안녕하세요, AI 기반 예지보전 솔루션 모터센스입니다.
지난번에는 다양한 분야에서의 진동의 의미에 대해 알아봤습니다.
만약 해당 게시글을 보지 않았다면, 아래의 링크를 참고해 주세요.
오늘은 진동의 요소 및 발생 원인에 대해 알아보고자 합니다.
진동의 발생 원인을 알아보기 전에
진동의 필수적인 4가지의 요소 먼저 알아봅시다.
진동의 4가지 요소
단진동계 (출처: MotorSense)
진동 시스템은 질량(m), 탄성(k), 감쇠(c), 힘(F) 4가지 요소에 의해 해석됩니다.
질량 (M, Mass)
단위: kg
물체는 속도가 변화함에 따라 운동 에너지를 얻거나 잃게 됩니다.
질량은 운동 변화에 저항하는 척도인 관성력(inertia force)를 표시합니다.
즉, 정지한 물체는 계속 정지하려고 하고 운동하는 물체는 계속 운동하려는 성질에 대한 척도를 나타냅니다.
탄성, 강성, 스프링(K, Stiffness)
단위: N/m
스프링 탄성 (출처: GIPHY)
탄성은 물체를 변형시키면 원래대로 복원되려고 하는 성질에 대한 척도입니다.
변형에 저항하는 성질로 표현이 되며
스프링에 저장되는 힘을 위치 에너지 또는 탄성 에너지라고 합니다.
감쇠(C, Damping)
단위: N·s/m
감쇠는 시간 또는 거리에 따른 에너지의 손실(dissipation)을 의미합니다.
다시말해 진동하는 물체의 진동 세기가 감소하는 과정입니다.
외력의 영향을 받지 않는 자유진동에서 시간의 흐름에 따라 진폭이 줄어드는 이유가
"감쇠력" (Damping Force)때문이라고 보시면 됩니다.
진폭 증가와 감소의 크기에 영향을 주는 큰 요소입니다.
예를 들어,
감쇠가 없는 경우, 진동이 변화없이 영구히 지속이 되고
감쇠가 음(-) 인 경우, 진동은 시간이 지날수록 증가합니다.
실생활에서 가장 밀접하게 접할 수 있는 감쇠 현상의 예시로는 그네를 들 수 있습니다.
그네를 계속 밀어주지 않으면 언젠가 멈추게 되죠.
그네 (출처: GIPHY)
•
선형 점성 감쇠: 크기는 진동 속도에 비례하며 진동 속도와 반대방향으로 작용하는 저항력을 발생시킴
(일반적으로 진동학에서 배우는 감쇠는 대부분 점성 감쇠입니다.)
•
진동학에서의 감쇠 : Damping / 음향학에서의 감쇠 : Attenuation
힘, 외력, 가진력(F(t), Force)
진동계에서는 힘, 외력을 가진력이라고 합니다. ‘진’동을 ‘더하는(가)’ 힘이라는 듯이죠.
진동의 4가지의 필수 요소를 정리하자면, 아래와 같습니다.
진동의 4가지 요소(출처: MotorSense)
진동의 발생 원인
위의 진동의 4가지 구성 요소 중 힘, 가진력은 초기의 과도 진동을 유발합니다.
또한 지속적인 가진력은 변함없는 상태의 진동을 발생시킵니다.
즉, 가진력(동적인 힘 = Dynamic Force)이 가해져야 반복적인 진동을 일으킬 수 있다는 의미입니다.
이 가진력을 3가지로 분류할 수 있습니다.
원심력 (출처: 조선일보), 충격/충돌 (출처: Freepik)
1) 회전 운동에서의 질량 불평형으로 인한 원심력
2) 직선왕복운동에서의 충격의 발생에 의한 충격력
3) 유체의 운동에서 고체의 충돌에 의해 발생하는 유체기인 자려 진동(Self-exciting Vibration)
공장 설비들은 대부분 회전 기기가 많습니다.
회전 기기의 진동은 1번과 같은 질량불평형 외에도 많은 진동을 일으켜 파손 및 고장을 유발하는데요.
이로 인해 회전 기기에 나타나는 고장과 진동 종류에 대해서는 다음 게시글에서 함께 알아보도록 하겠습니다.
지금까지 진동의 요소 및 발생 원인에 대해 알아봤습니다.
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