설비보전기사 진동 발생원과 특성 — 강제진동과 위상·속도·동특성

발생원에 따라 진동을 먼저 나눈다. 자유 진동은 외력을 가했다가 없앤 뒤 계가 스스로 고유 진동수로 진동하는 것이다. 강제 진동은 회전하는 동안 계속 힘을 받아 진동하는 것으로, 회전부의 불평형이나 커플링부의 중심 어긋남이 대표적이다. 이 원인들은 회전할 때마다 일정한 주기로 힘을 가하므로 규칙적인 강제 진동이 된다. 불규칙 진동은 지진이나 바람처럼 주기성이 없고 예측하기 어려운 진동이다. 선형 진동은 스프링과 질량 같은 요소가 선형으로 반응하는 이상적인 진동이다.

발생한 진동의 특성은 위상으로 읽는다. 위상은 다른 진동체에 고정된 기준점에 대하여 어느 진동체가 상대적으로 얼마나 이동했는지, 순간적인 위치와 시간 지연이 얼마인지를 나타내는 값이다. 진폭은 흔들림의 크기, 주파수는 반복 횟수를 나타내므로 위상과 구분한다.

속도는 진동의 피로와 노후화를 읽는 척도다. 변위를 시간에 대해 미분한 값이 속도이므로, 시간 변화에 대한 진동 변위의 변화율이 속도가 된다. 진동 에너지는 속도의 제곱에 비례하고, 에너지가 클수록 부품의 피로 손상이 커진다. 인체가 느끼는 진동 감도가 속도에 비례하고 축적된 경험적 기준값도 속도를 바탕으로 마련되어 있어, 진동 파라미터로 속도를 많이 활용한다.

계기의 성질도 함께 본다. 입력신호인 측정량이 시간적으로 변동할 때 출력신호인 계측기 지시 특성을 동특성이라고 한다. 입력이 고정되어 있을 때의 정특성과 구분해 읽는다.

진동 특성을 주파수 영역에서 읽으려면 샘플링 조건을 지킨다. 샘플링 주파수를 최대 주파수의 두 배 이상으로 잡아 에일리어싱을 피해야 한다. 푸리에 변환은 시간 영역의 신호를 주파수 영역으로 바꾸는 도구로, 임펄스 신호도 변환이 가능하며 전체 주파수 대역에 걸친 일정한 스펙트럼을 만든다. 고속 푸리에 변환 결과는 실수부와 허수부를 가진 복소수여서 위상 정보를 포함한다.

진동이 설비로 전달되는 경로도 특성의 하나다. 스프링형 진동 차단기는 강성을 낮추고 질량을 늘려 고유 진동수를 낮춤으로써 차단 효율을 높인다. 2단계 진동 제어는 중고주파 대역에서는 효과가 크지만, 저주파 대역에서는 두 질량 사이의 공진으로 전달률이 오히려 커질 수 있다.

측정 대상에 맞는 센서를 고르는 일도 발생원과 특성을 잇는 단계다. 베어링이나 기어의 결함처럼 고주파에서 나타나는 진동은 가속도 센서로 측정한다. 변위 센서는 저주파의 큰 축 흔들림에, 속도 센서는 중주파 대역의 전체 진동 크기에 적합하다.