로터 밸런싱: 정적 및 동적 불평형, 공진 및 실제 절차
이 가이드는 다음과 같이 설명합니다. 로터 밸런싱 ~을 위해 강성 로터: what “unbalance” means, how static and dynamic unbalance differ, why resonance and non-linearity can prevent a quality result, and how balancing is typically performed in one or two correction planes.
목차
로터란 무엇이며, 밸런싱은 무엇을 교정하는 작업인가요?
로터는 특정 축을 중심으로 회전하는 본체이며 지지대의 베어링 표면에 의해 고정됩니다. 로터의 베어링 표면은 롤링 또는 슬라이딩 베어링을 통해 지지대에 하중을 전달합니다. 베어링 표면은 트러니언의 표면 또는 트러니언을 대체하는 표면입니다.
완벽하게 균형 잡힌 로터에서는 회전축을 중심으로 질량이 대칭적으로 분포되어 있습니다. 즉, 로터의 모든 요소는 회전축을 중심으로 대칭적으로 위치한 다른 요소와 짝을 이룰 수 있습니다. 균형 잡힌 로터에서는 로터의 어떤 요소에 작용하는 원심력이 대칭 요소에 작용하는 원심력과 균형을 이룹니다. 예를 들어, 크기는 같고 방향은 반대인 원심력 F1과 F2가 요소 1과 2(그림 1에서 녹색으로 표시)에 작용한다고 가정해 보겠습니다. 이는 모든 대칭 로터 요소에 대해 성립하므로 로터에 작용하는 총 원심력은 0이 되고 로터는 균형을 이룹니다.
하지만 로터의 대칭이 깨지면(비대칭 요소는 그림 1에서 빨간색으로 표시됨) 불평형 원심력 F3가 로터에 작용합니다. 회전 중 이 힘은 로터의 회전에 따라 방향이 바뀝니다. 이 힘으로 인해 발생하는 동적 하중은 베어링에 전달되어 마모를 가속화합니다.
또한 이렇게 방향이 계속 바뀌는 힘의 영향으로, 로터가 고정된 지지대와 기초에 주기적인 변형이 발생합니다. 즉 진동이 발생합니다. 로터의 불균형과 그에 따른 진동을 제거하려면, 로터의 대칭성을 회복시키는 밸런싱 질량을 설치해야 합니다.
로터 밸런싱은 밸런싱 질량을 추가하여 불균형을 바로잡는 작업입니다. 다시 말해, 밸런싱의 목표는 로터의 주 중심 관성축을 회전축에 최대한 가깝게 만들어 잔류 불균형이 지정된 한계 내에 들도록 하는 것입니다.
밸런싱 작업은 하나 이상의 밸런싱 매스의 크기와 위치(각도)를 찾는 것입니다.
로터의 종류 및 불균형의 종류
회전자 재질의 강도와 작용하는 원심력의 크기를 고려하여 회전자는 강성 회전자와 유연 회전자의 두 종류로 나눌 수 있다.
강성 로터는 작동 모드에서 원심력의 작용으로 인해 미미하게 변형되며, 이러한 변형이 계산에 미치는 영향은 무시할 수 있습니다.
유연 로터의 변형은 더 이상 무시할 수 없습니다. 유연 로터의 변형은 밸런싱 문제의 해결을 복잡하게 만들며, 강성 로터의 밸런싱 문제와 비교해 다른 수학적 모델을 적용해야 합니다. 동일한 로터라도 저속에서는 강성 로터처럼, 고속에서는 유연 로터처럼 거동할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 실용적인 판단 기준은 사용 속도가 로터의 1차 위험(굽힘) 속도에 대해 어느 위치에 있는가입니다. ISO 21940-11에서 말하는 "강성 거동(rigid behaviour)" 로터로 간주되려면, 실무적으로 1차 위험 속도의 약 50–70% 미만에서 운전해야 합니다. 이를 초과하면 로터는 속도에 따라 변화하는 모드 형상으로 휘어지며, 이때는 유연 로터로 간주되어 모달 방식 또는 다평면 방식(ISO 21940-12)으로 밸런싱해야 합니다. 이하에서는 강성 로터의 밸런싱만 다룹니다.
Depending on how the unbalanced masses are distributed along the rotor, ISO 21940-2 distinguishes several states of unbalance:
- 정적 불균형 — 주 관성축이 축 중심선과 평행하게 어긋난 상태로, 회전시키지 않고도 감지할 수 있습니다. 중력에 의해 로터가 무거운 지점이 아래로 오도록 회전하기 때문입니다. 한 평면에 하나의 보정 질량을 배치하면 제거됩니다;
- couple (moment) unbalance — 주 관성축이 무게중심에서 축 중심선과 교차하는 경우로, 크기가 같은 두 불균형이 서로 다른 평면에 180° 간격으로 존재합니다. 이는 회전 중에만 나타나며, 두 평면에 각각 하나씩 두 개의 보정 질량이 필요합니다;
- 동적 불균형 — 일반적인 실제 사례로, 정적 불균형과 커플 불균형이 결합된 경우입니다. 주 관성축은 축 중심선과 평행하지도 않고 교차하지도 않습니다. 강성 로터의 경우 두 개의 보정 평면이면 필요충분합니다.
예전 용어인 “모멘트 불균형”은 커플 불균형과 동의어입니다. 정적 성분과 커플 성분의 합인 동적 불균형과 혼동해서는 안 됩니다. 정적 불균형을 가진 로터의 예는 그림 2에 나와 있습니다.
Couple unbalance appears only when the rotor is rotating.
An example of a rotor with couple unbalance is shown in Fig. 3.
이 경우, 크기가 같은 불균형 질량 M1과 M2는 서로 다른 평면 — 즉 로터 길이를 따라 서로 다른 위치 — 에 존재합니다. 정적인 상태, 즉 로터가 회전하지 않을 때는 중력만 로터에 작용하며 두 질량은 서로 균형을 이룹니다. 동적인 상태, 즉 로터가 회전할 때는 질량 M1과 M2에 원심력 Fc1과 Fc2가 작용하기 시작합니다. 이 힘들은 크기가 같고 방향이 반대입니다. 그러나 이 힘들은 축의 길이를 따라 서로 다른 위치에 작용하고 같은 선 위에 있지 않으므로, 서로를 상쇄하지 못합니다. 힘 Fc1과 Fc2는 로터에 작용하는 모멘트를 만들어내며, 이것이 바로 커플 불균형을 모멘트 불균형이라고도 부르는 이유입니다. 따라서 상쇄되지 않은 원심력이 베어링 위치에 작용하며, 이는 계산값을 크게 초과해 베어링 수명을 단축시킬 수 있습니다.
이러한 유형의 불균형은 로터가 회전할 때만 나타나므로, "나이프 위에서" 밸런싱하는 것과 같은 정적인 방법으로는 보정할 수 없습니다. 커플 불균형을 제거하려면, 질량 M1과 M2에서 발생하는 모멘트와 크기가 같고 방향이 반대인 모멘트를 만들어내는 두 개의 보정 웨이트를 설치해야 합니다. 보정 질량이 반드시 M1, M2와 정반대 위치에 크기까지 같게 설정될 필요는 없습니다. 중요한 것은 불균형 모멘트를 완전히 상쇄하는 모멘트를 만들어내는 것입니다.
일반적으로 질량 M1과 M2는 서로 같지 않을 수 있으므로 정적 불균형과 커플 불균형이 조합됩니다 — 이 일반적인 경우가 바로 ISO 21940-2에서 말하는 동적 불균형입니다. 강성 로터의 경우, 로터 길이를 따라 간격을 두고 배치한 두 개의 웨이트만으로 불균형을 제거하는 데 필요충분하다는 것이 이론적으로 증명되어 있습니다. 이 웨이트들은 커플 불균형으로 인한 모멘트와, 로터 축에 대한 질량 비대칭으로 인한 원심력(정적 불균형)을 모두 보정합니다. 일반적으로 커플 불균형은 샤프트와 같은 긴 로터의 특징이고, 정적 불균형은 폭이 좁은 로터의 특징입니다. 그러나 폭이 좁은 로터가 축에 대해 기울어져 있거나 변형("8자형")되어 있다면 커플 불균형을 제거하기 어려워집니다(그림 4 참조). 이 경우 필요한 보정 모멘트를 만들어내는 보정 웨이트를 설치하기가 어렵기 때문입니다.
힘 F1과 F2는 같은 선상에 놓여 있지 않으며 서로 상쇄되지 않습니다.
좁은 로터 특성상 보상 모멘트를 만드는 데 사용할 수 있는 팔의 길이가 짧기 때문에, 큰 보정 웨이트가 필요할 수 있습니다. 그러나 이는 보정 웨이트의 원심력에 의해 좁은 로터가 변형되면서 "유도 불균형"을 발생시키기도 합니다. (예를 들어, Methodological instructions for balancing rigid rotors to GOST 22061-76 — the modern international counterpart is ISO 21940-11, formerly ISO 1940-1 — Section 10, "Rotor–supports system").
This is noticeable on narrow fan impellers, where, in addition to mass unbalance, an aerodynamic unbalance 도 존재합니다. 블레이드 형상이 균일하지 않으면 블레이드에 걸리는 하중도 불균일해지고, 그 결과 순 반경 방향 힘이 발생합니다. 보정 웨이트의 원심력과 마찬가지로 이 힘도 속도의 제곱에 비례해 커지지만, 공기 밀도, 댐퍼 위치, 덕트 저항 같은 운전 조건에도 좌우됩니다. 그래서 한 운전점에서 맞춘 보정 웨이트가 다른 운전점에서는 최적 상태를 유지하지 못합니다. 따라서 이 공력적 성분은 질량을 추가하는 방식이 아니라 블레이드 형상을 복원하는 방식으로 보정해야 합니다.
전자기력 전동기에서 발생하는 (편심 공극에 의한 불평형 자기 흡인력, 파손된 로터 바, 단락된 적층판 등) 현상은 또 다르게 거동합니다. 이들은 회전 속도가 아니라 공극 자속에 의해 좌우되며, 대개 1×가 아니라 전원 주파수의 2배와 극통과 사이드밴드에서 기계를 가진합니다. 이들은 회전 주파수가 아닌 다른 주파수에서 작용하기 때문에, 밸런싱으로는 전혀 보정할 수 없습니다. 요약하면, 밸런싱은 1× 질량 관련 가진만 제거할 뿐 — 기계의 모든 진동 원인을 없앨 수는 없습니다.
기계 장치의 진동
진동은 주기적인 여기력의 영향에 대한 메커니즘 설계의 반응입니다. 이 힘은 다양한 성질을 가질 수 있습니다.
로터의 불균형으로 인해 발생하는 원심력은 "무거운 지점"에 작용하는 보상되지 않은 힘입니다. 로터의 균형을 맞추면 바로 이 원심력과 그로 인해 발생하는 진동을 제거할 수 있습니다.
결합 부품의 제조 및 조립 오류로 인해 발생하는 "기하학적" 성질의 상호 작용력. 이러한 힘은 예를 들어 축 목의 비원형성, 기어 톱니 프로파일의 오류, 베어링 궤도면의 파형, 결합 축의 정렬 불량 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 저널이 비원형인 경우 축의 회전 각도에 따라 축의 중심축이 변위됩니다. 이러한 진동은 회전 속도에서도 발생하지만, 밸런싱을 통해 완전히 제거하는 것은 거의 불가능합니다.
팬 및 기타 베인 메커니즘의 임펠러 회전으로 인해 발생하는 공기역학적 힘. 유압 펌프, 터빈 등의 임펠러 회전으로 인한 유체 역학적 힘
전기 기계 작동으로 인한 전자기력(예: 비대칭 로터 권선, 단락된 권선 등).
진동의 크기(예: 진폭 Av)는 원운동 주파수 ω로 기구에 작용하는 가진력 Fv뿐 아니라, 기구의 강성 k, 질량 m, 그리고 감쇠 계수 C에도 좌우됩니다. 이는 아래 식 (1)에서 보여주는 바와 같습니다.
진동과 밸런스 메커니즘을 측정하는 데는 다음과 같은 다양한 유형의 센서를 사용할 수 있습니다:
- 진동 가속도를 측정하도록 설계된 절대 진동 센서(가속도계) 및 진동 속도 센서;
- 상대 진동 센서 - 와전류식 또는 정전 용량식, 진동 변위 측정용으로 설계됨;
- 경우에 따라 (메커니즘 설계가 허용하는 경우) 힘 센서를 사용하여 진동 부하를 평가할 수도 있습니다. 특히, 힘 센서는 경질 베어링 밸런싱 머신 지지대의 진동 부하를 측정하는 데 널리 사용됩니다.
따라서 진동은 외부 힘의 작용에 대한 기계의 반응입니다. 진동의 크기는 메커니즘에 작용하는 힘의 크기뿐만 아니라 메커니즘 설계의 강성에 따라 달라집니다. 하나의 동일한 힘이 다른 진동을 유발할 수 있습니다. 하드베어링 기계의 경우 진동이 작더라도 베어링에 상당한 동적 하중이 가해질 수 있습니다. 그렇기 때문에 하드베어링 기계의 균형을 맞출 때 진동 센서(진동 가속도계) 대신 힘 센서를 사용합니다.
진동 센서는 불균형한 원심력의 작용으로 인해 지지대가 눈에 띄게 변형되고 진동이 발생하는 경우 상대적으로 유연한 지지대가 있는 기계 장치에 사용됩니다. 힘 센서는 불균형으로 인한 상당한 힘에도 큰 진동이 발생하지 않는 견고한 지지대에 사용됩니다.
공진은 밸런싱을 방해하는 요소입니다.
앞서 로터는 강성과 유연성으로 나뉜다고 언급했습니다. 로터의 강성 또는 유연성을 로터가 설치되어 있는 지지대(기초)의 강성 또는 이동성과 혼동해서는 안 됩니다. 원심력의 작용에 의한 로터의 변형(굽힘)을 무시할 수 있는 경우 로터는 강성으로 간주됩니다. 플렉시블 로터의 변형은 상대적으로 크므로 무시할 수 없습니다.
이 문서에서는 강체 로터의 밸런싱만 고려합니다. 강체(변형 불가) 로터는 강성 또는 이동식(유연) 지지대에 장착할 수 있습니다. 지지대의 강성/유연성도 로터 속도와 결과 원심력의 크기에 따라 상대적인 것임이 분명합니다. 조건부 경계는 로터 지지대의 고유 진동 주파수입니다.
기계 시스템의 경우, 고유 진동의 형태와 주파수는 기계 시스템을 구성하는 요소들의 질량과 탄성에 의해 결정됩니다. 즉, 고유 진동의 주파수는 기계 시스템의 내부 특성이며 외부 힘에는 의존하지 않습니다. 평형 상태에서 벗어나면 지지대는 탄성 때문에 다시 평형 위치로 돌아가려는 경향을 보입니다. 그러나 무거운 로터의 관성 때문에 이 과정은 감쇠 진동의 성격을 띠게 됩니다. 이러한 진동이 바로 로터-지지대 시스템의 고유 진동입니다. 그 주파수는 아래 공식 (2)가 보여주듯이 로터의 질량과 지지대의 탄성 사이의 비율에 따라 달라집니다.
로터가 회전하기 시작하고 회전 주파수가 자연 진동 주파수에 가까워지면 진동 진폭이 급격히 증가하여 구조물이 파손될 수 있습니다.
기계적 공진 현상이 발생합니다. 공진 부근에서는 반응이 품질 계수 Q = 1/(2ζ)만큼 증폭되며, 이는 일반적으로 기계 구조물에서 3–17 정도이고, 피크는 좁을 수 있습니다. 즉 몇 퍼센트 정도의 속도 변화만으로도 진동 수준이 몇 배로 바뀔 수 있습니다. 공진을 지나면서 위상 지연은 180° 변화하며, 피크에서 90°를 지납니다.
메커니즘의 설계가 적절하지 않아 로터의 작동 주파수가 고유 진동 주파수에 가까우면, 허용할 수 없을 정도로 높은 진동 때문에 메커니즘의 운전이 불가능해집니다. 이 경우 일반적인 방법으로는 밸런싱이 불가능한데, 속도가 조금만 변해도 진동 매개변수가 급격히 달라지기 때문입니다. 공진 영역에서의 밸런싱에는 이 글에서 다루지 않는 특수한 방법이 사용됩니다.
코스팅 시(로터 회전을 끌 때) 또는 충격에 대한 시스템 응답의 후속 스펙트럼 분석을 통해 충격 방법으로 메커니즘의 자연 진동 주파수를 결정할 수 있습니다.
회전 작동 주파수가 공진 주파수보다 높은, 즉 초임계(공진 이후) 영역에서 작동하는 메커니즘의 경우, 지지대는 가동성이 있는 것으로 간주되며 측정에는 진동 센서, 주로 구조 요소의 가속도를 측정하는 진동 가속도계가 사용됩니다. 공진 이전 영역에서 작동하는 메커니즘의 경우 지지대는 강성으로 간주됩니다. 이 경우에는 힘 센서가 사용됩니다.
기계 시스템의 선형 및 비선형 모델. 비선형성은 밸런싱을 방해하는 요소입니다.
강성 로터의 균형을 맞출 때는 선형 모델이라는 수학적 모델을 사용하여 밸런싱 계산을 합니다. 선형 모델이란 이러한 모델에서 한 수량이 다른 수량에 비례(선형)한다는 것을 의미합니다. 예를 들어 로터의 미보정 질량이 두 배가 되면 진동 값도 두 배가 됩니다. 강성 로터의 경우 변형되지 않으므로 선형 모델을 사용할 수 있습니다.
플렉시블 로터의 경우 선형 모델을 더 이상 사용할 수 없습니다. 플렉시블 로터의 경우 회전 중에 무거운 지점의 질량이 증가하면 추가적인 변형이 발생하고 질량과 더불어 무거운 지점의 위치 반경도 증가합니다. 따라서 플렉시블 로터의 경우 진동이 두 배 이상 증가하며 일반적인 계산 방법이 작동하지 않습니다.
비선형성의 또 다른 원인은 큰 변위에서 지지대 강성이 변하는 것입니다. 작은 변위에서는 한 무리의 구조 요소가 하중을 지지하지만, 큰 변위에서는 다른 요소들이 작용하기 시작합니다. 그렇기 때문에 기초에 고정되어 있지 않고 단순히 바닥에 놓여 있는 기계는 밸런싱할 수 없습니다. 진동이 심하면 불균형에 의한 힘이 기계를 바닥에서 들어 올려, 시스템의 강성 특성을 크게 바꿔 놓을 수 있습니다. 모터 다리는 단단히 고정되어야 하고, 볼트 마운트는 조여야 하며, 와셔 두께는 충분한 장착 강성을 제공해야 합니다. 베어링이 파손되면 샤프트에 심각한 정렬 불량과 충격이 발생할 수 있으며, 이 역시 선형성을 떨어뜨려 양호한 밸런싱을 불가능하게 만듭니다.
밸런싱 장치 및 밸런싱 머신
Recall that balancing is the process of aligning the main central axis of inertia with the rotor's axis of rotation.
이 프로세스는 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다.
첫 번째 방법은 트러니언 중심을 지나는 축이 로터의 주 중심 관성축과 일치하도록 로터의 트러니언을 가공하는 것입니다. 이 기법은 실제로는 거의 사용되지 않으며, 본 문서에서는 자세히 다루지 않습니다.
두 번째(가장 일반적인) 방법은 로터의 관성축이 가능한 한 회전축에 가깝도록 로터에 보정 추를 이동, 설치 또는 제거하는 것입니다.
밸런싱 중 보정 추의 이동, 추가 또는 제거는 드릴링, 밀링, 육성 용접, 용접, 나사 조임 또는 풀기, 레이저 또는 전자빔 연소, 전기 분해, 전자기 육성 용접 등 다양한 기술 작업을 통해 이루어질 수 있습니다.
밸런싱 프로세스는 두 가지 방법으로 수행할 수 있습니다:
- Field balancing (in situ) — the assembled rotor is balanced in its own bearings, on its own foundation, at its own operating speed, using a portable balancing kit;
- Shop balancing — the rotor is dismounted and balanced on a dedicated balancing machine.
자체 베어링에서 로터를 밸런싱할 때는 보통 전용 밸런싱 장치(키트)를 사용하며, 이를 통해 밸런싱 대상 로터의 회전 주파수에서의 진동을 벡터 형태로, 즉 진동의 진폭과 위상을 모두 측정할 수 있습니다. 현재 이러한 장치들은 마이크로프로세서 기술을 기반으로 제작되며, 진동 측정 및 분석 외에도 로터의 불균형을 보정하기 위해 설치해야 할 보정 웨이트의 매개변수를 자동으로 계산해 줍니다.
이러한 장치에는 다음이 포함됩니다:
- 컴퓨터 또는 산업용 컨트롤러를 기반으로 하는 측정 및 컴퓨팅 장치;
- 2개(또는 그 이상)의 진동 센서
- a phase angle sensor;
- 센서를 현장에 장착하기 위한 액세서리;
- 하나, 둘 또는 그 이상의 보정 평면에서 로터 진동 매개변수 측정의 전체 사이클을 수행하도록 설계된 전문 소프트웨어입니다.
현재 가장 많이 사용되는 밸런싱 머신은 두 가지 유형입니다:
- Soft-bearing machines (with pliable supports);
- Hard-bearing machines (with rigid supports).
Soft-bearing (above-resonance) machines 비교적 유연한 지지대, 예를 들어 판스프링을 기반으로 한 지지대를 갖추고 있습니다. 이러한 지지대의 고유 진동 주파수는 보통 그 위에 장착된 밸런싱 대상 로터의 회전 주파수보다 2~3배 낮으므로, 기계는 공진 이상의 영역에서 작동합니다. 이러한 초공진(above-resonance) 기계의 지지대 움직임을 측정할 때는 보통 진동 센서(가속도계, 진동 속도 센서 등)가 사용됩니다.
Hard-bearing (pre-resonance) machines 비교적 강성이 높은 지지대를 사용하십시오. 이때 지지대의 고유 진동수는 밸런싱하려는 로터의 회전 주파수보다 2~3배 높아야 하며, 그래야 기계가 공진 이하에서 운전됩니다. 힘 변환기는 보통 공진 전(pre-resonance) 밸런싱 기계의 지지대에 걸리는 동적 하중을 측정하는 데 사용됩니다.
공진 전(하드베어링) 밸런싱 기계의 장점은 비교적 낮은 로터 속도(최대 400~500 rpm)에서 밸런싱을 수행할 수 있다는 점이며, 이는 기계와 기초의 설계를 크게 단순화하고 밸런싱의 생산성과 안전성을 높여줍니다.
리지드 로터 밸런싱
중요!
- 밸런싱은 회전축에 대한 로터 질량의 비대칭 분포로 인해 발생하는 진동만 제거합니다. 다른 유형의 진동은 밸런싱으로 제거되지 않습니다!
- 회전 작동 주파수에서 공진이 발생하지 않도록 설계된 기술적 기계 장치로서, 기초에 안정적으로 고정되고 정상 작동 상태의 베어링에 설치된 것들이 밸런싱의 대상이 됩니다.
- 결함이 있는 기계는 밸런싱 전에 수리해야 합니다. 그렇지 않으면 정밀한 밸런싱이 불가능합니다.
밸런싱은 수리를 대신할 수 없습니다!
밸런싱의 주요 과제는 원심력에 대응하는 보정 추의 질량과 위치를 찾는 것입니다.
앞서 언급했듯이, 강성 로터의 경우 일반적으로 두 개의 보정 웨이트를 설치하는 것만으로 충분합니다. 이렇게 하면 로터 불균형의 정적 성분과 커플 성분이 모두 제거됩니다. 밸런싱 중 진동을 측정하는 일반적인 절차는 다음과 같습니다.
진동 센서는 1번과 2번 지점의 베어링 지지대에 설치됩니다. 회전 마크는 보통 반사 테이프를 이용해 로터에 부착됩니다. 이 회전 마크는 레이저 타코미터가 로터 속도와 진동 신호의 위상을 판별하는 데 사용됩니다.
동적 균형 조정 방법 (3회 실행 방식)
대부분의 경우 동적 밸런싱은 3회 기동법(method of three starts)으로 수행됩니다. 이 방법은 질량을 알고 있는 시험 웨이트를 평면 1과 평면 2에 순서대로 설치하고, 진동 매개변수의 변화 결과를 바탕으로 밸런싱 웨이트의 질량과 위치를 계산한다는 원리에 기반합니다.
The plane in which a correction weight is installed is called a 보정 평면. Correction planes are located on the rotor itself — 보통 로터 본체의 양 끝단, 팬이나 임펠러 디스크, 또는 전용 밸런싱 링에 위치합니다. 설계가 허용하는 한 축을 따라 최대한 멀리 떨어뜨려 선정해야, 적당한 웨이트만으로도 충분한 보정 모멘트를 낼 수 있습니다. 이는 다음과는 다릅니다 measuring points, which are on the bearing housings (see Fig. 6).
첫 번째 가동에서는 초기 진동을 측정합니다(Balanset 소프트웨어에서는 Run 0에 해당). 그런 다음 질량을 알고 있는 시험 웨이트를 두 베어링 중 한쪽에 가까운 로터 위치에 설치합니다. 두 번째 가동을 수행하고(Run 1), 시험 웨이트 설치로 인해 변화해야 하는 진동 매개변수를 측정합니다. 그런 다음 첫 번째 평면의 시험 웨이트를 제거해 두 번째 평면에 설치합니다. 세 번째 시험 실행을 수행하고(Run 2), 진동 매개변수를 측정합니다. 시험 웨이트를 제거하면 소프트웨어가 자동으로 밸런싱 웨이트의 질량과 설치 각도를 계산합니다.
계산된 보정 웨이트를 각 평면에 설치한 다음 확인 실행을 진행합니다 — Balanset 소프트웨어에서는 Run T(Trim)에 해당합니다. 잔류 진동을 허용 오차와 비교합니다. 결과가 여전히 목표치를 초과하면, 소프트웨어는 이미 구한 영향 계수를 재사용하므로 새로운 시험 웨이트 실행이 필요하지 않으며 — 작은 추가 트림 보정만 계산되어 설치됩니다.
시험 웨이트를 설치하는 목적은 시스템이 불균형 변화에 어떻게 반응하는지 파악하는 데 있습니다. 시험 웨이트의 질량과 위치를 알고 있으므로, 소프트웨어는 이른바 영향 계수를 계산할 수 있습니다. 이는 알려진 불균형을 도입했을 때 진동 매개변수가 어떻게 변하는지를 보여줍니다. 영향 계수는 기계 시스템 자체의 특성이며, 지지대의 강성과 로터-지지대 시스템의 질량(관성)에 좌우됩니다.
동일한 설계의 동일한 유형의 메커니즘의 경우 영향 계수가 비슷합니다. 이를 컴퓨터 메모리에 저장하여 테스트 실행 없이 동일한 유형의 메커니즘의 밸런싱에 사용할 수 있으므로 밸런싱의 생산성이 크게 향상됩니다. 테스트 분동을 설치할 때 진동 파라미터가 눈에 띄게 변경되도록 테스트 분동의 질량을 선택해야 합니다. 그렇지 않으면 영향 계수 계산의 오차가 커지고 밸런싱 품질이 저하됩니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이 원심력은 반경 방향, 즉 로터 축에 수직한 방향으로 작용합니다. 따라서 진동 센서는 감도 축 역시 반경 방향을 향하도록 설치해야 합니다. 일반적으로 기초의 수평 방향 강성은 더 낮기 때문에 수평 방향의 진동이 더 큽니다. 따라서 감도를 높이려면 센서의 감도 축도 수평을 향하도록 설치해야 합니다. 다만 이는 본질적인 차이는 아닙니다. 반경 방향 진동 외에도 로터 회전축을 따라 발생하는 축방향 진동도 모니터링해야 합니다. 이 진동은 보통 불평형 때문에 발생하는 것이 아니라, 주로 커플링으로 연결된 축의 정렬 불량과 관련된 다른 원인으로 발생합니다.
이러한 진동은 밸런싱으로는 제거할 수 없으며, 이 경우 얼라인먼트(축 정렬)가 필요합니다. 실무에서는 이런 기계들이 대개 로터 불균형과 축 정렬 불량을 동시에 가지고 있어, 진동을 제거하는 작업이 훨씬 더 어려워집니다. 이런 경우에는 먼저 기계를 센터링한 다음 밸런싱해야 합니다. (다만 강한 토크 불균형이 있으면, 기초 구조물의 "뒤틀림" 때문에 축 방향으로도 진동이 발생합니다.)
관련 기사 (밸런싱 스탠드 예시)
밸런싱 메커니즘의 품질을 평가하기 위한 기준
로터(기구)의 밸런싱 품질은 두 가지 방식으로 평가할 수 있습니다. 첫 번째 방법은 밸런싱 과정에서 산출된 잔류 불균형량을 잔류 불균형 허용값과 비교하는 것입니다. 로터 등급별 이러한 허용값은 다음에 명시되어 있습니다 ISO 21940-11 (formerly ISO 1940-1).
How the tolerance is computed (ISO 21940-11). The standard specifies a balance quality grade G, which is the product of the permissible specific unbalance e당 and the service angular velocity ω, expressed in mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], where n is the service speed in rpm;
- e당 = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (numerically equal to µm of center-of-mass offset) — equivalently e당 = 9549 · G / n;
- U당 = 이당 · m [g·mm], where m is the rotor mass in kg.
Worked example. Rotor m = 50 kg, service speed n = 3000 rpm, grade G 6.3 (fans, pumps, standard electric motors): ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s; e당 = 6.3 · 1000 / 314.2 = 20.1 g·mm/kg (cross-check: 9549 · 6.3 / 3000 ≈ 20.1); U당 = 20.1 · 50 ≈ 1000 g·mm for the whole rotor.
Splitting the tolerance between two planes. 질량 중심이 두 보정 평면 사이에 있는 로터의 경우, 전체 허용 오차는 질량 중심에서 각 평면까지의 거리에 반비례해 분배됩니다. 대칭 로터라면 이는 단순히 각 평면에 절반씩, 위 예시에서는 평면당 약 500g·mm에 해당합니다. 어느 평면도 70%를 초과하거나 30% 미만으로 배분되어서는 안 됩니다 — U당.
Typical grades: G 0.4 — 자이로스코프, 정밀 연삭기 스핀들 · G 1 — 연삭기 스핀들, 정밀 전기자 · G 2.5 — 터빈, 터보 발전기, 공작기계 구동부 · G 6.3 — 일반 기계: 팬, 펌프 임펠러, 플라이휠, 표준 전동기 · G 16 — 특수 요건의 카단축, 농업용 기계, 크러셔 · G 40 — 자동차 휠, 구동축(카단축) · G 100 — 고속 디젤 엔진의 크랭크축 구동부.
그러나 지정된 허용 오차를 준수한다고해서 최소 진동 수준 달성과 관련된 메커니즘의 작동 신뢰성을 완전히 보장 할 수는 없습니다. 이는 메커니즘의 진동 크기가 로터의 잔류 불균형과 관련된 힘의 크기에 의해 결정될뿐만 아니라 메커니즘 구조 요소의 강성 k, 질량 m, 감쇠 계수 및 회전 주파수를 포함한 여러 다른 매개 변수에 따라 달라진다는 사실에 의해 설명됩니다. 따라서 여러 경우에서 메커니즘의 동적 품질(균형 품질 포함)을 추정하려면 여러 표준에 의해 규제되는 메커니즘의 잔류 진동 수준을 추정하는 것이 좋습니다.
산업 기계의 허용 진동 수준에 가장 널리 사용되는 표준은 ISO 20816-3(이전 명칭 ISO 10816-3)입니다. 이 표준은 120–15,000rpm으로 운전되는 15kW 이상의 기계를 대상으로 하며, 출력 그룹(그룹 1 — 300kW 초과, 그룹 2 — 15~300kW)과 지지 방식(강성 또는 유연)이라는 두 가지 기준으로 기계를 분류합니다. 각 조합마다 mm/s RMS 단위의 고유한 A/B, B/C, C/D 구역 경계값이 있습니다. 이 적용 범위를 벗어나는 기계는 시리즈의 다른 부속 표준(터빈 세트 — ISO 20816-2, 유압 기계, 왕복동 기계, 펌프) 또는 산업용 팬을 위한 ISO 14694와 같은 제품별 표준을 따릅니다.
For general machines evaluated on non-rotating parts, the classic ISO 10816-1 zones (now part of ISO 20816-1) give the following boundaries of vibration velocity, mm/s RMS:
| 등급 | A/B | B/C | C/D |
|---|---|---|---|
| Class I (small machines, up to 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Class II (medium machines, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Class III (large machines, rigid foundation) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Class IV (large machines, flexible foundation) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
Zone A는 신품 기계의 진동 수준에 해당합니다. Zone B는 장기간 무제한 운전에도 허용 가능한 수준입니다. Zone C는 제한적인 운전만 허용됩니다. Zone D는 손상을 일으킬 만큼 심각한 진동을 나타냅니다.
표준 및 참고 자료
- ISO 21940-11:2016 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour. (폐지된 ISO 1940-1을 대체합니다.) G-grades and tolerance calculator →
- ISO 21940-2 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 2: Vocabulary. (Definitions of static, couple, quasi-static and dynamic unbalance.)
- ISO 20816-1:2016 — Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines. (Replaces ISO 10816-1 and ISO 7919-1.) Evaluation zones →
- ISO 20816-3:2022 — Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min. (Replaces ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Industrial fans — Specifications for balance quality and vibration levels.
자주 묻는 질문
밸런싱을 하면 모든 진동이 제거되나요?
아니요. 밸런싱은 회전축에 대한 로터 질량의 비대칭 분포로 인해 발생하는 진동을 제거하는 작업입니다. 정렬 불량, 베어링 결함, 공기역학적/유체역학적 힘, 전자기력 및 기타 원인으로 인한 진동은 별도의 진단 및 교정 조치가 필요합니다.
공진 부근에서 밸런싱이 실패하는 이유는 무엇일까요?
공진 부근에서는 작은 속도 변화로도 진동 진폭이 크게 변하고 180° 위상 이동이 발생할 수 있습니다. 이러한 조건에서는 측정 결과가 불안정해지며, 특수한 방법 없이는 기존의 밸런싱 절차로는 수렴하지 않을 수 있습니다.
단일 평면 밸런싱과 이중 평면 밸런싱은 언제 필요합니까?
단일 면 은 원판형 로터, 즉 로터의 축 방향 길이가 지름에 비해 작고(경험칙으로 L/D < 0.5) 사용 속도가 1차 위험 속도보다 훨씬 낮은 로터에는 충분합니다. 전형적인 예로는 연삭 휠, 단일 원판 팬 임펠러, 풀리, 자동차 휠이 있습니다. 이러한 로터는 거의 순수한 정적 불균형만을 가집니다.
두 대의 비행기 가늘고 긴 로터(L/D ≥ 0.5), 축을 따라 두 개 이상의 임펠러나 디스크가 배치된 로터, 그리고 두 베어링에서의 진동 위상이 뚜렷이 다른 경우(커플 성분의 징후) — 이러한 경우들에 필요합니다. 강성 로터는 두 개보다 많은 평면이 필요한 경우가 결코 없습니다.
확신이 서지 않으면 두 베어링을 모두 측정하십시오: 1면 보정으로 한쪽 베어링의 진동은 줄어드는데 다른 쪽은 오히려 늘어난다면, 그 로터에는 커플 성분이 있으며 2면 밸런싱이 필요합니다.
밸런싱 전에 무엇을 해야 합니까?
기계가 제대로 작동하는지 확인하십시오. 기초에 안정적으로 고정되어 있는지, 베어링 상태가 양호한지, 심하게 헐거워진 부분이 없는지, 그리고 비선형성을 유발하는 명확한 원인이 없는지 확인해야 합니다. 밸런싱 작업은 수리를 대체할 수 없습니다.
핵심 요약
- 균형 조정은 질량 관련(원심력) 여기를 수정하지만, 정렬 불량, 베어링 손상 또는 전자기/공기역학적 원인을 해결하지는 않습니다.
- 공진 및 비선형성은 기존의 균형 조정 방식을 비효율적이거나 안전하지 않게 만들 수 있습니다.
- For rigid rotors, two-plane balancing is the general solution for dynamic unbalance (the combination of static + couple).
Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko is a vibration analysis engineer and the founder and CEO of Vibromera. For more than 15 years he has balanced rotating equipment in the field rather than on a test bench: mulchers, industrial fans, crushers, centrifuges, shafts and spindles. That work is what the Balanset instruments grew out of — they were designed as a tool a specialist can carry to the machine and use alone, on site, not as laboratory equipment. Vibromera was founded in 2017 and has been based in Porto, Portugal, since 2023. Development, assembly and support of the Balanset line all happen here. The flagship instrument is the Balanset-1A, a portable analyser for single- and two-plane balancing and for vibration diagnostics. Nikolai is personally involved in customer support, in working through difficult balancing cases and in the development of the software. He works with customers worldwide, in any language.
