KR100956515B1

KR100956515B1 - 기계장치 및 전기장치의 수명을 정확히 예측하는 방법 및그 방법을 이용한 수명예측장치.

Info

Publication number: KR100956515B1
Application number: KR1020070117762A
Authority: KR
Inventors: 엄태경; 이충원; 김재봉
Original assignee: (주)범한엔지니어링 종합건축사 사무소
Priority date: 2007-11-19
Filing date: 2007-11-19
Publication date: 2010-05-06
Also published as: KR20090051390A

Abstract

본 발명은 정수장이나 하수처리장 또는 폐수처리장 및 일반 산업체의 기계장치를 사용하는 곳에서, 기계장치 및 전기장치의 최적관리를 위하여 수명을 정확하게 예측하는 방법과 그 방법을 이용한 수명예측장치를 구성하는 것이다.

이를 위하여, 각각의 기계장치의 전동기 입력단에 유효순시전력계 등을 설치하여, 유효순시전력 값과 가동시간 등의 운전 정보를 중앙제어실의 컴퓨터로 전송하고 중앙제어실의 컴퓨터에서는 유효순시전력에 의한 설계부하와 현장에서 측정한 실부하의 비율을 연산하여 이 비율에 의한 실 부하 수명시간을 구하여, 이 수명시간이 설계수명시간에 도달하면 관련기계 및 전기장치의 해당 부품을 교체하여 정비하도록 음성신호 및 모바일 문자신호를 내도록 하였다.

본 발명은 실부하를 반영한 정확한 수명시간 예측으로, 적절한 시기에 예방보수 정비를 시행하여 기계 및 전기장치의 수명을 연장하고, 고장 발생을 방지하며 수선비용을 절감하는 효과가 있다.

설계부하, 실부하, 수명예측. 예방보수정비.

Description

기계장치 및 전기장치의 수명을 정확히 예측하는 방법 및 그 방법을 이용한 수명예측장치.{A method of accurately forecast life time of machinery and electric apparatus, and life time forecast device by use the method.}

본 발명은 정수장이나 하, 폐수 처리장, 축산폐수처리장 및 일반산업체 등에서 기계 및 전기장치의 운영관리에 IT기술과 계측기기를 결합하여 수명예측을 하는 기술이다.

본 발명은 정수장이나 하, 폐수처리장, 축산폐수처리장 및 일반산업체 등에서 기계장치의 운영관리에 관한 기술로서 특히 IT기술 및 계측기기를 이용하여 기계장치 및 전기장치의 수명예측을 통한 보수정비에 관한 것이다.

종래에는 기계장치나 전기장치의 운전시간 기록이 없거나 있더라도 단순히 물리적 총 운전시간을 기록한 것으로 기계 및 전기장치의 수명을 정확히 판단하기가 불가능하였다.

기계 및 전기장치의 수명은 부식이나 마모 등의 원인에 의하여 결정되어 지기도하지만 기계장치는 주로 베어링(bearing)이나 톱니바퀴(gear)의 수명에 의하여 결정되고 전기장치는 주로 전자접촉기의 접점수명에 의하여 결정되는 경우가 많으 며, 베어링이나 톱니바퀴 및 전자접촉기 등의 수명은 단순한 시간의 함수가 아니라 회전수 및 순간순간 변화하는 부하율에 대한 n차 함수로 정해진다.(n≠0, n ≠1)

따라서 기계의 실제 부하조건을 모르고 총 운전시간 기록만 가지고는 기계장치 및 전기장치의 수명을 정확히 예측할 수 없으며 실제 현장에서는 설계부하보다 훨씬 적은 부하상태로 운전되는 기계 및 전기장치가 많이 있는 현실을 감안한다면, 물리적 총 운전시간을 기준으로 보수정비를 하면, 더 사용할 수 있는 기계나 전기장치를 불필요하게 보수 정비하는 것이므로 경제적 낭비가 되고, 드물기는 하지만 설계부하보다 더 큰 부하상태로 운전되는 기계 및 전기장치를 물리적 총 운전시간기준으로 보수 정비를 하려하면, 보수정비기간에 도달하기도 전에 기계나 전기장치가 먼저 고장이 날 수 있게 때문에 이 경우에는 훨씬 더 큰 경제적 손실을 입을 수 있다.

위와 같은 이유와 함께, 기계나 전기장치 등 시설물 유지관리의 중요성이 재인식되고 있는 시점에서, 기계 및 전기장치의 정확한 수명 예측을 통한 효과적인 보수 정비방안이 필요하게 되었다.

본 발명은 현장에 설치되어 있는 각각의 기계장치에 전류계 또는 유효순시전력계 등의 부하운전정보 측정 장치를 설치하고, 이들 측정 장치로부터 유효순시전력, 전동기의 회전수 및 가동 시간, 가동정지 횟수 등에 관한 정보를 미리정한 일정한 주기마다 중앙제어실의 중앙 컴퓨터에 보내서, 설계서상의 부하와 실제 가동 시의 부하를 비교하여 그 비율에 따라 매 주기마다 환산 수명시간을 구하고 이 환산 수명시간의 합계 값이 설계서상에서 제시된 설계수명시간이 되었을 때 보수, 정비할 수 있는 방법을 도출하고 그 방법을 이용한 수명예측 장치를 구성하는 것이다.

본 발명은 현장에 설치된 기계장치마다 전류계 또는 유효순시전력계를 설치하고, 전동기 회전수와 가동시간정보, 가동정지회수 및 베어링 온도, 기계진동 등의 정보를 I/O장치를 거쳐서 통신선을 통하여 중앙제어실의 컴퓨터에 전송하고, 컴퓨터에는 실제 부하조건, 회전수, 가동시간에 따른 환산 수명시간을 계산하여, 표시함으로서, 이 환산 수명시간이 설계수명시간이 되었을 때 경보 또는 음성신호, 모바일 문자신호를 발생하여 운영자가 적절한 시기에 기계장치를 보수 정비할 수 있게 한다.

본 발명은, 기계 및 전기장치의 정확한 수명예측을 통하여, 기계나 전기장치의 고장이 발생하기 전에, 적합한 시기에 보수 정비를 함으로써, 기계 및 전기장치의 고장 발생 방지, 가동 시간 연장, 내구수명 연장을 통하여, 경제성제고 및 처리장의 운전효율을 향상 시키는 효과가 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

현장(가)에 설치한 각각의 기계장치(1) ①,②,ⓝ는 유효순시전력(또는 유효전류), 가동시간, 전동기 회전수, 베어링 온도, 진동, 가동시간, 가동정지횟수를 포함한 기계장치 운전 정보를 현장 중계반(나)에 설치한 입출력 장치(2) ①,②,ⓝ에 전달하고, 입출력장치(2)는 기계장치 운전 정보를 통신가능한 신호로 바꾸어 통신선로(3)을 통하여 중앙제어실(다)의 내부에 설치한 중앙 컴퓨터(4)로 전달한다.

중앙 컴퓨터(4)에서는 기계장치 운전 정보를 이용하여 미리 내장된 계산 프로그램에서 환산수명시간을 계산하여 그 누적치를 표시화면(5)에 그려진 해당 기계장치의 계통도 위에 표시하고, 환산수명시간 누적값이 설계수명시간의 90％에서 일차 점검 경보를 발생하고 동시에 음성신호기(6)에서 점검 음성신호를 발생하고, 운전자의 모바일에도 해당 기계나 전기장치를 점검하라는 문자신호를 발생하여 운전자가 알 수 있도록 한다.

운전자는 90％ 환산수명시간에 현장 기계장치나 전기장치를 점검하여 이상이 없으면 그대로 계속 사용하고, 이상 징후가 있거나 장치의 상태가 좋지 않다고 판단하면 분해점검 및 보수 정비를 한다.

중앙 컴퓨터(4)에서는 아직 설계수명시간이 되지 않았더라도, 진동값이 적정치를 초과하거나 베어링 온도가 비정상적으로 높거나 전류치가 정격치를 초과하는 경우에는 해당 내용 알림과 함께 기계장치나 전기장치를 점검하라는 음성신호 및 모바일 문자신호를 발생하고 화면 표시기(5)에 경보표시를 한다.

기계장치(1)에서 수명시간은 주로 베어링과 톱니바퀴(gear)로 구성된 감속기의 베어링 수명시간에 의하여 정해진다.

물론 감속기가 아닌 구조부분의 베어링도 아래 기준을 동일하게 적용한다.

전자접촉기와 같은 전기장치는 주로 접점의 접촉회수와 통과 전류값에 의하여 수명시간이 정해지며, 전동기는 주로 전동기회전축의 베어링 수명시간에 의하여 수명시간이 정해진다.

기계장치에 전력을 공급하는 전자 접촉기나 가동제어를 수행하는 전기장치의 수명시간에 대하여는 별도로 명시된 수명 계산식이 공지되지 않았지만, 그 특성상 베어링 수명시간 계산식을 준용하되 베어링 계산식의 회전수에 가동정지횟수를 대입하여 사용한다.

베어링의 수명시간은 다음의 수학식 1로 표시된다.

삭제

여기서, Lnb : 베어링의 실제수명시간( 시간)

α₁ : 신뢰도 계수.(자료: 기계설계편람 628쪽 표12-29)

α₂ : 수명수정계수 .(자료: 기계설계편람 628쪽 표12-30)

Lo : 기계제조자가 정한 정격부하 운전시의 수명시간( 예; 20,000시간)

No : 감속기 입력축 또는 베어링 축의 설계 정격 회전수(rpm)

Nt : 감속기 입력축 또는 베어링 축의 실제 회전수(rpm)

Po : 정격부하( kw 또는 kg.m/s)

Pt : 기계에 작용하는 실제 부하

n : 베어링 종류에 따라 정해지는 값

볼 베어링 : n = 3

롤러 베어링 : n = 10/3

상기 신뢰도 ％는 보통의 기계에는 90％를 적용하고 매우 중요하거나 고가의 기계에는 95％ 또는 그 이상을 적용한다.

베어링 규격과 설계서로부터 수명을 계산할 때는 수학식 2로 표시된다.

삭제

여기서, Lno : 베어링 설계 수명시간( 시간)

Nb : 베어링 축의 설계 회전수(rpm)

Pb : 베어링 축에 작용하는 설계 동 등가하중(kg)

Co : 베어링의 기본 동하중용량(kg)

n : 베어링 종류에 따라 정해지는 값

볼 베어링 : n = 3

롤러 베어링 : n = 10/3

상기 수학식 2로부터 구한 베어링 시간 Lno를 수학식 1의 Lo에 대입하면 실제 회전수와 부하율에 대한 실제 수명시간을 구할 수 있다.

톱니바퀴(gear)의 수명은 일반적으로 베어링 보다 훨씬 길게 설계되어 있으므로, 톱니바퀴는 베어링을 점검 또는 보수할 때 치면의 마모 상태나 치면의 손상정도 등을 측정하여 재사용 또는 보수 정비를 결정하는 것으로 한다.

단위 가동시간에 대한 실제 수명시간은 수학식 3으로 환산수명으로 표시된다.

환산 수명이란 실제 부하조건에서 정해지는 부하시간으로 설계수명시간에 도달하는 시간으로 표시한 수명시간으로서, 부하가 적게 작용하여 실제 수명시간이 길어지면 환산수명은 그 역의 값이 합산 표시되어 설계수명시간에 도달하는 실제 기간이 길어지게 된다.

삭제

여기서, Le : 환산수명시간(시간)

tn : 단위 운전시간(시간); 컴퓨터가 신호를 읽어 들이는 단위주기시간.(통상 3∼5초)

Lnb : 실제 수명시간 (시간)

Lo : 설계 또는 공시 수명시간(시간)

누적 환산수명시간은 수학식 4와 같이 표시된다.

∑Le= Le ₁＋Le ₂＋ .... ＋ Le _n

삭제

여기서, ∑Le : 누적 환산수명(시간)

Le₁ : 첫 번째 단위시간의 환산수명시간(시간)

Le₂ : 두 번째 단위시간의 환산수명시간(시간)

Len : n 번째 단위시간의 환산수명시간(시간)

기계장치의 물리적 운전시간은 수학식 5와 같이 계산한다.

∑Lt = t₁ ＋ t₂ ＋＋ t_n

삭제

여기서, ∑Lt : 물리적 누적운전시간 (시간)

t₁ ∼t_n : 단위운전시간(시간)

상기 수학식 3에서 단위 가동시간 tn은 중앙컴퓨터(4)에서 주기적으로 현장 기계정보를 읽어 들이는 주기시간으로, 컴퓨터에 의한 제어시스템설계 시 미리 정해지는 시간이며, 상기 수학식 1 ∼ 수학식 5의 연산은 각각의 현장기계의 운전기간동안만 이루어지고 현장기계가 운전을 중지하면 연산을 중지하도록 하였다.

상기 화면 표시기(5)에는 각각의 기계 및 전기 장치의 계통도상의 대응위치에 설계수명시간, 물리적 누적운전시간, 누적 환산수명시간이 표시되도록 하였고, 누적환산수명시간이 실제수명시간의 90％와 100％에 도달했을 때 경보 및 음성신호, 해당 운영자에게 모바일 문자신호를 발생하게 하였다.

상기 실제 부하량 변동에 대하여 중앙 컴퓨터가 받아들이는 부하 신호는 [도면3] 에서와 같이 실제 부하변동 곡선에 대하여 컴퓨터에서 신호를 읽어 들이는 주기(t₁, t₂ ,t _n )간격으로 구성된 막대그라프의 면적과 같아서 이론적으로는 실제 부하량과 완전히 일치하지는 않으나, 주기시간이 매우 짧으므로 현실적으로 사용하는데 문제가 없을 정도로 정확히 일치한다.

중앙컴퓨터(4)는 도 4의 내용에 따라 연산 및 표시를 수행한다.

본 발명의 다른 실시예는 광역통합관리시스템에서 여러 곳의 처리시설을 운영관리 하는 경우에 대한 것이다.

이 경우에는 여러 곳에 분산설치 되어 있는 단위 처리장 중 관리 인력이 상주하는 곳은 중간 컴퓨터(4-1)을 설치하고 그 중간 컴퓨터(4-1)가 상기 실시예의 연산 및 경보표시, 음성신호, 모바일 문자신호를 발생하고, 그 단위처리장의 각종기계 및 전기장치의 환산수명시간정보를 중앙 컴퓨터(4)로 전송하고, 상주 관리자 가 없는 단위 처리장은 중간 컴퓨터(4-2)가 상기 실시예의 연산을 하여 그 연산 정보를 중앙 컴퓨터(4)로 전송하고, 중앙 컴퓨터(4)에서는 중간 컴퓨터(4-1),(4-2)에서 전송된 신호를 연산하여, 환산수명 표시, 경보, 음성신호, 각 해당 운영자에 대한 모바일 문자신호를 발생하고, 진동값, 베어링 온도등이 규정치를 넘으면 경보와 함께 해당 기계 및 전기장치의 운전을 정지시키도록 정지 신호를 발생하고, 현장의 조작단에서는 이 정지신호에 의하여 해당 기계장치나 전기장치의 가동을 자동적으로 정지시킨다.

광역 원격정보전송은 통상적으로 전용선을 사용하고, 전용선 사용이 어려운 오지의 경우는 무선전송방식을 사용한다.

도면 1 은 본 발명의 구성 상태를 나타낸 예시도.

도면 2 는 본 발명의 기계장치의 정보 및 전기장치의 정보와 입출력장치의 연결예시도.

도면 3 은 본 발명의 실제부하와 컴퓨터가 판독하는 부하의 관계도.

도면 4 는 본 발명의 중간 및 중앙 컴퓨터의 연산프로그램 플로차트.

도면 5 는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 예시도.

Claims

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컴퓨터가 운전 중인 기계장치로부터 유효순시전력, 전동기 회전수, 베어링 온도, 가동시간, 가동정지 횟수, 진폭을 포함한 기계·전기장치의 운전 정보를 감지하여 소정의 주기마다 입력하는 단계;

컴퓨터가 각 기계장치에 대하여 누적 환산수명시간을 계산하여 화면에 표시하는 단계;

컴퓨터가 상기 기계장치의 운전 정보가 미리 정해진 규정치를 벗어나면 경보를 발생하고 기계장치의 운전을 정지하는 단계; 및

컴퓨터가 상기 누적 환산수명시간을 설계수명시간에 대비하여 소정의 값에 도달하면, 경보를 발생하고 운영자에게 음성신호 또는 모바일 문자신호를 발생하는 단계;를 포함하여 구성되고,

베어링 설계 수명시간(Lno)을

수학식

(여기서, Lno : 베어링 설계 수명시간( 시간), Nb : 베어링 축의 설계 회전수(rpm), Pb : 베어링 축에 작용하는 설계 동 등가하중(kg), Co : 베어링의 기본 동하중용량(kg), n : 베어링 종류에 따라 정해지는 값)에 의해 계산하고,

베어링의 실제수명시간(Lnb)을

수학식

(여기서, Lnb : 베어링의 실제수명시간(시간), α₁ : 신뢰도 계수, α₂ : 수명수정계수, Lo : 기계제조자가 정한 정격부하 운전시의 수명시간, No : 감속기 입력축 또는 베어링 축의 설계 정격 회전수(rpm), Nt : 감속기 입력축 또는 베어링 축의 실제 회전수(rpm), Po : 정격부하( kw 또는 kg.m/s), Pt : 기계에 작용하는 실제 부하, n : 베어링 종류에 따라 정해지는 값)에 의해 계산하되, 상기 베어링 설계 수명시간(Lno)을 Lo에 대입하여 계산하고,

환산수명시간(Le)을

수학식

(여기서, Le : 환산수명시간(시간), tn : 단위 운전시간(시간), Lnb : 실제 수명시간 (시간), Lo : 설계 또는 공시 수명시간(시간))에 의해 계산하고,

누적 환산수명시간을

수학식 ∑Le= Le ₁＋Le ₂＋ .... ＋ Le _n

(여기서, ∑Le : 누적 환산수명(시간), Le₁ : 첫 번째 단위시간의 환산수명시간(시간), Le₂ : 두 번째 단위시간의 환산수명시간(시간), Len : n 번째 단위시간의 환산수명시간(시간))에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 기계장치의 수명예측방법.
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