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진동(배우)
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1. 개요
振 動 / Vibration
물질의 위치 등 어떠한 물리량이 하나의 일정한 규칙에 따라 변동하는 현상을 말한다.
2. 계측 방법
대부분 회전기 진동의 계측은 회전체의 반력을 직접 받으며 지지하는 역할을 하므로 인해 고장률이 높은 베어링 부분의 계측이 널리 이용되고 있다. 이는 베어링 부분의 측정이 쉽다는 점에서 오래 전부터 활용되어 왔으며 많은 자료가 축적되어 있다. 그러나 Slide 베어링을 채용한 회전기계는 축진동의 계측에 의한 진동평가 방법이 많이 활용되고 있다. 베어링 부 진동계측과 축 진동계측을 비교해 본 표이다.| 베어링 부 진동 계측 | 축 진동 계측 | |
| 측정 부위 | 진동측정이 쉽다[1] | 진동측정이 어렵다[2] |
| Data | 많은 규격치가 brg부 전동계측 방법으로 되어 있으므로 Data가 풍부하고 한계치도 널리 알려져 있다 | Data가 부족하면 한계치의 설정이 어렵다 |
| 진동 감도 | 낮다 | 높다 |
| 계측 장비 | 가격이 싸고 각종 계측 장비가 있다 | 가격이 비싸다 |
| 측정 Data의 정도 | 측정위치 결정이 쉽고 장비가 제약을 적게 받는다 | 측정위치 결정이 쉽지않고 측정 장소의 제약을 받는다.측정위치,측정자에 따라 Data의 산포가 크다 |
특히 2차적인 피해방지 등에서 베어링부 계측보다는 현실적으로 축진동 계측이 유리하다는 판단에 의해 축진동 계측의 방법을 채택하는 경우가 많고 축진동 계측기의 신뢰성이 향상되어 회전기계의 진동평가에 최근에 와서 많이 이용되고 있다.
3. 진동 분석
일반적으로 진동 분석은 일반적인 기계적인 진동을 주기적으로 점검하거나 소음 현상이 뚜렷이 증가할 때 실시한다. 진동감지기가 기계에 문제가 생겼다는 경보신호를 울릴 때 주로 실시한다. 기계공구인 경우 만족한 표면조도 또는 치수의 정밀도를 유지하지 못 한다는 것은 필히 기계적 문제가 있다는 징조인데, 이러한 경우에 실시하는 것이 바로 진동분석이다. 기계적 진동분석은 기계운전상태를 점검하는 예방보수 계획에서부터 시작한다. 기계내의 고장이 있으면 우리는 분석을 통해 원인을 시정조치해야 한다,진동 분석의 기초는 자료수집이다. 먼저 기계 스케치를 하고 표본측정분석을 하여야 한다. 기계의 진동 세기를 조사함으로써 다른 기기의 진동으로부터 영향을 얼마나 받았는지 알 수 있다. 분석을 통해 어느 부품이 나쁜가를 결정할 수 있다.
4. 진동의 원인
4.1. 기계적 원인
4.1.1. 불평형과 오정렬로 발생하는 진동
불평형은 진동의 가장 대표적인 원인이다. 불평형으로 발생하는 진동은 주파수가 문제부품의 회전속도와 같으며 진동의 세기는 불평형의 정도에 비례한다. 일반적으로 가장 큰 전동세기는 반경 방향에서 측정되지만. 회전자는 불평형일때 측방향으로 높은 진동이 발생할 수도 있다. 오정렬은 불평형처럼 가장 일반적인 문제이다. 자동 조심형 베어링,그리고 유연성 카플링에도 불구하고 진동이 발생되지 않게 두 축 및 그들 지지 베어링을 정열시킨다는 것은 매우 어려운 것이다. 오정렬의 조건은 카플링일수도 있지만 다른 경우에도 있다. 축과 베어링이 오정렬의 한 예인데 보통 불평형으로 인하여 오정렬된 베어링의 반작용으로 유발되는 진동처럼 반경 방향 진동이 생기게 된다. 오정렬은 백해무익한 진동을 발생시킬 뿐만 아니라 여러 부품을 가속시켜주는 결과를 나타낸다.4.1.2. 편심(偏心)으로 인해 발생되는 진동
편심은 또다른 기계적 전동발생의 일반적인 원인이다. 이 경우 축이 타원이라는 뜻이 아니고 회전축의 중심이 회전자(回轉子)축의 중심과 일치하지 않는다는 것이다. 실질적으로 편심은 불평형의 원인이 되는데 회전에서 한쪽에 무게가 치우치게 된다. 또한 모터와 발전기에는 전기적인 문제로 발생되는 진동이 있다. 권선의 단절이나 회전자 bar의 부서짐등이 고정자 중심에 위치하지 않으면 진동을 유발시키는 원인이다.해결방법은 표준 모터 시험절차를 사용하여 육안점검을 실시하면 전기적 문제의 원인을 발견할 수 있다. 편심이나 송풍기, 펌프 그리고 압축기회전자 역시 진동을 유발시키는 힘을 발생한다. 이러한 경우 회전자에 비치는 공기역학적이거나 유체역학적인 힘이 불평형하게 작용하기 때문이다. 이들의 힘은 회전자의 무거운쪽에 작용하므로 결과적으로 불평형과 유사한 진동을 발생하게 된다.
이것을 오히려 이용하는 사례도 우리 가까이에 있다. 휴대폰이나 게임패드, 진동벨 등 휴대용 기기의 진동은 의도적으로 편심된 회전자를 단 모터를 이용해 만든다.
4.1.3. 왕복(往復)에 의해 발생되는 진동
왕복등 압축기, 피스톤 펌프, 가솔린 같은 기계에는 보통 원설계자체 왕복작용력과 기계의 운전에서 오는 진동을 가지게 된다. 이 고유 진동은 왕복운동부품의 관성에 피스톤에 가해지는 압력의 변화로 일어난다. 왕복동기계의 진동 분석은 많은 종류의 주파수가 자주 나타나므로 어려운 편이다. 주파수는 보통 RPM의 2배로 나타나는데, 이렇게 높은 주파수가 나타난다는 것은 일반적인 사실이지만 이것은 피스톤수와 행정에 매우 큰 관계가 있다. 예를 들면 6실린더에 4싸이클 행정인 엔진에서는 크랭크샤프트의 동력 충격을 가지게 된다. 물론 이것은 3RPM의 주파수를 가진 진동을 발생한다.왕복동기계에서 과대한 진동을 일으킬 수 있는 것은 기계적인 문제와 운전상의 문제가 있다. 기계적인 문제는 이미 설명한 바와 같이 불균형,축의 휨, 이완, 베어링의 고장 등이다. 운전 상의 문제는 옆샘의 누설 밸브의 고착, 그리고 주입기 등의 문제로 볼 수 있다. 이러한 부분의 경우, 운전 상 및 기계적 문제로 인한 진동 특성은 거의 같다. 그러므로, 때로는 분석자료의 세밀한 평가 없이는 실제 존재하는 문제의 정확한 원인을 찾기란 매우 어렵다. 운전 상의 문제와 기계적인 문제를 구별하는 데에는 몇가지 방법이 있다. 점화 고창 같은 운전 상의 문제는 일반적으로 과대한 진동 발생과 기계의 중대한 효율의 저하를 수반한다. 또 달리 불균형과 같은 기계적 문제는 전체적인 효율에는 약간 또는 전혀 영향을 미치지 않는다.
나아가서 운전 상의 문제는 불균일한 왕복력이 작용되는 경향이 있으므로 왕복 운동의 평행한 방향으로 많은 진동이 증가되지만 그 운동에 수직방향으로는 아주 작은 진동이 증가될 뿐이다.
4.1.4. 마찰(摩擦)로 인해 발생하는 진동
기계의 고정부품과 회전부품사이에서 일어나는 마찰은 회전속도 또는 2배의 주파수를 가진 진동을 유발시킨다.만약 마찰이 계속된다면 어떤 특별한 진동특성이 있을 것 같지는 않다. 하지만 실제로 마찰 현상이 존재한다면 매우 높은 주파수의 진동과 소음을 발생하게 된다. 증기터빈이나 이와 유사한 대형기계에서의 마찰을 계통의 변화가 있을 때는 한 동작에서 다음 동작으로 갈 때. 진동세기 및 위상의 변화가 크게 된다. 예를들면 3600rpg으로 돌고 있는 증기터빈이 회전속도에 맞는 주파수와 그에 맞는 안정된 진동세기 및 위상을 가지고 있다고 가정하고 1800rpm으로 속도를 감소시켰다가 다시 3600rpg으로 속도를 증가시키면 진동세기 및 위상이 자주 변화하게 된다. 이것은 마찰부분이 한 곳에서 다른 곳으로 변하고 있다는 것을 나타내는데. 물론 이러한 현상은 사전에 바란싱을 교정할 때 제거된 것이다.
이것이 계속된다면 축이 휘거나 부품의 파손 또는 손상이 일으키게 된다.
지각판의 충돌로 마찰이 생겨 진동이 발생하는 경우도 있는데, 이것이 흔히 말하는 지진이다.
4.1.5. 공진(共振)에 의해 발생되는 진동
모든 물체 또는 기계의 모든 부품은 고유주파수를 가지고 있다. 예를들어 종을 때렸을 때 종은 고유주파수로 진동하게 되는데 이 계속되는 진동은 " 자유진동"이라고 부르며 이것은 고유의 재동 때문에 나중에는 없어지게 된다. 자유진동은 따라서 강제진동시의 주파수는 기계 또는 구조물에 적용될 구동력이 주파수에 달려 있다. 모터의 강제진동은 회전자 불평행 구동력에 원인이 되는데 이러 경우에 이 강제진동의 주파수는 모터의 회전속도에 의해 결정된다.부품이 공진현상으로 진동하는지 알 수 있는 방법은 펌프 시험이 있다. 펌프 시험은 기계를 정지시켜 두고 진동에 충부한 힘으로 기계 또는 구조물을 간단하게 때리는 실험이다. 만약 진동이 매우 빨리 소멸하면 연속적으로 기계를 때려주어야 한다.
공진문제는 우연히 나타나는 현상이다. 이에 대한 해결법으로는 기계의 회전속도를 증감시키거나 실재 고유주파수를 변화시키는 방법으로 해결할 수 있다.
4.1.6. 점성(粘性)의 기동저항에 의해 발생하는 진동
점성 유체의 영향으로 진동이 일어나기도 한다. 이런 경우에는 정밀 감사를 하여 윤활유가 적절하지 않고 필요 이상으로 높아져 기동저항이 생기는 이유이다. 이런 경우에는 점도 선정치를 잘 보아야 한다. 그 후 기름을 적절한 윤활유로 바꾸어줘야 한다. 아래는 점도 선정치이다.| 검토내역 | 1120kw | 2320kw | |
| 회전 수 | 150~480RPM | 410~820RPG | |
| Shaft | de/Nde | Ø360 / Ø 300 | Ø280 / Ø 280 |
| Journal Surface Speed | de/Nde | 1782 / 1485 | 2368 |
| OIL viscosity Sua 100F | 200~250 | 150~200 | |
| OIL ISO 선정 | ISO #46 | ISO #48 | |
이와 같이 윤활유의 과다주입은 교반저항에 의한 발열 및 외부방열의 차단 등에 의한 진동이 될 수 있다. 주입량은 2개월 이상 휴지후 Re-Greasion후 가동시켜야 하고 적절한 시기에 보급량을 보급시켜야 한다. 서로 혼합되지 않는 윤활유를 주입하면 주도변경이나 최대허용속도의 감소가 일어날 수 있으니 주의하자. 중주제가 가고 기유가 비슷한 윤활유는 서로 혼입할 수 있다. 그러나 동종이 아니면 혼합이 되더라도 성능이 저하될 수 있으므로 다른 윤활유를 사용할 경우에는 기존 윤활유를 완전히 제거하는 게 점성의 기동저항이 생기지 않는다.
4.1.7. 열팽창에 의한 진동
열팽창(Thermal expansion)에 의한 진동도 발생한다. 부하 운전시 기기가 열팽창되면서 생기는 진동을 말하며 이는 전기적 진동이 아니다. 이 진동이 일어나는 원인으로는 로터가 전체적으로 열변형되거나, 링이 부하에서 반부하측으로 이동되거나, 열팽창에 의한 변형력에 못 이겨 금이 가는 등의 이유가 있다. 수 개월 동안 첨두부하용으로 사용하면서 잦은 기동과 정지가 반복되고 부하측과 반부하측의 온도상승의 편차가 클 때 이런 변화가 생길 수 있다.이를 막기 위해서는 시원한 곳에서 기계를 돌려야하고 오랫동안 기계를 돌리지 않고 쉬어가며 돌려야 한다.
4.1.8. 발진기(Oscillator)에 의한 진동
기계적진동이 소음과 피로파괴의 원인으로 흔히 나쁜 것으로 간주되는 반면, 전기적 진동은 원하는 주파수·파형의 진동을 인위적으로 발생시키는 방향으로 연구되었고, 이러한 기능을 하는 전기회로를 발진기 회로라고 한다. 현대의 거의 모든 전기·전자회로 어플리케이션은 발진기를 통해 전기적 진동을 발생시키는 것으로부터 시작된다. 예를들어 아날로그 신디사이저는 다수의 발진기로부터 생성된 신호를 증폭·합성하여 다양한 음색의 소리를 만들어 내고, 모든 디지털 회로에 반드시 사용되는 클럭(Clock)은 구형파(Square wave) 발진기이다.4.1.9. 열역학적 진동
전기회로 내의 전자는 가만히 내버려 두어도 스스로 진동한다. 원인을 파고 들면 입자의 운동량-위치의 불확정성 원리에 기인하기 때문에, 없앨 수 없는 최소한의 잡음으로 중요하게 다루어진다. 전기회로·전파공학 등에서는 열잡음, 음향·영상학에서는 흔히 화이트 노이즈라 부르나 이는 모두 같은 것을 이르는 말이다. 기계나 건축물에도 어김없이 발생하지만 문제가 되기에는 너무 작은 진동이라 무시되는 듯 하다.4.1.10. 비선형소자에 의한 고조파 진동
모터, 인버터, 증폭기 등의 비선형소자를 통과한 전기 신호에는 원래의 신호의 배수의 주파수를 가진 신호가 추가되곤 하는데, 이를 고조파라 한다. 기계 및 전자제품에서 고조파는 소음, 진동(기계적 진동), 열을 발생시키고 에너지효율을 떨어뜨리는 원인이기 때문에, 고조파를 얼마나 억제했냐 하는 것이 잘 설계된 회로의 기준이 된다. 겉모습만 따라한 싸구려 가전제품과 유명 메이커 제품의 차이는 여기서 나온다. 현대 음악계에서는 새로운 소리를 만들어낼 때 이를 의도적으로 활용하기도 한다.5. 진동 발생 장치
회전밸런스가 의도적으로 나쁘게 제작된 모터를 돌려 기계적인 진동을 발생시키기도 하고, 전자석을 이용해 진동을 발생시키기도 한다.- 가진기(진동시험기) : 진동내구시험을 목적으로 제품에 진동을 기계적 혹은 전자기의 원리로 가진하는 장치
- 스피커 : 전자기의 원리로 일정 전기신호에 따라 보이스코일을 움직여 소리를 내는데, 그 보이스코일 움직임이 진동을 유발할 수 있다.
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상당수의 진동 기능 호환
게임패드: 70~80년대 콘솔 컨트롤러에서는 찾아볼 수 없었고 아케이드 게임 기기 중 체감형 내지는 전용 조작기구를 갖춘 대형 머신쯤에서나 볼 수 있었지만, 90년대말
닌텐도 64에서 컨트롤러용 진동가능 보조기기인 진동팩으로 업계최초의 진동패드를 선보였으며, 이후 나온 소니의 플레이스테이션용 조작기기인
듀얼쇼크와 엑스박스용 컨트롤러에도 영향을 주는 등, 콘솔용 게임패드는 진동이 없는게 당연 했던 시절 이후
한 때 없애버렸다가진동이 기본적인 대세가 되었다. 물론 초미니 패드처럼 일부 진동없이 설계된 예외는 있고 2000년대 동안에서도 진동의 탑재 유무로 나뉘는 부분은 있었다. 이후 2010년대쯤 부터는 PC용 게임패드도 포스피드백을 통해 진동이 대체로 지원 되지만, 저가 컨트롤러급 까지 반드시 진동을 지원 하는 것은 아닐 수 있으니 구입 전 확인 하고 쓰는 것이 좋다. - 바이브레이터: 진동을 발생시키는 장치. 자세한 사항은 해당 문서 참조.
- 핸드폰: 진동을 이용해 전화, 문자 등을 알린다.
- 진동벨
6. 기타
- 마블 코믹스에 등장하는 비브라늄의 어원이기도 하다. (-ium)
- 새턴 5 로켓 2단 엔진이 터보펌프의 공동 현상[3]과 포고 현상으로 인한 진동으로 아폴로 13호에서 문제를 일으킨 적이 있다.