진동분석 개요

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진동분석 개요

진동이란

일반적으로 어떤 물체가 기준 위치에 대해 반복 운동을 할 때 그 물체는 진동한다고 말한다. 이때 기준 위치에 대해서 다시 그 위치로 돌아오는데 걸리는 시간을 주기라고 말한다. 1초 동안 완전한 운동 주기가 일어나는 횟수를 주파수라고 말하며, 단위는 Hertz(Hz)를 사용한다.

물리적인 의미의 진동은, 같은 시간 간격으로 되풀이 되는 모든 운동을 주기운동 혹은 조화운동(harmonic motion)이라고 하는데, 이 주기운동을 하는 입자가 운동하는 경로마저 같을 경우 이 운동을 진동이라 한다. 이 진동의 예로는 손목시계의 태엽 바퀴의 진동, 바이올린 줄의 진동, 음파가 통과해 갈 때 일어나는 공기분자의 진동 등을 들 수 있다.

진동은 소리굽쇠와 같이 하나의 주파수에서 발생되는 단일 성분으로 구성되거나, 또는 내연기관의 피스톤 운동과 같이 동시에 다른 여러개의 주파수에서 발생되는 여러 성분들로 구성된다. 실제 대부분의 진동 신호는 동시에 일어나는 매우 많은 주파수들로 구성되어 있으므로 구성되는 주파수 성분과 어떤 주파수에서 진동이 발생되는가를 아는 것은 어렵다.

일반적으로 진동은 진폭-시간 혹은 진폭-주파수의 관계로 나타낸다. 대개 진폭-시간의 관계로 진동을 나타내기도 하지만 이 경우 복잡한 진동 신호의 경우 그 구성 주파수와 진동을 발생시키는 주파수를 찾는 것은 매우 어렵다. 따라서 이 관계를 진폭-주파수로 변환시켜 관찰하는데 이처럼 진동신호를 각각의 주파수 성분으로 분리하는 것을 주파수 분석이라고 한다. 이 주파수 분석은 진동을 측정하여 해석하는 기본적인 기술이다.

진동의 심한 정도를 나타내는 특성인 진폭은 다양한 방법으로 정량화되어 진다. 대표적으로 Peak-To-Peak, Peak, Average, RMS 값을 들 수 있다.

Peak-To-Peak
피크-피크 값은 파의 최대 변화를 나타내기에 편리하다. 따라서 진동의 변위가 중요시 되는 경우 사용된다.
Peak
피크 값은 짧은 시간에 일어나는 충격 등과 같은 크기를 나타내기에 유용하다. 그러나 이 값은 단지 최대 값 만을 표시할 뿐이며, 시간에 대한 변화량은 나타내지 않는다
Average
평균값은 정류된 값으로 파의 시간에 대한 변화량을 표시하지만 어떤 유용한 물리적 양과는 직접 관련이 없기에 실제적으로 사용범위가 국한 되어 있다.
RMS
RMS(root mean square) 값은 시간에 대한 변화량을 고려하고, 진동의 파괴적 능력을 나타내는 에너지량과 직접 관련된 진폭을 표시하므로 진동의 크기를 표현하는데 가장 적합하다.

진동하는 소리굽쇠의 변화는 변위, 속도, 그리고 가속도로 표현할 수 있다. 이때 진동의 모양과 주기는 변위, 속도, 가속도 중 그 어느 것으로 표현되든지 간에 똑같다. 한 가지 차이점은 세 매개 변수들 사이에는 위상차가 존재할 뿐이다.

정현파 신호에 있어서 변위, 속도 그리고 가속도 진폭은 주파수와 시간의 함수에 의해 수학적으로 연관된다. 만약 위상을 고려하지 않을 경우, 속도는 주파수에 비례하는 임의의 상수로 가속도를 나눔으로 얻을 수 있고, 변위는 주파수의 자승에 비레하는 상수로 가속도를 나눔으로 얻을 수 있다. 보통 이 부분은 측정 장비에서 전자 적분기에 의해 수행된다.

진동분석이란

단순 진동값 (Overall Vibration)

단순 진동값이란 측정지점에서 발생하는 진동의 크기를 하나의 숫자로 표시하여 나타내는 방법이다. 이 값은 측정된 값들과 비교하고, 또 미리 설정된 알람치와 비교하여 현재의 상태를 나타내어 준다. 또 이 진동값을 효과적으로 관리해 주는 경향 그래프(Trend Plot)를 이용하면 진동값이 어떠한 추이로 상승하고 있는지 쉽게 알 수 있으므로 기계 상태를 한눈에 파악할 수 있다.

단순 진동값을 측정하는 방법은 기계 상태를 쉽고 빠르게 측정하는 것으로부터 시작하는 것도 좋은 방법이 될 수 있다. 주기적으로 진동값을 측정하고 과거의 기준값 그리고 알람치와 비교하여 꾸준히 경향을 관리해 나간다면 기계 상태와 관련된 유익한 정보를 얻을 수 있을 것이다.

진동파형 분석

진동파형이란 시간에 따라 진동 신호가 변하는 모양을 그대로 그린 것이다. 현재의 진동파형을 과거의 파형이나 기준파형(좋은 상태의 파형)과 비교하여 주기(주파수)나 진폭의 변화를 찾아낼 수 있다.

진동파형 분석은 보통 주파수 스펙트럼 분석의 보조 기능으로 쓰인다. 스펙트럼 분석으로 진단이 어려운 경우 파형 분석이 유용한 경우에 가끔씩 쓰인다.

FFT 스펙트럼 분석

다른 종류의 기계결함은 다른 주파수의 진동으로 나타나므로 진동신호를 주파수로 분석하여 보면 대단히 유용한 결과를 얻을 수 있다. 데이터 수집/분석기, 온라인 데이터 수집장치 또는 분석기에는 FFT(Fast Fourier Transform)를 계산하여 처리하는 기능을 갖고 있다. 특정한 주파수 성분에서 일어나는 진동의 양을 그 주파수에서의 크기(Amplitude)라 하며, 크기와 주파수의 관계를 그린 것을 FFT 스펙트럼이라고 한다.

만약 어떤 기계 결함이 있을 경우, FFT 스펙트럼을 분석하여 보면 결함이 어디서 발생되고 있는지 그 원인은 무엇인지, 또는 어느 정도의 시간이 경과하면 심각한 고장에 이르게 될 지도 알아낼 수 있다.

현재의 FFT 스펙트럼을 정상 운전시 측정되어진 "기준 스펙트럼"과 비교하여 보면, 스펙트럼의 모양이나 각 성분의 크기가 변한 것을 알 수 있다. 여기서 특정 주파수 성분의 진동값이 상승하거나 없었던 주파수 성분의 진동이 새로이 나타나는 경우, 그 주파수와 관계없는 결함이 발생 또는 진행되는 것을 나타낸다. (예를 들어, 언발란스, 미스얼라인먼트, 베어링 결함, 구조적 헐거움 등)

이와 같이 FFT 스펙트럼은 기계 상태를 계량하는데 매우 유용하게 사용된다. FFT 스펙트럼은 기계의 상태를 나타내주고, 스펙트럼 분석을 통하여 이상 진동의 원인을 찾아낸다. 더 나아가, 일정한 주기로 스펙트럼 데이터를 측정하고 이들을 경향관리(Spectrum Trending)하면 기계 이상을 조기에 발견해 내어, 심각한 고장을 일으키기 전에 계획적인 정비(예지정비)를 가능하게 해 준다.

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