안녕하세요, AI 기반 예지보전 솔루션 모터센스입니다.
지난번에는 Looseness(느슨함) 결함에 대해 알아봤습니다.
만약 해당 게시글을 보지 않았다면, 아래의 링크를 통해 확인해 주세요~
오늘은 회전 기계의 고장 종류 중, Imbalance(질량 불평형) 결함에 대해 알아보고자 합니다.
우리 주변에는 다양한 회전 기계가 존재합니다. 매일 아침 출근을 책임지는 자동차의 모터부터, 여름철 더위를 식혀주는 선풍기까지 모두 회전 기계의 일종이죠. 그야말로 우리 일상은 회전 기계의 힘으로 돌아가고 있다고 해도 과언이 아닙니다.
회전 기계 안전의 핵심은 역시 “원활한 회전”입니다. 그리고 원활한 회전을 방해하는 대표적인 결함에는 “Imbalance(질량 불평형) 결함”이 있죠. Imbalance 결함은 회전 부품의 질량 분포가 불균형해서 회전에 문제가 발생하는 상황을 말합니다. 다시 말해, 부품이 중심축을 기준으로 고르게 회전하지 않는 경우를 말하죠.
Imbalance 결함은 보통 팬, 블레이드, 베어링, 고정축 같은 부품의 불균형에서 비롯됩니다. 부품이 불균형한 상태에서 기기를 작동하게 되면, 정상적이지 못한 진동과 충격이 발생해 기기 과부하로 이어질 수도 있습니다.
회전 기계의 안전은 우리 일상의 안전과 직결되는 만큼, 다양한 결함에 대해 미리 알고 예방하는 자세를 갖춰야 합니다.
그럼, 바로 Imbalance 결함에 대해 자세히 알아보겠습니다.
Imbalance(질량 불평형) 결함이란?
우리에게 너무나도 익숙한 선풍기를 예시로 설명하겠습니다. 선풍기를 보면, 가운데에 중심축을 두고, 날개들이 그 주변에서 돌아가는 구조입니다. 이처럼 회전이 발생하면 중심에서부터 바깥쪽을 향해 작용하는 ‘원심력’이 발생하죠. 모터는 원심력을 반경 반향으로 작용하면서 샤프트와 함께 회전합니다.
그런데, 때때로 모터의 회전 요소들의 무게, 질량 중심과 회전 동력이 되는 샤프트의 회전축이 일치하지 않는 경우가 발생합니다.
이해를 돕기 위해 그림으로 표현하면 아래와 같습니다. 회전축의 중심(주황색)과 회전 요소들 질량 중심(파란색)의 위치가 일치하지 않죠? 올바른 회전은 회전축 중심(주황색)을 중심으로 돌아야 합니다. 그러나 다양한 이유로 모터가 질량 중심(파란색)의 위치에서 억지로 회전하려는 경우들이 있고, 이런 경우를 ‘Imbalance 결함’이라고 합니다.
그림1. Imbalance(질량 불평형) 결함
Imbalance 결함의 발생 원인은?
Imbalance 결함이 발생하는 대표 원인은 다음 4가지를 들 수 있습니다.
1. 설계상 오류로 인한 설계 비대칭
2. 회전축 변형에 의한 기계적 변화
3. 회전체 내에 쌓인 오염물
4. 회전체 부품 마모
물론 이 외의 여러 가지 원인에 의해 모터의 회전 균형이 깨져 Imbalance 결함이 발생합니다. Imbalance 결함이 발생하면 회전축과 질량 중심 차이로 인해, 원심력이 반경 방향으로 작용하면서 정상적이지 못한 흔들림과 진동이 발생하게 됩니다.
그래서 모터를 생산할 때, 유지 보수할 때 모두 회전축의 중심과 질량 중심을 일치시키는 것이 굉장히 중요합니다. 모터의 원활한 회전과 Imbalance 결함을 예방해야 하니까요.
Imbalance결함의 종류와 특징
Imbalance 결함은 결함의 원인과 특징을 바탕으로 좀 더 세분화하여 구분할 수 있습니다.
1. Single Plane Imbalance(단일 평면 불평형) 결함
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그림2. Single Plane Imbalance(단일 평면 불평형)
Single Plane Imbalance(단일 평면 불평형) 결함은 ‘정적 불평형 결함’이라고도 불리며, 모터나 회전 장치의 중심축 주변에서 무게 균형이 깨지는 경우를 말합니다. 로터의 한쪽 면이 다른 면에 비해서 더 무거운 경우처럼 로터의 무게 중심과 중심축의 중심이 일치하지 않을 때 발생합니다. 로터 표면이 마모함으로써 발생하는 경우가 대부분이지만, 벨트, 프롭, 팬 풀리 같은 부품의 불균형으로 발생하기도 합니다.
Single Plane Imbalance 결함에서는 보통 아래와 같은 특성을 가진 진동이 발생합니다.
회전 주파수인 1xRPM에서 radial 방향의 진동이 크게 나타납니다.
베어링의 수평 방향과 수직 방향의 위상 차이가 90° (±30°) 나타납니다.
동일한 반경 방향에서 샤프트 양쪽 사이의 위상에는 큰 위상 차이가 없습니다.
2. Two Plane Imbalance(이중 평면 불평형) 결함
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그림3. Two Plane Imbalance(이중 평면 불평형)
Two Plane Imbalance(이중 평면 불평형) 결함은 모터의 회전 중심 축을 중심으로 두 군데 이상의 주변에서 불평형이 발생한 경우입니다. 일반적으로 Two Plane Imbalance 결함은 긴 회전체의 양 끝끼리 회전 중심축이 일치하지 않아 발생하고는 합니다.
긴 모양의 로터는 구조 특성상 가운데 부분의 지지대가 없이 회전하게 됩니다. 이 때문에 긴 로터의 양 끄트머리는 같은 크기의 힘으로 회전하지만, 약간씩 다른 중심축으로 회전해 결함이 발생하는 것이죠. 주로 중형 및 장형 로터에서 발견되며, 로터 표면의 마모가 radial 방향과 axial 방향에서 동시에 나타나 발생하는 경우가 많습니다.
Two Plane Imbalance 결함에서는 보통 아래와 같은 특성을 가진 진동이 발생합니다.
회전 주파수인 1xRPM에서 radial 방향의 진동이 크게 나타납니다.
베어링의 수평 방향과 수직 방향에서의 위상 차이가 90° (±30°) 나타납니다.
양방향의 샤프트에 180°의 위상 변화가 있을 수 있습니다.
3. 오버행 로터(Overhung Rotor) 결함
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그림4. 오버행 로터(Overhung Rotor) 결함
Overhung Rotor(오버행 로터) 결함은 회전 장치의 로터가 중심축과 너무 멀리 위치해서 결함이 발생하는 경우입니다. 한 편으로 치우친 모터로 인해 로터 표면의 마모가 발생하거나, 샤프트가 구부러지는 경우도 있습니다.
Overhung Rotor에서는 다음과 같은 특성의 진동이 발생합니다.
회전 주파수인 1xRPM에서 radial 방향의 진동이 크게 나타남과 동시에 Axial 방향에서도 진동이 크게 나타납니다.
베어링의 수평 방향과 수직 방향에서 위상 차이가 90° (±30°) 나타납니다.
양방향 샤프트에 180°의 위상 변화가 있을 수 있습니다.
베어링 사이의 radial 방향에서 위상 차이가 있을 수 있습니다.
Imbalance 결함은 베어링 고장에 비해서 자주 나타나는 고장은 아닙니다. 그렇지만, 결코 가볍게 생각해서는 안 되는 결함 중 하나죠. Imbalance 결함은 모터의 비정상적인 진동, 소음을 유발하는데, 방치하면 모터 고장의 원인이 되기도 하기 때문입니다.
Imbalance 결함을 발견하셨을 경우, 즉시 해결하는 것을 추천합니다. ‘호미로 막을 일을 가래로 막는다.’는 속담처럼, 문제가 발생하였을 때 적절한 조처를 하지 않으면 나중에 더 큰 문제로 돌아와 더 큰 비용을 지불하기 마련이니까요.
그러나 현실적으로 Imbalance 결함을 알아차리는 것은 쉽지 않습니다. 다수의 모터, 기기가 모여있는 공장에서는 동시다발적으로 여러 진동과 소음이 발생합니다. 이 때문에 Imbalance 결함의 비정상적인 진동을 즉각 인지하지 못하는 경우들이 발생합니다. 이 때문에 최적의 대응 타이밍을 놓치고 더 큰 대응 비용을 치르게 됩니다.
그림5. 모터센스 무선 진동 센서
그러나 모터센스(MotorSense)와 함께라면 Imbalance 결함이 만들어 내는 비정상 진동을 정확하게 파악할 수 있습니다. 모터센스는 radial 방향과 axial 방향을 모두 고려하여 3축(X, Y, Z 축) 진동의 변화를 분석할 수 있기 때문입니다. 동시다발적으로 발생하는 여러 진동 속에서도, 세밀한 진동 분석을 통해 결함으로 인한 진동 변화를 즉각 인지해 빠른 대응을 가능하게 합니다.
복잡한 산업 현장 속에서 더 확실하게 안전을 확보하는 방법,
바로 AI 기반 예지보전 솔루션 모터센스입니다
지금까지 회전 기계의 고장 종류 중 Imbalance(질량 불평형)에 대해 알아봤습니다.
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