회전체 진동 측정

[Kim byoungil]

1. 회전체 진동

가. 개요

진동에 대한 관심은 인간이 기계를 발명하고 나서부터 시작되었다. 대상 기계의 상태 변화나 열화 등의 문제 발생시 대개의 경우 이는 곧 진동의 변화로 나타나게 되며 따라서 우리가 유용하게 이용할 수 있는 정보(information)를 포함하고 있다. 일반적으로 진동이라 함은 어느 기준점을 중심으로 반복되는 동적인 움직임을 말한다. 이는 대부분의 기계류에 있어서 원래부터 의도한 움직임 이외의 원치 않는 효과로 인식되며 이로 인하여 발생 가능한 여러 기계고장 등에 대한 대책등에 많은 관심을 쏟고 있다. 따라서 진동 정보를 잘 이용 시 기계의 건강상태 뿐만 아니라 고장의 진단 등의 범위까지 효과적으로 유용가능 하므로 공장의 생산성 향상과 더불어 안전 관리면에서도 큰 효과를 거둘 수 있다.

진동분야는 대상 시스템의 성격, 구성에 따라 크게 구조물 진동 분야와 회전체 진동 분야로 나눌 수 있으며 이들 각각의 원리등에 따라 그 진동 특성들이 상이하므로 관련 용어, 이용 데이터, 그리고 접근 방식등에서 차이를 보이게 된다. 여기에서는 회전체 진동분야에 대해서만 접근하여 보기로 한다. 내용을 다룸에 있어서 일반 교과서와 같은 기본 자연법칙에 근거하여 유도된 수식 등을 이용한 접근방식을 지양하고, 실제로 산업 현장에서 많이 이용되고 있는 개념과 용어 등을 근간으로 하여 회전체 진동의 실체 이해에 접근하고자 한다.

나. 진동의 기초

1) 회전체 진동

회전체 진동은 일반 구조물의 진동과는 달리 관심의 대상이 되는 시스템 자체가 돌고 있으므로 이로 인해 주변 구성요소에 의한 것과는 별도로 자체적으로 진동의 발생 원인을 가지고 있는 것이 특이한 점이라 하겠다. 즉 회전하는 축(rotor)에서 보면 회전 축 자체의 기하학적 중심점과 실제 무게 중심점 과의 불일치에 따라 기본적인 진동의 원인이 상존하며 이로 인한 기본 진동을 “불평형(unbalance)”라 한다.

2) 회전체 진동 감시의 목적

산업체에서 회전 기계류의 역할이라 함은 기본적으로 대상 플랜트에 동력을 제공하고 공정간의 진행 및 다양한 형태의 에너지원으로서의 주 역할을 담당하게 된다.

따라서 이러한 주된 기본기능을 담당하고 있는 회전기계류를 관리한다는 것은 곧 대상플랜트에서의 안전성 관리, 유지 보수 비용의 절감, 생산 가동률의 향상이라는 측면이 부각될 수 있으며 부수적으로는 여러 장비나 기법을 통한 관리방식을 구축함으로서 새로운 기술의 습득이라는 면도 하나의 감시 목적이라 할 수 있다.

3) 회전 기계류의 분류

이는 기계의 중요성, 베어링의 종류등에 따라 아래와 같이 분류할 수 있다.

3.1) 회전 기계의 중요도에 따른 분류

아래와 같은 세 가지로 분류할 수 있으며 이는 기계 제작사나 산업 현장 별로 다르게 인식될 수 있다. 진동이라는 변수에 근거하여 볼 때 문제 발생 시 해당 공장 설비 가동에 막대한 영향을 끼칠 수 있는 기계류, 즉 발전소의 Turbine Generator, 석유 화학 공장의 Compressor, 원자력 발전의 경우 Reactor Cooling Pump 등이 “중요 기계류 (Critical Machinery)”로 분류되며 대략 공정의 70% 이상에 영향을 줄 수 있는 정도의 중요성을 가진 기계를 통칭한다. 이에 반하여 항시 여분의 기계가 대기하고 있으며 병렬 운전이 될 수 있는 기계류, 즉 소형 Motor, Fan, Pump 등의 기계류를 “일반 기계류 (General Machinery)”라 분류하고 이는 일반적인 소형 기계들을 통칭한다. 이러한 일반 기계와 중요 기계 사이에서 나름대로의 공정 영향도나 중요성은 가지되 별도의 24 시간 상태 감시를 하고 있지 않은 기계들을 “필수 기계류 (Essential Machinery)”라 하며 문제 발생 시 대략 공정의 30% 정도에 영향을 끼칠 수 있는 기계류를 통칭한다.

3.2) 베어링의 종류에 따른 분류

a. Sleeve Bearing

b. Rolling Element Bearing

위에 언급한 기계류는 중요도에 따라 적용되고 있는 감시 및 관리 방식이 다른 것이 보통인데 이는 바로 감시하고자 하는 설비의 상태를 나타내는 변수인 진동의 특성이 다른점에 기인하게 된다.

대부분의 중요 기계류와 일부 필수 기계류의 경우 다양한 기계 공학적 이유에서 (하중 분산, 유지 보수, 경제성 등) 회전 축과 고정체 사이에 유체를 적용하여 유막에 의한 베어링 역할을 가능케 하는 유체 유막 베어링 (Fluid Film Bearing)이 적용되며 이를 산업체에서는 그 타입에 따라 ‘Journal Bearing, Metal Bearing, Tilting Pad Bearing, Fluid Film Bearing…’ 의 여러 가지로 부르고 있다. 진동의 근원지인 회전 축에서 발생되는 동적 움직임이 유체 유막을 통해 전달되는 과정에서 감쇄 (Damping) 되며 따라서 외부 하우징이나 케이싱에서 관측하는 방식으로는 효과적인 변수 감시가 제한을 받게 되므로 직접 축의 움직임을 상대적으로 관측 가능한 비접촉 변위 센서를 적용하여 관리하는 것이 일반적이다. 이러한 기계는 대부분 각 베어링 부위에 영구적으로 변위 센서들이 설치 되어 각 포인트 별로 데이터를 24시간 감시하고 문제 발생 시 이미 설정한 경보 범위에 따라 기계 정지 신호를 발생시키는 Monitoring System을 기본적으로 가지고 있다. 근래에는 여기에 전달되고 있는 연속 신호를 컴퓨터 시스템을 이용하여 On-Line Continuous로 취득, 처리하여 분석함으로써 본질적인 예지 보전 체제를 갖추는 것이 일반화 되고 있다

한편 대부분의 일반 기계류와 일부 필수 기계류의 경우 회전 축과 고정체 사이에 구름 요소를 적용하여 베어링 역할을 하고 있는 데 이러한 타입을 “Rolling Element Bearing”이라 한다. 진동의 특성은 위와는 다소 차이가 있어 회전 축이 발생시키는 진동이 베어링을 통해 대부분 효과적으로 케이스에 전달되므로 속도 및 가속도 센서를 적용해도 효과적으로 감시가 가능하다. 대부분의 사업장에서는 과거 이러한 기계류의 감시 및 관리에 간단한 Portable Equipment를 사용하였으나 대상 기계가 무한하다는 장점 보다는 지속적 경향 관리의 문제점, 일관성의 부족, 측정 시간 간격 사이의 문제 발생 시 데이터 취득 불가능, 이용 데이터의 제한 등으로 인하여 그 단점이 더 부각되고 있는 현실이다. 따라서 근래에는 Portable 방식의 경제성과 On-Line Continuous 방식의 장점을 겸하여 일반 기계류에 적용 가능한 방식의 “On-Line Continuous” 방식이 90년대 초부터 적용되어 효과를 입증하고 있다. -

다. 진동의 변수들

현장에서는 흔히 진동이 크거나 작다는 표현을 많이 사용하고 있다. 또한 대부분의 사업장에서 사용하고 있는 진동 측정 장비의 기능과 센서의 타입, 그리고 그 의미를 제대로 이해하지 못한 상태에서 데이터를 수집하고 이용하는 경우가 많이 존재하고 있다. 이는 가장 진동 해석의 기본이라 할 수 있는 데이터 계측과 적용이라는 부분을 간과한데서 비롯한 것으로 이에 대한 올바른 접근이야말로 가장 기초적인 필요 조건이라 할 것이다. 진동치에 대한 표현은 기본적으로 비교 대상이 되는 기존의 참조 데이터가 있거나 기계 제작사에서 알려준 기준 진동치에 비교하여 언급되게 되는 데 실제로 이러한 표현을 진동 진폭의 종류 (변위, 속도, 가속도)와 진동 방향 및 성분, 그리고 진동의 모습과 위치 등의 정보와 함께 언급되는 경우는 매우 드문 것이 현실이다. 따라서 진동의 특성과 그 적용대상의 특성에 기인한 접근이 어려워지는 가장 기본적인 이유가 되며, 이러한 현상으로 인해 필요 시 주변 전문가의 조언을 요청할 때에도 반복적인 확인과 데이터의 재 수집 등의 추가 작업과 시간이 요구된다. 사물의 한 면만 보고 올바른 형상과 관측이 불가하듯 진동 분석이란 과정 역시 다양한 형태의 정보가 모여 하나의 주된 문제점의 가능성을 추론해 나가는 과정을 거쳐야만 한다. 그러나 대부분의 경우에 있어서 단지 진동의 수치나 성분, 즉 진폭과 주파수에 의존하여 진동을 표현하고 있으며 이로 인해 분석에 매우 제한적일 수 밖에 없음을 현장에서는 잘 알고 있을 것이다. 구조물의 진동 해석과는 달리 회전체의 경우 회전 속도에 관련된 진동 성분의 존재 특성과 회전 상태에서의 특성 변화 등을 고려, 진동하는 위치와 모습, 그리고 진동 방향 등이 매우 중요하고 동시에 센서의 타입에 따라 가장 적절한 기계 요소와 반응이 존재함을 이해하여야 한다.

1) 진동의 변수들

1.1) 진동 진폭

진동의 크기를 의미하는 것으로 센서로부터 전달되는 전체 진동 신호 (Direct Signal, Raw Signal 또는 Unfiltered Signal이라 함)의 크기와 각 성분별 진동 신호 (1X, 2X 등의 Filtered Signal을 의미)로 나뉘게 된다. 일반적으로 기계 보호를 위한 진동 기준 적용은 전체 진동 신호의 크기를 대상으로 하며 이를 Alarm1, Alarm 2로 설정하여 이용하게 된다. 이러한 진동 진폭은 변위, 속도, 가속도의 세 가지 형태로 수집되며 상황에 따라 수학적 적분을 통해 다른 변수로 변환되어 이용되기도 한다.

a. 변위

변위는 변위 센서(Displacement Transducer, Non-contact Transducer 또는 이를 회전체 진동 측정에 적용하기 시작한 회사인 Bently Nevada사의 제품명인 Proximity Transducer라 언급하기도 함, 학교 및 연구소에서는 Gap Sensor라 부르고 있음)를 이용하여 측정되며 그 단위는 mils나 um를 사용한다. 측정 원리가 대상 축 표면의 상대적 위치 변화에 비례하는 신호를 측정하게 되므로 상승 Peak에서 하강 Peak까지의 움직임이 곧 변위가 되므로 표현 단위가 ‘Peak to Peak’로 된다. 전체 진동 진폭에는 다양한 진동 성분이 포함되어 있으므로 그 크기만을 표현하게 되며, 특정 진동 성분의 경우는 각 성분의 크기 뿐만이 아닌 방향 정보(위상각 이라 하며 뒷부분에 설명됨)를 함께 표현하게 된다. 이를 표현한 예는 아래와 같다.

Direct Signal Amplitude : 25 um pp

1X Filtered Signal Amplitude : 20 um pp ∠150˚

일반적으로 변위 센서는 와전류 (Eddy Current) 방식을 적용하고 있으며 관측 대상인 축의 종류에 따라 센서의 감도 (Sensitivity 또는 Scale Factor)가 달라지게 된다. 가장 기본적인 구성은 3가지 부분, 센서 부분인 Probe, 연장 케이블인 Extension Cable 그리고 이러한 센서에 전원 공급 및 신호 처리를 담당하는 Proximitor 부분으로 되어 있다. 이를 하나의 시스템으로 부르고 있으며 이는 곧 구성품 중 한 부분의 손상으로 교체 필요 시에 나머지 부분품과 전기적 특성이 일치하는 같은 Part Number를 가진 것으로 교체해야 함을 의미한다. 표준 타입의 센서가 측정할 수 있는 주파수 범위는 ‘0 ~ 10KHz’ 이며 반경 방향으로 측정 가능한 거리는 Probe Tip 부분의 직경에 비례하여 커지게 된다. 표준 타입의 센서인 11mm Proximity Probe의 경우 약 10 mils ~ 90 mils (254 um ~ 2,286 um)의 구간을 측정 가능하다.( Fig . 5.1)

설치는 축 진동을 측정키 위해 베어링 하우징을 관통하거나 최소한 베어링으로부터 6인치 이내에 두 개의 센서를 X, Y 90도 간격을 유지하여 설치하게 된다. 이로서 측정 대상의 진동 진폭 뿐만 아니라 진동 궤적, 위치, 방향 등의 정보를 취할 수 있게 된다. 90도 간격이 유지되지 않을 경우 두 센서의 신호를 합성하여 정보를 제공하는 Orbit, Full Spectrum, Shaft Centerline Plot등의 데이터는 왜곡된 정보를 전달하게 된다. 타 센서와는 달리 변위 센서에서는 그 측정 방식의 특성으로 인해 임의의 중심점을 기준으로 반복되는 움직임인 진동 신호와 센서의 Tip 부분부터 진동의 중심까지의 평균 거리인 위치 신호가 동시에 제공된다. 이러한 원리로 인하여 진동에 의한 경보 기능이외에도 위치 정보에 의한 경보 기능까지도 구현할 수 있다. 또한 축 방향의 위치 변화를 측정하는 Thrust Type Transducer로도 적용된다.(Fig. 5.2)

b. 속도

속도는 속도 센서(Velocity Transducer/ Pickup 또는 Seismic Transducer라 언급함)를 이용하여 측정되며 그 단위는 in/sec나 mm/sec로 표현하며 변위의 경우와는 달리 진동 신호 파형이 그 중심점을 기준으로 위, 또는 아래 방향으로 속도 크기를 표현하는 것이므로 ‘Zero to Peak’ 또는 ‘0 to pk’, ‘pk’라는 단위를 사용한다. 현장의 일부 엔지니어와 기계 제작사, 그리고 진동 관련 Spec.에서는 신호의 실효값을 표현하는 ‘rms (root mean square)’ 단위를 사용하기도 한다. 이는 진동 신호를 표현하는 당사자 간의 입장에 의해 선호되는 단위가 달라지게 되며 진동 분석을 담당하는 본사의 경우는 ‘pk’ 단위를 주로 이용하고 있다. 그 예는 다음과 같다.

Direct Signal Amplitude : 25 mm/sec pk

1X Filtered Signal Amplitude : 20 mm/sec pk ∠150˚

다른 타입의 센서에 비하여 가장 먼저 개발되어 현장에 이용된 센서로서 측정 원리가 센서 내부의 고정된 자석과 스프링에 지지 되어 움직이는 코일 간의 부착 대상 표면의 속도에 비례하는 신호를 발생하게 된다. 이러한 움직임에 의한 자체적인 전압 발생으로 외부 전원이 필요 없이 이용할 수 있는 장점이 있는 반면 원리 상 기계적인 움직이는 부분의 존재에 의해 일정 기간 사용 시 피로 응력의 누적으로 센서의 감도가 변하게 되는 단점을 가지고 있다. 이러한 이유로 주기적인 Calibration이 요구되나 설계 특성이나 이를 위한 장비 구입 비용 등을 고려할 때 통상 3년 정도 사용 후에는 새로운 Spare Part로 교체하여 이용하고 있는 것이 일반적이다. 또한 구성 원리 상 크기가 타 센서에 비해 큰 것이 때로는 설치 조건을 어렵게 하는 경우도 존재한다. 설치 각도가 타 센서에 비해 제한을 받으며 이러한 조건은 센서의 외부에 표시되어 있다. 기계적 움직임인 진동을 기계적 움직임에 비례하여 측정하는 방식의 한계로 인해 표준 타입의 센서의 경우 측정 범위가 다소 적은 ’10 Hz ~ 1K Hz’이며 이보다 더 적은 대역의 주파수도 측정 가능한 센서가 있다.

외란의 간섭을 적게 받는 특성으로 인해 측정 신호가 비교적 깨끗한 편이며 측정 가능한 중간 주파수 대역에서의 신호 특성이 매우 좋은 편이다.( Fig . 5.3, Fig . 5.4)

c. 가속도

가속도는 가속도 센서(Accelerometer 또는 Seismic Transducer라 언급함) 를 이용하여 측정되며 그 단위는 m/sec2나 g로 표현하며 속도의 경우와 마찬가지로 ‘Zero to Peak’ 또는 ‘0 to pk’, ‘pk’라는 단위 및 ‘rms’ 단위를 사용하기도 한다. 그 예는 다음과 같다.

Direct Signal Amplitude : 25 m/sec2 pk

1X Filtered Signal Amplitude : 20 m/sec2 pk ∠150˚

측정 방식은 압전 소자 방식, 저항 방식 등 다양한 편이며 그 크기 또한 다양하게 제작 가능하다. 타 센서와 비교하여 설치 상태의 적절성 여하에 따라 매우 민감한 센서로서 설치 표면의 상태, 적용 Torque, 센서 케이블 고정 상태 등에 따라 Noise 및 전기적 외란의 유입이 상대적으로 용이하여 주의하여 설치하여야 한다. 이는 근래에 발전소 및 각종 산업체에서 실제 이러한 연유로 인해 발생한 문제점의 분석과정에서 접한 것으로 센서 설치를 단순한 장착 정도로 고려한데에서 기인했던 경우들이 있었다. 센서 크기가 다양한 만큼 별도로 표준 타입의 센서를 규정하기 어려우며 측정 범위 역시 다양한 편이다. 따라서 ’10 Hz ~ 1KHz /3KHz /10KHz /15KHz / 25KHz…’등 다양하며 가격 역시 다양한 차이를 보인다.(Fig. 5.5, Fig. 5.6)

2) 기계 요소와 진동 특성에 기인한 센서의 적용

2.1) 속도 센서

일반적으로 속도 센서는 베어링 하우징이나 케이싱에 설치하여 적용하는 타입이므로 주로 센서 밑면에 Magnetic Base를 부착하여 진단 엔지니어들이 현장에 임시로 설치하여 운용하는 경우가 많으며 Casing 이나 Housing Looseness등의 진동 문제에 매우 민감하게 반응하는 특성이 있다. 이를 동 분야의 용어로 설명하면 Structural Stiffness Measurement에 유용한 능력을 발휘하는 것으로 인식되고 있다. 따라서 케이싱의 균열, 강성의 변화 측정에 매우 강한 센서 타입으로 이해되며 특히 500 Hz 정도의 중간 대역에서 매우 양질의 데이터를 제공하는 것으로 알려져 있다.

2.2) 가속도 센서

가속도 센서의 경우 센서가 가속을 측정한다는 것은 곧 운동 방정식을 고려할 때 힘을 측정함을 의미하는 것으로 다른 변수에 비해 힘의 변화와 측정이 요구되는 기계 구성 부분, 즉 구름 요소 베어링이나 기어 박스와 같은 구성 원리 상 항시 마찰이나 힘의 변화가 존재하는 부분에 적용할 경우 효과적인 성능을 발휘하게 된다. 따라서 단지 측정 범위나 센서 크기의 다양성 때문에 이 센서가 적용되는 것이 아님을 이해하여야 할 것이다. 일부 현장에 방문하여 보면 동 분야의 업체 중 가속도 센서 위주로 시스템을 구성하는 일부 업체에서 타 센서의 측정 범위를 줄여서 잘못된 정보를 제공하며 가속도 센서가 모든 해법인 것처럼 소개하고 있음을 볼 수 있는데 이는 일부 사용자들의 센서에 대한 무지를 이용한 영업 방식으로 이해된다. 따라서 사용자가 좀 더 이러한 분야에 대한 이해를 보강하여 해당 기계류에서 파생 가능한 주파수 범위와 베어링 종류, 그리고 진동 특성을 고려하여 이에 가장 적합한 센서의 선택을 함으로서 비용적, 질적인 선택이 가능하여야 할 것이다.

2.3) 변위 센서

변위센서는 세 가지의 센서 타입 중 가장 다양한 형태의 정보를 제공할 수 있는 타입으로 공장 내 가장 주요한 기계류가 대부분 유체 유막 베어링을 이용하기 때문에 이러한 기계류의 진동 특성의 해석과 접근에 가장 유용한 데이터를 제공한다. 베어링 간극 내에서 기동이나 정지시의 축 위치의 변화와 하중 변화 및 Alignment 변화에 대한 측정, 반경 방향의 진동 진폭, 위상 그리고 축 중심선의 궤적 정보를 이용한 다양한 Malfunction의 분석 등에 이용하게 된다. 또한 저속 (일반적으로 100 ~ 500 rpm)에서의 실제 진동 성분이 아닌 축 굽음이나 표면상의 흠집, 전기적 혹은 기계적 Runout에 의한 데이터를 보상하여 실제 데이터를 추출하는 것 등은 유일한 변위 센서만의 특징이 된다.(Fig. 5.7)

이러한 진동 값들은 가장 기본적으로 각각의 센서 타입에 의해 수집되나 수학적 신호 처리 과정을 통해 가속도 센서를 이용하여 수집된 데이터를 적분, 속도나 변위로 처리하여 이용하게 되는 경우가 허다하다. 이 경우 기본적으로 한번 정도의 적분을 통한 신호 처리는 허용 가능하나 두번의 과정을 거쳐 처리되는 경우를 금하고 있다. 즉 가속도 센서를 이용하여 두 번의 적분 과정을 거쳐 변위로 표현하는 방식을 내부적으로 금하고 있다. 이는 만일 회전수에 비례하여 Subsynchronous 진동 성분이 존재할 경우 이중 적분의 원리 상 그 크기가 과장되어 표현되므로 왜곡된 크기 정보를 제공할 가능성이 있기 때문이다. 따라서 타사의 장비를 사용하여 이러한 기능을 사용하는 경우는 미리 가속도 신호의 성분을 점검하여 위에 언급한 내용에 대한 검증을 거친 후 이용하는 것이 바람직할 것이다.

3) 진동 주파수 (진동의 성분)

진동이란 물리적 변수에는 진동의 성분을 의미하는 주파수 정보가 포함되어 있다. 구조물과는 달리 회전체의 경우 본래 고유의 성질들(properties)이 회전속도와 관련되어 변하는 특성을 가지고 있으며, 진동 성분들 역시 회전속도와 연관하여 나타나게 된다. 따라서 회전속도를 정확히 아는 것이 회전체 진동 해석의 가장 기본이며 이를 토대로 각 단계별 분석을 진행하게 된다.(Fig. 5.8~9)

Fig. 5.8  Spectrum Plot      &  Fig. 5.9  Timebase Plot

측정 지점에 설치된 센서를 통해 전달되는 진동 신호에는 기계 진동 신호와 노이즈(진동 이외의 신호들)가 혼합되어 있으며 이를 Direct Signal, Raw Signal, 또는 Unfiltered Signal이라 표현한다. 측정된 신호는 처리과정에서 일차적으로 실제 진동 신호들과 노이즈 성분들을 구별하게 된다. 노이즈란 원래의 정의가 '원치않는 신호'를 통칭하는 말이며, 진동 측정의 경우에는 진동이외의 성분들을 말한다. 이 분야의 전문용어로 Runout이라고 하며 관측 대상 축 표면의 Scratch, 축 굽음 등의 Mechanical Runout과 축 표면 잔류 자기나 라인 노이즈와 같은 Electrical Runout으로 구분된다. 실제 진동 신호 성분들의 경우 회전체의 형상과 구성품에 기인한 신호 성분들과, 회전속도를 기준으로 정수배와 분수배의 관계를 가진 진동 신호 성분들로 구별된다. 이러한 신호 성분 구별과정에서 기본적으로 적용되는 것이 바로 주파수 분석이며 이는 수학적으로 Fourier Transform을 적용하여 간단히 구할 수 있다. 시중의 주파수 분석기(Spectrum Analyzer)는 모두 이러한 원리의 응용이며 요즘은 가장 간단한 기능의 간이 진단장비도 이 기능을 기본적으로 가지고 있다.(Fig. 5.10)

이 단계에서 반드시 이해하여야 할 사항은 회전체 진동의 특성상 진동 진폭과 주파수 분석만으로는 정확한 상태 해석을 위한 정보가 부족하다는 것이다. 이를 강조하는 이유는 국내 대부분의 진동 분야 관련 기술 인력이 구조 진동 부문에 적용되는 해석 기법과 장비, 그리고 방법론을 적용하고 있기 때문에 회전체 해석에 이러한 방식을 그대로 적용하고 있는 사례가 많기 때문이다. 진폭과 주파수, 즉 진동의 크기와 성분에 대한 정보는 가장 기본적인 정보로서 중요한 정보이지만, 회전 기계 상태 분석을 제대로 하기 위한 충분한 정보는 되지 못한다는 것이다. 이는 각종 산업 현장에서 실제 빈번히 발생하는 문제점들에 대한 분석 결과를 보면 쉽게 이해할 수 있다. 일부 책자에서 소개되고 있는 진폭과 주파수 만을 이용한 상태 해석 사례들은 극히 단순한 문제일 경우 (Unbalance의 경우)를 제외하고는 대부분 결과를 경험한 후 반대로 추론한 것으로 실제 현장 적용이 되지 못하고 있는 현실이다. 회전 기계의 용량이나 크기 여하를 막론하고 그 기본 특성은 유사한 것으로 이러한 기계 상태의 동적 반응인 진동 정보 역시 단순하지 않으므로 동일 진폭과 동일 주파수 형상을 나타내도 전혀 다른 진동 문제인 경우가 허다하다.

진동 성분 중 가장 기본적으로 모든 회전체의 진동 정보에 포함되어 있는 것이 바로 회전속도에 비례하는 동기 진동 성분(Synchronous Vibration Frequency)이다. 이는 모든 회전축이 기본적으로 보유하고 있는 특성인 불균형(Unbalance) 성질에 의한 것으로 이를 달리 표현하면 아래와 같다.

"회전축 상의 불균형이란 축의 기하학적 중심과 실제 무게중심의 차이를 말한다" (Fig. 5.11)

Fig. 5.11 단순 Rotor 시스템

이로 인해 축의 1회전 시에 무게 중심 역시 1회전하게 되고, 물리적으로 원심력으로 인해 회전 중심과 축의 기하학적 중심이 일치하지 않게 된다. 쉬운 예로 지구가 자전하는 것이 축의 회전이라면 자전과 동시에 공전하는 것이 축의 진동이라 할 수 있다. 따라서 3,600 Rpm으로 회전하는 축의 경우 아래와 같은 동기 진동 성분이 기본적으로 존재하게 된다.

회전수 : 3,600 rpm

진동수 : 3,600 cpm = 60 cps = 60 Hz

즉 3,600 rpm의 회전속도를 가진 기계에서는 진동의 가장 기본적인 성분으로 60 Hz 성분이 존재하게 되며 이는 회전수와 동기인 성분이므로 통상적으로 "1X"라 부른다. 따라서 이 기계에서 동시에 120 Hz 진동 성분이 존재할 경우 이는 "2X" 성분이라 불리게 된다. 물리적으로 2X 진동 성분의 경우는 축의 단면을 기준으로 축과 베어링을 하나의 시스템으로 간주할 때 x, y 양 방향으로의 시스템 강성 (System Stiffness)의 차이에 의한 성분으로 이해되고 있다. 1X 진동 성분과 마찬가지로 2X 진동 성분 역시 모든 기계 구조물에서는 완벽한 양 방향간의 강성 일치가 되기 불가하므로 어느 정도의 크기를 가지고 존재하게 되나 일반적으로 그 성분의 크기는 1X 진동 성분의 크기에 비하여 매우 작다. 경험적으로 진동 상태가 양호한 기계의 경우 대략 전체 진동 성분의 80%가 1X이며 10%미만의 2X 성분, 그리고 나머지 주파수 성분들이 존재하게 된다. 그러나 이러한 수치는 큰 의미가 없는 것으로 기계 시스템의 형상, 즉 축 또는 베어링 타입의 형상 그리고 정렬 상태 (Alignment)에 따라 2X의 크기가 다르게 나타나므로 그 성분의 크기가 기본적으로 기계마다 차이가 있게 된다. 따라서 이 성분의 크기 여하를 가지고 직접적으로 기계 상태를 판단하기는 어려우며, 과거의 데이터 (Trend)가 있을 경우 그 경향을 분석하여 참조하게 된다.

a.  진동 성분의 특성에 기인한 데이터 수집

: Synchronous & Asynchronous Sampling

진동 측정에 사용되는 모든 계기와 진단 장비들은 각각의 성능에 따라 동일 센서에서 수집된 신호를 처리하는 방식과 능력 또한 차이가 있다. 최첨단의 시설과 용량, 그리고 최신의 신호 처리 능력을 가진 장비가 좋은 것은 당연하겠으나 항상 최고의 성능만이 최고의 결과를 생성하는 것은 아님을 유의해야 한다. 즉 센서의 선택과 마찬가지로 필요 이상의 성능이나 잘 사용치 않는 기능들까지 모두 포함하여 무조건 최고의 성능을 가진 장비를 이용하는 것이 정확한 진단과 분석이라는 목표를 충족시킬 수 있음을 보장하지 않는다는 것이다. 따라서 장비와 시스템을 선택할 때는 어느 회사의 제품이 적절한 주파수 범위와 샘플링 능력을 가지고 있는가? 어떠한 데이터 포맷으로 처리하며 각 포맷의 물리적 의미는? 데이터 처리 과정에서 회전체 진동 해석에 경험적으로 입증된 방식을 적용하고 있는가? 등의 여부가 시스템 선택의 가장 우선 순위가 되어야 할 것이다. 간혹 현장 방문 시 단지 시스템의 사양이나 일부 성능에 치중하여 시스템을 선택한 뒤 제대로 이용치 못하는 사례를 보고 있는데 이는 모두 위에 언급한 부분을 간과한 이유이다. 본 내용에서는 동기 및 비동기 데이터 수집 방식을 설명하고자 하며 이를 통해 왜 이런 기능이 포함되어 응용되고 있는 가에 대한 이해를 돕고자 한다.

먼저 앞 부분에 언급한 회전체 진동의 특성인 회전 속도와의 연관성으로 인해 회전체 진동 측정에는 위상 정보를 제공하는 Keyphasor가 필수적으로 사용된다. 회전체 상태를 가장 민감하게 추종하는 변수가 진동이라는 변수이고, 이로 인한 진동 반응이 회전체의 운전 속도에 밀접하게 연관하여 나타나게 됨은 이미 언급하였다. 동시에 그 구성품의 형상과 구성에 따라 이러한 회전속도와의 연관성이 또한 나타나므로 회전속도를 기준으로 기준 신호를 만들어 내는 Keyphasor를 이용하는 것은 신호 해석과정에서 매우 중요하게 된다. 따라서 센서로부터 전달되는 Direct Signal을 일반 신호 특성과 회전체 특성을 동시에 고려하여 처리하기 위해 진동 관리 및 분석 시스템에서는 두 가지 방식으로 동시에 샘플링을 하게 된다.

즉 Keyphasor 신호를 기준으로 Order Tracking 방식을 이용하여 샘플링하는 Synchronous Sampling 방식과, System Configuration과정에서 결정된 주파수 범위를 기준으로 장비 자체의 Sampling Rate와 System Resolution에 근거하여 샘플링하는 Asynchronous Sampling 방식이 동시에 적용된다. 따라서 회전 속도와 관련된 1X, 2X, 0.5X 등의 데이터에 대한 Trend, Orbit Plot은 Synchronous Sampling을 통해 처리된 데이터를 이용하여 구성하게 되고, Spectrum과 Cascade, Waterfall Plot들은 일반적으로 Asynchronous Sampling 방식으로 처리된 데이터를 이용하게 된다. 상황에 따라 Spectrum 데이터의 경우 양 방식 모두를 선택적으로 이용할 수 있으며 데이터 자체의 성분과 크기 등은 큰 차이가 없으나, 현장에 설치되어 있는 하드웨어의 구성에 따라 때로는 양 방식으로 처리되는 신호들의 범위와 조건이 다를 수 있음을 알아야 한다.

b. Full Spectrum Data

센서를 통해 전달되는 진동 신호는 흔히 표현하는 벡터 물리량으로 이는 곧 크기와 방향 정보를 포함하고 있음을 의미한다. 회전체 진동 성분들은 각기 이러한 물리적 정보를 가지고 있는 반면 지금까지는 일반적으로 주파수 정보 재생시에 이 중 크기 정보만을 이용하여 처리하였다. 그러나 진동 신호에 포함되어 있는 방향 정보는 회전체의 상태 진단 시에 순방향 및 역 방향 진동 성분, 시스템 강성의 변화와 진행 여부 등 매우 다양하며 중요한 내용을 포함하고 있다. 따라서 회전체 진동 특성상 유체 유도 불안정 현상 (Fluid-induced Instability)이 존재할 경우 순방향 진동 성분이 주가 되므로, Orbit 데이터를 통해 이의 존재 여부가 분명치 않을 경우 Full Spectrum 데이터를 통해 동일 주파수 성분의 Positive, Negative Spectrum 크기를 비교하여 이에 대한 판단에 접근하게 된다.(Fig. 5.12)

4) 위상각(진동의 방향 정보)

4.1) 위상과 위상각의 개념

진동 정보에 있어서 방향 정보란 무슨 의미일까? 현장에서 실제 데이터 측정이나 해석 업무에 종사하는 엔지니어, 그리고 연구활동에 종사하는 연구원이나 학생들 대다수에게 이러한 질문을 던지게 되면 대부분 아래와 같은 표현으로 응답하곤 한다. “알긴 아는데 표현하기가…”, “불균형이 있는 위치를 말하는 것이죠” 등이 대표적인 사례이다. 국내 교육 환경 탓이기도 하겠지만 용어를 물리적으로 이해하고 이를 통한 개념상의 연결이 습관화되어 있지 않기 때문이다. (Fig. 5.13)

진동이란 벡터량으로 표현한다. 즉 크기가 있고 방향이 있다는 것을 의미한다. 그러면 센서를 통해 수집된 진동 정보에는 모두 이러한 내용이 적용되는가? 신호 처리 과정에서 아직 여파(filtering)하지 않은 전체 진동 신호에서는 이러한 정보를 가질 수 없다. 즉 Direct Signal은 현장에서 기계 보호 기능 구현을 위한 진동 제한치 설정용으로 이용되며, 이러한 전체 신호에서 관심 있는 특정 주파수 (예로 1X, 2X 등)를 여파하게 되면 이들 신호에는 각각 크기와 방향 정보가 존재하게 된다. 대부분의 경우 방향 정보는 1X, 2X 신호 성분에서만 이용하게 되나 개념적으로는 어느 진동 신호든 방향 정보를 가지게 된다.

위상 각 (Phase Angle)에 대한 정의는 다음과 같이 표현한다. “ 두 사건 사이의 시간 차이를 각도로 표시한 것”. 이를 물리적으로 가장 쉽게 이해할 수 있는 것이 바로 1X의 경우이다. 1X 진동 성분 개념자체가 축의 1회전 시 1사이클의 진동 신호를 말하므로 변위 센서를 사용한다고 하면 센서 입장에서 볼 때 가까워지고 멀어지는 한 사이클이 바로 1X라 할 수 있다. 이때 사이클의 시작점을 어디에 정하는가에 따라 이를 기준으로 한 사이클에 대해 등분하게 되면 0도에서 360도까지의 각도를 설정할 수 있다. 이번에는 축의 단면을 보면 기하학적으로 반경 방향의 진동만을 고려 시 회전 축을 대상으로 일정한 기준점을 설정하게 되면 이를 기반으로 360도라는 각을 설정하게 된다. 축 방향으로 서로 다른 단면을 계측하고 있는 센서를 통해 수집된 신호를 동시에 표현하게 되면 (예로 수직 방향으로 각각 설치된 센서를 통해 수집된) 아래 그림과 같은 신호를 구할 수 있다.(Fig. 5.14)

4.2) 상대 위상

[Fig. 5.15]을 참조하면 어느 한 신호의 임의의 점, 즉 최고 진동 점이나 혹은 최저 진동점을 기준으로 상대 신호를 보면 기준 신호를 중심으로 앞서거나(phase lead) 또는 뒤처지게(phase lag)된다. 이러한 방식으로 기준을 잡고 상대적으로 시간 차이를 각도로 표현하는 것을 우리는 ‘상대 위상각 (relative phase angle)’이라 한다. 주의 할 점은 상대 위상각을 표현할 때는 반드시 두 신호 이상이 있어야 하며 모두 동일한 주파수를 가지고 있어야 한다는 것이다. 이렇게 각도를 표현하게 될 때 관습적으로 최고 진동 점을 기준으로 비교하게 되며, 상대 위상각은 0도에서 180도 사이에서 Lead하거나 Lag 하는 것으로 표현된다.

4.3) 절대 위상과 Keyphasor

이러한 상대 위상 개념은 위상에 대한 개념을 이해하는데 중요하나 실제 회전체 진동 해석과정에서는 ‘절대 위상 각 (absolute phase angle)’, 즉 하나의 일정한 기준 신호를 가지고 위상을 측정하는 개념이 더 널리 이용되고 있다. 회전체를 대상으로 이러한 기준 신호를 만들기 위해서 여러 가지 방법과 기기들이 사용되고 있으며 이들은 모두 기본 원리가 동일하나 그 표현하는 용어와 기준점의 위치, 그리고 이에 의한 보정 여부가 결정된다.

회전체에서 비교 신호에 관계없이 절대적인 기준 신호를 만들기 위해 축 단면상의 한 지점에 Notch나 Projection을 만들고 이를 비접촉식 변위센서를 이용하여 계측하게 되면, 위의 그림에서와 같이 축의 1회전당 1번씩의 펄스를 얻게 된다. 이러한 기준 펄스를 제공하는 역할을 하는 센서를 ‘Keyphasor’라 부르며 절대 위상 측정에 가장 기본적으로 필요한 정보를 제공한다. 따라서 절대 위상이란 이러한 Keyphasor 신호가 펄스하는 시점을 기준으로 비교하는 신호의 어느 시점까지의 시간차이를 각도로 표시하게 된다. 여기서 비교하는 신호에 대한 어느 시점의 결정은 나름대로 물리적 의미가 있는 시점이어야 하므로, 저속으로 회전하는 속도 구간에서는 무게 중심이 존재하는 방향에서 최고 진동 값을 얻을 수 있는 회전체 진동 특성을 이용하게 된다. 즉, 비교 신호에서 Keyphasor 신호가 펄스 한 시점을 기준으로 그 이후 최고 진동 점에 이를 때까지의 시간 차이를 각도로 표시하게 된다. 이것이 바로 우리가 논하는 절대 위상 각을 의미한다.

위의 그림에서 알 수 있듯이 Keyphasor 신호는 1회전 당 한 번씩 펄스하므로 비교 신호가 자연스럽게 1X 신호를 이용하고 있음을 알 수 있다. 그러면 2X 신호의 위상각은 어떻게 측정할 수 있는 것일까?

이는 실제 신호를 이용하는 것이 아니라 계기에서 만들어 내는 가상적인 신호를 이용하게 된다. 즉 Keyphasor 펄스와 펄스 사이에 가상적으로 하나의 펄스가 더 존재하도록 임의로 만들고 이를 기준으로 1X와 동일한 방식으로 위상각을 결정하게 된다. 만일 3X, 4X,…등도 위상각을 결정한다면 동일한 방식으로 적용될 것이다.

4.4) 위상 정보의 응용

위상 정보를 측정하는 방식은 위에 예시한 Keyphasor 센서를 통한 방식이 가장 일반적이며 이외에도 현장 상황에 따라 다양한 방식이 적용된다. 기계 회전 축에 미리 Keyphasor Notch (또는 Projection)이 없는 경우 위상 각을 측정하려면 임시로 이에 준하는 신호를 발생하는 장치를 적용해야 한다. 즉 회전 축 상에 Reflection Tape를 부착 후 광 센서를 이용, 축의 회전 시 그 부분을 지날 때 반사되는 성질을 이용한 Optical Pickup System을 사용하기도 하며, 축의 회전과 동일한 주파수로 빛을 발생하여 사용하는 방식도 많이 적용된다. 하지만 이러한 방식은 매번 측정 기준 점이 변동하게 되므로 영구적인 Reference로 이용할 수 없는 단점이 있어 중요 회전 기계류의 경우는 기계 정비 기간에 축 표면 상에 이러한 지점을 영구적으로 만드는 것이 일반적이다. 대부분 기계 제작사 측에서 기계 공급 시 미리 이러한 지점을 만들어 공급되고 있다.(Fig. 5.18)

진동 신호에 포함되어 있는 위상각 정보는 어떻게 이용되는 것일까? 우선 생각해 볼 수 있는 것은 축의 1회전 당 한번씩의 펄스를 발생하므로 축의 회전 속도를 알 수 있다. 그러나 주의할 점은 실제 기계의 회전 속도 정보는 보다 정확한 속도 변화 및 이를 통한 기계 Overspeed 등을 방지하기 위해 Tachometer에서 나오는 신호를 이용한다는 것이다. 따라서 Keyphasor에서 나오는 회전 속도 정보는 이러한 속도 정보를 제공하는 목적 보다는 기본적으로 센서를 통해 수집되는 신호를 처리하는 과정에서 두 가지 방식, 즉 동기 및 비동기 샘플링 방식 중 동기 샘플링 방식의 Order Tracking 을 적용할 때 이용하게 된다. 이러한 이유로 만일 Keyphasor 신호를 상실하게 되면 진동 관리 소프트웨어에서 순간적으로 회전 속도와 동일한 가상 주파수를 설정, 이를 기준으로 동기 샘플링을 계속 진행하게 되므로 1X나 2X 등의 신호에서 진폭 정보를 얻을 수는 있으나 위상 정보는 그 기준점이 없으므로 얻을 수 없게 된다.

회전체의 진동 특성에서 보면 회전 속도가 일정한 조건, 즉 다시 말하면 자생적으로 진동을 만들어내는 원심력에 의한 조건이 정속 운전 상태에서는 변하지 않게 된다. 따라서 이러한 경우 해당 기계의 운전 조건 변화나 문제점 발생이 없는 상태에서는 진동 성분들의 크기나 방향 값이 변하지 않는 것이 일반적이다. 이러한 원리를 이용하여 정상 운전 조건에서 진폭의 변화 뿐만 아니라 방향 정보인 위상의 변화에 대한 경향을 감시하는 것이다. 이는 기계 상태 진단에서 매우 중요한 정보를 제공하게 되며 본인의 경험을 통해서도 실제 기계 문제 발생 과정에서 대부분의 경우 진폭 정보가 많이 변하게 되나 어느 경우는 진폭의 변화가 거의 없는 상태에서 위상 각의 변화가 많이 진행되어 이를 단서로 문제점을 진단한 적이 있었다. 따라서 보통 기계 감시용 모니터나 측정기에서는 대부분 진폭 정보만을 직접 접하게 되므로, 온라인 진동 관리 시스템에서는 이러한 진폭과 위상 각 정보를 지속 관리하기 위한 기능 외에도 각 진동 성분 별로 일정 범위를 선택, 이를 벗어나는 변화가 감지될 경우 소프트웨어적인 경보를 발생시키는 ‘Acceptance Region’이라는 데이터 포멧을 이용하고 있다.(Fig. 5.19)

이외에 흔히 불균형 상태를 교정하기 위한 Balancing 작업에도 이러한 위상 각 정보 (1X 정보)가 이용되고 있다. 회전체의 상태 진단 시에 순방향 및 역방향 진동 성분, 시스템 강성의 변화와 진행 여부 등에 대한 판단, 진동 시스템 모드 해석 등에도 이용되는 등 위상 정보는 매우 다양하며 중요한 내용을 포함하고 있다. 이러한 이유로 위상 정보의 이용 가능 여부에 따라 동일 기계 상태의 해석에 많은 제한을 가지게 됨을 많은 진동 분석가들은 언급하고 있는 것이다.