진동 모니터링과 분석은 신뢰성 중심 유지보수(RCM) 프로그램의 핵심 요소로 인식되고 있다. 기계의 건강 상태와 장기적인 신뢰성은 진동 진폭 추세로부터 추정되지만, 종종 아무런 경고 없이 위험할 정도로 급격히 증가하는 경우가 있다. 이때 근본 원인으로 공진이 자주 지목된다. 고유 진동수의 물리적 원리와 공진 상태를 인식하고 확인하는 데 사용되는 도구와 방법을 이해하는 것은 진동 분석가에게 필수적인 기술이다.

모든 구조물은 튜닝 포크의 울림과 유사한 고유 진동수를 가진다. 실질적으로 기계와 기계 구성 요소는 튜닝 포크들의 집합, 또는 단자유도 질량–스프링–감쇠 시스템의 합으로 볼 수 있다. 이러한 질량, 스프링, 감쇠 유닛 중 하나의 동적 거동을 살펴보면 각 요소가 어떻게 상호 작용하여 고유 진동수를 결정하는지 알 수 있다. 기본적으로 외력이 가해지면 질량, 강성, 감쇠 각 요소는 자연적인 “정지 상태”로 되돌리기 위해 작용하며, 그 성공 정도는 주파수에 따라 달라진다. 고유 진동수 이하에서는 응답(진동)이 주로 질량에 의해 지배되며, 고유 진동수 이상에서는 강성에 의해 지배된다. 불행히도 정확히 고유 진동수에서는 질량과 강성 효과가 서로 180도 위상 차이를 가지므로, 감쇠가 없다면 이론적으로 진동은 무한대로 증가하게 된다. 질량/스프링/감쇠 모델의 기본 관계는 그림 1의 식으로 정의된다.

ω = 라디안/초 단위의 각주파수
π = 파이(~3.14)
f = 초당 사이클 수(Hz)
k = 강성
m = 질량

일반적으로 고유 진동수(ωn)는 강성(k)을 질량(m)으로 나눈 값의 제곱근이다.

분모(질량)를 증가시키면 결과적인 고유 진동수는 감소한다.

반대로 분자(강성)를 증가시키면 고유 진동수는 증가한다.

감쇠는 고유 진동수에서의 진폭을 최소화하거나 감소시키는 역할을 하며, 구조물의 분자 특성으로 정의되는 마찰 에너지의 척도로 간주된다. 실질적으로 튜닝 포크는 감쇠가 적은 구조이고, 테이블 상판과 같은 구조물은 감쇠가 큰 구조이다.

공진 상태는 기계의 고유 진동수가 설비 운전 중 발생하는 가진 주파수와 일치할 때 발생한다. 가진 주파수는 회전체에서 발생하는 동적 힘에 의해 생성되며, 불평형, 정렬 불량, 풀림, 블레이드 또는 베인 통과 등에 의한 1x, 2x, 3x… nthx와 같은 이산 성분일 수도 있고, 심한 풀림, 유동 난류, 캐비테이션, 미끄럼/마찰 접촉, 마찰 에너지 등에 의해 발생하는 광대역 잡음일 수도 있다.

단자유도 모델과 달리 실제 기계는 여러 자유도를 가지며 각각 고유의 동특성을 가진다. 따라서 이들 고유 진동수 중 하나 이상이 여기되어 심각한 공진 상태가 발생하는 것을 어렵지 않게 상상할 수 있다.

이 문제는 최신 VFD 모터로 인해 더욱 심화된다. 넓은 속도 범위에서 운전되기 때문에 고유 진동수가 여기될 가능성이 크게 증가한다. 이 임계 속도에서 진동은 10~30배까지 증가할 수 있다. 해결하지 않으면 부품 손상이나 전체적인 치명적 고장은 불가피하다.

참고: 대형 터보기계는 샤프트가 고유 진동수에서 탄성 변형되는 로터 임계 속도를 보이는 경우가 많다. 일반 플랜트 설비(팬, 펌프, 블로워, 롤 등)는 베어링 페데스탈, 팬 슈라우드, 펌프 볼류트 또는 배관, 베이스, 구동 벨트, 또는 여러 구조 지지 부재 중 하나의 구조 공진으로 인해 임계 속도를 나타낸다.

공진 가능성을 식별하는 데 유용한 일반적인 방법은 특정 측정 지점에서 수평, 수직, 축방향 각 축의 진동 레벨을 비교하는 것이다. 예를 들어 수평과 수직 사이에서 10:1 이상의 큰 비율이 발견되면 공진을 의심해야 한다.

적당한 속도 변화에도 진동 진폭이 급격히 변하거나 용접 파손, 균열이 발생하는 경우는 공진에 의한 피로의 확실한 징후이다. 진동 분석가는 공진 상태를 확인하기 위한 여러 진단 도구를 사용할 수 있다.

범프 테스트
2채널 임팩트 테스트
가속/감속(run-up/coast-down) 측정
오더 트래킹

범프 테스트

단일 채널 범프 테스트는 지배적인 고유 진동수에 대한 정보를 제공한다. 수행이 간단하며 충분한 기능을 가진 데이터 수집기 외에 추가 하드웨어가 필요 없다. 참고: 피크 진폭은 충격에 상대적인 값일 뿐이며 공진 주파수에서의 증폭도를 의미하지 않고 위상 데이터도 얻을 수 없다.

2채널 임팩트 테스트

2채널 임팩트 테스트는 구조물에 입력되는 힘과 구조물의 출력 응답(가속도)을 모두 측정한다. 출력 대비 입력의 비율은 주파수 응답 함수가 된다. 단일 채널 범프 테스트와 달리 위상 데이터와 증폭 계수를 모두 획득할 수 있다.

가속/감속 측정

가속/감속 측정은 특정 운전 속도에서 공진 상태를 강조하는 또 다른 방법이다. 그래프는 진폭 대 주파수 대 RPM을 나타낸다.

오더 트래킹

오더 분석은 진폭과 위상을 RPM 대비 표시한다. 데이터는 BODE 플롯(좌) 또는 NYQUIST 플롯(우)으로 표현되며, 진폭과 위상이 극좌표 벡터로 표시된다.

문제를 해결하기 위해 간단한 수정부터 고가의 재설계까지 필요할 수 있다. 초기의 저비용 방법에는 가진 주파수를 최소화하는 것이 있다. 예를 들어 주요 가진 주파수가 회전 속도의 배수(1x, 2x 등)인 경우가 많은데, 로터를 더 높은 품질 등급으로 밸런싱하거나 레이저 정렬을 적용하면 좋은 결과를 얻을 수 있다. 현장 밸런싱과 레이저 축정렬은 정밀 유지보수 전략의 핵심 요소이기도 하다. 또 다른 경제적인 해결책은 기계를 다른 속도로 운전하는 것이다.

구조적 수정이 필요한 경우, 공학적·비용적 측면 모두에서 효과적인 변경을 보장하기 위해 추가 측정 데이터가 필수적이다. 모달 분석과 운전 변형 형상(ODS)은 겉보기에는 경쟁 방법처럼 보이지만, 실제로 모달 분석은 구조의 고유 진동수, 감쇠, 형상을 여기와 무관하게 규정하는 설계·개발 엔지니어용 기법이다.

운전 변형 형상은 현장에서 실제로 발생하는 거동을 보여준다. ODS는 모달 응답의 가중 합이며, 가중치는 가진 주파수에 따라 달라진다. 즉 가진 함수와 구조 모드의 조합이다.

상용 소프트웨어는 구조 형상의 간단한 컴퓨터 모델 생성, 측정 지점 식별, 데이터 수집을 지원한다. 모델은 애니메이션으로 표시되어 사용자가 주요 노드를 시각적으로 확인할 수 있으며, 이를 통해 필요한 수정 사항을 최적화할 수 있다. 이러한 수정은 고유 진동수를 높이거나 낮추는 것이 목적이므로, 이를 달성하는 데 선호되는 방법들이 있다. ODS는 예를 들어 강성을 증가시켜 고유 진동수를 높이는 것이 가장 효과적인 구조 지점을 식별하는 데 유용한 정보를 제공한다. 공진 문제를 해결하기 위한 덜 일반적인 방법으로는 추가 감쇠 또는 동적 흡수기가 있다. 감쇠는 구조의 고유 특성이므로, 공진 패널, 슈라우드, 커플링 가드, 카울링 등의 기본적인 소음 저감 목적이 아니라면 대형 기계에는 실용성이 떨어진다. 동적 흡수기는 대형 수직 보일러 급수 펌프에서 진동을 최소화하는 데 성공적으로 사용되어 왔으며, 설계가 성능에 결정적이다.

결국 목표는 플랜트를 원활하게 운전하는 것이다. 공진 문제를 이해하는 것은 세계적 수준의 유지보수 조직으로 가는 또 하나의 단계이다.