동적 샤프트 밸런싱 지침: 정적 vs 동적, 현장 절차 및 ISO 21940 등급
현장 엔지니어가 로터를 현장에서 밸런싱하는 데 필요한 모든 것. 불평형의 물리학부터 최종 검증 운전까지 다룹니다. 7단계 절차, 시험 추 공식, 보정 각도 측정, ISO 허용오차 표를 포함합니다. 팬, 멀처, 크러셔, 축에 대한 Vibromera의 현장 작업을 바탕으로 합니다.
동적 밸런싱이란 무엇인가요?
동적 밸런싱 동적 밸런싱은 회전하는 물체(로터)가 작동 속도로 회전하는 동안 불균일한 질량 분포를 측정하고 수정하는 과정입니다. 단일 평면에서의 질량 편차를 수정하는 정적 밸런싱과 달리, 동적 밸런싱은 회전하는 물체 전체의 질량 불균형을 수정합니다. 두 대 이상의 비행기가 동시에, 이를 통해 베어링 진동을 유발하는 원심력과 흔들림 모멘트를 모두 제거합니다.
200kg짜리 분쇄기 로터부터 5g짜리 치과용 드릴 스핀들에 이르기까지 모든 회전 부품에는 어느 정도의 불균형이 존재합니다. 제조 공차, 재료의 불균일성, 부식, 그리고 축적된 침전물로 인해 무게 중심이 기하학적 회전축에서 벗어나게 됩니다. 그 결과 원심력이 발생하는데, 이 힘은 회전 속도의 제곱에 비례하여 증가합니다. 즉, 회전 속도가 두 배가 되면 원심력은 네 배가 됩니다.
반경 150mm에서 10g의 불균형이 있는 상태에서 3,000RPM으로 회전하는 로터는 약 150N의 회전력을 발생시키는데, 이는 베어링을 몇 주 만에 파손시킬 수 있는 양입니다. 동적 밸런싱은 이러한 회전력을 국제 표준(ISO 21940-11, 이전 ISO 1940)에서 규정한 수준으로 줄여 베어링 수명을 몇 개월에서 몇 년으로 연장하고 진동으로 인한 가동 중단 시간을 단축합니다.
정적 균형 vs 동적 균형
로터의 무게중심은 회전축에서 벗어나 있습니다. 1개 평면. 날카로운 지지대에 놓으면 무거운 쪽이 아래로 기울어지는데, 회전시키지 않아도 이를 감지할 수 있습니다.
보정: 질량이 큰 부분의 반대편에 있는 단일 각도 위치에서 질량을 추가하거나 제거합니다. 하나의 수정면이면 충분합니다.
적용 대상: L/D가 약 0.5 미만인 좁은 원판형 부품 - 플라이휠, 연삭 휠, 단일 디스크 임펠러, 톱날, 브레이크 디스크.
두 개(또는 그 이상)의 질량 오프셋이 있습니다. 서로 다른 평면 로터 길이 방향을 따라 발생합니다. 로터가 칼날처럼 날카로운 모서리 위에 정지해 있는 경우처럼 정적으로는 서로 상쇄될 수 있지만, 다른 형태의 자기장을 생성할 수 있습니다. 록킹 커플 회전할 때만 이러한 현상이 발생합니다. 회전이 없으면 이 커플을 감지하거나 수정할 수 없습니다.
보정: 두 개의 서로 다른 평면에 있는 두 개의 보정 추. 이 장비는 영향 계수 행렬을 이용하여 각 평면의 질량과 각도를 계산합니다.
적용 대상: 길쭉한 회전자 - 축, 넓은 임펠러가 있는 팬, 멀처 회전자, 롤러, 다단 펌프 임펠러, 터빈.
불균형의 네 가지 유형
ISO 21940-11은 네 가지 기본적인 불균형 패턴을 구분합니다. 어떤 패턴이 지배적인지 이해하면 올바른 균형 전략을 선택하는 데 도움이 됩니다.
실제로 현장에서 접하는 거의 모든 로터는 동적 불균형, 즉 힘과 모멘트 성분의 조합을 가지고 있습니다. 그렇기 때문에 얇은 원판형 로터가 아닌 모든 로터에 대해 2면 밸런싱이 기본 절차입니다.
단일 평면 밸런싱과 이중 평면 밸런싱은 언제 사용해야 할까요?
결정적인 요소는 로터의 성능입니다. 기하학적 비율 L/D (축 길이 대 외경 비율)과 작동 속도를 결합한 값입니다.
| 기준 | 단일 평면(센서 1개) | 2면(센서 2개) |
|---|---|---|
| L/D 비율 | L/D < 0.5 (좁은 원판형 로터) | L/D >= 0.5 또는 축 방향 질량 분포가 큰 경우 |
| 일반적인 부품 | 연삭 휠, 플라이휠, 단일 디스크 임펠러, 풀리, 브레이크 디스크, 톱날 | 팬 로터, 멀처, 샤프트, 롤러, 다단 펌프, 터빈, 크러셔 |
| 불균형 유형이 수정되었습니다. | 정적 상태만 해당 (힘) | 정적 힘 + 모멘트 + 동적 힘 (힘 + 모멘트) |
| 수정 평면 | 1 | 2 |
| 측정 실행 | 2 (초기 + 1회 시도) | 3회 (초기 + 2회 시도, 각 비행기당 1회) |
| 현장 체류 시간 | 15~20분 | 30~45분 |
ISO 21940-11 저울 품질 등급
ISO 21940-11(ISO 1940-1의 후속 표준)은 회전 기계의 각 등급에 대해 다음과 같은 기준을 제시합니다. 저울 품질 등급 G, 로터 무게중심의 최대 허용 속도(mm/s)로 정의됩니다. 허용 잔류 비균형 e당 (g·mm/kg 단위)는 등급과 작동 속도로부터 도출됩니다.
G — 저울 품질 등급 (예: 6.3은 6.3mm/s를 의미)
오메가 — 각속도, 라디안/초
RPM — 작동 속도, 회전수(rpm)
| 등급 | e-ω, mm/s | 기계 유형 |
|---|---|---|
G 0.4 |
0.4 | 자이로스코프, 정밀 연삭기 스핀들 |
G 1.0 |
1.0 | 터보차저, 가스 터빈, 특수 요구 사항을 충족하는 소형 전기 모터 |
G 2.5 |
2.5 | 특수 요구사항을 충족하는 전기 모터, 발전기, 중대형 터빈, 펌프 |
G 6.3 |
6.3 | 팬, 펌프, 공정 기계, 플라이휠, 원심분리기, 일반 산업 기계 |
G 16 |
16 | 농업 기계, 분쇄기, 구동축(카르단), 분쇄기 부품 |
G 40 |
40 | 승용차용 휠, 크랭크축 어셈블리(양산품) |
G 100 |
100 | 6개 이상의 실린더를 가진 고속 디젤 엔진 크랭크샤프트 어셈블리 |
예시 작동 방식: 팬 로터
원심 팬 로터의 무게는 80kg이고, 회전 속도는 1,450RPM이며, 보정 반경은 250mm입니다. 요구되는 등급은 G 6.3입니다.
수정 반경 250mm에서 최대 잔류 질량 = 3320 / 250 = 13.3g 총 잔류 질량
2평면 작업의 경우 그 총 허용오차를 각 평면에 분배하십시오. 단순히 균등 분할하면 약 평면당 6.6 g.
관련 표준: ISO 21940-11 (강성 로터), ISO 21940-12 (유연 회전자), ISO 10816-3 (진동 심각도 한계), ISO 1940 (이전의 전신).
7단계 필드 밸런싱 절차
이는 휴대용 기기를 이용하여 적용하는 2면 자기장 평형을 위한 영향 계수 방법입니다. 발란셋-1A. 이와 동일한 논리가 모든 2채널 밸런싱 분석기에 적용됩니다.
Mt = Mr × K / (Rt × (N/100)²) 여기서 Mr = 로터 질량(g), K = 지지대 강성 계수(1~5, 평균값은 3 사용), Rt = 설치 반경(cm), N = RPM. 또는 당사 서비스를 이용하십시오. 온라인 시험 체중 계산기 — 로터 매개변수를 입력하면 권장 질량을 즉시 확인할 수 있습니다.
시험 중량 계산
시험용 추는 진동 변화가 뚜렷하게 나타날 만큼 충분히 무거워야 하지만, 베어링에 과부하가 걸리거나 위험한 상황을 초래하지 않을 만큼 가벼워야 합니다. 표준적인 경험적 공식은 로터 질량, 보정 반경, 작동 속도 및 지지대 강성을 고려합니다.
Mr — 로터 질량(그램)
K — 지지 강성 계수 (1 = 연성 지지, 3 = 평균, 5 = 강성 기초)
Rt — 시험 중량 설치 반경, cm
N — 작동 속도, RPM
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예제 풀이 (K = 3, 평균 강성)
| 기계 | 로터 질량 | RPM | 반지름 | 시험 가중치 (K = 3) |
|---|---|---|---|---|
| 멀처 로터 | 120kg | 2,200 | 30cm | 360,000 / (30 × 484) ≈ 25g |
| 산업용 팬 | 80kg | 1,450 | 40cm | 240,000 / (40 × 210.25) ≈ 29g |
| 원심분리 드럼 | 45kg | 3,000 | 15cm | 135,000 ÷ (15 × 900) = 10g |
| 분쇄기 샤프트 | 250kg | 900 | 25cm | 750,000 / (25 × 81) ≈ 370g |
보정각 측정
균형 측정 장치는 비행기 한 대당 두 개의 숫자를 출력합니다. 질량 (무게는 얼마나 되는지) 그리고 각도 (어디에 놓을지). 각도는 항상 시험용 추의 위치를 기준으로 합니다.
각도를 측정하는 방법
- 기준점(0°): 시험용 추를 놓은 각도 위치를 시험 운전 전에 로터에 명확하게 표시하십시오.
- 측정 방향: 항상 로터 회전 방향으로.
- 관점을 읽어보세요: 계기에는 1번 평면에 대해 각도 f₁이, 2번 평면에 대해 각도 f₂가 표시됩니다. 시험 추 표시에서 회전 방향으로 해당 각도만큼 도수를 세십시오. 그 위치에 보정 추가를 해야 합니다.
- 질량을 제거하는 경우: 표시된 "추가" 위치의 180° 반대쪽에 수정값을 배치하십시오.
고정 위치로의 무게 분할
로터에 미리 뚫린 구멍이나 고정된 장착 위치(예: 팬 블레이드 볼트)가 있는 경우, 정확하게 계산된 각도에 무게추를 놓지 못할 수 있습니다. Balanset-1A에는 이러한 문제를 해결할 수 있는 기능이 포함되어 있습니다. 무게 분할 기능가장 가까운 두 위치의 각도를 입력하면 소프트웨어가 단일 보정 벡터를 해당 위치에서 두 개의 더 작은 가중치로 분해합니다. 이렇게 결합된 효과는 원래 벡터와 일치합니다.
보정 평면 및 센서 배치
보정면은 로터에서 질량을 추가하거나 제거하는 축 방향 위치입니다. 센서는 가장 가까운 베어링에서 진동을 측정합니다. 몇 가지 핵심 규칙은 다음과 같습니다.
- 센서는 베어링 하우징에 장착됩니다. — 베어링 중심선에 최대한 가깝게, 방사 방향(수평 방향이 바람직함)으로 설치하십시오.
- 평면 1은 센서 1에 해당합니다., 평면 2에서 센서 2로 연결합니다. 번호를 일관되게 유지하십시오. 그렇지 않으면 소프트웨어가 보정 평면을 바꿔버립니다.
- 비행기 간 간격을 최대화하세요: 두 보정면 사이의 거리가 멀수록 쌍 분해능이 향상됩니다. 최소 실제 분리 거리는 베어링 범위의 ⅓입니다.
- 접근성이 좋은 위치를 선택하세요: 보정면은 플랜지 모서리, 볼트 원, 테두리 또는 용접면과 같이 물리적으로 무게를 부착할 수 있는 위치여야 합니다.
위 사진은 파쇄기 로터의 2면 밸런싱 작업을 준비하는 모습입니다. 파란색 마커 1과 2는 베어링 하우징의 센서 위치를 나타냅니다. 빨간색 마커 1과 2는 보정면을 보여주는데, 이 경우 로터 본체의 플랜지 끝부분에 무게추가 용접될 부분입니다.
캔틸레버(돌출형) 로터
캔틸레버 로터(선풍기 임펠러, 베어링 스팬 바깥쪽에 장착된 플라이휠, 펌프 임펠러 등)는 다른 센서 및 보정면 배치 방식을 필요로 합니다. 두 보정면 모두 베어링의 같은 쪽에 위치하며, 센서 배치 시 돌출된 질량으로 인해 발생하는 토크 불균형을 고려해야 합니다.
기종별 적용 사례
무게 부착 방법
| 방법 | 부착 | 적합 대상 | 제한 |
|---|---|---|---|
| 용접 | 로터 림에 강철 와셔 또는 플레이트를 가접 용접함 | 파쇄기, 분쇄기, 중공업용 로터 | 영구 접착 방식입니다. 특수 막대 없이는 알루미늄이나 스테인리스강에 사용할 수 없습니다. |
| 볼트와 너트 | 미리 뚫어 놓은 구멍에 볼트를 끼우고 잠금 너트로 조입니다. | 팬 임펠러, 플라이휠, 커플링 플랜지 | 기존 구멍이 필요하거나 새로 구멍을 뚫어야 합니다. |
| 호스 클램프 | 무게추가 내장된 스테인리스 스틸 호스 클램프 | 현장의 샤프트, 롤러, 원통형 로터 | 임시 또는 반영구적. 클램프 토크를 확인하십시오. |
| 고정 나사 클립온 | 미리 제작된 클립형 무게추 (타이어 무게추와 같은 것) | 선풍기 날개, 얇은 테두리, 가벼운 회전 날개 | 질량 범위가 제한적입니다. 고속 회전 시 미끄러질 수 있습니다. |
| 접착제(에폭시) | 표면에 부착된 무게추 | 정밀 로터, 청정 환경 | 깨끗하고 건조한 표면에 설치해야 합니다. 온도 제한은 약 120°C입니다. |
| 재료 제거 | 무거운 쪽에서 재료를 드릴링 또는 연삭하여 제거합니다. | 터보차저, 고속 스핀들, 임펠러 | 영구적이고 정확하지만 되돌릴 수 없습니다. 무게를 추가하는 것이 안전하지 않을 때 사용하십시오. |
필드 밸런싱에서 흔히 발생하는 실수
| # | 실수 | 결과 | 고치다 |
|---|---|---|---|
| 1 | 보호대나 덮개에 장착된 센서 | 덮개의 공명으로 인해 진폭 및 위상 측정값이 왜곡되어 잘못된 보정이 발생합니다. | 베어링 하우징의 금속면에 항상 장착하십시오. |
| 2 | 시험 중량이 너무 가볍습니다. | 위상 및 진폭 변화가 잡음 범위 내에 있으므로 영향 계수는 신뢰할 수 없습니다. | 최소 한 개의 센서에서 20-30%의 진폭 변화 또는 20-30도의 위상 변화를 확보하십시오 |
| 3 | 주행 간 속도 변화 | 진동은 1배율에서 RPM²에 따라 변하며, 심지어 5%의 속도 변화조차도 데이터를 손상시킵니다. | 정확한 RPM 추적을 위해 타코미터를 사용하십시오. 속도가 안정될 때까지 기다리십시오. |
| 4 | 시험용 추를 제거하는 것을 잊었습니다. | 보정 계산에 시험 중량 효과가 포함되어 있어 결과가 무의미합니다. | 엄격한 절차를 따르십시오: 보정 추를 설치하기 전에 시험용 추를 제거하십시오. |
| 5 | 1번 비행기와 2번 비행기를 섞어 놓았습니다 | 보정추가 잘못된 평면에 위치하면 진동이 증가합니다. | 센서와 평면을 명확하게 표시하세요. 센서 1 → 평면 1, 센서 2 → 평면 2 |
| 6 | 회전 방향과 반대되는 각도를 측정합니다. | 수정은 f 대신 360° − f로 진행 → 로터의 반대쪽 | 시작하기 전에 회전 방향을 확인하십시오. 항상 회전 방향으로 측정하십시오. |
| 7 | 작동 중 열팽창 | 냉간 시동 시 베어링 간극 변화 → 측정값 오차 | 첫 번째 달리기 전에 충분히 워밍업하여 안정적인 컨디션을 유지하거나, 모든 달리기를 빠르게 (5분 이내 간격으로) 완료하십시오. |
| 8 | 긴 로터에 단일 평면 사용 | 커플 불균형이 수정되지 않으면 원거리 베어링에서 진동이 더욱 증가할 수 있습니다. | L/D >= 0.5이거나, 평면 간 거리가 충분히 떨어져 있거나, 단일 평면 보정이 원거리 베어링에 영향을 주는 모든 로터에는 2평면 밸런싱을 사용하십시오 |
현장 보고서: 멀처 로터 밸런싱
기계: 마스키오 비손테 280 플레일 멀처, 로터 용량 165kg, PTO 속도 2,100RPM. 고객은 플레일 8개를 교체한 후 심한 진동이 발생한다고 보고했습니다.
설정: 베어링 하우징에 가속도계 2개, PTO 샤프트에 레이저 타코미터 장착. Balanset-1A 2면 모드.
실행 0: 센서 1 = 12.4 mm/s @ 47°, 센서 2 = 8.9 mm/s @ 213°. ISO 10816-3 구역 D(위험).
시험 운영: 두 평면 모두에서 500g의 시험용 추를 사용했습니다. 명확한 반응이 관찰되었으며, 두 센서 모두에서 진폭 변화가 60%를 초과했습니다.
보정: 평면 1: 340g, 128° 각도로 용접. 평면 2: 215g, 276° 각도로 용접.
확인: 센서 1 = 0.8 mm/s, 센서 2 = 0.6 mm/s. ISO 영역 A (양호). 트림 작업 불필요.
선풍기의 2면 동적 균형 조정
산업용 팬(원심형, 축류형, 혼합류형)은 현장에서 가장 흔하게 밸런싱 작업이 이루어지는 로터 유형입니다. 아래 절차는 Balanset-1A를 사용하여 레이디얼 팬의 실제 2면 밸런싱 작업을 단계별로 설명합니다.
평면 결정 및 센서 설치
센서 설치 표면의 먼지와 기름기를 깨끗이 제거하십시오. 센서는 베어링 하우징의 금속 표면에 꼭 맞게 장착되어야 하며, 덮개, 보호대 또는 지지대가 없는 판금 패널에는 절대 장착하지 마십시오.
- 센서 1 (빨간색): 팬 앞쪽(평면 1쪽)에 더 가깝게 설치하십시오.
- 센서 2(녹색): 팬의 뒷부분(2면)에 더 가깝게 설치하십시오.
- 1번 평면(적색 구역): 임펠러 디스크의 앞쪽에 더 가까운 부분에 보정면이 있습니다.
- 2번 평면(녹색 구역): 수정 평면이 후면 플레이트 또는 허브에 더 가깝습니다.
진동 센서 두 개와 레이저 회전속도계를 Balanset-1A에 연결하십시오. 회전수(RPM) 측정을 위해 샤프트 또는 허브에 반사 테이프를 부착하십시오.
밸런싱 프로세스
팬을 작동시키고 초기 진동 측정값을 기록합니다(실행 0). 질량이 알려진 추를 1번 평면의 임의의 지점에 설치하고 팬을 작동시킨 후 진동 변화를 기록합니다(실행 1). 추를 2번 평면의 임의의 지점으로 옮기고 팬을 다시 작동시킨 후 진동 변화를 기록합니다(실행 2). Balanset-1A 소프트웨어는 이 세 가지 측정값을 모두 사용하여 각 평면에 대한 보정 질량과 각도를 계산합니다.
팬 보정 가중치용 각도 측정
각도는 시험용 추의 위치에서 선풍기 회전 방향으로 측정합니다. 이는 앞서 설명한 내용과 정확히 일치합니다. 보정각 측정 위의 섹션을 참조하십시오. 시험용 추를 놓은 위치(0° 기준)를 표시한 다음, 회전 방향을 따라 표시된 각도를 측정하여 교정용 추의 위치를 찾으십시오.
소프트웨어에서 계산된 각도와 질량을 기준으로 1번 평면과 2번 평면에 보정 추를 설치하십시오. 팬을 다시 한 번 작동시켜 진동이 허용 가능한 수준으로 떨어졌는지 확인하십시오. ISO 21940-11 (일반적으로 범용 팬의 경우 G 6.3). 잔류 진동이 여전히 목표치보다 높으면 트림 작업을 한 번 더 수행하십시오.
자주 묻는 질문
필드 밸런싱 장비
그 발란셋-1A 이 제품은 단일 평면 및 이중 평면 동적 평형 측정과 진동 분석(전체 속도, 스펙트럼, 파형)을 지원하는 2채널 휴대용 장비입니다. 모든 구성품이 포함된 키트 형태로 출고됩니다.
- 자석 마운트가 있는 2x MEMS 진동 센서(ADXL335 기반 가속도계)
- 반사 테이프가 부착된 레이저 회전속도계(비접촉식 RPM 센서)
- USB 측정 장치 (모든 윈도우 노트북에 연결 가능)
- 소프트웨어: 밸런싱 마법사, 진동 측정기, 스펙트럼 분석기
- 모든 케이블과 액세서리가 포함된 휴대용 케이스
RPM 범위: 250-90,000. 진동 범위: 0.2-80 mm/s RMS. 주파수 범위: 5-1000 Hz. 위상 정확도: ?1?. 소프트웨어에는 추 분할, 트림 런, 허용오차 확인 및 보고서 생성이 포함됩니다. 전체 키트 무게는 약 4 kg입니다.
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