MIL-STD-167-1A의 탄성회전체 진동 기준치 개선에 대한 연구

이 표준서는 회전체 불평형으로부터 기인한 내부 가진 진동의 허용기준치를 명시하고 있으며, 회전체를 강성회전체와 탄성회전체로 구분하여 각각 다른 방식의 시험방법 및 허용기준치를 제시한다. 강성회전체는 1면 또는 2면 교정에 의해 밸런싱을 조정할 수 있는 회전체를 말하는데, 1면 또는 2면 교정은 회전체상 교정작업을 수행하는 평면이 1개 또는 2개임을 의미한다. 이 표준서에서는 회전체의 직경에 대한 길이의 비율 및 회전수에 따라 1면 또는 2면 밸런싱을 수행하는 경우를 구분하고 있다. 일반적으로 밸런싱 머신을 사용하여 회전체 밸런싱을 수행하며, 그 후에 계측한 잔류불평형량이 식 (1)에서 계산한 최대 허용 잔류 불평형량 기준을 초과하지 않도록 관리하고 있다.

여기서 U는 최대 허용 잔류 불평형량(maximum allowable residual unbalance, 단위: oz-inch 또는 g-mm), G는 평형품질등급(balance quality grade, 단위: mm/s), W는 회전체의 중량(단위: lbs 또는 kg), N은 장비의 최대 회전수(단위: r/min)를 의미한다. 이 표준서에서는 회전수에 따라 평형품질등급 적용을 구분하고 있는데, 회전수가 1000 r/min 미만일 경우 G2.5를 적용하고 1000 r/min 이상일 경우 G1.0을 적용한다. 단, 저소음 요구 장비의 경우 회전수와 관계없이 G1.0을 적용한다. 한편, 최대 허용 잔류 불평형 U 값은 개념적으로 불평형량이 회전체의 회전중심으로부터 어느정도 떨어진 위치에 존재하고 있는지를 나타내며, 평형품질등급에 의해 정해지는 회전체의 허용 불평형 편심량(specific unbalance) e와 회전체의 유효질량 m의 곱으로 표현하여 식 (2)와 같이 쓸 수 있다^(3~5).

식 (1)의 평형품질등급 G값은 밸런싱의 정밀도를 등급별로 구분하는 값으로 그 적용 방법은 ANSI S2.19 및 ISO 1940-1의 내용을 준용한다. 평형품질등급 G값이 작을수록 더 정밀한 밸런싱을 수행해야 함을 의미하며 가장 정밀한 품질등급인 G0.4부터 2.5배 단위로 등급을 구분하고 있다^(3,6). 평형품질등급 G값은 최대 허용 잔류 불평형량 U의 계산결과를 조절할 수 있는 변수로 사용할 수 있으며, 이 연구의 실험에서도 강성회전체 관점에서 실험장비의 평형 상태를 조절하기 위해 평형품질등급 G값을 변수로 사용하였다.

한편, 탄성회전체는 강성회전체를 제외한 모든 회전체를 말하며 다면 교정에 의해서 회전체 평형을 조정할 수 있다. 탄성회전체의 경우 장비 프레임에 회전체를 포함한 모든 부품을 장착 및 조립 완료한 완제품 상태에서 진동을 점검하도록 정하고 있다. 진동 계측위치는 베어링 하우징에서 최대 변위가 발생하는 방향이며, 회전주파수에서의 편진폭 변위(displacement single amplitude, 이하 ‘진동변위’)를 계측하여 평가한다. 진동변위 값은 Fig. 1의 허용 기준치를 초과하지 않도록 관리하고 있다.

Fig. 1

Vibratory limit for flexible rotor in displacement single amplitude (logarithm scale)

실험장비는 국방기술품질원 국방신뢰성연구센터 소음진동분석실에서 보유하고 있는 축계 모의 실험장치를 사용했다. 서보모터(모델: MDME102G1G, 최대회전수: 3000 r/min), 탄성커플링, 회전체(질량불평형 디스크 포함), 베어링 조립체로 구성되어 있으며, 형상은 Fig. 4와 같다. 진동변위 측정 대상인 회전체는 Fig. 4의 점선으로 표시한 부분이며, 회전체에 장착된 질량불평형 디스크를 통해 실험장비의 평형 상태를 조정하면서 진동변위를 계측했다. 진동변위 계측 위치는 회전축이 설치된 베어링 하우징 상부면으로, Fig. 4에 표시된 measurement point 표시 지점이다. 참고로 이 실험의 목적상 회전체 불평형으로부터 기인한 진동을 계측 및 분석하여야 하므로 축정렬불량(misalignment) 등과 같은 불평형 외 다른 요인들로부터 발생하는 진동 영향을 최소화하기 위하여 탄성마운트 대신 이 시험장비 전용 마운트 블록을 사용하였다.

Fig. 4

Test equipment for experiment

계측에 사용한 주요 장비는 데이터 수집장치(B&K, Pulse 3053-B12)와 가속도계(PCB, 352A02)이며, 데이터 처리 소프트웨어는 B&K사의 Pulse Labshop을 사용했다. 대부분의 함정탑재장비는 정속운전 장비인데 비해 이 연구에서 사용하는 실험장비는 변속운전 장비이다. 따라서 이 실험장비를 사용하여 함정탑재장비의 정속운전을 모사하기 위해서는 실험장비를 대표할 수 있는 하나의 운전속도를 하나 선정할 필요가 있다. 대표속도를 탐색하기 위해 서보모터의 회전수를 300 r/min부터 3000 r/min까지 60 r/min 간격으로 변속하여 총 45개 회전수에 대해 진동변위 값을 계측하였으며, 이를 통해 회전주파수 5 Hz부터 50 Hz까지의 변화를 1 Hz 단위로 관찰하였다. 관찰 결과, 이 실험장비는 1440 r/min 및 2940 r/min에서 높은 수준의 진동을 발생시켰는데, 그 중 최대값은 항상 1440 r/min에서 발생함을 알 수 있었다. 연구의 목적상 실험장비의 대표 운전속도를 1440 r/min으로 선정하였으며, 결과 분석 역시 1440 r/min을 중심으로 수행하였다. 참고로 3000 r/min을 초과하는 회전수에 대한 실험은 실험장비의 최대 정격 회전수가 3000 r/min인 관계로 안전 및 장비보호를 위해 수행하지 않았다.

식 (1) 및 식 (2)를 활용하여 실험용 불평형 질량 (m)을 계산하고 이를 질량불평형 디스크에 부착하여 회전체의 평형 상태를 악화시킨 상태에서 진동변위 값을 계측하였다. 이 절차를 300 r/min부터 3000 r/min까지 60 r/min 간격으로 총 45회 반복 실시하며 이때 계측된 최대 진동변위 값을 현행 탄성회전체 진동기준과 비교함으로써 강성회전체 진동기준과 탄성회전체 진동기준의 상대적 관계를 검토하였다. 실험을 통해 유의미한 결과를 얻을 때까지 평형품질등급 G값을 변동시켜 회전체의 평형 상태를 악화시키며 진동변위 계측을 반복하였다.

일반적으로 회전체의 밸런싱을 교정할 때에는 주로 회전체의 최외곽면 또는 그 부근에 교정질량을 부착하거나, 또는 회전체 상 편심위치의 최외곽면을 깎아내는 방식으로 작업을 진행한다. 이러한 점을 참고하여 이 실험에서의 불평형 질량 m의 부착위치는 디스크의 최외곽면으로 선정 및 통일하였다.

실험은 Table 1과 같이 크게 4가지로 구성하였다. 우선 모든 실험의 초기상태이자 기준상태를 설정하기 위하여 실험 0을 수행하였으며, 실험장비에 대한 현장 밸런싱 작업을 수행한 후 회전수 별 진동변위 값을 계측하였고 그 결과를 이 실험의 초기상태로 설정하였다. 향후 실험1~4의 결과를 분석할 때 초기상태의 진동변위 수준을 함께 표시하여 실험1~4의 진동수준의 변화를 비교할 수 있게 하였다. 실험1~4의 경우 각 실험별로 평형품질등급 G값을 한 단계씩 낮추어 적용함으로써, 회전체의 평형 상태를 변동(악화)에 따른 진동변위 값을 계측할 수 있도록 구성하였다.

Table 1

Test configuration and contents

MIL-STD-167-1A 강성회전체 진동기준이 규정하는 최대 허용 잔류불평형 상태를 만들 수 있는 실험용 불평형 질량 m을 계산한 뒤, 이를 질량불평형 디스크에 장착한 상태에서 회전수별 진동변위 값을 계측하였다. 1000 r/min 미만에서는 G2.5를 적용하고 1000 r/min 이상에서는 G1.0을 적용하였다. 최대 진동을 발생시키는 1440 r/min 기준으로 볼 때 이 실험은 G1.0를 적용한 실험이라고 할 수 있다. 결과는 Fig. 5에서 나타난 바와 같이 진동변위 수준은 초기상태보다 모든 회전수에서 증가하였으나 현행 탄성회전체 기준치에 비하면 상당히 낮은 수준을 보였다. 1440 r/min에서의 진동변위는 8.6 μm로 기준치 25.0 μm 대비 약 34.5 % 수준에 그쳤다. 즉, 현행 탄성회전체 기준치와 65.5 %의 격차를 보인다.

Fig. 5

Result of test 1: vibratory displacement @ G1.0 condition (linear scale)

실험 2 에서는 1000 r/min 이상의 회전수에 대해서도 G2.5를 일괄 적용하여 실험장비 평형 상태를 한 단계 악화시킨 상태에서 진동변위 수준을 재측정 및 비교했다. 결과는 Fig. 6과 같다. 1440 r/min에서의 진동변위 값은 11.8 μm로, 기준치 25.0 μm 대비 47.2 % 수준에 그쳤다. 즉, 현행 탄성회전체 기준치와 52.8 %의 격차를 보인다.

Fig. 6

Result of test 2: vibratory displacement @ G2.5 condition (linear scale)

실험 3 에서는 모든 회전수에 대하여 일괄적으로 G6.3을 적용하여 실험장비 평형 상태를 한 단계 더 악화시킨 상태에서 진동변위 값 변화를 관찰하였다. 결과는 Fig. 7과 같다. 1440 r/min에서의 진동변위 값은 18.5 μm로 기준치 25 μm 대비 74.1 % 수준까지 올라왔다. 현행 탄성회전체 기준치와는 25.9 %의 격차를 보인다. 탄성회전체 기준치에는 여전히 미치지 못하지만 실험1 및 실험2의 결과에 비해 상당히 근접한 수준을 보였다.

Fig. 7

Result of test 3: vibratory displacement @ G6.3 condition (linear scale)

실험 4에서는 모든 회전수에 대하여 일괄적으로 G15.6을 적용하여 실험장비 평형 상태를 한 단계 더 악화시킨 상태에서 진동변위 값 변화를 관찰하였다. 결과는 Fig. 8과 같다. 1440 r/min에서의 진동변위 값은 31.0 μm로 기준치 25 μm를 24 % 초과하였다. 현행 탄성회전체 기준치와의 격차 역시 24 %이며, 모든 실험결과 중 가장 작은 격차를 보였다.

Fig. 8

Result of test 4: vibratory displacement @ G15.6 condition (linear scale)

실험을 통해 두 진동기준은 상호 동등하지 않음을 확인하였다. 만약 두 진동기준이 상호간 동등한 수준이라면, 강성회전체 기준의 최대 불평형 상태로 장비를 가동했을 때 발생하는 진동변위는 탄성회전체 기준의 최대치에 근접하는 결과가 나와야 할 것으로 생각할 수 있다. 그러나 실험 1에서 계측한 진동변위 값은 탄성회전체 기준선의 약 34.5 % 수준에 그치는 것으로 나타났으므로 현행 표준서의 강성회전체 진동기준과 탄성회전체 진동기준은 상호 동등하지 않음을 알 수 있다.

또한, 실험 1~4의 결과 중 탄성회전체 기준치와 가장 근접한 결과는 G15.6을 적용한 실험4의 결과였는데, 이는 강성회전체 밸런싱 품질을 G15.6 수준으로 수행했을 때 비로소 두 진동기준간 격차가 최소화됨을 의미한다. 그러나 실험 4의 결과는 탄성회전체 기준치를 초과하였으므로, 기준치를 초과하지 않는 범위내에서 고려한다면 두 진동기준간의 격차를 최소화 시킬 수 있는 평형품질등급은 G6.3이다. 현행 표준서에서 요구하고 있는 강성회전체 밸런싱 품질이 G1.0~G2.5 수준임을 고려하면, 현행 탄성회전체 진동기준이 매우 관대한 수준으로 설정되어 있음을 알 수 있다.

이론적 배경에서 살펴본 바와 같이 현행 진동기준은 30년 전인 1974년판 기준보다 더 완화된 수준으로 설정되어있다. 또한, 강성회전체와 탄성회전체로 구분한 두 진동기준은 상호 동등하지 않고 오히려 두 진동기준 사이에 상당히 큰 괴리가 존재함을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 이러한 관점에서 볼 때, 현행 진동기준은 기준치로서의 적합성이 다소 떨어진다고 볼 수 있으며 대한민국 해군 함정에 탑재될 함정탑재장비에 대한 진동기준의 발전을 위해 현행 진동기준에 대한 개선이 필요하다고 판단된다. 특히 탄성회전체의 기준치가 지나치게 관대한 수준으로 설정된 것이 확인되었으므로 탄성회전체 진동변위 기준을 시급하게 개선해야 할 것으로 보인다.

진동 기준치 개선안은 지나치게 과도하지 않으면서도 현행 기준치보다는 엄격한 수준으로 설정하되, MIL-STD-167-1A TYPE II의 두 진동 기준치 간의 괴리를 극복할 수 있는 방향으로 설정하고자 노력했다. 이를 위해 진동 기준치 개선안은 ISO 1940-1에서 정의하는 평형품질등급 G값의 적용기준과 이 연구의 실험 1~3의 결과를 연동하는 방식으로 설정 및 제안하고자 한다.

ISO 1940-1 에서는 강성회전체용 최대 허용 잔류불평형량 계산 시 주요 장비별로 평형품질등급 G값을 차등 적용하도록 Table 2의 분류표와 같이 규정하고 있다. 표에 의하면 G1.0의 경우 그라인더와 같은 고속 정밀기기에 적용하고, G2.5 역시 압축기, 터빈 등과 같은 고속 회전장비에 적용하며, G6.3은 팬, 기어, 펌프 등 일반적인 회전기계에 적용하도록 권고하고 있다.

Table 2

Guidance for balance quality grades for rotors in a rigid state (Quoted from ISO 1940-1:2003)

대부분의 함정탑재장비는 일반 회전기계류에 해당하며 ISO 1940-1이 권고하는 평형품질등급은 G6.3 이다. 또한 이 연구의 실험결과로부터 두 진동기준이 상호간 동등한 관계에 근접할 수 있는 평형품질등급 역시 G6.3인 것으로 확인한 바 있다. 따라서 탄성회전체 진동기준치 개선안은 평형품질등급 G6.3을 적용한 실험3의 결과를 활용하여 설정하는 것이 타당할 것으로 생각된다. G1.0 및 G2.5를 적용한 실험1 및 실험2의 결과를 활용한 개선안도 도출하여 비교 분석 하였다.

기준치 개선안 설정 방식은 각 실험의 결과로부터 얻은 진동변위의 최대값까지 현행 탄성회전체 진동기준치를 일괄 낮추는 방법으로 사용하였으며, 이때 진동변위 최대값은 실험장비가 최대 진동을 발생시키는 1440 r/min에서의 진동변위 값을 기준으로 삼았다.

실험결과로부터 도출한 진동 기준치 개선안들을 Table 3 및 Fig. 9와 같이 정리하였다. 개선안 1안~3안은 각각 평형품질등급 G6.3, G2.5, G1.0 상태에서 계측한 최대 진동 변위값을 기준으로 하였으며, 현행 탄성회전체 진동 기준치의 74.1 %, 47.2 %, 34.6 % 수준으로 각각 설정하였다.

Table 3

Improvement proposals for flexible rotor's vibration criteria

Fig. 9

Improvement proposals for flexible rotor's vibration criteria (linear scale)

개선안 2안 및 3안의 경우 기존 기준치에 비해 과도하게 낮아진 관계로 부적절한 기준치가 될 위험이 있다. 실제로 G1.0~G2.5 수준의 품질평형등급은 달성하기 쉽지 않고, 각 부품마다 G1.0~G2.5 수준을 달성한 후 설치 및 조립 등의 후속공정을 거친 뒤에는 해당 등급을 다시 재현하기는 어려운 것으로 알려져 있다⁽⁹⁾. 반면, 품질평형등급 G6.3과 연동하여 도출한 개선안 1안의 경우 기준 기준치 대비 74.1 % 수준으로 상대적으로 적절한 수준으로 설정된 것으로 보인다.

추가적으로 기준치 1안~3안의 타당성을 검증하기 위해서 실제 함정탑재장비들의 진동 시험 데이터와 비교 검증을 수행했다. 비교 검증 시 사용한 시험 데이터는 총 273건이며, 모두 현행 탄성회전체 진동변위 기준치에 합격한 데이터를 활용했다. 대부분의 함정탑재장비는 유도전동기 종류에 따라 장비 회전수가 900 r/min, 1200 r/min, 1800 r/min, 3600 r/min 등으로 고정되어있으므로 비교 데이터는 이 4가지 회전수를 기준으로 종합하였으며 각 회전수에 대응하는 기준치 개선안 값과 비교하였다. 데이터와 개선안 1안~3안의 비교 결과를 Table 4~6에 정리하였다.

Table 4

Verification for proposal 1 (using actual test data)

Table 5

Verification for proposal 2 (using actual test data)

Table 6

Verification for proposal 3 (using actual test data)

비교 검증한 결과, 2안 및 3안 적용시 전체 시험 데이터 중 약 7.3 % ~ 10.6 % 가 불합격하고 1안 적용시 단지 2.9 %만 불합격하는 현상을 보였다. 특히 격차가 심하게 발생하는 장비는 3600 r/min 고속으로 작동하는 장비인데, 2안 및 3안 적용시 약 22 % ~ 29 %가 불합격하는 현상을 보여, 장비 제작 및 납품을 위한 진동시험에 차질이 예상된다. 반면 1안 적용시 3600 r/min 장비에서도 약 8.5 % 만 불합격하는 현상을 보여, 상대적으로 파급효과가 적으면서도 발전적인 방향의 개선을 요구하는 안으로 볼 수 있다.

ISO 1940-1 의 평형품질등급 적용기준에서 함정탑재장비와 같은 일반 회전기계류에 대해 G6.3 등급 적용을 권고하고 있으며, 이 연구의 실험에서도 G6.3을 적용했을 때 강성회전체 및 탄성회전체 진동기준간의 괴리가 최소화되었고, 실제 시험데이터와 비교했을 때에도 G6.3을 적용한 개선안 1안이 가장 합리적인 수준임을 확인하였기에, 이 연구에서는 기본적으로 G6.3을 사용한 개선안 1안을 탄성회전체 진동기준 개선안으로 제안하고자 한다.

함정탑재장비 사업에 따라서 G1.0 및 G2.5와 같은 고품질 등급이 요구되는 경우에는 이 개선안을 직접 적용하기 어렵다. 이 개선안은 ISO 1940-1에서 일반 회전기계류로 분류한 장비 및 3600 r/min이하의 장비에 대해서 검증하여 제안한 것이므로, G1.0 및 G2.5 등급이 요구되고 고속으로 작동하는 장비에 대해서는 실험적 근거가 부족하기 때문이다. 다만, 압축기 및 가스터빈 등의 고속회전 장비의 경우 ISO 1940-1에서 G2.5 등급 적용을 권고하고 있으므로 3600 r/min을 초과하는 고속 회전 장비에 대해서는 G2.5를 사용하여 도출한 개선안 2안을 부분적으로 적용하는 방법으로 개선안을 제안할 수 있겠다.

따라서 최종적인 탄성회전체 진동기준 개선안은 Fig. 10과 같이 3600 r/min (60 Hz)이하의 회전수에는 개선안 1안(G6.3 기준)을 사용하고, 3600 r/min을 초과하는 고속 회전수에서는 개선안 2안(G2.5 기준)을 사용하여 설정하였다. 단, 함정탑재장비 사업별로 3600 r/min을 초과하는 고속회전 장비를 요구하거나 G1.0 및 G2.5등급을 요구하는 경우에는 추가적인 실험을 통해 검증된 기준치를 제시할 것을 권장한다.

Fig. 10

Final improvement proposal for flexible rotor's vibration criteria (logarithm scale)

이 연구를 통해 제안한 개선안은 몇 가지 제한사항을 가지고 있기 때문에, 그대로 일반화하여 모든 함정탑재장비에 즉시 적용하기는 어렵다. 첫째, 이 연구에서는 하나의 장비만 사용하여 실험을 진행하였기 때문에 함정탑재장비 전체를 대표하는 결과로 보기는 어렵다. 둘째, 이 연구에서는 서보모터를 사용하여 모든 회전수에 대해서 실험을 수행하였고 그 중에서도 실험장비가 가장 높은 진동을 발생시키는 1440 r/min을 분석의 기준으로 삼았다. 하지만 대다수의 함정탑재장비는 고정된 회전수로 운전하는 장비이며 주요 회전수는 900 r/min, 1200 r/min, 1800 r/min, 3600 r/min으로 이 연구에서 기준으로 삼은 회전수와 일치하지 않는다. 셋째, 3600 r/min을 초과하는 고속회전 장비에 대해서는 실험적 근거가 부족하다.

이러한 제한사항들을 극복하고 MIL-STD-167-1A TYPE II 탄성회전체 진동기준의 일반적인 개선안을 도출하기 위해서는 함정탑재장비를 대표할 수 있는 다종 및 다량의 장비에 대한 실험적 분석을 통해 신뢰성 높은 검증을 수행할 필요가 있다고 생각된다.