KR101245747B1 - 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치 - Google Patents

회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치 Download PDF

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Abstract

회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치는 회전축에 설치되어 회전축 상의 서로 다른 지점에서 접선 방향의 병진 진동 가속도를 각각 측정하는 복수의 가속도계를 포함하는 센서유닛과, 센서유닛과 연결되어 가속도계에서 측정된 각각의 병진 진동 가속도를 전달하는 수신유닛과, 수신유닛에서 수신된 각각의 병진 진동 가속도를 이용하여 각진동 가속도 및 비틀림 진동 변형량을 계산하는 제어부를 포함한다.

Description

회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치{TORSIONAL VIBRATION MEASURING APPARATUS}
본 발명은 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가속도계로부터 측정된 진동신호로부터 축계의 비틀림 진동 특성을 계측하는 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박, 자동차에는 엔진으로부터 발생된 구동력을 추진축을 이용하여 전달하는 축계 시스템이 마련된다. 최근에는 이러한 장비들의 크기가 대형화, 고속화됨에 따라 고출력 엔진이 요구되고 있으며, 이에 따라 축계 시스템의 길이가 증가되고 있다.
이와 같이 회전하는 모든 축계 시스템은 장비 가동에 따라 비틀림 진동 특성이 달라지고 있으며, 이러한 비틀림 진동 특성은 축계 시스템의 안전성에 가장 큰 영향을 끼치므로 비틀림 진동 특성(비틀림 진동 고유진동수, 비틀림 진동 응답)을 파악하는 것이 필수적이다.
종래에는 추진축의 회전시 비틀림 진동 특성을 파악하기 위해 스트레인 게이지(strain gage)를 추진축의 표면에 부착하여 비틀림 진동을 계측하였다.
이를 위해 추진축의 일측에 축방향으로 일정 거리 떨어진 지점에 스트레인 게이지를 부착하고, 스트레인 게이지로부터 측정되는 신호는 트랜스미터를 통해 수신기(receiver)로 전달된다. 수신기는 스트레인 게이지로부터 측정된 축계 비틀림 진동 특성을 전압형태로 획득하는 장치이다.
그러나, 종래의 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치는 스트레인 게이지를 설치하는데 시간과 주의가 요구되고 있으며, 고가의 텔레메트리 시스템을 필요로 하여 제조비용 및 유지, 관리비가 증가하는 요인이 되고 있다.
또한, 종래의 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치는 스트레인 게이지에 측정되는 비틀림 진동량이 크게 측정되는 지점인 추진축의 중간, 즉 엔진로부터 연장된 일측에 설치되며, 이에 따라 엔진의 구동력을 전달하는 추진축에서 일어나는 비틀림 진동의 실질적인 거동을 계측할 수 없었다.
본 발명의 실시예는 회전축의 회전에 따른 회전축의 실질적인 비틀림 진동 변형량을 측정함으로써 회전축의 비틀림 진동에 대한 파손이나 변형 등을 미리 예측할 수 있는 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치는, 회전축에 설치되어 회전축 상의 서로 다른 지점에서 접선 방향의 병진 진동 가속도를 각각 측정하는 복수의 가속도계를 포함하는 센서유닛과, 센서유닛과 연결되어 가속도계에서 측정된 각각의 병진 진동 가속도를 전달하는 수신유닛과, 수신유닛에서 수신된 각각의 병진 진동 가속도를 이용하여 각진동 가속도 및 비틀림 진동 변형량으로 계산하는 제어부를 포함한다.
센서유닛은 회전축의 일측에 설치되는 고정지그와, 고정지그에 결합되는 센서지지부를 포함하고, 복수의 가속도계는 센서지지부의 외곽부에 각각 설치될 수 있다.
복수의 가속도계는 회전축의 중심을 기준으로 서로 180도의 위상차로 설치된 2개의 가속도계일 수 있다.
센서유닛과 수신유닛은 무선 또는 유선으로 연결될 수 있다.
센서유닛은 배선에 의해 가속도계와 연결되는 전극부가 더 설치되고, 수신유닛은 센서유닛과 인접하게 설치된 브래킷과, 브래킷에 설치되어 전극부와 전기적으로 연결되는 슬립 링을 포함할 수 있다.
회전축은 선박용 엔진의 추진축일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치 및 방법은 회전축의 회전에 따른 회전축의 실질적인 비틀림 진동 변형량을 측정함으로써 회전축의 비틀림 진동에 대한 파손이나 변형 등을 미리 예측할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치를 간략하게 도시한 구성도.
도 2는 도 1의 'X-X'선의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치의 가속도계에 의해 측정되는 병진 진동 가속도를 선형적으로 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치를 간략하게 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1의 'X-X'선의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치(110)는, 추진축(112), 센서유닛(114), 가속도계(114a, 114b), 고정지그(115), 센서지지부(116), 전극부(118a, 118b), 수신유닛(120), 브래킷(122) 및 슬립 링(124a, 124b)을 포함할 수 있다.
회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치(110)는 엔진의 구동력을 전달하는 추진축(112)의 회전시 발생하는 비틀림 진동에 대한 각진동 가속도(θ)를 산출할 수 있으며, 이 각진동 가속도(θ)를 통해 추진축(112)의 비틀림 진동 변형량 및 이에 따른 비틀림 진동 특성을 파악할 수 있다.
이와 같이, 추진축(112)의 비틀림 진동 특성을 파악하게 되면, 추진축(112) 의 변형이나 파손 등을 간접적으로 확인할 수 있어 축계 시스템의 안전성을 점검 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치(110)는 엔진의 구동력을 전달하는 추진축(112) 상의 서로 다른 지점에 설치된 센서유닛 (114)을 가질 수 있다.
이 센서유닛(114)은 추진축(112)상의 서로 다른 지점에서 회전 방향의 접선 방향에 대한 병진 진동 가속도(a1, a2)를 측정하며, 이를 위해 적어도 2개의 가속도계(114a, 114b)를 포함할 수 있다.
또한, 센서유닛(114)은 추진축(112)의 단부에 결합되는 고정지그(115)와, 이 고정지그(115)에 결합되며 가속도계(114a, 114b)를 지지하기 위한 센서지지부 (116)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 가속도계(114a, 114b)는 2개로 이루어질 수 있으며, 센서지지부(116)에 설치될 수 있다. 이때, 가속도계(114a, 114b)는 추진축 (112)의 중심을 기준으로 서로 180도의 위상차를 갖도록 설치될 수 있다.
센서지지부(116)는 추진축(112)이 회전함에 따라 고정지그(115)에 의해 함께 회전하게 되며, 이에 따라 센서지지부(116)의 회전에 따른 가속도계 위치에서 접선방향의 병진 진동 가속도가 가속도계(114a, 114b)에서 측정될 수 있다.
본 실시예에서 가속도계(114a, 114b)는 상용 압전형 가속도계로 이루어질 수 있으며, 측정된 병진 진동 가속도를 전기적 신호로 변환하게 된다. 본 실시예에서 가속도계(114a, 114b)는 상용 압전형 가속도계로 이루어진 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 스트레인 게이지(strain gage)형 가속도계 또는 정전용량형(capacitive)형 가속도계로 구성될 수 도 있다
센서유닛(114)은 수신유닛(120)과 연결될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 센서유닛(114)과 수신유닛(120)은 무선 또는 유선으로 (도시되지 않은) 제어부와 연결될 수 있다.
수신유닛(120)은 센서유닛(114)의 가속도계(114a, 114b)와 배선을 통해 연결되어 가속도계(114a, 114b)에서 측정된 전기적 신호를 제어부로 전달한다. 일례로 센서유닛(114)의 가속도계(114a, 114b)와 연결된 배선에는 내부 안테나가 연결될 수 있고, 수신유닛(120)에는 내부 안테나로부터 발신된 신호를 수신하기 위한 외부안테나가 설치되어, 전기적 신호로 바뀐 병진 진동 가속도를 전달받을 수 있다.
한편, 센서유닛(114)과 수신유닛(120)은 본 실시예와 같이 유선으로 연결되는 것도 가능하다.
이를 위해 센서지지부(116) 및 고정지그(115)에는 가속도계(114a, 114b)와 연결되는 내부 배선(117a, 117b)이 설치되고, 이 내부 배선(117a, 117b)의 일단에는 외부로 노출되는 전극부(118a, 118b)가 설치될 수 있다. 일례로 이 전극부(118a, 118b)는 고정지그(115)의 일측에 설치될 수 있다.
또한, 수신유닛(120)은 센서유닛(114)에 인접하게 설치된 브래킷(122)과 이 브래킷(122)에 설치된 슬립 링(Slip ring)(124a, 124b)을 포함할 수 있다.
슬립 링(124a, 124b)은 전극부(118a, 118b)와 항상 전기적으로 연결되며, 전기적 신호를 끊김 없이 전달할 수 있다.
한편, 제어부는 수신유닛(120)으로부터 전송받은 전기적 신호를 병진 진동 가속도로 환산하고, 이를 통해 회전축의 각진동 가속도를 산출한다. 각진동 가속도가 산출되면, 잘 알려진 변환 방법을 통하여 각진도 속도 및 각진동 변형량을 산출할 수 있다. 각진동 변형량은 회전축의 비틀림 측면에서 보면 비틀림 진동 변형량에 해당한다.
각진동 가속도는, 2개 지점의 가속도계(114a, 114b)에서 측정된 병진 진동 가속도들의 차이를 2개의 가속도계의 중심사이의 거리인 중심 거리(2r)로 나누어 산출할 수 있다. 또한 이 각진동 가속도로부터 주파수영역에서 일반적으로 잘 알려진 변환 방법을 통하여 각진동 속도 및 각진동 변형량 즉, 비틀림 진동 변형량을 계산할 수 있다.
본 실시예에 있어서 회전축은 선박용 엔진의 추진축(112)일 수 있다.
또한, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치(110)는 선박용 엔진의 추진축(112)의 회전시 비틀림 진동에 의해 발생하는 비틀림 진동 변형량을 산출할 수 있으며, 이에 따라 추진축(112)의 비틀림 진동에 대한 파손이나 변형 등에 대한 안정성 여부의 판단이 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치의 가속도계에 의해 측정되는 가속도를 선형적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참고하여 비틀림 진동 계측 방법을 살펴보면 다음과 같다.
추진축(112)은 일반적으로 회전시 비틀림 진동뿐만 아니라 회전축 전체의 병진 진동이 합쳐진 형태의 복합적인 형태의 진동을 하게 된다. 만약 병진 진동이 없이 순수 비틀림 진동만 발생하는 축이라면 1개의 가속도계만으로도 비틀림 진동 변형량을 계측할 수 있다. 하지만 일반적인 상황에서는 비틀림 진동과 병진 진동이 복합적으로 발생하므로 도 3과 같이 복수개의 가속도계의 배치가 필요하다. 도 3에서 추진축(112)이 회전하는 동안에 제1가속도계(114a)에서 계측된 가속도 신호(a1)는 [수학식 1]과 같이 추진축 중심의 병진 가속도(a)와 가속도계 위치에서의 순수 비틀림 가속도 성분(a1*)의 합으로 표시할 수 있다.
Figure 112010083366775-pat00001
또한, 추진축(112)이 회전하는 동안에 제2가속도계(114b)에서 계측된 가속도 신호(a2)는 [수학식 2]와 같이 추진축 중심의 병진 가속도(a)와 가속도계 위치에서의 순수 비틀림 가속도 성분(a2*)의 차로 표시될 수 있다.
Figure 112010083366775-pat00002
따라서, 회전축 중심의 병진 가속도(a) 및 가속도계 위치에서의 순수 비틀림 진동 성분의 가속도(a1*, a2*)는 도 3과 같이 선형적으로 표시할 수 있으며 제1가속도계(114a) 위치에서의 순수 비틀림 가속도 성분(a1*)과 제2가속도계(114b) 위치에서의 순수 비틀림 가속도 성분(a2*)은 물리적으로 동일한 값이다.
여기서 구하고자 하는 회전 축의 회전 축의 비틀림 진동에 따른 각진동 가속도(θ)는 [수학식 3]과 같이 2개 지점의 가속도계(114a, 114b)에서 측정된 병진 진동 가속도들(a1, a2)의 차이를 2개의 가속도계의 중심사이의 거리인 중심 거리(2r)로 나눔으로써 계측할 수 있다.
Figure 112010083366775-pat00003
이와 같이 본 실시예에 따른 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치(110)는 2개의 가속도계(114a, 114b)에서 측정되는 병진 진동 가속도(a1, a2)를 이용하여 비틀림 진동에 따른 각진동 가속도(θ)을 구할 수 있다.
여기서 언급된 각진동 가속도(θ)는 주파수 영역에서 일반적으로 잘 알려진 단순 변환식에 의해 각진동 속도 및 각진동 변형량(비틀림 진동 변형량)으로 쉽게 변환이 될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서와 같이 각진동 가속도(θ)을 통해 비틀림 진동 변형량 및 이에 따른 비틀림 진동 특성을 파악할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
110 : 비틀림 변형량 측정 장치 112 : 추진축
114 : 센서유닛 114a, 114b : 가속도계
115 : 고정지그 116 : 센서지지부
117a, 117b : 내부 배선 118a, 118b : 전극부
120 : 수신유닛 122 : 브래킷
124a, 124b : 슬립 링

Claims (6)

  1. 회전축의 단부에 설치되어 상기 회전축 상의 서로 다른 지점에서 접선 방향의 병진 진동 가속도를 각각 측정하는 복수의 가속도계를 포함하는 센서유닛과;
    상기 센서유닛과 연결되어 상기 가속도계에서 측정된 각각의 병진 진동 가속도를 전달하는 수신유닛; 및
    상기 수신유닛에서 수신된 각각의 병진 진동 가속도를 이용하여 각진동 가속도 및 비틀림 진동 변형량을 계산하는 제어부를 포함하며,
    상기 센서유닛은,
    상기 회전축의 단부에 설치되는 고정지그와,
    상기 고정지그에 결합되는 센서지지부를 포함하고,
    상기 복수의 가속도계는 센서지지부의 외곽부에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 가속도계는,
    상기 회전축의 중심을 기준으로 서로 180도의 위상차로 설치된 2개의 가속도계인 것을 특징으로 하는, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 센서유닛과 상기 수신유닛은,
    무선 또는 유선으로 연결된 것을 특징으로 하는, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 센서유닛은 배선에 의해 상기 가속도계와 연결되는 전극부가 더 설치되고,
    상기 수신유닛은 상기 센서유닛에 인접하게 설치된 브래킷과,
    상기 브래킷에 설치되어 상기 전극부와 전기적으로 연결되는 슬립 링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 회전축은,
    선박용 엔진의 추진축인 것을 특징으로 하는, 회전축의 비틀림 진동 변형량 측정 장치.
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