[실전 NVH 가이드] 불평형 vs 축정렬불량 — 1X와 2X로 회전체 결함의 양대 축을 가른다

[실전 NVH 가이드] 불평형 vs 축정렬불량 — 1X와 2X로 회전체 결함의 양대 축을 가른다

by NVH 엔지니어 | 실전 NVH 가이드

🚨 [Hook] "1800 rpm에서 30 Hz 피크가 큰데, 정확히 어떤 결함이죠?"

회전 기계 진동을 측정하면 거의 항상 회전 주파수(1X) 근처에 어떤 피크가 보입니다. 1800 rpm 기계라면 30 Hz, 3600 rpm이면 60 Hz. 진폭이 평소보다 좀 높아 보이는데, 이게 단순한 불평형(unbalance)인지, 축정렬불량(misalignment)인지, 아니면 둘 다인지 빠르게 판별해야 합니다 — 보정 작업이 완전히 다르기 때문입니다.

"이 모터-펌프 세트, 1X가 큰데 동시에 2X도 무시 못 할 정도예요. 밸런싱(balancing)하면 끝날까요, 아니면 커플링 다시 맞춰야 할까요?"

회전체 결함의 90%는 결국 불평형과 축정렬불량으로 좁혀집니다. 둘은 진동 차수의 패턴이 다르고, 방향(radial / axial)이 다르고, 위상(phase) 관계가 다릅니다. 이 세 가지 단서를 함께 보면 분해 없이도 어느 쪽인지 거의 확정할 수 있습니다.

💡 [Concept] 세탁기와 두 사람의 2인3각

🧺 불평형 = 세탁기에 빨래가 한쪽으로 몰렸을 때

드럼이 한 바퀴 돌 때마다 무거운 쪽이 한 방향을 향했다가 반대로 가면서 세탁기 본체가 같은 방향으로 출렁입니다 — 한 바퀴에 정확히 한 번. 이게 1X 진동의 본질. 회전 속도가 두 배 빨라지면 원심력은 네 배 → 1X 진폭도 그만큼 커집니다.

👬 축정렬불량 = 두 사람이 2인3각 달리기를 할 때 발이 안 맞음

두 사람의 다리가 정확히 같은 방향으로 움직이지 않으면 한 걸음 안에 두 번 흔들림이 일어납니다. 모터 축과 펌프 축이 어긋나 있으면 한 바퀴 회전 중에 두 번 압박이 가해지면서 2X 진동이 1X보다 더 두드러지게 나타납니다.

그래서 회전체 진단의 첫 단서는 단순합니다:

• 1X가 압도적으로 크고 2X·3X는 작다 → 불평형 의심
• 2X가 1X보다 크거나 비슷하다, 특히 축 방향(axial) 진동이 크다 → 축정렬불량 의심
• 비정수 차수(예: 5.4X)가 보인다 → 베어링 결함 ([지난 글] 참조)

🔬 [Deep Dive] 불평형·축정렬불량의 물리와 위상 패턴

불평형의 원심력

회전체 질량 \(m\)의 무게중심이 회전축으로부터 거리 \(e\)만큼 떨어져 있다면, 회전 시 다음 크기의 원심력이 발생합니다.

불평형 원심력

$$F_{\mathrm{unb}} \;=\; m\,e\,\omega^{2} \;=\; (m \cdot e)\,(2\pi\,f_r)^{2}$$

\(m \cdot e\): 불평형량 (g·mm), \(\omega\): 각속도, \(f_r\): 회전 주파수

이 힘이 회전과 함께 회전하므로 회전축에 부착된 가속도계는 항상 1X 주파수의 정현파 응답을 봅니다. 1X 진폭이 회전수 제곱에 비례한다는 것이 불평형의 결정적 사인입니다.

정적·우력·동적 불평형의 위상 패턴

회전체 양 끝(앞 베어링·뒤 베어링)에서 진동 위상을 함께 보면 불평형의 유형이 갈립니다.

• 정적 불평형(Static): 무게중심이 회전축에서 평행 이동만 — 두 베어링 1X 진동의 위상이 같음(in-phase). 마치 회전체 전체가 좌우로 함께 흔들리는 모양.
• 우력 불평형(Couple): 두 끝에서 반대 방향 불평형 — 두 베어링 위상이 180° 차이(out-of-phase). 회전체가 시계추처럼 진자 운동.
• 동적 불평형(Dynamic): 정적과 우력이 동시. 실제 가장 흔한 형태. 위상차가 90°~180° 사이 어딘가.

축정렬불량의 두 종류

• 평행 정렬불량(Parallel Offset): 모터 축과 부하 축의 중심선이 평행하지만 옆으로 어긋남. 한 바퀴에 두 번 압박 → 2X 우세, radial 방향 진동 큼. 양 베어링 위상 180° 차이.
• 각 정렬불량(Angular): 두 축이 각도를 이루며 만남. 한 바퀴에 두 번 굽힘 → 1X·2X·3X 다 보이고 axial 방향 진동 큼. 양 베어링 axial 위상 180° 차이.

실제 현장에서는 두 종류가 혼합된 경우가 대부분 — 그래서 1X·2X·3X 진폭과 radial·axial 비율을 종합 판단합니다.

진단 매트릭스

결함	차수 패턴	방향	양 베어링 위상	RPM 의존성
불평형(Static)	1X 압도, 2X·3X 작음	Radial 큼, Axial 작음	In-phase (0°)	\(\propto \omega^2\)
불평형(Couple)	1X 압도	Radial	Out-of-phase (180°)	\(\propto \omega^2\)
평행 정렬불량	2X 우세, 1X 동반	Radial 큼	Radial 180°	선형 증가
각 정렬불량	1X·2X·3X 혼재	Axial 큼 (결정적!)	Axial 180°	선형 증가
풀림(Looseness)	0.5X, 1X, 1.5X, 2X 다수 차수	변동	불안정	변동

※ 실제 기계마다 약간씩 다름.

진동 허용 한도

회전 기계의 진동 속도 RMS [mm/s]를 측정해 다음 4단계로 분류 (Class II, rigid foundation 기준):

• A (Good): < 1.4 mm/s — 정상
• B (Acceptable): 1.4 ~ 2.8 mm/s — 운전 가능
• C (Unsatisfactory): 2.8 ~ 4.5 mm/s — 단기 운전만, 보정 필요
• D (Unacceptable): > 4.5 mm/s — 즉시 정지·보정

🎮 [인터랙티브 시뮬레이터] 결함 종류를 바꾸면 1X·2X·3X 패턴이 어떻게 변하는가

결함 종류와 강도를 슬라이더로 조정하면 시간 신호와 차수별 진폭이 어떻게 달라지는지 보세요. 정상 / 불평형 / 평행 정렬 / 각 정렬 / 풀림 다섯 가지를 비교할 수 있습니다.

결함 종류: 정상

정상불평형평행 정렬각 정렬풀림

결함 강도: 중간

약함중간심함

💡 좌측 FFT는 차수별(1X·2X·3X·기타) 진폭, 우측은 radial과 axial 방향 진폭 비. 불평형은 1X 단독 우세 + radial 압도. 각 정렬불량은 1X·2X·3X 혼재 + axial이 radial보다 큼이 결정적 단서. 풀림은 sub-차수(0.5X)와 다수 고차수가 동시.

🛠️ [Theory to Practice] 현장 진단 절차와 보정

측정 단계

1. 3축 측정: 양 베어링 하우징에서 horizontal·vertical·axial 세 방향 모두. 가속도계 부착은 스터드 또는 접착제 ([가속도계 부착 글] 참조).
2. 속도 단위로 분석: 회전체 진동은 진폭이 아니라 진동 속도(mm/s RMS)로 평가 — 적분 한 번. ISO 10816 기준이 이 단위.
3. 차수 추출: FFT에서 1X·2X·3X 진폭과 위상(베어링 간 차)을 표로 정리.
4. tachometer 동기: 위상 측정에는 회전축 키페이저 신호 필수. 그게 있어야 양 베어링 위상차를 정량화.

보정 작업 — 결함별 처치

• 불평형: 현장 밸런싱(field balancing). 시험 가중치(trial weight)를 부착해 영향을 측정하고 영향 계수법(influence coefficient)으로 보정 가중치 계산. 1평면 vs 2평면 밸런싱 — 회전체 폭이 좁으면 1평면, 길면 2평면.
• 축정렬불량: 다이얼 게이지 또는 레이저 정렬기로 모터-펌프 축 재정렬. 평행 오차 0.05 mm, 각 오차 0.05 mrad 이내 권장 (API 686).
• 풀림: 베이스 볼트·앵커 토크 점검. 풀린 부위는 매번 위상이 변동하므로 정확한 부위 찾기 어려움 — 베이스 전체 점검 필요.

자주 빠지는 함정

• 1X만 보고 무조건 밸런싱: 1X 큰데 동시에 2X·3X·axial이 큰 경우는 정렬불량인데 밸런싱을 해버려 진동이 별로 안 줄거나 더 심해짐. axial 진동 비율을 먼저 확인.
• RPM 미체크: 1X 진폭이 회전수 제곱에 비례하지 않으면 불평형이 아닐 가능성. coastdown으로 확인.
• 공진과 혼동: 운전 RPM이 우연히 구조 공진(캠벨 다이어그램의 교차점)에 있으면 1X가 부풀어 보임. 결함이 아닌 공진이 원인일 수도. [캠벨 다이어그램 글] 참조.
• 구조 강성 부족: 베이스가 약하면 같은 가진력에도 진동이 커짐. 가속도계 위상이 위치마다 90° 이상 들쭉날쭉하면 베이스 강성 문제.

✅ [Action Item] 회전체 결함 진단 체크리스트

• 양 베어링에서 radial·axial 3축 측정을 다 했는가?
• 1X·2X·3X 진폭을 속도(mm/s RMS) 단위로 정리했는가?
• 2X 또는 axial이 두드러지지 않으면 → 불평형 가설로 진행
• axial이 radial보다 크면 → 각 정렬불량 가설로 진행 (이게 결정적 단서)
• 2X가 1X와 비슷하거나 크지만 axial이 작으면 → 평행 정렬불량 가설
• 0.5X·1.5X 등 sub-차수가 보이면 → 풀림 가설
• 비정수 차수(예: 5.4X)가 보이면 → [베어링 글] 참고
• 가설 검증: RPM 변화 시 1X 진폭이 제곱으로 증가하는지(coastdown)
• tachometer 동기 위상 측정으로 양 베어링 위상차(in-phase / 180°) 확인했는가?
• ISO 10816 기준으로 진동 등급(A/B/C/D) 평가했는가?

회전체 결함 진단의 출발점은 단순합니다. 1X·2X·3X 진폭 분포 + radial·axial 방향 비 + 양 베어링 위상 세 가지만 함께 보면 불평형·축정렬불량·풀림이 깔끔하게 갈립니다. 분해 없이 진동 데이터만으로 결함을 좁힌 뒤, 올바른 보정 작업(밸런싱 / 정렬 / 베이스 점검)으로 직행할 수 있습니다.

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실전 NVH 가이드 — 1X와 2X로 회전체 결함의 양대 축을 가르다