발란스 개요

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발란스 개요

Balance란

Balancing의 정의

제품이 제작되면서 회전체의 무게 분포가 일정하지 않아 일정 부분의 무게가 무겁거나 가벼운 상태가 되는데, 이 부분이 회전에 의해 보다 작거나 큰 원심력을 얻게 돼 진동을 일으키는 원인이 된다. 이 불균형을 수정하는 것을 Balancing(발란싱)이라 한다.

불균형의 종류는 정불균형(Static-unbalance)과 동불균형(Dynamic-unbalance)으로 나뉘는데 동불균형은 Balancing Machine에 적용되며 단면 및 양면 수정방법으로써 양과 위상을 검출하여 수정한다.

Balancing의 필요성

회전체의 동발란싱 작업은 비제조원가가 아니라 제조공정에 필수적인 요소이다. 엔지니어는 회전체의 불균형에 의한 주기적이 힘(진동)은 마모와 파손의 원인이 되며 이러한 현상은 정적인 하중보다 영향이 훨씬 크다는 사실을 잘 알아야 한다.

회전체의 불균형으로 인해 발생되는 진동은 주축의 변형이 생기도록 하며 주축을 지지하고 있는 베어링을 단시간내 못 쓰게 하는 등 기계의 수명에 치명적인 영향을 끼친다. 또한 이로 인해 발생하는 소음은 작업자를 피로하게 하여 생산성을 저하시키며 이 기계로부터 생산되는 제품은 질적인 면에서 경쟁력을 잃게 되기도 한다. 이상으로부터 적은 시간과 비용의 투자로 얻어지는 Balancing의 이점은 현대의 생산라인에 사용되는 모든 기계의 필수 불가결한 요소라 할 수 있다.

Balancing 규격

허용불균형이란 회전체의 불균형 허용한계치(상한치)라 정의할 수 있는데 회전체가 갖는 종류, 형상, 회전수, 기계 전체의 중량, 사용목적, 설치장소, 주위 여건 등에 따라 그 결정요인이 너무 많기 때문에 허용불균형의 결정은 매우 어렵다.

따라서, 국제규격의 필요성이 인정되어 1973년 ISO-1940『Balancing Quality of Rotating Bodies』가 제정되었으며(JIS. B. 0905-1978, KS B 0612-82 내용 동일) 일반적으로 이 규격에 의하여 허용불균형을 산출한다.

Balancing 작업사진

Field Balancing(필드 발란싱)과 Dynamic Balancing(샵 발란싱)

진동을 발생시키는 원인으로는 충격가진력과 원심불평형력을 들 수 있다.
이 중에서 원심불평형(Unbalance)은 원심의 불평형력(F= mrw²)으로 작용하여 회전기계전체의 결함현상의 80% 이상을 차지하는 매우 중요한 결함 원인이기도 하며, 다른 원인(축정렬 불량, 베어링 불량, 베어링 조립불량 등)에 의해 파생되는 2차 결과이기도 하다.
아무튼, 진동분석에서 말하는 이 회전, 원심불평형력(1X, 1Order)을 제거한다면 다른 결함요소를 찾는데 최선의 방법이 될 것이다.
회전기계에는 이 Unbalance가 반드시 존재한다는 의미는 '없앨 수 없다'는 말과 같다.
소위 ‘발란싱’이라고 불리는 회전불평형력의 교정작업은 불평형력을 줄여주는 것으로서 발생면(Plane)에 따라 단면 발란싱, Multi 발란싱(Dynamic)으로 나눌 수 있고, 교정작업을 하는 장소로 구분해 본다면 필드 발란싱과 샵(랩) 발란싱으로 불리운다.
  1. 1. Dynamic Balancing (샵 발란싱) 두께가 직경에 비해 거의 작은 평면은 발란싱한다면 그 단일 평면에 불평형질량이 위치한 점의 축기준 반대방향에 동일한 모멘트의 질량을 부착시키면 되는 일이지만, 직경의 1/4배 이상인 두께를 가진 회전평면이라면 단면 발란싱을 하더라도 교정이 불가능하다. 왜냐하면 X, Y 방향이 아닌 Z 방향의 ‘우력’이 발생하기 때문이다. 따라서 두 평면에 각각 Unbalance량이 존재하여 두 평면을 동시에 교정하여야만 진동량을 감소시킬 수 있다.
  2. 2. Field Balancing (필드 발란싱) 보통 회전체는 회전축을 포함하여 큰 기계를 구성하므로, 회전축과 동일한 회전수를 낼 수 있는 현장에서 발란싱 작업을 해주는 것이 좋다. 하지만, 환경이 여의치 않을 때는(스페어 설비를 바로 교체하여 가동해야 하는 중요 설비인 경우) 샵(Shop, Lab)에 회전체(Rotor)를 운반하여 교정작업을 한 다음 재조립하게 된다.
    이때 중요한 점은, 정상회전상태에서 발란싱을 하는 것이다. 하지만 샵에서 작업하는 발란싱은 정상가동회전수가 아닌 저속, 최적 회전수에서 측정을 하여 작업을 하므로, 평면을 발란싱하지만 축의 불평형력은 감안하지 못한다. 불평형력은 대부분 위상과 진동량으로 측정하고 교정결과를 확인하므로, 재조립시 프레임에서 생산되는 제2의 불평형력과 구속설비와 기타 '공진'에 대해서도 취약한 면이 있다. 또한 대형고속설비인 경우에는 감히 엄두도 내지 못하고 있는 것이 현실이었지만, 다행히도 국내 한국기계연구원에 대형 고속 발란싱 장치가 가동되고 있다.

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