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진동 측정
BY BRÜEL & KJÆR
진동이란 무엇인가?
물체는 기준 위치에 대한 진동 운동을 설명할 때 진동한다고 합니다. 1초 동안 완전한 모션 주기가 발생하는 횟수를 주파수라고 하며 헤르츠(Hz)로 측정됩니다.
운동은 소리굽쇠에서와 같이 단일 주파수에서 발생하는 단일 구성 요소 또는 내연 기관의 피스톤 운동과 같이 동시에 다른 주파수에서 발생하는 여러 구성 요소로 구성될 수 있습니다.
실제로 진동 신호는 일반적으로 동시에 발생하는 매우 많은 주파수로 구성되므로 진폭-시간 패턴, 구성 요소 수 및 발생 주파수만 보면 곧바로 알 수 없습니다.
이러한 구성 요소는 주파수에 대한 진동 진폭을 플롯하여 나타낼 수 있습니다. 진동 신호를 개별 주파수 성분으로 분해하는 것을 주파수 분석이라고 하며, 이는 진단 진동 측정의 초석으로 간주될 수 있습니다. 진동 수준을 주파수의 함수로 보여주는 그래프를 주파수 스펙트로그램이라고 합니다.
기계 진동을 주파수 분석할 때 우리는 일반적으로 기계의 다양한 부품의 기본적인 움직임과 직접적으로 관련된 몇 가지 두드러진 주기 주파수 구성요소를 찾을 수 있습니다. 따라서 주파수 분석을 통해 바람직하지 않은 진동의 원인을 추적할 수 있습니다.
진동은 어디에서 오는 것인가?
실제로는 진동을 피하기가 매우 어렵습니다. 이는 일반적으로 제조 공차, 간극, 기계 부품 사이의 롤링 및 마찰 접촉, 회전 및 왕복 부재의 불균형 힘의 동적 효과로 인해 발생합니다. 종종 작고 중요하지 않은 진동은 일부 다른 구조 부품의 공진 주파수를 여기시키고 주요 진동 및 소음원으로 증폭될 수 있습니다.
자세히 보기진동 측정
그러나 때로는 기계적 진동이 유용한 작업을 수행합니다. 예를 들어, 부품 공급기, 콘크리트 압축기, 초음파 세척 수조, 착암기 및 파일 드라이버에서 의도적으로 진동을 생성합니다. 진동 시험기는 물리적 또는 기능적 응답을 검사하고 진동 환경에 대한 저항성을 확인해야 하는 제품 및 하위 어셈블리에 제어된 수준의 진동 에너지를 부여하기 위해 광범위하게 사용됩니다.
에너지를 활용하는 기계의 설계든, 원활하게 작동하는 기계 제품의 생성 및 유지보수든, 모든 진동 작업의 기본 요구 사항은 측정 및 분석을 통해 진동에 대한 정확한 설명을 얻을 수 있는 능력입니다.
진동 레벨 정량화
진동의 강도를 나타내는 특성인 진동 진폭은 여러 가지 방법으로 정량화할 수 있습니다. 다이어그램에는 사인파의 피크 대 피크 레벨, 피크 레벨, 평균 레벨 및 RMS 레벨 간의 관계가 표시됩니다.
피크 대 피크 값은 예를 들어 기계 부품의 진동 변위가 최대 응력 또는 기계적 클리어런스 고려 사항에 중요한 경우에 유용한 양인 파동의 최대 편위를 표시한다는 점에서 가치가 있습니다.
피크 값은 단기 충격 등의 수준을 나타내는데 특히 중요합니다. 그러나 그림에서 볼 수 있듯이 피크 값은 최대 수준이 발생한 것을 나타낼 뿐 웨이브의 시간 이력은 고려되지 않습니다.
반면에 수정된 평균값은 파동의 시간 이력을 고려하지만 유용한 물리량과 직접적인 관계가 없기 때문에 실용적인 관심이 제한적인 것으로 간주됩니다.
RMS 값은 파동의 시간 이력을 고려하고 에너지 함량과 직접적으로 관련된 진폭 값을 제공하므로 진동의 파괴 능력과 가장 관련성이 높은 진폭 측정값입니다.
가속도, 속도 및 변위
측정 단위
진동하는 소리굽쇠를 보았을 때 우리는 소리굽쇠의 물리적 변위가 정지 위치의 어느 한 쪽으로 끝이 가므로 파도의 진폭을 고려했습니다. 변위 외에도 속도와 가속도 측면에서 포크 레그의 움직임을 설명할 수도 있습니다. 진동의 형태와 주기는 고려되는 변위, 속도 또는 가속도에 관계없이 동일하게 유지됩니다. 가장 큰 차이점은 그림과 같이 세 가지 매개변수의 진폭-시간 곡선 사이에 위상차가 있다는 것입니다.
정현파 신호의 경우 변위, 속도 및 가속도 진폭은 주파수와 시간의 함수에 의해 수학적으로 관련되며 다이어그램에 그래픽으로 표시됩니다. 시간 평균 측정을 할 때 항상 그렇듯이 위상을 무시하면 가속도 신호를 주파수에 비례하는 계수로 나누어 속도를 얻을 수 있습니다. 변위는 가속도 신호를 주파수의 제곱에 비례하는 계수로 나누어 얻을 수 있습니다. 이 분할은 측정 기기에서 디지털 방식으로 수행됩니다.
진동 파라미터는 ISO 요구 사항에 따라 미터법 단위로 거의 보편적으로 측정되며 표에 나와 있습니다. 그러나 중력 상수 "g" 또는 더 정확하게"gn"이 일관된 단위의 ISO 시스템 외부에 있지만 가속도 수준에 여전히 널리 사용됩니다. 다행스럽게도 거의 10(9,80665)의 인수가 [MOP1] 두 단위와 관련이 있으므로 2% 이내의 정신적 전환은 간단한 문제입니다.
가속도, 속도 또는 변위 파라미터 선택
진동 가속도를 감지함으로써 우리는 그 파라미터에만 얽매이지 않습니다. 가속도 신호를 속도와 변위로 변환할 수 있습니다. 대부분의 최신 진동 측정기는 세 가지 파라미터를 모두 측정할 수 있도록 장착되어 있습니다.
단일의 넓은 주파수 대역 진동 측정이 수행되는 경우 신호에 많은 주파수의 구성 요소가 있는 경우 파라미터 선택이 중요합니다. 변위 측정은 저주파 구성 요소에 가장 많은 가중치를 부여하고 반대로 가속도 측정은 고주파 구성 요소에 대한 수준의 가중치를 부여합니다.
경험에 따르면 10 ~ 1000Hz 범위에서 측정된 진동 속도의 전체 RMS 값이 회전 기계의 진동 심각도를 가장 잘 나타냅니다. 가능한 설명은 주어진 속도 수준이 주어진 에너지 수준에 해당한다는 것입니다. 저주파 및 고주파수에서의 진동은 진동 에너지 관점에서 동일하게 가중됩니다. 실제로 많은 기계는 상당히 평평한 속도 스펙트럼을 가지고 있습니다.
협대역 주파수 분석을 수행할 때 파라미터의 선택은 분석이 디스플레이 또는 인쇄에서 기울어지는 방식에만 반영됩니다. 이것은 파라미터 선택에 영향을 줄 수 있는 실질적인 고려 사항으로 이어집니다. 계측기의 동적 범위(측정할 수 있는 가장 작은 값과 가장 큰 값의 차이)를 최대한 활용하려면 가장 평평한 주파수 스펙트럼을 제공하는 파라미터를 선택하는 것이 좋습니다. 이러한 이유로 속도 또는 가속도 파라미터는 일반적으로 주파수 분석 목적으로 선택됩니다.
가속도 측정은 고주파 진동 성분에 가중치를 주기 때문에 이러한 매개변수는 관심 주파수 범위가 고주파를 포함하는 경우에 사용되는 경향이 있습니다.
기계 시스템의 특성은 감지할 수 있는 변위가 낮은 주파수에서만 발생하도록 하는 것입니다. 따라서 변위 측정은 기계적 진동에 대한 일반적인 연구에서 제한된 가치가 있습니다. 기계 요소 사이의 작은 간격을 고려하는 경우 진동 변위는 물론 중요한 고려 사항입니다. 변위는 회전 기계 부품에서 불균형의 지표로 자주 사용되는데, 그 이유는 상대적으로 큰 변위가 일반적으로 균형을 위해 가장 중요한 주파수이기도 한 샤프트 회전 주파수에서 발생하기 때문입니다.
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