한국 해군에서는 함정설계/건조기준에서 감속기어와 관련된 진동 기준을 제시한다. 함정설계/건조기준은 MIL-STD-167-2(SHIP) (1974)를 기반으로 추진축계에 작용하는 힘-변위 관계를 분석한다. 비틀림 진동 기준의 경우에는 기어 축에서 비틀림 진동 응력은 극한 인장 강도/25(강철)이내이고, 기어(치차)를 가로 지르는 진동토크는 구동토크의 75% 또는 최대부하토크의 25% 중 작은 값 등 으로 제시한다. 종진동 기준의 경우에는 Fig. 1 및 Table 1과 같이 기어(치차)에서 종방향 변동추력에 의한 진동 응력, 주 추진 계통의 종방향 초과진동 변위로 제시하고 있다. 횡진동의 경우에는 추진축계가 횡방향으로 공진 현상이 없어야 한다고 제시한다. 그리고 축계 진동의 일부(하위) 항목인 하우징 받침대에서 진동을 측정하여 평가한다.

Fig. 1 
Stress limit of gear difference due to longitudinal fluctuation thrust (Korean Navy, 2022)

그러나 감속기어 받침대의 진동 측정 결과는 축의 분당회전수(revolutions per minute), 치차물림 주파수(gear mesh frequency), 기어축 정렬불량(misalignment), 불평형 질량(mass unbalance) 등 감속기어 내부에서 발생하는 동적 하중이 베어링 지지구조와 기저에 적절히 전달되고 작동 간극이 유지되는지에 대한 확인이 필요하다.

따라서 감속기어의 개발 단계 평가 뿐만 아니라 운용 단계에서도 지속적으로 진동 상태를 점검할 수 있는 진동 기준값 마련이 필요하며, 감속기어의 상태를 점검할 수 있는 진동 기준값을 제시하는 것이 필요하다.

미국 선급회사인 ABS(America Bureau of Shipping)의 Vibration of Machinery Equipment and Related Structures 및 노르웨이･독일 선급회사인 DNV(Det Norske Veritas･Germanischer Lloyd)의 Rules for classification of ships의 Vibration Class에서는 Table 2와 같이 감속기어의 기준치에 대해 제시한다. 감속기어의 용량 및 특성의 구분 없이 감속기어 베어링의 모든 방향에서 4 ~ 1000Hz까지의 전 주파수 대역에서 진동 속도의 RMS(Root Mean Square) 값을 활용하여 동일한 기준값인 VR 7.0을 적용한다.

영국 선급회사인 LR(Lloyd's Register)에서는 Ship Vibration and Noise의 Guidance Notes에서 기어류를 회전기계로 분류하여 출력에 따라 기계의 등급을 분류하여 진동 속도값을 활용하여 진동 기준치를 제시한다. 또한 Fig. 2와 같이 진동의 수준에 따라 Good, Satisfactory, Unsatisfactory, Excessive로 구분하여 상태를 판단한다. Good은 탑재된 장비의 전형적인 진동 수준을 의미하고, Satisfactory의 경우 장기적 운용 관점에서 만족스러운 진동 수준을 의미하고, Unsatisfactory의 경우 장기적 운용 관점에서 불만족스러운 진동 수준을 의미하며, 수리가 가능할 때까지 제한된 기간을 설정하여 운용하여야 하며, Excessive의 경우, 기계의 손상이 의심되는 진동 수준임을 의미한다.

Fig. 2 
Rotating machinery assessment (LR(Lloyd's Register), 2006)

국제표준 ISO 20816-9 (Mechanical Vibration - Measurement and Evaluation of Machine Vibration - Part 9. Gear Units)은 감속기어가 개별적으로 덮혀 있거나 밀폐된 상태에서 비틀림 진동을 제외한 기계적 진동을 결정하고 분류하기 위한 요구 사항들을 제안한다. 감속기어의 정격 출력은 10kW ~ 100MW이며, 정격 회전 속도가 30~12,000rpm(0.5 ~ 200Hz)인 감속기어에 적용된다. 그리고 감속기어의 용도에 따라 특수목적, 일반목적 등으로 세분화하고 출력에 따라 세분화하여 진동 등급을 분류하는 것을 권고한다. 또한 하우징 및 축 진동을 측정하는 방법과 진동 크기를 결정하기 위한 계측 유형, 측정 방법 및 시험 절차를 규정하고 수용 가능한 진동 등급들이 포함되어 있다. 감속기어의 진동을 평가하기 위한 측정 위치는 기어 장치의 입력 축 베어링과 장치 내부 축 베어링, 기어장치의 케이싱, 축 변위와 하우징 속도를 동시에 측정하거나 베어링 틈새가 작은 경우에는 하우징 속도만 측정하도록 제시되어 있으며 측정 주파수는 축 변위에서는 2 ~ 500Hz, 하우징 속도는 10~2,000Hz, 하우징 가속도는 10 ~ 5,000Hz로 명시되어 있다. 기어장치의 동적 하중이 베어링의 지지구조와 기저에 적절히 전달되고 작동 간극이 유지되는지를 평가하기 위해 기어장치를 최대 축 출력과 용도, 기어의 형태에 따라 Table 3과 같이 4개의 등급으로 분류하여 평가 기준을 적용하는 것을 예시로 제안한다. 또한, 기어 장치 하우징 측정점의 종방향과 수직방향에 대해서도 장비의 운용 상태를 분류하여 Fig. 3과 같이 속력 등급 선도로 평가 기준을 적용하는 것을 제안한다.

Fig. 3 
Speed rating diagram for housing vibration f frequency, Hz RMS vibration velocity, mm/s: VR velocity rating number (ISO 20816-9, 2016)

기준에 적용하는 진동 등급(rating)들이 다양하고 폭넓은 주파수 대역에서 합리적인 기준을 설정할 수 있는 국제표준 ISO 20816-9를 참조하여 개발 함정의 감속기어 진동 적용기준을 마련하고, 이를 토대로 운용 함정의 진동 상태를 점검 및 모니터링하고자 한다.

현재 운용 중인 함정을 추진방식에 따라 분류하고, 감속기어 개당 출력을 10MW 기준으로 구분하여 ISO 20816-9 표준을 참조하면 함정 설계/건조 기준을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.

축 베어링 하우징 진동은 본 절에서 명시된 주파수 범위에 걸쳐 광대역 가속도 또는 속도를 측정할 수 있는 장비를 사용하여야 한다. 계측기는 가장 낮은 축 회전 속도의 절반부터 가장 높은 치차물림 주파수의 최소 3.5배까지 측정할 수 있어야 한다. 본 논문에서 제시한 기준은 하우징 가속도 주파수 측정 범위는 1~6400Hz이며 속도 주파수 평가 범위는 4~5000Hz로 한다. 저주파 시작점(4Hz)에 관하여 ISO20816-9의 경우에는 주변 환경이나 구조적 진동에 의한 영향이 진동 데이터를 왜곡할 수 있는 부분을 고려해서 최소 주파수를 10Hz로 설정한 것으로 보인다. 하지만 해상 운용 환경에서 적용하는 ABS, DNV 社의 기준값(4Hz)을 준용하는 것이 바람직하다고 판단하였다. 변환기와 계측기를 모두 포함하는 측정 계측 시스템은 전체 작동 주파수 범위에 걸쳐 판독값의 ±10% 허용 오차 내에서 진동 크기를 표시할 수 있어야 한다. 측정 시 선호되는 가속도 단위는 m/s²이고 속력은 mm/s이며 변위는 μm이고 측정결과 분석 시 각각의 물리량 표시 방법은 Table 4와 같다.

진동 등급은 속력의 RMS(Root Mean Square) 값을 기준으로 Table 5와 같이 VR 3.15, VR 5.0, VR 8.0, VR 12.5, VR 20 등으로 나눈다. 이 배열은 진동에너지의 등급간 비율이 약 2.5배되는 값들이며 필요한 경우 비율을 1.25배 단위로 다르게 하여 진동 등급을 세분화 할 수 있다.

해군 함정용 감속기어는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 감속기어 개당 출력 10MW까지 VR 5.0으로, 50MW까지는 VR 8.0으로 구분하여 기준을 설정한다. 이 기준은 현재 운용함정에서 사용되는 감속기어의 개당 출력을 고려하고 ABS, DNV 선급에서 제시하는 단일 기준값인 VR 7.0를 참조했을 때 적절한 등급 분류이다.

Fig. 5 
Velocity rating classification

주파수 대역 4~5000Hz 구간의 속력 기준 선도에 대하여 Fig. 6에서 보는 바와 같이 설정한다. 저주파 대역의 경우 DR 50과 VR 5.0이 일치하는 주파수 대역이 약 45Hz이고 그 절점 이하에서는 14dB/decade의 기울기를 갖는 것으로 규정한다. 고주파 대역은 AR 50과 VR 5.0이 일치하는 주파수 대역과 감속기어 치차물림 주파수 등을 고려하여 1125Hz를 절점으로 하고 그 절점 이상에서는 14dB/decade의 기울기를 갖는 것으로 규정한다. 즉, 45~1125Hz 사이에서는 일정 속력 등급을 갖고 나머지 구간에서는 14dB/decade 비율로 증가하거나 감소하는 직선이 된다.

Fig. 6 
Classification of the VR_rms by frequency

운용 중인 함정의 감속기어 진동을 측정하면 지정된 정격 속도 및 부하 범위의 정상상태(steady state) 작동 조건에서 정상적인 상태의 작은 변화만을 볼 수도 있고 심각한 결함으로 인한 수리나 정비가 요구되는 수준을 확인할 수 있다. 본 논문에서 제시하는 기준에서는 감속기어의 개당 출력이 10MW 초과 시 Fig. 7과 같이 진동 등급을 VR 8.0으로 규정하고 주변 경계를 4개의 구역으로 나누어 기계의 진동에 대한 정성적 평가에 따른 조치를 위한 지침을 제공할 수 있다. 전 구간을 진동 속도 RMS를 기준으로 진동 수준을 비교한다. 구역 A는 새로 시운전된 감속기어들의 진동 상태를 나타낸다. 구역 B는 일반적으로 무제한 사용이 가능한 진동 상태를 나타낸다. 구역 C는 일반적으로 장기간 연속 운용에 만족스럽지 못한 것으로 간주된다. 감속기어는 교정 조치를 위한 적절한 시기가 도래할 때까지 이 조건에서 제한된 기간 동안 운용할 수 있다. 구역 D는 감속기어에 손상을 줄 만큼 심각한 진동 상태이다.

Fig. 7 
Classification of four levels of vibration during deceleration gear operation(If prescribed VR 8.0)

또한 추후 감속기어에 대한 더 많은 경험이 축척되면 해군 함정 감속기어의 출력 외에 기어 종류(평기어, 헬리컬기어 등)나 장착 방식(탄성 또는 고체 마운트) 또는 함정의 최대 속력 등을 고려하여 본 기준 개정(안)을 Table 6과 같이 적용할 수 있다.

2절에서 언급한 바와 같이 국외 주요 선급회사 중 ABS, DNV 社의 감속기어 진동 적용 기준에 따라 MOO급 등 9척의 운용함정에서 계측한 데이터값과 비교해 보았다. 진동 데이터는 PCB Piezotronics사의 3축 가속도 센서인 356A43과 B&K 사의 데이터 수집장치인 Type 3053B-12/0 장비를 사용하여 획득했다.

진동은 감속기어 축베어링 하우징 상부에서 계측하였으며 1~6400Hz 범위의 협대역 주파수 가속도 스펙트럼을 측정했다.

선급 규정에서는 안정적인 주행조건에서 허용되는 모든 작동조건과 부하에서 기준이 적용된다고 명시되어 있다. 이에 따라 MOO급 함정 등 9척의 함정에 대해 최소 속력부터 최대 운항 가능 속력까지 PCL 별로 측정했다. 계측 결과에 대해 Figs. 8~16에서 보는 바와 같이 세로축을 진동 속도의 RMS, 가로 축을 주파수 대역으로 확인했다. 결론적으로 대부분의 함정에서 진동 수준을 만족하는 것으로 보이나, 일부 주행조건에서는 진동 수준을 초과하는 것으로 나타났다.

Fig. 8 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of MOO Class

Fig. 9 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of LOO-II Class

Fig. 10 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of AOO-I Class

Fig. 11 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of MOO Class

Fig. 12 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of AOO-II Class

Fig. 13 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of FOO Class

Fig. 14 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of DOO Class

Fig. 15 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of LOO Class

Fig. 16 
Comparison of ABS, DNV criteria and vibration values of DOO-I Class

선급에서 감속기어에 대해 제시하는 기준은 감속기어의 용량이나 용도의 구분 없이 대다수 일괄로 적용하고 있다. 따라서 모든 주파수에서 동일한 값을 적용함에 따라 저주파 및 고주파 대역에서 과도한 진동을 허용한다고 볼 수 있다.

3절에서 언급한 바와 같이 본 연구에서 제시하는 감속기어의 진동 허용기준을 적용하여 MOO급 등 9척의 운용함정에서 계측한 데이터값과 비교해 보았다. 진동 데이터는 4.1절에 사용된 데이터와 동일한 데이터를 사용하여 분석했다.

1~6400Hz 범위의 협대역 주파수 가속도 스펙트럼을 계측하고, 4~5000Hz 범위에서 속력 스펙트럼으로 변환하여 제안하고자 하는 진동기준과 비교했다. 감속기어의 용량에 따라 주파수 범위, 진동 등급을 설정하여 진동 상태를 표기했다. Figs. 17~20은 감속기어의 개당 출력이 10MW 이하인 함정이고, Figs. 21~25는 감속기어의 개당 출력이 10MW 초과인 함정임에 따라 기준치를 상이하게 적용했다.

Fig. 17 
Comparison of proposal criteria and vibration values of MOO Class(VR 5)

Fig. 18 
Comparison of proposal criteria and vibration values of LOO-II Class(VR 5)

Fig. 19 
Comparison of proposal criteria and vibration values of AOO-I Class(VR 5)

Fig. 20 
Comparison of proposal criteria and vibration values of MOO Class(VR 5)

Fig. 21 
Comparison of proposal criteria and vibration values of AOO-II Class(VR 8)

Fig. 22 
Comparison of proposal criteria and vibration values of FOO Class(VR 8)

Fig. 23 
Comparison of proposal criteria and vibration values of DOO Class(VR 8)

Fig. 24 
Comparison of proposal criteria and vibration values of LOO Class(VR 8)

Fig. 25 
Comparison of proposal criteria and vibration values of DOO-I Class(VR 8)

AOO-II급의 경우 Fig. 12에서는 PCL 60에서 단순 기준치 초과를 의미하나 Fig. 21에서는 감속기어가 특정 조건에서 제한적으로 사용 가능함을 알 수 있다. 이 외에도 Fig. 12에서는 기준치에 따라 충족임을 알 수 있으나 Fig. 21에서는 진동 수준이 위치한 구역에 따라 감속기어 상태가 양호하여 신규 장비의 수준임 등 세분화하여 평가할 수 있다.

측정 결과를 통해 전반적으로 저주파 대역에서 진동 속력이 크게 나타난다는 사실을 확인할 수 있으므로 본 연구에서 제안하는 저주파 대역의 기준선도를 적용하면 감속기어 운용 간 상태관리에 도움이 될 것으로 판단된다.