1. 회전체 역학1) 회전체 진동기계에서 발생되는 진동의 원인은 실로 다양하다. 불평형 진동이나 축정렬 불량에 의한 진동과 같이 기계적인 이상에 의해 발생되는 진동과 전동기에서 발생되는 전자기적인 유동, 유체기계에서 발생되는 캐비테이션이나 와류에 의한 진동과 같은 순수 유체역학적인 진동 그리고 베어링 파손이나 기어의 결함과 같이 고장 발생시 나타나는 크고 작은 결함에 따른 진동등이 그것이다. 하지만 그들 대부분은 현상일 뿐 진동이 발생하도록 에너지를 공급하는 가진력을 일으킨다고는 할 수 없다. 전자기적인 진동이나 유체역학적인 진동 역시 가진력을 발생시킨다고 보기 어렵고, 베어링이나 기어의 손상 같이 부품들의 결함에 의해 발생되는 진동역시 회전시 결함부분에서 발생하는 일종의 충격파 일뿐 가진력 자체라고는 할 수 없다.가진력이라 함은 자체적으로 힘이 발생된다는 것을 의미하며, 본질적으로 가진력을 발생시키는 유일한 진동은 불평형에 의한 원심력이라고 할 수 있다.모든 회전체는 다양한 이유로 불평형 요소를 갖게 되며, 불평형 요소는 회전과 함께 원심력이라는 가진력을 발생시킨다. 이와 같은 가진력이야말로 회전체 진동의 기본적인 요소이며, 회전체 진동의 근간이라고 할 수 있다. 이 때문에 Balancing은 진동의 근원을 제거하는 가장 기본적이며, 중요한 진동제어 수단이라고 할 수 있다.전동기에서 발생되는 전자기적인 진동도 회전자와 고정자 간의 불균일한 간극변화에 의해 발생되는 경우가 많고, Mechanical Looseness에 의해 헐거움이 있다 하더라도 불평형 요소가 적다면 진동은 적게 나타나게 될 것이다. 이와 같은 많은 진동 형태에 불평형 진동이 직,간접적인 영향을 미치게 되며, 이 때문에 Balancing을 실시하게 되면 불평형 진동 이외에도 다른 주파수의 진동들도 전체적으로 낮아지게 되는 것을 쉽게 경험할 수 있다.현장에서 마치 Balancing이 만병 통치약 쯤 되는 것으로 오해되고 있는 것도 이 때문이다. 하지만 Balancing은 진동의 수준을 낮출 뿐 변형된 부분이 없어졌다는 것을 의미하며, 다시 말해 더 이상 원심력이 발생하지 않게 되었다는 것을 의미한다.원심력이 없어졌다는 것은 불평형량이 없어진 것이고, 이로서 Balancing이 되었다고 생각할 수 있다. 하지만 주의할 것은 모든 회전체의 Balancing을 이와 같이 할 수는 없다는 것을 명심해야 한다.3) 원심력이상에서 불평형 진동과 Balancing은 원심력에 의한 것임을 알 수 있었다. 원심력은 질량과 회전 반경에 비례하며, 회전속도의 제곱에 비례한다.원심력에 의한 공식은 다음과 같다.F = m CDOT r CDOT {OVERLINE omega}^2만약 우리가 실에 돌을 매달아 돌린다고 가정해 본다면, 원심력의 크기에 영향을 미치는 요소는 돌의 크기와 실의 길이가 될 것이라는 것을 쉽게 짐작할 수 있다.이 두가지 요인보다 원심력에 훨씬 큰 영향을 미치는 것이 회전속도다. 회전속도는 제곱에 비례하여 원심력에 영향을 미친다. 실제로 600rpm으로 회전하는 기계를 다른 것은 그대로 두고, 속도만 1,200rpm으로 2배 증속하면 진동은 2배가 되는 것이 아니고 4배가 된다. 또한 3,600rpm으로 속도를 6배 증속하면 진동은 36배가 된다.이처럼 회전속도의 변화는 원심력에 지대한 영향을 미치지만 위에서 보는 바와 같이 회전속도의 변화는 회전체에 내재되어 있는 불평형량이 아니고, 외부의 영향이기 때문에 불평형량이라고 할 수 없다.불평형량은 회전속도를 제와한 나머지 두개 항 즉, 질량과 회전반경의 곱으로 나타내며, 불평형량의 단위 역시g CDOT cm로 나타낸다.4) 위험속도의 발생원심력에 관한 공식에서 알 수 있는 것처럼 내재되어 있는 불평형량의 크기가 변하지 않는다면, 회전체는 회전속도의 변화에 따라 진동의 변화가 발생한다.회전체 진동에서 원심력은 곧 진동을 의미하며, 진동은 회전속도의 제곱에 비례하여 증가하게 된다.[그림 ] 위험속도의 발생위 그림은 회전속도의 변화에 따른 진동값의 변화를 나타낸다. (위 그림에서는 위험속도를 1로 표시하였음.)위가 바로 위험속도의 영역이다. 우리가 알고 있는 원심력의 공식만을 생각한다면 이와 같은 일은 발생할 수 없는 것이다. 회전체 진동은 원심력이고 원심력은 회전속도의 제곱에 비례하여 증가해야 하는 것임에도 불구하고 저속에서 오히려 진동이 증가한다는 것은 이해할 수 없는 일이기 떠문이다.5) 무게중심의 이동다음과 같이 무게 중심이 이동하는 것을 간단한 실험을 통해 알아볼 수 있다. 아래의 [그림 3]은 회전체에 불평형을 부가한 후 위치를 표시하고, 회전속도를 증가시켜가면서 회전체의 어떤 위치에 펜이 묻는 지를 실험한 그림이다. (팽이가 진동이 심하면, 돌아가는 팽이에 분필을 가만히 댄 후 어디에 분필이 묻었는지 확인하여 중심의 위치를 변화시키는 것도 이를 응용한 하나의 Balancing방법이다.)모든 회전체는 회전하기 시작하면 불평형량에 의해 원심력이 발생되고, 회전축에 변형이 생긴다. 이때 축은 원심력이 발생한 방향으로 약간 변형된 채 그대로 회전하게 된다. 그렇다면 처음에 펜이 묻는 부분은 무거운 쪽이 될 것이다.[그림 3] 무게중심의 이동그림에서 보는 바와 같이 위험속도 이전의 저속에서는 펜은 무거운 쪽에 묻히게 되고, (A) 점차 속도가 빨라지게 되면 무게 중심이 서서히 옮겨 가면서 펜이 묻게 되는 지점은 무거운 부분의 약간 뒤쪽으로 변화하고 속도가 점차 빨라지면서 펜이 묻는 부분도 점차 무거운 부분과 멀어지게 된다. (B)이 후 위험속도에 이르게 되면 무거운 부분은 펜이 묻는 부분과 90도의 위상차이가 생기고 (C), 위험속도를 충분히 지나게 되면 무게 중심은 회전 중심에 위치하게 되면서 더 이상의 원심력은 발생하지 않게 되고, 오히려 가벼운 쪽에 펜이 묻게 되는 것을 알 수 있다. (D)이를 좀 더 입체적으로 설명하면 다음의 그림과 같다.[그림 4] Backward Whirling그림 (A)는 저속에서의 축의 움직임을 나타낸다. 비록 과장된 그림이기는 하지만 상기와 같은 상태로 회전하게 되므로 어떤 부분에 펜이 놓여지게 된다 하더라도 펜은 회전체의 무거운든지 그 위치는 우리가 원하는 위치로 옮겨 놓을 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 즉, 그림 (A)는 불평형량이 (B)와 동일한 위치에 있다고 가정할 수 있으며, 실제로 10cm 떨어진 반대방향에 동일하게 10g의 보정 중량을 부착함으로써 불평형량을 해소(Balancing)할 수 있기 때문이다.Balancing machine에서 불평형량의 단위를 몇 g하는 식으로 이야기 하는 것은 컴퓨터 안에 이미 회전 반경이 입력되어 있기 때문이다.다음과 같이 여러 개의 불평형량이 분포되어 있는 경우의 회전원판을 가정하여 보자. 위에서 설명한 바와 같이 어떤 경우에도 불평형량의 이동은 가능하다.[그림 6-1] 초기 불평형 위치위의 불평형량들을 우리가 원하고 있는 반경(점선원)까지 이동시키면 그 결과는 다음과 같다.[그림 6-2] 불평형의 이동이와 같은 상태에서 서로 상쇄되는 것들을 제외하고 백터합을 구하면, 아래와 같은 결과를 얻을 수 있으며, 초기 불평형량도 0도 위치에 16g의 불평형이 있는 것과 완전히 동일하다.[그림 6-3] 불평형량의 총합이 때 반대방향에 16g의 보정 중량을 부착하면 불평형량을 제거할 수 있다. 여기에서 우리가 주목해야 할 것은 위와 같은 단면 불평형의 경우에 아무리 복잡하고 많은 불평형 요소가 산재해 있더라도 모든 불평형량은 원하는 반경의 한점에 모을 수 있다는 것이다. 즉, 모든 불평형량은 한 점에 있다.7) Heavy spot과 High spot이상에서 설명한 바와 같이 무게 중심의 위치 즉, 불평형량이 있는 위치는 우리가 원하는 반경으로 이동 가능하다.[그림 7] Heavy spot과 High spot따라서 불평형이 있는 지점과 원주가 만나는 점을 Heavy Spot(질점)이라 하고 가장 밖에 위치한 점을 High Spot(최외곽점) 이라고 한다. 이와 같이 무거운 질점이 항상 최외곽에 위치하고 있을 것 같지만 실제는 코레올리 가속도에 의해 질점은 항상 최외곽점 보다 앞서 있다. 두 지점간의 각도를 위상 지연각(Phase Lag Angle)거하여 원심력을 낮추어야 하기 때문에 언제나 정밀 Balancing이 가장 중요한 작업으로 인식되고 있다.진동의 저감은 기계의 성능향상과 고장저감을 위해 가장 중요한 작업이며, 다른 방법과 달리 Balancing은 진동의 근원이 되는 가진력 자체를 없애는 일이기 때문에 가장 중요한 진동저감 수법이라고 할 수 있다.일반적으로는 제작과정에서 50%는 Balancing을 실시하지 않아도 허용범위에 들게 하는 것이 중요하다. 이와같이 중요한 불평형의 원인이 되는 요인들을 살펴보면 다음과 같이 구분할 수 있다.(1) 설계 비대칭가장 중요한 불평형 요소라고 할 수 있으며, 불평형 요소 중 가장 좋지 않는 형태로써 있어서는 안되는 일이나 현장에서 자주 목격되는 일인만큼 각별한 주의가 요구된다.키와 키 홈의 불평형 관계를 포함하여 설계상 완벽한 평형이 이루어지도록 설계되어야 하며, 이러한 설계가 진정한 Balancing이라고 할 수 있기 때문이다.(2) 소재 내 기포가장 흔하게 발생하는 불평형 요소라고 할 수 있으며, 정밀 주조를 하지 않는 이상 당연히 발생할 수밖에 없는 불평형 요소이다. 이 경우 정밀주조를 실시하거나 주조시 약간의 진공을 걸어 줌으로써 소재내 기포를 외부로 제거하는 방법들이 연구되고 있다.더욱 중요한 것은 금형의 정밀 Balancing을 실시하여야 하며, 특히 플라스틱 성형품의 경우는 초기 시작품을 Balancing하여 불평형 패턴을 구하는 것이 중요하고, 적어도 50%이상의 제품이 허용범위 내에 들 때까지 금형을 수정하는 것이 필요하다.(3) 편심편심의 발생은 주로 원판의 외경가공과 중심축 가공을 동시에 하지 않는 경우 자주 발생하는 현상이며, Balancing을 통해서 교정되기 여러운 만큼 각별한 주의가 필요하다. 특히 풀리의 경우 이왕 같은 형상이 자주 목격되고 있으며, 풀리 홈 가공 시 중심 축과 동시에 가공되거나 정밀 지그를 이용하여 중심축을 기준으로 풀리 홈을 가공하는 것이 반드시 필요하다.풀리 제작업체나 이와 같은 풀리를 이용하여 기계를 제작다.
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