러까지 절감 효과가 있는 것으로 나타났습니다.

성공적인 구현을 위한 기술적 요구 사항

이러한 이점을 최대한 활용하려면 시기적절하고 정확하며, 종종 현장에서 진단을 수행하는 것이 매우 중요합니다. 이러한 점검을 정기적으로 효과적으로 수행하는 능력은 모든 사전 예방적 유지 관리 전략의 성공에 핵심입니다.

진단 장비에 대한 최신 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 휴대성: 장비에서 직접 측정을 수행할 수 있는 능력
• 정확성: 결함 발생의 약한 징후도 감지할 수 있는 능력
• 분석 속도: 즉각적인 의사결정을 위한 빠른 데이터 처리
• 사용 편의성: 다양한 자격의 인력을 위한 직관적인 인터페이스
• 완성: 기존 관리 시스템과의 호환성

첨단 휴대용 도구를 사용하면 유용한 정보를 신속하게 확보하고, 정보에 기반한 의사 결정과 조기 개입을 용이하게 할 수 있습니다. 이러한 도구는 정교한 분석 기능과 현장 활용의 실용성을 결합하여 다양한 기술 전문가가 고급 진단을 활용할 수 있도록 지원합니다.

선제적 진동 관리의 미래는 현재 장비 상태를 모니터링할 뿐만 아니라 실시간으로 장비 운영을 최적화하고 변화하는 운영 조건과 생산 요구 사항에 적응하는 지능형 자가 학습 시스템을 구축하는 데 있습니다. 이를 통해 최적의 성능을 독립적으로 유지할 수 있는 진정한 자율 생산 시스템으로의 길이 열립니다.