<김동수님의 글>
안녕하십니까.
저는 터빈제조업체의 설계직 사원으로 저희 회사에서 제작한 제품을 시운전하던 중 특이한 문제점을 발견하여 여러 전문가님들의 조언을 구하고자 이렇게 글을 올립니다.
문제는 다음과 같습니다.
8314rpm의 피니언축이 1620rpm의 기어축과 맞물려 돌아가는데
기동후 속도가 증가하는 구간에서는 특이한 소음이 없읍니다만
속도를 줄이면, 즉 부하가 떨어지면 심각한 기어소음(추정)이 발생됩니다.
제 생각으로는 속도를 증가시키는 동안에는 피니언이 기어축을 구동을
시키게 되지만 속도를 떨어뜨리는 구간에는 역으로 기어축이 피니언을
구동하게 되는 것 같습니다(기어축의 기어휠이 관성이 훨씬 큽니다.)
이때 어떤 원인 모를 Hammering 효과가 일어나는 것 같은데요
분해해서 backlash를 체크하면 도면 공차를 만족합니다.
특별히 기어에 손상을 발견할 수도 없었고 베어링(미끄럼베어링)의
마모 상태도 양호합니다.
이때는 어떤 것을 먼저 체크해야 하는지요.
물론 자세한 도면이나 데이터 없이 질문 올리는 것이 말이 안되기는
하지만 비슷한 경험을 가지신 분이 있다면 고견을 듣고 싶읍니다.
관심있으신 분들의 많은 응답 부탁드립니다.

울산에서 드림


<답변>
윗 분께서 이미 답변에서 언급하신 바와 같이 기어의 Rattle 문제인 것 같습니다. Rattle은 기어의 Backlash가 원인임에는 틀림이 없으나 Backlash 없는 기어는 없습니다. Backlash의 크기에 따라 소리의 정도가 변할 수는 있겠지만 그렇다고 너무 줄여버리면 사용과정에서 기어의 마모가 커질 가능성이 높아질 뿐이죠.

오디오의 앰프와 스피커를 연결할 때 임피던스 매칭이란 것이 늘 문제가 되는데, 연결 지점에서 에너지의 흐름이 부드럽지 않으면 상호간의 반사가 일어나고 임피던스가 약한 쪽으로 영향이 크게 발생합니다. 기어 Train에서도 구동축과 종동축의 임피던스 차이가 크면 작은 쪽이 놀게 되는 현상이 발생할 수 있고 치면의 반복적인 충격으로 이어지는 경우가 많습니다.

Rattle은, 가속 중에는 부하에 의해 지속적으로 기어의 한 쪽 치면만 접촉하기 때문에 잘 발생을 않습니다. 그러나 동력 발생부의 fluctuation이 큰 경우라든가 감속시와 같이 동력 연결부가 끊어져서 임피던스가 확연하게 줄어들면 Rattle이 발생할 소지가 증가합니다.

Rattle의 발생 메카니즘이나 크기에 영향을 주는 인자들은 상황에 따라 다양하기 때문에 단언하기 힘들지만, 일단 Order analysis를 통해서 Rattle이 발생하는 부위를 정확히 찾으시고, 문제가 발생하는 기어 쌍에서 치면이 놀지 못하도록 한 방향으로 밀어 주는 스프링(+damper) 내지는 drag force를 줄 수 있는 device를 간단하게 설계해서 설치해보면 어떨까 합니다.

현장에서 종종 겪어본 경험이 있습니다.

역시 스팀터빈인 경우도 두차례(신설 혹시 노후) 있었지만 대형 펌프
에서도 Low Load에서 마치 기어가 파손된 것 같은 소음이 나기도
했는데...일단은 Backlash가 Max.상황에서 부하가 적다보니 마치 빈수레
가 요란한 것 처럼하였으나 Load를 걸면 없어지므로 문제가 되지 않다고
인식하고 지나쳤습니다.

기본적으로 Gear는 Backlash가 크면 소음이 커지며 윤활유 점도가 낮아
도 소음이 커졌습니다. Backlash는 부하가 Normal일때를 기준하여 정하
는 것으로 알고 있으므로 적정 Load하에서 온도가 올라 Gear가 팽창
해서 Backlash가 줄어들므로 윤활유 온도관리도 필요하다고 봅니다.

먼저 답변에 감사드립니다.
귀하의 조언을 접하고서 바로 현장에 가서 백래시와 베어링 Clearance를 다시 체크하였습니다.
먼저 베어링 Clearance는 도면 공차 중간값으로 문제가 없음이 판명되었고,
백래쉬는 도면 공차의 max.쪽으로 붙어 있더군요.
이기계는 배에 들어가는 스팀터빈으로 3대가 배한척에 설치가 됩니다.
저희 공장에서는 시운전 설비가 있어 모든 터빈을 시운전하고 납품을 합니다. 따라서 모든 조건이 동일한 기계가 3대가 있고, 그중에 오직 한대만 기어소음이 나고 있습니다.
귀하께서 말씀하신 Rotor-train의 동적해석은 이미 완료하였고,
운전범위내에 위험속도(Lateral, torsional)가 존재하지는 않습니다.
그리고, 다른 2대의 기계에서 상태가 양호한 것으로 보아 설계파라미터를 다시 고려해야 할 것 같지는 않구요..
단지 다른 2대보다 백래시가 조금 크더군요.
문제가 없었는 2대의 백래시 값은 0.4mm 정도이고, 본 문제의 기계는 0.6mm 정도가 됩니다. 그렇지만 도면 허용치에는 들어옵니다.
과연 이 차이가 그런 소음을 유발할지는 참으로 판단하기 힘드는군요.
그리고, 지금 단계에서는 백래시를 수정할 마땅한 방법이 없어서 더 막막하군요.
이상태에서 베어링의 유격을 더줄이는 것이 효과가 있을까요?
고견을 구합니다.

김동수님의 글
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안녕하십니까.
저는 터빈제조업체의 설계직 사원으로 저희 회사에서 제작한 제품을 시운전하던 중 특이한 문제점을 발견하여 여러 전문가님들의 조언을 구하고자 이렇게 글을 올립니다.
문제는 다음과 같습니다.
8314rpm의 피니언축이 1620rpm의 기어축과 맞물려 돌아가는데
기동후 속도가 증가하는 구간에서는 특이한 소음이 없읍니다만
속도를 줄이면, 즉 부하가 떨어지면 심각한 기어소음(추정)이 발생됩니다.
제 생각으로는 속도를 증가시키는 동안에는 피니언이 기어축을 구동을
시키게 되지만 속도를 떨어뜨리는 구간에는 역으로 기어축이 피니언을
구동하게 되는 것 같습니다(기어축의 기어휠이 관성이 훨씬 큽니다.)
이때 어떤 원인 모를 Hammering 효과가 일어나는 것 같은데요
분해해서 backlash를 체크하면 도면 공차를 만족합니다.
특별히 기어에 손상을 발견할 수도 없었고 베어링(미끄럼베어링)의
마모 상태도 양호합니다.
이때는 어떤 것을 먼저 체크해야 하는지요.
물론 자세한 도면이나 데이터 없이 질문 올리는 것이 말이 안되기는
하지만 비슷한 경험을 가지신 분이 있다면 고견을 듣고 싶읍니다.
관심있으신 분들의 많은 응답 부탁드립니다.

울산에서 드림

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안녕하세요 김동수님

참 해결하기 어려운 문제에 직면 하셨네요.
고민이 많겠습니다.

가공이나 조립에 이상이 없다면 무부하시에 발생하는 기어소음은 대개 백래시
때문에 발생하는 래틀소음(Rattle Noise)입니다.
이것은 부하가 걸리면 없어졌다가 부하가 줄어들거나 없어지면 발생합니다.
주로 자동차 아이들링시 문제가 많이 됩니다.
이것을 없애는 방법은 백래시를 최소한도로 줄이고, 베어링에서 발생하는 유격을 최소한도로 유지해야 합니다.
규정백래시 값이 진짜로 적절한 값인지 검사해 볼 필요가 있고, 미끄럼 베어링의 틈새가 제대로 유지 되고 있는지 확인해 볼 필요성이 있을 것입니다.

또다른 원인은 시스템 자체 특성에 원인이 있을 수 있습니다.
Gear Train의 Dynamic 해석을 통해 시스템의 진동특성을 분석, 시운전시 측정한 소음, 진동 데이타의 주파수 분석 결과와 비교합니다.
이렇게하여 시스템 자체에서 원인이 있다고 판정될 때는 설계파라메타 몇가지를 변화시켜 대책을 세우는 것이 가능해집니다.
김동수님의 메일주소로 볼 때 이런 해석을 할 수 있는 소프트웨어 1~2개는 이미 가지고 있을 규모의 회사인 것 같으니 회사내 연구소등에 문의하여 보시기 바랍니다.

다른경험도 격으신 분들분들의 조언도 있으리라 기대합니다.

그럼