KR100463727B1 - The Method and Device of the Reliability Test and Decision - Google Patents
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Abstract
동일규격으로 제작된 다수의 기계부품으로 결합된 산업 설비는 건설이나 조립당시의 설치상태가 불량하거나 장시간 사용으로 설비 본체의 부식이나 환경과의 결합관계가 변화하여 본체는 물론 시스템이 열화되어 파손에 이르는 경우도 발생하는 경우가 있다. 예를들면, 콘크리트 전주 본체가 파손된다거나 전주가 묻혀있는 지반이 약화되어 전주가 넘어지는 경우도 있으며, 철로 제작된 교량의 볼트너트가 인장력이 약화되어 체결력이 감소, 교량의 변형을 초래한다든지 기계부품의 부식이나 체결 상태의 변화로 인하여 제작 당시의 기능이 변화하는 등 설비가 손상되는 경우가 있어 인명과 재산의 손실을 가져오는 경우가 있었다. 종래에는 설비의 열화정도나 부품이 체결상태가 변화하는 것을 점검하기 위해서는 개별적으로 비파괴적 진단방법을 동원하여 사용하였으므로 많은 인력과 장비 및 비용, 장시간이 소요되었다.Industrial equipment combined with multiple machine parts manufactured to the same standard has poor installation status at the time of construction or assembly, or corrosion of the equipment's main body due to long-term use changes the connection relationship with the environment and the system and the system deteriorates due to deterioration. Sometimes it may occur. For example, the concrete pole body is damaged or the ground on which the pole is buried is weakened, and the pole falls, and the bolt nut of the bridge made of steel weakens the tensile force, reducing the clamping force and causing the bridge to deform. Due to corrosion of mechanical parts or change of fastening state, the function may be damaged at the time of manufacture, resulting in loss of life and property. Conventionally, in order to check the degree of deterioration of the equipment and the change in the fastening state of parts, a non-destructive diagnostic method was used separately, which required a lot of manpower, equipment, cost, and long time.
본 발명에서는 설비의 부식이나 열화로 인한 성능저하를 간단한 비파괴적 방법을 사용하여 휴대용 장비로서 현장에서 즉시 판단 할 수 있는 시험 및 평가 방법과 장치를 개발하고자 하였다.In the present invention, it was intended to develop a test and evaluation method and apparatus that can be immediately determined in the field as a portable equipment using a simple non-destructive method to reduce the performance due to corrosion or deterioration of the equipment.
이를 위하여 구조 재료의 건전성을 평가할 수 있는 내부 응력을 계산하고, 부식과 같은 재료의 열화 정도를 파악할 수 있는 판단 기준과 이로 인한 잔여 수명을 평가할 수 있는 알고리즘을 장착한 휴대용 프로세서와 디스플레이 장치를 개발하여 설비의 적절한 교체 주기등을 결정하고 예고 할 수 있는 기능을 갖는 장치를 개발하고자 하였다.To this end, we have developed a portable processor and display device equipped with algorithms to calculate internal stresses to assess the integrity of structural materials, to determine the extent of degradation of materials such as corrosion, and to evaluate the residual lifetimes. The purpose of this study was to develop a device with the function of determining and notifying the proper replacement interval of equipment.
Description
동일규격으로 제작된 다수의 기계부품으로 결합된 산업 설비는 건설이나 조립당시의 설치상태가 불량하거나 장시간 사용으로 설비 본체의 부식이나 환경과의 결합관계가 변화하여 본체는 물론 시스템이 열화되어 파손에 이르는 경우도 발생하는 경우가 있다. 예를들면, 콘크리트 전주 본체가 파손된다거나 전주가 묻혀있는 지반이 약화되어 전주가 넘어지는 경우도 있으며, 철로 제작된 교량의 볼트너트가 인장력이 약화되어 체결력이 감소, 교량의 변형을 초래한다든지 기계부품의 부식이나 체결 상태의 변화로 인하여 제작 당시의 기능이 변화하는 등 설비가 손상되는 경우가 있어 인명과 재산의 손실을 가져오는 경우가 있었다. 종래에는 설비의 열화정도나 부품이 체결상태가 변화하는 것을 점검하기 위해서는 개별적으로 비파괴적 진단방법을 동원하여 사용하였으므로 많은 인력과 장비 및 비용, 장시간이 소요되었다.Industrial equipment combined with multiple machine parts manufactured to the same standard has poor installation status at the time of construction or assembly, or corrosion of the equipment's main body due to long-term use changes the connection relationship with the environment and the system and the system deteriorates due to deterioration. Sometimes it may occur. For example, the concrete pole body is damaged or the ground on which the pole is buried is weakened, and the pole falls, and the bolt nut of the bridge made of steel weakens the tensile force, reducing the clamping force and causing the bridge to deform. Due to corrosion of mechanical parts or change of fastening state, the function may be damaged at the time of manufacture, resulting in loss of life and property. Conventionally, in order to check the degree of deterioration of the equipment and the change in the fastening state of parts, a non-destructive diagnostic method was used separately, which required a lot of manpower, equipment, cost, and long time.
본 발명에서는 설비의 부식이나 열화로 인한 성능저하를 간단한 비파괴적 방법을 사용하여 휴대용 장비로서 현장에서 즉시 판단 할 수 있는 시험 및 평가 방법과 장치를 개발하고자 하였다.In the present invention, it was intended to develop a test and evaluation method and apparatus that can be immediately determined in the field as a portable equipment using a simple non-destructive method to reduce the performance due to corrosion or deterioration of the equipment.
이를 위하여 구조 재료의 건전성을 평가할 수 있는 내부 응력을 계산하고, 부식과 같은 재료의 열화 정도를 파악할 수 있는 판단 기준과 이로 인한 잔여 수명을 평가할 수 있는 알고리즘을 장착한 휴대용 프로세서와 디스플레이 장치를 개발하여 설비의 적절한 교체 주기등을 결정하고 예고 할 수 있는 기능을 갖는 장치를 개발하고자 하였다.To this end, we have developed a portable processor and display device equipped with algorithms to calculate internal stresses to assess the integrity of structural materials, to determine the extent of degradation of materials such as corrosion, and to evaluate the residual lifetimes. The purpose of this study was to develop a device with the function of determining and notifying the proper replacement interval of equipment.
도 1 은 본 발명에 의한 구조체 건전성 평가 방법의 일 실시예1 is an embodiment of a structural integrity evaluation method according to the present invention
도 2 는 본 발명에 의한 진동시험의 일 실시예Figure 2 is an embodiment of the vibration test according to the present invention
도 3 은 본 발명에 의한 모델 데이터 취득 시험의 일 실시예3 is an embodiment of a model data acquisition test according to the present invention
도 4 는 본 발명에 의한 구조체 건전성 평가 장치의 일 실시예Figure 4 is an embodiment of the structural integrity evaluation apparatus according to the present invention
현대 산업의 구조물이나 기계는 공장에서 출고된 부품들이 상호 조립되거나 체결되어 소요의 기능을 수행한다. 기술의 발전에 따라 구조물이나 기계 설비의 수명은 갈수록 길어지게 되었으며 이로 인하여 장기 사용중인 설비는 건설당시의 건전성을 유지하지 못하고 있는 경우도 있어 설비의 정기적인 건전성 평가가 필요하다.The structure or machine of modern industry performs the function of requisite as the parts shipped from the factory are assembled or fastened together. As the technology advances, the life of structures or mechanical equipments is getting longer. As a result, long-term equipment may not maintain its integrity at the time of construction.
지구상에 존재하는 모든 고체는 그 질량과 탄성특성에 의하여 스프링 상수에 따르는 고유진동수를 갖는다. 스프링 상수는 단위 길이에 대한 외력의 량으로서 작용한 힘을 전체 변형량으로 나누어주면 된다. 질량이 m인 탄성체에 작용하는 외력(F)과 변형량(x), 스프링 상수(k) 및 변형 가속도(a)의 관계는 다음과 같이 정의된다.All solids on Earth have natural frequencies according to spring constants due to their mass and elastic properties. The spring constant is the amount of external force over the unit length divided by the total deformation. The relationship between the external force F acting on the elastic body whose mass is m, the deformation amount x, the spring constant k, and the deformation acceleration a is defined as follows.
윗 식에서 m은 질량을 의미한다.Where m is the mass.
또한 재료의 고유 진동수()는 다음과 같이 표현된다.In addition, the natural frequency of the material ( ) Is expressed as
여기서 스프링 상수(k)는 재료의 종탄성계수(E), 단면이차 모우먼트(I)와 재료의 길이(ㅣ)작용하는 하중(W), 비중량(w)과 재료가 설치되어 있는 조건(외팔보, 단순지지, 고정보등)의 함수로서 다음과 같이 표시될 수 있다.Where the spring constant (k) is the longitudinal modulus of elasticity (E) of the material, the cross-sectional secondary moment (I) and the load (W) acting on the length of the material (ㅣ), the specific weight (w) and the conditions under which the material is installed ( Cantilever, simple support, high information, etc.)
k = f(E,I,w,l)k = f (E, I, w, l)
그러므로 지구상에 존재하는 재료는 그 특성에 재질과 외형, 크기에 따라서 특이한 고유 진동수를 갖고 있으므로 재료의 내부에 결함이 존재하거나 외형이 변화하거나 재질 특성이 변화하는 것을 재료의 성상을 달리하면서 나타나는 고유진동수 및 진동 스펙트럼의 분포 특성과 비교하여 재료의 건전성을 평가할 수 있다.Therefore, the material present on the earth has unique natural frequency according to its material, shape and size in its characteristics, so that the defects in the material, the appearance change, or the material properties change with different properties of the material. And the integrity of the material can be evaluated by comparison with the distribution characteristics of the vibration spectrum.
본 발명은 동일한 재질, 동일한 크기, 동일한 모양으로 구성된 제품(이하 "동일규격"이라 한다)이 기계의 부품으로 조립되었거나 산업 현장에 설치(이하 "시스템"이라 한다)되어 있는 환경에 따라서 건전성을 달리할 경우 이들 본체와 설치환경에 대한 건전성을 평가하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다. 일 실시예로서 같은 틀에서 전조되어 나온 대형 볼트와 너트로서 현장에 있는 두장의 철판을 단단히 조이고자 할 때 너트의 회전 토오크를 어느 정도 주느냐에 따라서 피 체결체인 두 철판은 견고히 연결될 수도 있고, 느슨하게 연결될 수도 있다. 이때 너트의 회전 토오크는 두 철판의 견고성을 평가하는 지표가 될 것인바 본 발명에서는 볼트의 부식이나 열화, 균열과 같은 재질 열화정도와 철판을 조이고 있는 체결상태에 대한 건전성을 평가하고자 하는 것이다. 이를 위하여 체결되지 않은 볼트 자체에 대한 진동시험과 체결된 상태에서 너트의 회전 토오크 값을 단계별로 조절하면서 고유진동수와 진폭, 진동 모드 특성을 분석(이하 "진동시험"이라 한다)하여 건전한 볼트와 열화된 볼트의 상태에 따른 고유진동수와 스펙트럼 분포를 평가하고, 체결된 상태에서 각 단계별 토오크 값과 진동특성을 비교하여 이들의 상관관계를 규명하고, 이를 데이터 베이스화하여 현장에 설치되어 있는 동일 규격의 볼트/너트의 진동모드를 해석하여 토오크값을 산출, 볼트와 너트가 철판을 조이고 있는 철판 조임 시스템의 건전성을 현장에서 평가하는 것이다.The present invention differs in terms of soundness depending on the environment in which a product composed of the same material, the same size, and the same shape (hereinafter referred to as "the same standard") is assembled as a part of a machine or installed in an industrial site (hereinafter referred to as a "system"). The purpose is to provide a technique for evaluating the health of these bodies and the installation environment. As an example, the two bolts, which are fasteners, may be firmly connected or loosely connected, depending on the amount of rotational torque of the nut when tightly tightening two steel plates in the field as large bolts and nuts rolled from the same mold. It may be. At this time, the rotation torque of the nut will be an indicator for evaluating the firmness of the two iron plate bar in the present invention is to evaluate the degree of material degradation such as corrosion, deterioration, cracking of the bolt and the integrity of the fastening state tightening the iron plate. To this end, by analyzing the vibration torque of the unfastened bolt itself and adjusting the torque value of the nut step by step, the natural frequency, amplitude, and vibration mode characteristics are analyzed (hereinafter referred to as the "vibration test"). Evaluate the natural frequency and spectral distribution according to the condition of the bolts, and compare the torque values and vibration characteristics of each stage in the state of tightening and identify the correlation between them. Analyze the vibration mode of the nut to calculate the torque value, and evaluate the on-site health of the steel plate tightening system where the bolts and nuts are tightened.
그러므로 본 발명은 [도1]과 같이 평가하고자 하는 구조체의 재질 상태별 고유진동수와 스펙트럼 분포 데이터를 사전에 취득하여 데이터 베이스화하는 모델데이터취득 시험단계와 이를 프로세서에 입력하여 모델 데이터 DB를 구축하는 단계와 시험하고자 하는 대상 구조체에 대하여 진동시험을 가하여 여기서 나타난 고유진동수와 스펙트럼 분포를 구하고 이를 모델데이터 DB와 비교하여 가장 유사한 데이터를 검색하고 선정된 모델 DB와 실측 데이터간의 불일치 정도는 보정을 가하여 최적 모델 데이터를 만들고, 이 모델데이터에 해당하는 구조체의 건전성 정도를 평가하는 구조로 되어있다.Therefore, in the present invention, a model data acquisition test step of acquiring a database of natural frequencies and spectral distribution data of each structure state to be evaluated in advance and making it into a database as shown in FIG. And vibration tests on the structure to be tested to obtain the natural frequency and spectral distribution shown here, compare it with the model data DB, search for the most similar data, and correct the discrepancy between the selected model DB and the measured data by applying the optimal model. It is a structure that creates data and evaluates the health of the structure corresponding to this model data.
[도2]는 시험하고자 하는 대상 구조체에 대하여 진동시험을 수행하는 단계를 나타내고 있다. 대상 구조체에 대하여 진동센서를 부착하고, 가진기를 이용하여 진동을 유발시킨다. 진동 센서에서 오는 신호는 증폭기와 필터를 통하여 주파수 신호분석기로 들어와 진폭 스펙트럼을 나타내주게 된다. 여기서 나타난 진폭과 진동수의 스펙트럼을 평가하여 고유진동수와 각 모드별 진동 특성을 분석할 수 있는 바 이를 진동시험 단계로 표현하고자 한다. 여기서 나타나는 진동 센서는 속도, 위치, 가속도 방식등의 센서를 사용할 수 있으며, 가진기는 햄머식이나 유압식등 시험 대상에 따라 적절한 것을 선택하고, 증폭기는 재래의 신호 증폭장치를 사용한다. 필터은 입력 신호중 불필요한 잡음을 제거하기 위한 것이고, 주파수 신호 분석은 FFT를 이용하여 진동수별 진폭을 구분하여 나타낼 수 있는 것이 바람직한 일 실시예일 수 있다. 여기서, 가진은 반드시 가진기를 이용할 필요는 없으며 자연의 바람이나 외력등을 이용하려 고유진동수와 스펙트럼을 분석할 수 있을 경우 이를 사용하면 된다.2 shows a step of performing a vibration test on the target structure to be tested. A vibration sensor is attached to the target structure, and vibration is induced using an exciter. The signal from the vibration sensor enters the frequency signal analyzer through the amplifier and the filter and displays the amplitude spectrum. By evaluating the spectrum of amplitude and frequency shown here, the natural frequency and vibration characteristics of each mode can be analyzed. Vibration sensor shown here can use sensors such as speed, position, acceleration method, the exciter is selected according to the test object, such as hammer type or hydraulic type, and the amplifier uses a conventional signal amplification device. The filter is to remove unnecessary noise in the input signal, and the frequency signal analysis may be an embodiment in which the amplitude of each frequency can be expressed by using an FFT. Here, the excitation does not necessarily need to use an excitation, and if it is possible to analyze natural frequency and spectrum to use natural wind or external force, it may be used.
[도3]은 각 부품이나 구조체에 대하여 모델 데이터를 취득하는 단계를 표시하는 일 실시예로서 모델 시험을 하고자 하는 대상을 선정하고, 필요한 건전성 평가 특성별 모델 시험을 단 건전성 정도별로 구분하여 실험하고 이들을 건전성 특성별로 구분하여 데이터를 분류한 뒤, 해당 시험결과를 건전성에 따르는 정도에 맞추어 계량화하고, 각 실험별로 나타난 조건별 고유 진동수와 스펙트럼 분포를 건전성 지수와 대응시켜 입력는 데이터 입력단계를 취함으로서 표준 모델 데이터 DB를 구축하게 된다.FIG. 3 is a diagram showing an example of acquiring model data for each part or structure, and selecting an object to be subjected to a model test. After classifying the data by classifying them into soundness characteristics, the test results are quantified according to the degree of soundness, and the natural frequency and spectral distribution according to the conditions shown in each experiment are matched with the health index and inputted. Model data DB will be built.
시험하고자 하는 대상과 동일한 크기와 외형을 갖는 구조체를 다수 선정하고 이들을 각각 부식정도, 열화정도, 외부 균열 정도등 평가하고자 하는 건전성의 지표을 인위적으로 만들어 넣어 상기 [도2]의 진동시험을 시행한다. 이결과로서 각 조건별로 나타난 고유진동수와 스펙트럼을 얻어 데이터 베이스화하여 입력할 경우 결과입력과 DB구축이 완료된다. 처음 시험 데이터를 입력하는 방법은 진동시험을 실시하고, 건전도 입력(1-100%) 또는 장력, 압축 하중(Kg), 볼트 토오크값(kgm)과 같은 건전도 평가 의 절대 기준과 상대값을 입력한다.A number of structures having the same size and shape as the object to be tested are selected, and the vibration test of FIG. 2 is carried out by artificially making an indicator of soundness, such as corrosion degree, deterioration degree and external cracking degree, respectively. As a result, when the natural frequency and spectrum indicated by each condition are obtained and inputted into a database, the result input and the DB construction are completed. The first method of inputting the test data is to perform a vibration test, and input the absolute criteria and relative values of soundness input (1-100%) or soundness evaluation such as tension, compressive load (Kg) and bolt torque value (kgm). Enter it.
이때 다음과 같은 요령으로 입력할 수 있다.At this time, you can enter the following tips.
다음은 건전도 입력의 일 실시예이다.The following is an embodiment of the soundness input.
평가기준 토오크(kgm)Evaluation standard torque (kgm)
건전성 상대값 100%Soundness relative value 100%
건전성 평가기준 실제값 530 kgmIntegrity Standard Actual Value 530 kgm
실험 데이터 번호 5Experiment data number 5
그러나, 실험을 수없이 많이 할 수는 없으므로 실험한 데이터와 데이터간의 연결은 실험된 데이터를 최적으로 연결하는 함수를 보간법이나 확률론적 기법등을 이용하여 다음과 같이 연결할 수 있다.However, since we cannot do so many experiments, the connection between the experimental data and the data can be connected as follows using interpolation or stochastic techniques.
상기 데이터간 연결방법의 일 실시예는 다음과 같다.An embodiment of the data connection method is as follows.
연결 데이터 낮은 번호 23Connection data low number 23
연결 데이터 높은 번호 8Connection data high number 8
데이터간 연결식 3x2 + 5x - 7Data connection 3x2 + 5x-7
실제 입력 데이터가 없을 경우에는 정규분포 처리를 수행할 수 있다. 특히, 상기 모델데이터 베이스는 반드시 실험을 통하여 수행할 필요는 없으며, 신뢰할 만한 실험결과가 있을 경우 해당 자료를 사용하거나 유한요소법이나 경계요소법과 같은 해석적 방법을 이용하여서도 입력 할 수 있다.If there is no actual input data, normal distribution processing can be performed. In particular, the model database does not necessarily need to be carried out through experiments, and if there is a reliable experimental result, the model database may be inputted using analytical methods such as finite element method or boundary element method.
[도4]는 본 발명에 의한 시스템 구성의 일 실시예로서 [도2]에 의한 진동 시험을 입력받을 수 있는 신호 입력 수단과 키 입력수단이 키보드, 입력 데이터를 표준 모델 데이터 DB와 비교하여 미리 설정된 알고리즘에 의하여 데이터 처리한 뒤 결과를디스플레이 할 수 있는 디스플레이 장치를 표시하고 있다. 여기서 키보드와 같은 키 입력수단으 재래의 키보드나 마우스, 조이스틱등을 이용할 수 있으며, 신호 입력 수단은 RS232와 같은 유선 또는 무선 통신 시스템을 사용하고, 디스플레이 수단은 컴퓨터 모니터나 LCD와 같은 재래의 수단을 사용하되 휴대용으로 사용이 적절한 것이 가장 바람직하다. 콘트롤러 또한 재래의 콘트롤러를 사용하되 휴대용으로 사용가능한 것이 바람직하다.4 is an embodiment of a system configuration according to the present invention, in which a signal input means and a key input means capable of receiving a vibration test according to FIG. 2 compare the keyboard and input data with a standard model data DB in advance. A display device capable of processing data according to a set algorithm and displaying a result is displayed. Here, a key input means such as a keyboard may use a conventional keyboard, a mouse, a joystick, and the like. The signal input means uses a wired or wireless communication system such as RS232, and the display means uses a conventional means such as a computer monitor or LCD. It is most preferable to use it, but it is suitable to be portable. The controller is also preferably used as a portable controller using a conventional controller.
본 발명에 의한 건전성평가 결과를 디스플레이 하는 방법은 반드시 결과를 모니터상에 나타내주는 화상처리 기법만을 의미하지는 않으며 미리 설정된 단계에 따라 부저를 울린다거나 진동을 나타내는 것과 같은 보조 수단을 겸할 수 있다.The method of displaying the results of the soundness evaluation according to the present invention does not necessarily mean only an image processing technique for displaying the results on a monitor, but may also serve as an auxiliary means such as ringing a buzzer or displaying vibration according to a predetermined step.
이상과 같은 진동시험은 각 시험대상에 대하여 같은 위치에서 수행하여야 한다.The vibration test as described above should be performed at the same position for each test object.
발명을 통하여 현장에 설치되어 있는 콘크리트 전주가 부식되어 있거나 열화, 또는 균열이 되어 있는 지의 정도와 기초에 튼튼히 서있는지 무른 지반에 서있어 조만간 넘어질 것인지등에 대한 체결상태의 표시와 철로 만들어진 교량의 상태 진단, 체결상태의 진단과 이들의 교체 기준을 설정할 수 있어 설비의 안전 사용에 획기적인 개선이 이루어질 수 있다.Indication of the fastening status and the diagnosis of the condition of the bridge made of iron, whether the concrete pole installed at the site is corroded, deteriorated or cracked, and whether it is standing firmly on the foundation or whether it will fall soon. In addition, it is possible to establish the diagnosis of the fastening status and to set the replacement criteria thereof, which can lead to a drastic improvement in the safe use of the equipment.
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