정의: 하모닉이란 무엇인가?

진동 분석에서는 고조파 고조파는 기본 주파수의 정확한 정수배인 주파수입니다. 회전 기계에서 기본 주파수는 일반적으로 축 회전 속도이며, 이를 제1 고조파 또는 1×. 이후의 고조파는 2×(축 회전 속도의 두 배), 3×(세 배) 등과 같이 정수배입니다. 이러한 주파수를 다른 말로도 합니다. 명령 달리기 속도, 또는 동기 고조파 축 회전과 정확하게 동기화되기 때문입니다.

예를 들어, 모터가 1,800RPM(30Hz)으로 작동하면 60Hz(2배), 90Hz(3배), 120Hz(4배), 150Hz(5배) 등에서 고조파가 나타납니다. 이론적으로 고조파 계열은 무한하지만, 실제로는 고차항으로 갈수록 진폭이 감소하고 처음 몇 개의 고조파만이 진단 정보를 담고 있습니다.

고조파 주파수 정의
에프n = n × f1 = n × (RPM / 60)
여기서 n = 1, 2, 3, 4… (고조파 차수)이고 f₁ = 축 회전 주파수(Hz)입니다.
고조파 vs. 하위 고조파 vs. 비동기 피크

배음 축 회전 속도의 정수배입니다(2배, 3배, 4배…). 서브하모닉 분수 배수(½×, ⅓×, ¼×)는 항상 심각한 기계적 문제를 나타냅니다. 비동기 피크 축 회전 속도와 무관한 주파수 - 예를 들면 베어링 결함 주파수, 기어 맞물림 주파수, 라인 주파수(50/60Hz) 또는 고유 진동수 — 그리고 서로 다른 진단 접근 방식이 필요합니다. 3.57×RPM에서의 피크는 고조파가 아닙니다. 이는 베어링 결함 주파수일 가능성이 높습니다.

배음이 발생하는 이유는 무엇일까요?

완벽한 선형 시스템에 순수한 정현파 힘이 가해질 때(예: 완벽한 베어링에 장착된 완벽하게 균형 잡히고 정렬된 회전자)에는 기본 주파수의 1배만 나타납니다. 하지만 실제 기계는 결코 완벽하게 선형적이지 않습니다. 진동 파형이 순수한 정현파에서 벗어날 때마다, 즉 시스템 응답이 왜곡될 때마다 고조파가 발생합니다. 비선형 또는 강제 함수 자체가 비정현파인 경우입니다.

수학: 푸리에 정리

푸리에 정리 주기적인 파형은 아무리 복잡하더라도 기본 주파수와 그 정수배 주파수를 갖는 사인파들의 합으로 분해될 수 있으며, 각 사인파는 특정한 진폭과 위상을 가진다는 것이 정언 법칙입니다. 진동 분석기에서 사용되는 FFT(고속 푸리에 변환) 알고리즘은 이러한 분해를 계산적으로 수행하여 신호의 고조파 성분을 드러냅니다.

순수한 사인파는 단일 주파수 성분만을 가지고 있습니다. 구형파는 모든 홀수 고조파(1×, 3×, 5×, 7×…)를 포함하며, 각 고조파의 진폭은 1/n에 반비례하여 감소합니다. 톱니파는 모든 고조파를 포함하며, 각 고조파의 진폭은 1/n에 반비례하여 감소합니다. 왜곡의 특정 형태에 따라 어떤 고조파가 나타나는지가 결정되는데, 이것이 바로 고조파 분석이 매우 강력한 진단 도구인 이유입니다.

배음을 생성하는 물리적 메커니즘

  • 파형 잘림/절단: 축의 움직임이 물리적으로 제한될 때(베어링 하우징, 마찰 접촉 등), 결과적으로 파형이 잘려나가면서 고조파가 발생합니다. 파형 잘림 현상이 심할수록 더 많은 고조파가 생성됩니다.
  • 비대칭 강성: 진동 주기의 양의 반쪽과 음의 반쪽 사이에서 시스템 강성이 다를 경우(균열된 축의 개폐, 정렬 불량으로 인한 인장/압축 강성 차이 등), 짝수 고조파(2배, 4배, 6배)가 발생합니다.
  • 영향 요인: 주기적인 충격(느슨한 볼트, 베어링 결함으로 인한 충격)은 마치 드럼 스틱이 많은 배음을 만들어내는 것처럼, 매우 풍부한 배음 성분을 가진 날카롭고 짧은 지속 시간의 파형을 생성합니다.
  • 비선형 복원력: 변위에 따라 강성이 변하는 경우(가변 하중을 받는 베어링, 점진적 변위 고무 마운트 등), 정현파 힘에 대한 응답에는 고조파가 포함됩니다.
  • 매개변수 여기: 시스템 특성이 축 회전 속도와 관련된 주파수로 주기적으로 변할 때, 여기 주파수의 고조파 및 하위 고조파가 발생할 수 있습니다.
핵심 진단 원칙

존재하는 고조파의 패턴, 상대적인 진폭, 그리고 나타나지 않는 고조파를 통해 분석가는 비선형성을 발생시키는 물리적 메커니즘을 파악할 수 있습니다. 숙련된 분석가는 특정 고장 메커니즘을 식별하기 위해 전체 진동 수준뿐만 아니라 스펙트럼의 완전한 고조파 구조를 조사합니다.

상세 결함 특징 — 고조파 패턴

1× 지배적 — 불균형

1배율에서 뚜렷한 피크가 나타나고 고차 고조파가 최소화되는 것은 전형적인 특징입니다. 질량 불균형. 불균형력은 본질적으로 정현파 형태(축의 회전 주파수와 1배로 회전)를 띠므로 주파수 영역에서 깨끗한 단일 피크를 생성합니다.

진단 세부 정보

  • 진폭: 속도²에 비례하고(속도가 두 배가 되면 진폭은 4배 증가) 불균형 질량에 비례합니다.
  • 단계: 안정적이고, 반복 가능하며, 단일 값을 갖는다. 시험 중량 추가에 따라 예측 가능한 변화를 보인다. 이것이 모든 것의 기본이다. 균형 조정 절차
  • 방향: 주로 방사형이며, 로터에 상당한 돌출부가 없는 한 축 방향 1배율은 낮습니다.
  • 확인: 시험용 추에 대한 반응을 통해 불균형을 확인할 수 있습니다. 만약 1×가 시험용 추에 반응하지 않는다면, 축의 휨, 편심 또는 공진 현상을 고려해 보십시오.
모든 1배 진동이 불균형을 의미하는 것은 아닙니다.

밸런싱으로 보정할 수 없는 높은 1× 값을 유발하는 몇 가지 요인이 있습니다. 이러한 요인에는 축 휨, 축 편심, 근접 센서의 전기적 런아웃, 열 효과로 인한 로터 휜 현상, 커플링 편심 등이 있습니다. 공명 증폭. 균형을 맞추기 전에 항상 진단을 확인하십시오.

2× 우세 — 정렬 불량

1배 피크와 비슷하거나 그 이상의 진폭을 갖는 강력한 2차 고조파는 주요 지표입니다. 샤프트 정렬 불량. 정렬 불량은 회전하는 동안 축이 비정현파 경로를 따라 움직이게 하여 2배 이상의 고조파를 발생시키는 왜곡을 초래합니다.

각도 정렬 불량 vs. 평행 정렬 불량

  • 각도 불일치: 축 중심선이 커플링에서 각도를 이루며 교차합니다. 이로 인해 높은 1배 축 방향 진동이 발생합니다. 커플링을 가로지르는 위상차는 축 방향으로 약 180° 정도 나타납니다.
  • 평행(오프셋) 정렬 불량: 축 중심선은 평행하지만 어긋나 있습니다. 이로 인해 2배의 높은 반경 방향 진동이 발생하며, 종종 2배가 1배 이상입니다. 심한 경우에는 3배 및 4배까지 발생합니다. 커플링을 가로지르는 반경 방향 위상은 약 180°의 차이를 보입니다.
  • 종합: 실제로는 두 가지가 공존하는 경우가 많아 다양한 서명이 혼합되어 나타납니다.

2×/1× 비율은 진단 지표로서 활용될 수 있다.

2×/1× 비율예상되는 상태행동
< 0.25정상; 대부분의 기계에서 낮은 수준으로 2배 존재아무런 조치도 필요하지 않습니다
0.25 – 0.50약간의 정렬 불량은 발생할 수 있으며, 일부 커플링 유형에서는 정상적인 현상입니다.정렬 상태를 확인하고 기준선과 비교하십시오.
0.50 – 1.00상당한 정렬 불량 가능성 있음정밀 레이저 정렬을 수행합니다.
> 1.00심각한 정렬 불량; 2배율이 1배율을 초과함긴급 — 재정렬; 연결부 및 배관 장력 점검

다중 고조파 — 기계적 느슨함

다양한 속도 고조파(1배, 2배, 3배, 4배, 5배…에서 10배 이상)는 다음을 나타냅니다. 기계적 느슨함. 충격, 진동, 그리고 비선형적인 접촉/분리 주기는 극심한 파형 왜곡을 발생시키고, 이는 여러 고조파 성분으로 분해됩니다.

느슨함의 세 가지 유형

  • A형 — 구조적: 기계와 기초 사이의 연결이 느슨함(부실한 받침대, 균열이 있는 기초, 느슨한 앵커 볼트). 느슨한 방향으로 더 큰 진동이 발생합니다. 핵심 테스트: 진동 진폭을 모니터링하면서 개별 볼트를 조이거나 풉니다.
  • B형 — 구성 요소: 베어링 캡의 베어링 라이너가 헐거워졌거나, 하우징에 캡이 헐거워졌거나, 베어링 간극이 과도할 경우 이러한 현상이 발생합니다. 이러한 현상은 종종 하위 고조파(½×)를 포함한 여러 고조파를 발생시킵니다. 하위 고조파는 정렬 불량과 구별되는 핵심적인 특징입니다.
  • C형 — 베어링 시트: 축에 임펠러가 헐거워지고, 커플링 허브가 헐거워졌으며, 베어링 간극이 과도하여 로터가 흔들립니다. 이로 인해 광대역 잡음 레벨이 상승하는 다수의 고조파가 발생합니다.
하위 고조파: 느슨함의 특징

서브하모닉(½×, ⅓×)의 존재는 헐거움과 정렬 불량을 구분하는 가장 확실한 지표입니다. 정렬 불량은 2× 및 3×를 발생시키지만 서브하모닉은 거의 발생시키지 않습니다. 헐거움(B형 및 C형)은 회전자가 반 바퀴 회전할 때 베어링의 한쪽 면에 접촉하고 다음 반 바퀴 회전할 때 다른 쪽 면에 접촉하면서 두 바퀴 회전마다 반복되는 패턴을 생성하기 때문에 특징적으로 ½×를 발생시킵니다.

기타 고조파 발생 조건

구부러진 샤프트

축 방향 성분이 높은 1배 및 2배 진동을 모두 발생시킵니다. 정렬 불량과는 달리, 휜 축은 균형 조정으로 교정할 수 없는 1배 진동(질량 분포가 아닌 기하학적 편심)과 축 양 끝단 간의 약 180° 축 방향 위상차를 나타냅니다. 2배 진동은 회전 중 휜 부분이 벌어지고 닫히면서 발생하는 비대칭적인 강성에서 비롯됩니다.

왕복 운동 기계

엔진, 압축기 및 왕복 운동 기계는 피스톤/크랭크축 운동이 근본적으로 비정현파이기 때문에 본질적으로 풍부한 고조파 스펙트럼을 생성합니다. 고조파 패턴은 실린더 수, 점화 순서 및 행정 유형(2행정 vs. 4행정)에 따라 달라집니다.

로터 러브

부분적인 마찰(회전의 일부 동안만 접촉)은 많은 고차 고조파를 생성하며, 때로는 10배, 20배 또는 그 이상의 고차 고조파가 발생하기도 합니다. 완전한 환형 마찰(360° 연속 접촉)은 역세차 운동 메커니즘을 통해 주요 저차 고조파(½배, ⅓배, ¼배)를 생성합니다.

모터의 전기적 문제

교류 모터는 축 회전 속도와 관계없이 전원 주파수(50Hz 또는 60Hz)의 배수로 진동을 발생시킵니다. 가장 일반적인 경우는 전원 주파수의 2배(50Hz 시스템에서는 100Hz, 60Hz 시스템에서는 120Hz)입니다. 이는 축 회전 속도의 고조파가 아니라 전원 주파수의 고조파이며, 이것이 전기적 진동과 기계적 진동을 구분하는 핵심입니다. 정전 테스트 확실한 것은 전기적 진동은 전원이 차단되면 즉시 사라지지만, 기계적 진동은 감속하는 동안에도 지속된다는 점입니다.

로터 바 결함은 극 통과 주파수(슬립 주파수 × 극 개수)에서 약 1배 간격으로 측파대를 생성합니다. 이러한 측파대는 1배에 매우 가깝기 때문에(1~5Hz 이내) 분해능을 확보하려면 고해상도 확대 FFT 분석이 필요합니다.

비동기 주파수 — 진정한 배음이 아님

몇몇 중요한 주파수들이 때때로 고조파와 혼동되지만, 실제로는 축 회전 속도와는 무관합니다.

주파수 유형공식RPM과의 관계참고
베어링 결함 주파수BPFO, BPFI, BSF, FTF정수가 아닌 배수 (예: 3.57×, 5.43×)항상 비동기식이며 베어링 형상에 따라 달라집니다.
기어 메시 주파수GMF = #teeth × RPM정수이지만 매우 높은 차수입니다.엄밀히 말하면 배음이지만 별도로 분석됩니다.
블레이드/베인 패스BPF = #블레이드 × RPM정수 배수정상입니다. 과도한 진폭은 문제를 나타냅니다.
라인 주파수FL = 50 또는 60HzRPM과는 관련이 없습니다.전기 관련 기능; 정전 시 사라짐
고유 진동수에프n = √(k/m)/2π해결되었습니다. RPM과는 관련이 없습니다.속도 변화에 관계없이 일정한 주파수
벨트 주파수에프벨트 = RPM×π×D/L서브동기(< 축속도)벨트 주파수 및 그 고조파 2×, 3×, 4× BF

분석 가이드 — 하모닉 패턴 해석 방법

1단계: 기본 요소(1×)를 식별합니다.

축 회전 속도에 해당하는 1× 피크를 찾으십시오. 타코미터 또는 모터 명판을 사용하여 확인하십시오. 가변 속도 기계의 경우 각 측정에서 1× 값을 정확하게 식별해야 합니다.

2단계: 모든 피크를 목록화합니다.

각 주요 피크에 대해 다음을 확인하십시오. 1×의 정확한 정수배(진정한 고조파)인가? 소수배(하위 고조파)인가? 축 회전 속도와 무관한가(비동기)? 효율성을 위해 분석기의 고조파 커서 기능을 활용하십시오.

3단계: 진폭 패턴을 분석합니다.

  • 어떤 배음이 지배적인가요? → 특정 결함을 가리킵니다
  • 존재하는 고조파의 수는 몇 개입니까? → 많을수록 왜곡이 심해집니다.
  • 2배가 1배를 초과합니까? → 정렬 오류일 가능성이 높습니다.
  • 저음역 진동이 있습니까? → 헐거움, 마찰 또는 오일 소용돌이
  • 진폭이 차수에 따라 감소하는가(1/n 감쇠)? → 느슨한 구조에서 흔히 나타나는 현상

4단계: 방향성 확인

  • 높은 방사형, 낮은 축 방향: 불균형 또는 느슨함
  • 높은 축 방향: 정렬 불량(특히 각도 불량) 또는 축의 휨
  • 방향 방사형: 구조적 느슨함 (느슨한 방향으로 갈수록 높음)

5단계: 시간 경과에 따른 추세

  • 고조파 진폭이 증가하고 있습니까? → 단층이 진행되고 있습니다.
  • 새로운 고조파가 나타나고 있습니까? → 새로운 고장 메커니즘이 발생하고 있습니다.
  • 노이즈 플로어가 상승하고 있습니까? → 일반적인 마모 또는 후기 고장

6단계: 위상 데이터와 상관관계 분석

  • 불균형: 1× 위상은 안정적이며 재현 가능합니다.
  • 정렬 불량: 1배 또는 2배 위상은 결합에 걸쳐 약 180°를 나타냅니다.
  • 설사: 위상이 불안정하여 측정값 사이에 무작위로 변동될 수 있습니다.

사례 연구 — 실제 조화 해석

사례 1: 모터-펌프 - 불균형인가, 정렬 불량인가?

기계: 30kW 모터가 플렉시블 커플링을 통해 원심 펌프를 2960RPM으로 구동합니다. 전체 진동은 모터 구동단 베어링에서 6.2mm/s입니다.

스펙트럼: 1배율 = 4.1 mm/s, 2배율 = 3.8 mm/s, 3배율 = 1.2 mm/s. 2배율/1배율 비율은 0.93입니다.

방향: 높은 레이디얼 하중은 양쪽 구동단 베어링에서 2배, 축 방향 하중은 커플링에서 1배입니다. 모터 유량은 2.8mm/s, 펌프 유량은 3.1mm/s이며 위상차는 165°입니다.

진단: 각도 및 평행 정렬 불량이 복합적으로 나타났습니다. 2×/1× 비율이 1.0에 가깝고, 축 방향 측정값이 높으며, 커플링 전체에 걸쳐 약 180°의 위상차가 나타나는 것이 이를 뒷받침합니다. 불균형은 아닙니다. 1× 값이 높게 나타나긴 했지만, 실제 원인은 2× 패턴에 있습니다.

행동: 레이저 정렬 작업이 수행되었습니다. 정렬 후: 1차 정렬 = 0.8 mm/s, 2차 정렬 = 0.3 mm/s. 최종적으로 1.1 mm/s로 감소했으며, 이는 82% 감소에 해당합니다.

사례 2: 선풍기 - 균형 조절이 안 되는 이유는 무엇일까요?

기계: 원심 팬, 1480 RPM. 진동: 8.5 mm/s². 이전 밸런싱 작업에서 진동이 1배 감소했지만 전체적인 진동은 여전히 높은 수준입니다.

스펙트럼: 1× = 2.1 mm/s (밸런싱 후 낮음), ½× = 1.8 mm/s, 2× = 3.2 mm/s, 3× = 2.5 mm/s, 4× = 1.8 mm/s, 5× = 1.1 mm/s, 6× = 0.7 mm/s.

진단: 기계적 유격(B형). 1/2배 하위 고조파를 포함하는 고조파 계열이 특징입니다. 밸런싱을 통해 1배 보정은 되었지만, 전체 진동을 지배하는 유격으로 인해 발생하는 고조파는 해결할 수 없었습니다.

행동: 점검 결과 베어링 하우징이 받침대 구멍에서 0.08mm 헐거워진 것이 확인되었습니다. 하우징을 재가공하고 새 베어링을 장착했습니다. 수리 후 모든 고조파가 기준선 수준으로 떨어졌습니다. 전체 변동폭은 1.4mm/s입니다.

사례 3: 압축기 모터 - 전기식인가 기계식인가?

기계: 4극, 50Hz, 1485RPM으로 회전하는 유도 전동기가 스크류 압축기를 구동하고 있다. 진동이 3개월 동안 2.0mm/s에서 5.5mm/s로 증가했다.

스펙트럼: 100Hz(= 2FL)에서 주요 피크가 나타남. 또한, 24.75Hz에서 1× 피크(1.2mm/s)가 나타나고, 1× 주변의 측파대는 ±1.0Hz 간격으로 나타남.

핵심 테스트: 정전 시 100Hz 피크는 한 바퀴 회전 내에 0으로 떨어졌습니다. 1배율 측파대는 감속 중에도 지속되었습니다.

진단: 두 가지 문제: (1) 전기적 - 2FL을 유발하는 고정자 편심. (2) 기계적 - ±1.0Hz(= 1.0% 슬립이 있는 4극 모터의 극 통과 주파수)에서의 1× 측파대는 회전자 막대 결함이 발생하고 있음을 시사합니다.

행동: 모터를 재권선 작업 의뢰했습니다. 확인 결과, 로터 바 2개가 파손되었고, 베이스 처짐으로 인한 스테이터 편심이 발견되었습니다. 재권선 및 심 조정 후 진동수는 1.6mm/s로 감소했습니다.

고조파 분석용 진동 분광기 장비

그리고 발란셋-1A 및 발란셋-4 실시간으로 제공합니다 FFT 스펙트럼 분석 조화 커서 추적 기능을 통해 1배, 2배, 3배 패턴의 현장 식별 및 고장 진단이 가능합니다. 이 장치는 진단을 위한 진동 분석과 정밀도를 결합합니다. 밸런싱 교정을 위해 — 문제를 파악하고 하나의 도구로 해결하는 것입니다.

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