개념 한 쪽
회전기기 진단은 회전축의 움직임을 안전하게 읽고, 측정 신호를 주파수 영역으로 바꿔 이상을 가려내는 일이다. 센서 선택과 FFT 전처리, 공진·댐핑·방진 검토가 뒤따른다.
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고속으로 도는 축의 상태는 비접촉 변위센서로 읽는다. 센서가 축에 닿지 않고 미세 변위와 편심을 재므로, 터빈·압축기·대형 펌프처럼 빠르게 회전하는 축에 직접 부착할 때 생기는 무게 증가와 균형 문제를 피할 수 있다. 구름베어링의 이상은 진동센서로, 구조물의 고유진동수는 가속도센서로 보는 경우가 일반적이다.
진폭을 표시하는 방법도 구분한다. 상한과 하한의 거리, 또는 중립점에서 상한이나 하한까지의 거리로 나타내는 진폭은 변위다. 속도는 변위의 시간 미분, 가속도는 속도의 시간 미분이므로 거리로 표시하는 진폭과 대응하지 않는다.
측정 신호를 주파수 영역으로 바꿀 때는 전처리를 지킨다. 한정된 길이의 시간 데이터를 한 주기로 반복한다고 가정하면 데이터 끝단의 불연속으로 스펙트럼 누설이 생기므로, 양끝을 부드럽게 0에 가깝게 만드는 윈도우 함수를 적용한다. 에일리어싱은 샘플링 주파수가 최대 주파수의 2배보다 낮을 때 생기며, 안티에일리어싱 필터를 A/D 변환기 앞에 두어 고주파 성분을 미리 제거한다. 샘플링 시간은 1/(2fmax) 이하로 잡는다.
공진은 외력의 주파수가 계의 고유진동수와 일치할 때 진동이 급격히 커지는 현상이다. 송풍기와 연결된 덕트에서 공진이 생기면 덕트의 강성을 높여 고유진동수를 올리고 공진 대역을 벗어나게 한다. 고유진동수는 f = 1/(2π)√(k/m)로, 강성에 비례하고 질량에 반비례한다. 질량을 늘리면 고유진동수가 낮아지고, 강성을 높이면 높아진다.
댐핑은 공진으로 진폭이 과도하게 커질 때, 여러 주파수가 섞인 힘이나 충격이 가해질 때 필요하다. 외부에서 지속적인 힘을 받지 않고 초기 에너지만으로 진동하는 자유 진동은 댐핑 필요성이 가장 낮다.
방진은 재질과 설치 조건을 함께 본다. 고무는 사용이 간편하지만 내열성과 강도가 부족해 금속 스프링과 병용하거나 대체하며, 이렇게 지지한 기초를 플로팅 기초라 한다. 금속 스프링은 큰 변위를 허용하고 낮은 고유진동수를 구현하는 데 적합해 1~5Hz 정도로 설정한다. 파이버 글라스 패드의 강성은 질량이나 모세관이 아니라 섬유 배열, 적층 각도, 수지 함침율 같은 구조적 요인으로 결정된다. 강철 스프링은 하중이나 변위가 클 때 적합하고, 고무는 온도에 따라 강성이 변하므로 주의하며, 스프링은 측면 안정성을 위해 직경을 크게 잡는다.
선지 판단은 포락선 분석을 베어링 초기 결함 검출로 잡는지, 나사 고정이 고주파 응답에 유리하다고 보는지, 동전형 속도센서의 측정 범위를 10Hz~1kHz 이상으로 보는지, 압전형 가속도계가 자체 전원 없이 고주파·대가속도 측정에 적합한지, 불평형과 커플링 오차를 불규칙 진동이 아닌 강제 진동으로 보는지, 질량 불평형의 최대 진폭을 1X 성분으로 잡는지에서 갈린다.
송풍기를 가동하면 송풍기와 연결된 덕트(duct)에서 공진이 발생하여 심한 진동현상이 나타났다. 덕트의 고유진동수를 높여서 공진을 피하고자 할 때 가장 적절한 조치 방법은?
정답 ④ · 공진을 피하기 위해 덕트의 고유진동수를 높이는 적절한 조치를 묻는 문제이다. 공진은 가진 주파수와 계의 고유진동수가 일치할 때 진폭이 최대가 되는 현상이므로, 고유진동수를 변경하여 가진 주파수와 겹치지 않게 하면 된다.
공진은 고유진동수와 외부 진동수가 일치할 때 발생하므로, 덕트의 강성을 높여 고유진동수를 변경해야 한다.
신호를 FFT 분석기로 분석할 때 한정된 길이의 시간 데이터만을 인출(capturing)하여 이를 한 주기로 하는 신호가 반복된다고 가정한다. 이때 데이터의 불연속성이 연결이음매에서 발생할 수 있어 에러가 발생되는데 이를 방지하는 방법으로 가장 적합한 것은?
정답 ① · FFT 분석 시 유한 길이 데이터 절단에 따른 불연속성으로 발생하는 에러의 방지 방법을 고르는 문제이다. FFT는 인출된 시간 데이터가 반복된다고 가정하는데, 데이터 양 끝이 연속적으로 이어지지 않으면 연결 음매에서 불연속이 생겨 스펙트럼 누설이 발생한다.
FFT 분석 시 데이터 끝단의 불연속성을 줄여 스펙트럼 누설을 방지하는 핵심 기법은 윈도우 함수 적용이다.
상한과 하한의 거리 혹은 중립점에서 상한 또는 하한까지의 거리를 나타내는 진폭의 표시 방법은?
정답 ② · 진폭을 거리 개념으로 표시하는 진동 파라미터를 묻는 문제이다. 변위는 진동체의 위치 변화량으로서 상한과 하한 사이의 거리 또는 중립점에서 상한이나 하한까지의 거리로 나타낸다.
진폭은 평형 위치(중립점)로부터 최대 변위까지의 거리를 의미하므로 상하한 거리로 표시되는 것은 변위다.
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