진동 시험 (vibration test)

진동 시험 (vibration test)

개요

말 그대로 제품을 강제로 흔들어 보는 (진동) 시험이다. 제품 개발 단계에서 진동 시험을 수행해야 하는 경우가 종종있다. 보통의 시험 구성은 아래와 그림과 같다. 왼쪽의 통이 아마추어(amateur) 라는 가진기이고 여러개의 작은 구멍들이 뚫린 테이블이 슬립테이블 (slip table) 이다. 제품을 시험 할때에는 슬립 테이블 위에 제품이 장착된 지그를 볼트로 고정하고 시험한다. 혹은 아마추어를 수직으로 놓고 아마추어 위에서 직접 진동 시험을 하기도 한다. 

*이 시험은 충격망치 (Impact Hammer)로 내리쳐서 고유 진동수와 고유 모드 형상을 구하는 고유진동수 시험 (Modal Testing) 과는 다른 시험이다. 

목적

진동 시험을 하는 이유는 제품의 이송 혹은 운용 중에 발생하는 진동에 대한 내구성 평가가 대부분이다. 실제 환경을 모사하는 시험 규격에 따라 진동 시험을 하고 이후에 제품의 손상 여부를 파악하게 된다. 

진동의 원인은 각각의 제품에 따라 다르며 이송 중에는 자동차, 선박, 비행기 등에서 발생되는 진동이 제품으로 전달되며 운영 중에는 주위의 가진원 (예. 엔진 진동) 에 의한 경우도 있다.

진동 시험 이후에 제품은 다양한 손상의 형태가 나타날 수가 있다 (파손, 볼트 풀림 등). 일반적으로 금속은 작은 크기의 (항복강도 이하) 하중에서도 많은 회수가 반복되면 (피로) 파괴가 일어난다. 이외에도 움직임이 있는 부위는 진동 시험 후에 마찰등에 의해서 제대로 작동하지 않는 경우가 생길 수 있다. 또한 볼트나 너트와 같은 체결부가 풀릴수도 있으며 진동에 의해 간극이 작은 부품끼리 부딛혀서 손상될 수도 있다.

시험 구성

가진기인 아마추어와 슬립테이블 이외에 PC, 제어기, 증폭기가 있다. 이외에 슬립테이블이나 아마추어에는 피드백 제어를 하기위해 가속도계가 부착이 된다. 이 가속도계의 신호를 이용하여 제어기에서 미리 설정된 가진의 크기가 맞도록 가진기를 제어한다. 

아마추어는 기계식과 전자기식이 있다. 기계식은 현재는 거의 사용되지 않으며 대부분 전자기식을 사용한다. 전자기식은 전자기 유도 현상을 이용하여 가진한다 (가진기 내부에 코일을 감고 전기를 제어하여 자석이 부착된 가진기를 가진). 

가진의 종류

일반적으로 각 진동 시험 규격은 해당 제품과 목적에 따라 모두 다르며 가진 시험 규격은 실제 환경보다 극한의 조건을 하는 것이 좋다. 제품 개발사에서 규격을 가지고 있기도 하지만 대부분의 경우는 목적에 맞게 일반적으로 적용되는 국제 혹은 국내 규격을 사용하면 된다. 진동 시험 규격은 보통 가진력이 조화 혹은 정현파 진동 (sine) 혹은 랜덤 (random) 진동이다. 가끔 충격 시험을 수행하기도 한다. 

조화 진동은 두가지 방법이 있으며 가진주파수가 일정 (예. 10 Hz) 한 Sine Dwell 과 특정 주파수 영역을 가진하는 Sine Sweep 이 있다. Sine Sweep 은 특정 주파수 영역 (예. 10~100 Hz) 을 주어진 진폭에 따라 가진주파수를 증가 혹은 감소시켜가며 시험을 한다. Sine Sweep 은 주파수 영역과 진폭 이외에도 Sweep rate 이라고 가진 주파수 증가 혹은 감소 속도도 정해주어야 한다. 보통 Octave/min 으로 정의된다. Octave 는 2배의 주파수를 의미하며 예를들어 10~20 Hz 가진 프로파일에 대해 1 Octave/min 이라하면 1회의 Sweep (10~20 Hz 가진 한번)에 대해 1 분이 걸린다. 

랜덤 진동은 주어진 PSD (power spectral density) 에 따라 일정 시간 동안 가진을 한다. 

많이 사용되는 정현파 진동 시험 규격은 IEC 60068-2-6 규격 등이 있고 랜덤 진동 시험 규격으로는 미국 군사 규격 MIL-STP-810 등이 있다.

드물긴 하나 고온이나 저온과 같은 특수 환경에서 진동시험하는 경우도 있다. 이경우에는 아마추어를 감싸는 챔버가 있어야 한다.

랜덤 진동 PSD 의 예

가진 축

가진 축은 1축으로 하는 경우도 있긴 하나 보통 3축을 번걸아가며 한다. 

이 경우에는 X, Y, Z 축을 번갈아가면서 시험하며 진동 시험용 지그는 1개만 만들어도 된다. 제품이 장착된 1개의 지그를 슬립테이블에서 시험 (X축) 하고 90도 회전하여 슬립테이블에서 다시 시험(Y 축)하고, 아마추어 위에서 상하방향으로 가진하여 시험 (Z축) 하면 된다. 

혹은 큐브형태의 지그를 만들어 3면에 3개의 제품을 붙여 X, Y ,Z 가진 시험을 동시에 하기도 한다. 단, 이러한 큐브 형태의 지그 시험은 피로 수명 측면에서는 각 축에 대해 하나의 제품으로 하는 시험과는 다른 조건의 시험이다. 피로 수명은 피로 손상이 누적이 되는 개념이라서 하나의 제품을 X, Y, Z 로 연속해서 가진하는 것에 비해 한 축만을 가진하는 것이 손상이 더 적다. 

보통 하나의 가진기로 하나의 축만을 가진하나 매우 드물긴 하나 하나의 슬립테이블에 두개 이상의 아마추어를 부착하여 가진하는 경우도 있다.  

지그 (JIG) 혹은 치구

제품을 시험기에 고정하는 지그를 필요로 하며 이를 설계/제작하는데 시간이 많이 걸린다. 진동시험 업체에서 제작해주기도 한다. 

지그 재질

지그의 재질은 밀도에 비해 강성이 높은 (강도가 아니다) 알루미늄을 많이 사용한다. 마그네슘이 비강성이 더 좋긴하나 가격이나 취급에 어려움이 많아 거의 사용되지 않는다. 

지그 설계

지그 설계는 우선 제품이 장착되는 아마추어나 슬립테이블의 장착 홀 패턴을 맞추어야 한다. 그리고 지그의 고유진동수가 가진주파수보다 높게 설계되어야 한다. 그러나 현실적으로는 지그가 너무 커져 이러한 고유진동수 요구조건을 만족하지 못하는 경우가 많다. 대부분 이전에 유사한 시험의 지그 설계를 참고해서 설계한다. 실무 입장에서 지그 설계는 어려운 일은 아니다.

진동 시험 업체

자체적으로 진동 시험기를 보유한 경우에는 자체 진동 시험을 수행하나 외부 업체에서 시험하기도 한다. 국내에도 진동 시험을 대행해주는 업체나 기관이 많이 있으며 업체마다 가격 차이가 꽤 나기때문에 잘 알아보는 것이 좋다. 업체마다 보유한 진동 시험기의 용량이 다르므로 시험전에는 제품의 무게와 가진 규격을 업체에 전달하여 수행 가능한지를 확인해야 한다. 또한 시험 대상물을 직접 가져가야 하는 경우가 많으므로 견적이 싸다고 너무 멀리 있는 업체를 선정하는 것은 좋지 않을 수 있다.

시험 전 가진기 용량 확인

시험 전에 대상물의 무게와 진동시험규격이 가진기 용량으로 시험 가능하진 여부를 확인해야 한다. 용량이 큰 진동 시험기일수록 무거운 제품을 높은 가속도에서 시험할 수 있다. 아마추어의 용량은 kgf로 나타내어지며 가능 여부는 F=MA 를 이용하여 아래와 같이 판단할 수 있다.

아마추어의 용량 (kgf) = (대상물+시험기)의 무게 (kg) x 가속도 (g)

여기서 시험기의 무게는 아마추어의 무게와 지그를 포함하며 슬립테이블을 사용할 경우에는 슬립테이블의 무게도 포함한다.

예를 들어 아마추어의 용량이 4000 kgf이며 진동 시험 규격의 최대 가속도가 20 g 이면 시험 가능한 무게는 200 kg 이다.

진동 해석

진동 시험 전에 구조 진동 해석을 통해서 미리 위험 부위나 개략적인 수명을 예측하는 방법도 있다. 진동 해석 에 의한 피로 수명 예측은 비교적 어려운 해석에 속하나 위험 부위 예측 및 설계 개선에 활용될 수 있다.