KR100372589B1 - 기계 상태 진단방법 및 진단센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계의 이상을 푸리에 급수를 계산하지 않고 간단하게 센서만으로 진단하는 방법과 이 방법에 사용되는 센서에 관한 것임. 기계의 이상 진단은 센서의 고유 진동수를 측정하고자 하는 주파수와 일치되도록 설정하고 기계에 임계치 이상의 진동이 발생하였을 때 전술한 이상 진동은 압전 소자와 진동판에 전달되어 압전 소자와 자장의 변화 중의 하나에 의하여 전술한 이상 진동에 상응하는 전기적 출력이 센서에 발생하고 이 전기적 출력에 의하여 센서에 내장된 알람 또는 램프가 작동되도록 구성한 푸리에 급수를 계산하지 않고 센서만으로 기계의 이상을 진단하도록 되었음. 본 발명에 의하면 기게의 이상 상태가 용이하게 기계에 부착된 센서에 의하여 진단됨.

Description

기계 상태 진단방법 및 진단센서{METHOD FOR DIAGNOSING THE CONDITIONS OF MACHINE AND DIAGNOSTIC SENSOR}

본 발명은 기계 상태 진단 센서에 관한 것으로서, 특히 공진 센서에 관한 것이다.

기계는 회전 운동이나 왕복 운동하는 여러 가지 요소들을 포함하고 있으며, 각 요소는 고유의 기능을 실현하기 위해 정상 상태에서 정해진 횟수만큼의 운동을 반복하는 진동 현상을 나타낸다. 진동 요소에 불균형, 축정렬 어긋남, 균열, 헐거워짐 등의 현상이 발생하면, 각각의 원인에 따른 고유의 진동 주파수가 정상 상태와 달라진다. 따라서 달라진 진동 특성을 측정하여 기계의 상태를 진단하고 고장을 판단하기 위하여 주파수 분석 기법이 이용되어 왔다.

종래의 주파수 분석 기법은 변위계나 속도계 혹은 가속도계를 이용하여 측정되는 신호를 푸리에 급수 이론에 의해 관심영역 내의 모든 주파수별로 분해한 후, 요소의 작동 상태와 관련이 있는 특정 주파수의 진동 값이나 관심영역 전체 값을 기준치와 비교하는 등의 방법으로 기계 상태를 진단하였다. 이를 위해서는 사용되는 센서가 넓은 측정 범위에 걸쳐서 반응하여야 한다. 또한 관심 영역 내의 특정 주파수 성분에만 민감하게 반응하는 공진 현상을 방지하기 위해, 측정하고자 하는 최고 주파수보다도 센서 자체의 고유 진동수가 큰 값을 갖는 센서를 사용하여야만 한다. 이상의 이유로, 종래의 기계 상태 진단에 이용되는 기법과 장비들은, 센서 외에 반드시 푸리에 변환을 위한 주파수 분석 모듈이 필요하여 시스템의 가격이 고가이고 부피가 크다. 진동 특성이 알려지지 않은 기계 시스템의 고유 진동수를 측정하고자 할 때에는 고유진동수가 존재할 것으로 예상되는 넓은 범위에 걸쳐서 반응할 수 있는 센서와 장비를 사용하여 신호를 측정하고 분석 해야하나 이미 설치되어 사용되고 있는 기계 시스템에 대해서는 구동원의 회전 속도를 관리자가 이미 알고 있고, 기계의 설치나 운전과 관련되어 발생 할 수 있는 진동수는 구동원의 회전수와 관련이 있기 때문에 기계 상태를 진단하기 위해서는 특정 주파수만을 측정하여도 충분하다. 대표적인 기계 고장의 종류와 회전 주파수 사이의 관계는 다음과 같다.

언발란스 : 1X

축정렬 불량 : 1X, 2X, 3X

축의 휘어짐: 1X, 2X

헐거워짐: 1X-10X

저널베어링의 오일 휘프: 0.43X

볼베어링 마모:

내륜: (1-8)BPFI

외륜: (1-8)BPFO

볼: (1-N)BSF

벨트 마모, 편심: 1X, 2Y

기어:

언발란스: 1X

이 마모, 크랙: 1XZ+V

피치런아웃: 1XZ+V

모터:

적층 불량: 2W

고정자 불량: 2W

위상 불량: 2W

회전자 불량: 2W

팬날개 파손, 마모, 언발란스: XM

X: 축의 회전주파수

Y: 벨트 주파수

Z: 기어 잇수

W: 전기 라인 주파수(55-60Hz)

V: 사이드밴드 주파수

FTF: X/2*(1-Bd/Pd*cosθ) ; 케이지 주파수

BFPI: X*Nb/2*(1+Bd/Pd*cosθ) ; 내륜 통과 볼 주파수

BPFO: X*Nb/2*(1-Bd/Pd*cosθ)외륜 통과 볼주파수

BSF: X*Pd/(2*Bd)*[1-(Bd/Pd)²*(cosθ)] ; 볼스핀 주파수

N: 볼의 갯수

M: 날개 개수

따라서 전술한 기존의 기계 진단 장비의 문제점을 개선하기 위하여는 회전 주파수와 제반 고장 증세 사이의 관계를 응용한 센서를 개발하는 것이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 관심 영역 전체에 걸친 주파수를 분석함으로써 발생되는 기존의 기계진단 장비의 문제점을 해소하기 위하여, 파수 분석 없이 기계진단에 필요한 특정 성분만을 검출하는 방법 및 기계 상태 진단 센서를 제공하는 것이다.

전술한 본 발명의 목적은 공진의 원리에 의해 특정 주파수에만 선택적으로 반응하는 센서에 의해 달성된다.

도1은 본 발명에 의한 진단 센서의 한 형태를 보여주는 단면도,

도2는 본 발명에 의한 진단 센서의 다른 형태를 보여주는 단면도.

한 개의 질량과 감쇠 및 스프링으로 구성되는 진동 시스템은 하나의 고유 진동수를 가지며, 고유 진동수 값은 시스템을 구성하는 질량과 감쇠 및 스프링 상수 값에 의해 결정된다.

=C/C_c

: 스프링 상수

: 질량

C: 감쇠

Cc: 임계감쇠=

따라서 질량과 스프링상수 및 감쇠 값을 적절히 조절하여, 센서의 고유진동수 값 f를 관심 있는 주파수와 일치하도록 제작하면, 센서는 자기 고유진동수와 일치하는 진동이 발생할 때에 민감히 반응하여 높은 신호를 발생한다.

본 발명에 의한 센서의 구조와 신호 발생의 원리는 기존의 센서와 동일하다. 다만, 기존 센서의 고유 진동수는 측정하고자 하는 범위의 주파수 보다 큰 값을 갖도록 설계되나, 본 발명에 의한 센서는 고유진동수가 측정하고자 하는 주파수와 일치하도록 설계된다. 또한 기존의 진단 시스템은 센서 외에 푸리에 급수를 위한 모듈이 추가로 필요하였으나, 본 발명의 센서에서는 푸리에급수를 계산할 필요가 없기 때문에 센서만으로 진단 시스템이 구성된다. 센서에 임계치 이상의 기계적 진동이 전달되면, 압전소자나 자장의 변화에 의해 그에 상응하는 전기적 출력이 발생되고, 이를 트리거링 신호로하여 센서에 내장된 알람이나 램프가 작동된다.

기계시스템에 일반적으로 사용되는 모터나 터빈의 상용 회전수는 이미 알려져 있고, 특정 고장 증세를 나타내는 주파수는 회전수와 일정한 배수비율을 유지하기 때문에, 진단에 필요한 주파수와 일치하는 고유진동수를 갖도록 센서를 제작하여 기계시스템에 설치하면 기계시스템에 임의의 문제가 발생하여 진단주파수 성분이 미리 정해진 허용치를 초과할 때, 사용자가 감지할 수 있는 신호가 발생되고 발생된 이상거동에 필요한 조처가 취해질 수 있다. 본 발명에 의해 개발된 센서는 언발란스센서, 축정렬불량센서, 베어링불량센서, 풀림센서, 벨트불량센서, 모터불량센서등으로 용도별로 제작되어 필요한 곳에 사용된다.

본 발명에 의한 진단 센서의 한 예를 도면에 의하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 압전 소자를 이용한 본 발명에 의한 진단 센서의 한 예를 도시한 것이다. 도1에 따르면 진단센서는 상면에 램프나 알람(11)이 설치된 케이스(10)를 갖고 있다. 이 케이스(10)의 저면에는 압전 소자(12)가 설치되고 압전 소자(12)위에는 질량(13)이 설치되었다. 전술한 압전 소자(12)의 일측 단자는 도선(15)에 의하여 질량(13)에 연결되고 질량(13)은 스프링(14)에 의하여 알람 또는 램프(11)에 전기적으로 접속되었으며, 압전 소자의 다른 단자는 케이스를 통하여 알람 또는 램프(11)에 전기적으로 접속되었다.

전술한 진단 센서는 진단하고자 하는 기계 시스템의 표면에 부착한 후, 기계를 가동하면 기계가 공진 주파수로 진동하였을 때 압전 소자에서 발생하는 전기량이 램프가 트리거링되는 임계치를 넘을 때 램프가 점등되거나 알람이 발생하여 기계의 이상을 알수 있게 된다.

도 2는 전지를 이용한 본 발명에 의한 진단 센서의 또 다른 형태를 도시한 것이다. 이 진단 센서는 전지(22)가 내장된 하부 케이스(20)와 알람 또는 램프(23)가 설치된 상부 케이스(21)를 갖고 있다. 하부 케이스(20) 내에는 전지(22)에 전기적으로 접속되고 절연 링(24)에 의하여 케이스(20)와 전기적으로 접속되지 아니한 진동판 프레임(25)이 설치되었으며, 진동판 프레임(25) 내에는 진동판(26)이 부착되었다. 상부 케이스(21)와 진동판 프레임(25) 사이에도 절연 링(27)이 개재되어 있어서 진동판 프레임(25)이 상부 케이스(21)로부터 절연되게 되었다. 전지(22)의 일측 단자는 진동판 프레임(25)을 통하여 진동판(26)에 접속되고 전지의 타측 단자는 케이스(20,21)를 통하여 알람 또는 램프(23)에 접속되었다.

이 진단 센서는 진단하고자 하는 기계 시스템의 표면에 부착한 후, 기계를 가동하면 기계가 공진 주파수로 진동하였을 때 진동판(26)이 램프(23)에 접속되어 램프가 점등되므로 기계의 이상을 알 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 기계 시스템에서 나타날 수 있는 다양한 이상 상태의 진단에 필요한 주파수는 정하여져 있기 때문에 기계의 이상 진동에 따른 특정 주파수만을 감지하여 그에 따른 신호를 전기적으로 발생시켜 경보하게 되므로 기계의 예방보전과 유지보수를 전문적인 지식 없이도 경제적이고 효과적으로 할 수가 있다.또한, 휴대용 장비를 가지고 정해진 기간마다 간헐적으로 진동을 측정하지 않고, 기계시스템에 항구적으로 설치된 센서에 의하여 지속적으로 측정할 수 있으며 온라인 상에서 감시할 필요가 없이 이상이 발생하였을 때만 경보를 발생하도록 하므로서 기계의 이상을 간단하게 감시할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 센서의 고유 진동수를 측정하고자 하는 주파수와 일치되도록 설정하고 기계에 임계치 이상의 진동이 발생하였을 때 전술한 이상 진동은 압전 소자와 진동판에 전달되어 압전 소자와 자장의 변화 중의 하나에 의하여 전술한 이상 진동에 상응하는 전기적 출력이 센서에 발생하고 이 전기적 출력에 의하여 센서에 내장된 알람 또는 램프가 작동되도록 구성한 푸리에 급수를 계산하지 않고 센서만으로 기계의 이상을 진단하는 기계의 이상을 진단하는 기계 상태 진단방법.
2. 램프나 알람(11)이 설치된 케이스(10)의 저면에 압전 소자(12)가 설치되고 압전 소자(12)위에는 질량(13)이 설치되며, 이 질량(13)은 스프링(14)에 의하여 케이스 상면에 설치된 램프 또는 알람에 전기적으로 접속되고, 압전 소자(12)는 도선(15)에 의하여 질량(13)에 전기적으로 접속되었으며, 압전 소자의 다른 단자는 케이스를 통하여 알람 또는 램프(11)에 전기적으로 접속되었음을 특징으로 하는 기계 상태 진단센서.
3. 전지(22)가 내장된 하부 케이스(20)와 알람 또는 램프(23)가 설치된 상부 케이스(21)로 구성된 케이스 내에 전지(22)에 전기적으로 접속되고 절연 링(24)(27)에 의하여 케이스(20)와 전기적으로 접속되지 아니한 진동판(26)을 갖는 진동판 프레임(25)이 설치되고 전지(22)의 일측 단자는 진동판 프레임(25)을 통하여 진동판에 접속되고 전지(22)의 타측 단자는 케이스(20,21)를 통하여 알람 또는 램프(23)에 접속되었음을 특징으로 하는 기계 상태 진단센서.