설비보전기사 진동의 물리적 성질 — 진폭·주파수·위상과 원인별 성분

진동을 기술하는 기본 변수는 진폭, 주파수, 위상각이다. 진폭은 흔들림의 크기, 주파수는 1초에 반복하는 횟수, 위상각은 기준점에 대한 위치나 시간 지연을 나타낸다. 감쇠는 진동 에너지가 줄어드는 계의 특성값이므로 이 세 가지 기본 변수에 들지 않는다.

변위·속도·가속도는 미분 관계로 이어진다. 변위를 시간으로 미분하면 속도가 되고, 속도를 미분하면 가속도가 된다. 정현적으로 진동할 때 진동 속도의 피크값을 v, 주파수를 f라 하면 진동 가속도의 피크값은 a = 2πfv가 된다. 주파수가 높을수록 같은 속도에서 가속도 성분이 커진다.

원인마다 두드러지는 주파수 성분이 다르다. 질량 불평형은 무게 중심이 회전축 중심에서 벗어난 상태로, 회전수와 같은 1배 성분이 주를 이루고 파형은 정현파에 가깝다. 진동 크기는 회전수의 제곱에 비례해 커지며 불균형량이 클수록 커진다. 길게 돌출된 로터에서는 축방향 진동이 생길 수도 있으므로 축방향 진폭이 전혀 없다고 단정할 수 없다.

축 정렬 불량은 두 축의 중심선이 어긋난 상태로, 회전 주파수의 2배나 3배 성분이 주기적으로 나타나고 축방향 위상차가 180도가 되는 것이 특징이다. 커플링 연결 뒤 정비가 제대로 되지 않았을 때 자주 생긴다. 이 진동은 주기를 가지므로 비주기적이라고 설명하면 틀린다.

미끄럼 베어링에서 생기는 오일 휩과 오일 휘돌림은 윤활유막의 불안정에 따른 현상으로, 회전수의 약 0.4~0.48배에 해당하는 저주파 영역에 속한다. 공동 현상은 고주파 진동의 원인이고, 기초 볼트 풀림이나 베어링 마모, 회전자 불균형은 저주파 진동의 원인으로 묶인다.

진동의 종류도 성질을 구분하는 잣대가 된다. 자유 진동은 외력을 가했다가 없앤 뒤 계가 스스로 진동하는 것이고, 규칙 진동은 불평형처럼 원인이 정해져 주기적으로 나타나는 진동이다. 비감쇠 진동은 마찰과 저항을 무시한 이상적인 모델이다. 선형 진동은 복원력이 변위에 비례해 운동 방정식이 선형으로 유지되는 진동이므로, 진폭이 커지면 운동 방식이 달라진다고 설명하면 비선형 진동의 성질을 잘못 붙인 것이다.