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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 동일한 방법으로 설치된 다섯 대의 공기압축기 중 한 대에서만 진동값이 높게 나타나게 되어 그 원인을 파악하고자 정상적으로 작동하는 공기압축기 한대와 진동값이 높게 나타나는 공기압축기를 대상으로 이 두 대의 공기압축기의 진동 정밀분석 및 진단을 수행하였다. 그리고 정상 운행 중인 압축기와 비정상 진동이 발생되는 압축기의 진동 주파수 스펙트럼을 비교 분석하여 압축기의 상태를 파악하고, 그에 대한 대책을 제시하였다.
제안 방법
- 진동신호는 Pulse의 레코딩 기능을 이용하여 1분 여 동안에 걸쳐 0~25kHz 대역의 Raw 신호 상태로 저장되었다.(2) 저장된 데이터는 연구실에서 재생하여, 주파수 범위 10~10kHz, 6400Line, Averaging 7회로 하여 분석을 실시하였다. 모터의 경우 스펙트럼 상에서 10kHz 까지 분석하였고, 800Hz 이상의 대역에서 특징적으로 나타나는 주파수가 발견되지 않아 주파수 대역을 800Hz 로 수정 후 더욱 정밀한 분석을 실시하였다.
- 가진 시험은 기본적으로 압축기가 정지되어 있는 상태에서 힘 센서를 이용하여 입력(가진 힘)과 센서에서 입력되는 진동 신호를 비교하는 것이 올바른 방법이나, 현장에서 힘 센서 및 압축기의 운전에 대한 요건이 충족되지 못하여, 고무망치를 이용하여 가진 전과 가진 직후의 주파수 스펙트럼을 비교하여 고유진동수를 파악하는 방법을 사용하였다.
- 하지만 두 압축기 모두 공진영역에 속해있어 공진영역회피(베이스의 구조공진 문제)를 위하여 베이스의 강성변화 (보강)를 하였다. 그 후 모터의 진동값이 크게 낮아 졌으나, 모터 기동 후 일정시간 이후까지 진동 값이 서서히 증가하는 문제점을 발견할 수 있었고 모터와 압축기 간의 정렬불량이 발생하는 것으로 의심이 되어 2차 측정으로 위상차를 측정하였다.
- 모터와 압축기의 측정 위치, 스펙트럼 설정 및 데이터 저장 시간은 1차 측정 시와 동일하게 하였다. 그러나 모터와 압축기 간의 정렬불량의 영향을 확인하기 위하여 모터의 NDE(non drive end) 측과 압축기 간의 위상차(phase difference)를 확인하였다.
- (3) 또한 보강 빔 설치 이후 기동 시엔 낮은 진동 값이 시간이 경과하면서 서서히 증가하여 다소 높은 값을 보이는 경향을 보였다. 그러므로 시간에 의해 서서히 증가하는 진동의 원인이 불평형에 의한 것 보다는 기동 후 열적변형에 의해 발생하는 정렬불량에 의한 것으로 의심이 되어, 그 원인을 파악하기 위하여 모터 측과 압축기 측 베어링의 위상차(phase difference)를 측정하였다.
- 따라서 본 논문에서는 동일한 방법으로 설치된 다섯 대의 공기압축기 중 한 대에서만 진동값이 높게 나타나게 되어 그 원인을 파악하고자 정상적으로 작동하는 공기압축기 한대와 진동값이 높게 나타나는 공기압축기를 대상으로 이 두 대의 공기압축기의 진동 정밀분석 및 진단을 수행하였다. 그리고 정상 운행 중인 압축기와 비정상 진동이 발생되는 압축기의 진동 주파수 스펙트럼을 비교 분석하여 압축기의 상태를 파악하고, 그에 대한 대책을 제시하였다.
- 따라서 모터 및 압축기의 정밀 진단을 실시하기에 앞서, 우선적으로 베이스 공진 문제 해결이 수행되어야 하는 것으로 사료되어 베이스의 강성변화(빔 설치 및 질량 추가 작업)를 실시하였다. 하지만 압축기의 기동 후 시간이 지남에 따라 다시 진동이 서서히 증가하는 현상을 발견하였고, 그 원인이 정렬불량에 의한 것으로 의심이 되어 위상차를 위주로 2차 측정을 하였다.
- 또한, 측정이 진행되던 중 베이스의 공진주파수를 확인하기 위하여, 정상 압축기의 경우에는 운전 중에 타격을 하였으며, 비정상 압축기는 정지 상태에서 베이스에 타격을 가하여 공진주파수를 확인하였다.
- 모터와 압축기를 지지하고 있는 베이스의 경우에는 모터의 반 부하 측 하단, 부하 측 하단, 압축기 하단 3개 지점 (Fig. 1에서 ⊕위치)으로 지정하여 모터의 양 측면으로 측정하였다.
- (2) 저장된 데이터는 연구실에서 재생하여, 주파수 범위 10~10kHz, 6400Line, Averaging 7회로 하여 분석을 실시하였다. 모터의 경우 스펙트럼 상에서 10kHz 까지 분석하였고, 800Hz 이상의 대역에서 특징적으로 나타나는 주파수가 발견되지 않아 주파수 대역을 800Hz 로 수정 후 더욱 정밀한 분석을 실시하였다.
- 비정상 압축기가 작동되지 않을 때 베이스의 고유진동수가 의심이 되어 가진 시험을 실시하였다. Fig.
- 위상은 모터의 NDE 측을 기준(reference)으로 하여, 2개의 가속도 센서를 모터 측 DE(drive end)와 압축기 DE 측 베어링에 설치하여 측정하였다.
- 진동측정 위치는 Fig. 1에서와 같이 각 측정 위치에서 3방향[수직(V), 수평(H), 축(A)] 으로 모터의 반 부하 측 (NDE)을 시작으로 하여 부하 측(DE), 기어박스, 압축 3단, 1단, 2단 다시 모터 측 순으로 각 요소의 베어링에서 측정되었다.
- 하지만 두 압축기 모두 공진영역에 속해있어 공진영역회피(베이스의 구조공진 문제)를 위하여 베이스의 강성변화 (보강)를 하였다. 그 후 모터의 진동값이 크게 낮아 졌으나, 모터 기동 후 일정시간 이후까지 진동 값이 서서히 증가하는 문제점을 발견할 수 있었고 모터와 압축기 간의 정렬불량이 발생하는 것으로 의심이 되어 2차 측정으로 위상차를 측정하였다.
- 따라서 모터 및 압축기의 정밀 진단을 실시하기에 앞서, 우선적으로 베이스 공진 문제 해결이 수행되어야 하는 것으로 사료되어 베이스의 강성변화(빔 설치 및 질량 추가 작업)를 실시하였다. 하지만 압축기의 기동 후 시간이 지남에 따라 다시 진동이 서서히 증가하는 현상을 발견하였고, 그 원인이 정렬불량에 의한 것으로 의심이 되어 위상차를 위주로 2차 측정을 하였다.
대상 데이터
- 정상 압축기의 베이스 공진주파수는 Fig. 6 과 같이 62Hz, 150.3Hz 이며, 특히 59.5Hz에서 발생되는 모터 운전에 의한 1X 성분이 베이스 고유진동수인 62Hz의 공진영역(공진주파수로부터 상하 20% 이내)에 속하는 것을 알 수 있다.
성능/효과
- 이는 정렬불량의 진동 특성인 커플링에서 편각이 있을 경우에 나타날 수 있는 현상이다.(3) 또한 보강 빔 설치 이후 기동 시엔 낮은 진동 값이 시간이 경과하면서 서서히 증가하여 다소 높은 값을 보이는 경향을 보였다. 그러므로 시간에 의해 서서히 증가하는 진동의 원인이 불평형에 의한 것 보다는 기동 후 열적변형에 의해 발생하는 정렬불량에 의한 것으로 의심이 되어, 그 원인을 파악하기 위하여 모터 측과 압축기 측 베어링의 위상차(phase difference)를 측정하였다.
- 1차 측정 결과로 정상 압축기의 경우 1X 및 그 조화성분 (2X, 3X 등)이 발생되고 있으나, 그 진폭이 매우 미약한 상태로 ISO 10816-3 의 그룹 3의 기준에 따라 아주 양호한 상태라 할 수 있다. 그리고 비정상 압축기의 경우 정상 압축기와 마찬가지로 1X 및 그 조화성분들이 발생되고 있고, 그 레벨이 정상 압축기의 것보다 월등히 높으나 진동 측정 당시에는 ISO 10816-3의 기준은 만족하였다.
- 모터의 NDE 측에서 발생되던 높은 진동은 1차 측정 결과 베이스 공진에 의한 것이었으며, 베이스에 강성을 보강 하기 위하여 보강 빔 설치 이후 모터에서 발생되던 높은 진동은 상당히 낮아 진 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 Fig.
- 위상차는 그 각에 따라 불평형 또는 정렬불량을 확인할수 있다. 측정된 위상이 0~90 degree 사이에 나타나는 경우는 정렬불량에 의한 진동량 보다 불평형에 의한 진동량이 많다는 것임을 나타내고, 90~180 degree 사이에 경우에는 불평형량 보다 정렬불량으로 인한 진동량이 많다는 것을 나타낸다.(3)
- 특히 Fig. 9에서와 같이 비정상 압축기 베이스의 모터 부하 측 하부의 경우 모터 운전주파수인 1X 성분이 매우 높은 값을 보이고 있었고, 이는 베이스의 공진주파수와 모터의 운전주파수가 일치하여 구조공진이 발생된 것으로 가진 시험 결과에서 확인 할 수 있었다.
- 모터의 NDE 측에서 발생되던 높은 진동은 1차 측정 결과 베이스 공진에 의한 것이었으며, 베이스에 강성을 보강 하기 위하여 보강 빔 설치 이후 모터에서 발생되던 높은 진동은 상당히 낮아 진 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 Fig. 16과 같이 2차 측정 시 측정된 축 방향 스펙트럼에서 1X 성분이 가장 탁월하며, 2X 성분의 크기보다 3X 성분이 월등히 높게 나타남을 확인할 수 있다. 이는 정렬불량의 진동 특성인 커플링에서 편각이 있을 경우에 나타날 수 있는 현상이다.
- 정상 압축기 및 비정상 압축기의 베이스에서 실시된 가진 시험에서 정상 압축기의 경우엔 모터의 운전주파수와 근접한(공진영역에 속하는) 고유진동수를 찾을 수 있었다. 하지만 비정상 압축기의 경우 베이스의 공진주파수가 모터의 운전주파수와 일치하는 것을 확인하였다.
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