KR101482509B1 - Diagnosis System and Method of Bearing Defect - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a system and a method for diagnosing a bearing defect by analyzing complexity and energy concentration of signals based on vibration signals generated from a bearing in rotary equipment. The system for diagnosing a defect in a bearing of rotary equipment comprises: a sensor unit which measures a vibration signal of the bearing; a signal processing unit which includes a filter which extracts a signal of natural frequency band from the vibration signal, and a signal processing device which calculates a complexity degree and an energy concentration ratio from the vibration signal after filtering and the vibration signal before filtering; and display unit which includes a display device displaying whether the bearing has the defect and an alarm device generating an alarm if the bearing has the defect.

Description

베어링 결함 진단 시스템 및 그 진단 방법{Diagnosis System and Method of Bearing Defect}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bearing defect diagnosis system,

본 발명은 베어링 결함 진단 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 설비의 베어링에서 발생되는 진동신호를 기초로 신호의 복잡성과 에너지 집중도를 분석하여 베어링의 결함을 진단하는 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of diagnosing a bearing defect, and more particularly, to a system and method for diagnosing a bearing defect by analyzing signal complexity and energy concentration based on a vibration signal generated in a bearing of a rotating facility.

일반적으로 구름 베어링(Rolling Element Bearing)은 여러 기계 장치의 동작에 필요한 기초 부품으로, 운전시 높은 압력을 받아 표면의 작은 결함에 의해서도 기계 장치는 심각한 고장을 야기할 수 있다. 이러한 베어링은 각종 산업기계에 필수적인 요소로 사용되며, 기계 장치가 비정상적인 상태에서 운전하게 될 경우 가장 먼저 이상 현상이 나타난다. 따라서, 기계 장치의 안정적인 운전을 위하여 베어링의 상태에 대한 지속적인 감시가 요구되며, 최근의 상태감시시스템(Condition Monitoring System)은 베어링의 결함을 감시하고 진단하기 위한 기능을 필수적으로 포함하고 있다.In general, Rolling Element Bearing (Rolling Element Bearing) is a basic component required for the operation of various machinery. It can be subjected to high pressure during operation and cause mechanical failure even with small surface defects. These bearings are used as an essential element in various industrial machinery, and the first anomaly occurs when the machinery is operated under abnormal conditions. Therefore, continuous monitoring of the condition of the bearings is required for stable operation of the mechanical device, and a recent Condition Monitoring System essentially includes a function for monitoring and diagnosing the defects of the bearings.

베어링의 결함을 진단하기 위한 가장 일반적이고 효과적인 방법은 포락선 스펙트럼(Envelope Spectrum) 방법으로, 베어링의 진동신호로부터 포락선을 구하고 퓨리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)을 통해 주파수를 분석하는 것이다. 이 방법은 베어링의 사양에 따라 정해지는 결함 주파수와 비교를 할 수 있어 신뢰성이 높은 방법이며, 다른 신호처리 방법과 접목하여 새로운 방법을 도출해 내기도 한다(선행문헌1 참조).The most common and effective way to diagnose bearings defects is to use the envelope spectrum method to obtain the envelope from the vibration signal of the bearing and analyze the frequency through FFT (Fast Fourier Transform). This method can be compared with the defect frequency determined according to the specification of the bearing, which is a highly reliable method, and a new method may be derived by combining with other signal processing methods (see Prior Art 1).

그러나 상기와 같은 방법에서는 실제 측정된 진동신호로부터 구한 주파수 스펙트럼이, ⅰ) 주파수 분석 과정에 사용되는 해상도, ⅱ) 주파수 분석 과정에서 발생하는 계산 오차, ⅲ) 진동신호에 포함된 비선형성과 같은 요인에 의해 베어링의 사양으로부터 이론적으로 계산되는 결함 주파수와 일치하지 않는 경우가 발생하게 된다. 이러한 요인이 충분히 고려되어야 주파수 스펙트럼에 의한 베어링 진단의 신뢰성을 확보할 수 있다. 예를 들면, 주파수 분해능을 높이기 위해 많은 양의 데이터를 처리할 수 있는 고(高)사양의 데이터 분석용 하드웨어를 사용함으로써, 이론적으로 계산되는 결함 주파수와 비교할 때 정확성을 높일 수 있다.However, in the above method, the frequency spectrum obtained from the actually measured vibration signal is influenced by factors such as (i) resolution used in the frequency analysis process, (ii) calculation error occurring in the frequency analysis process, and (iii) nonlinearity included in the vibration signal The failure frequency calculated theoretically from the specification of the bearing does not coincide with the defect frequency. If these factors are taken into consideration, reliability of bearing diagnosis by frequency spectrum can be secured. For example, using high-specification data analysis hardware that can handle large amounts of data to increase frequency resolution can improve accuracy when compared to the theoretical calculated fault frequencies.

한편, 일반적인 베이링 결함 감시는 지속적인 감시를 통하여 축적된 진동 데이터를 토대로 하는 경향 감시(Trend Monitoring)에 의하여 이루어진다. 즉, 베어링에 대한 정상상태일 때의 진동 데이터와 새롭게 측정되는 진동 데이터의 크기를 비교하여, 그 차이가 일정 크기 이상이 되면 해당 베어링에 결함이 존재하는 것으로 판단하게 된다. 이러한 방법에 의한 베어링 결함 감시는 일정 기간 축적된 진동 데이터가 존재해야만 적용이 가능하며, 동일한 설비라도 다른 위치에 설치되는 경우에는 진동의 특성이 달라지므로 각각의 설비마다 개별적으로 진동 데이터를 축적하여 비교하여야 하는 단점이 있다. 결국 상기와 같은 방법은 설비마다 맞춤화된 진동 감시 기준을 개별적으로 관리해야 하므로, 설비의 유지 보수와 관련된 제반 비용의 상승을 초래하는 문제점이 있다.On the other hand, general bay fault monitoring is performed by trend monitoring based on accumulated vibration data through continuous monitoring. That is, the magnitude of the vibration data at the steady state with respect to the bearing and the magnitude of the vibration data to be newly measured are compared, and when the difference is greater than or equal to a predetermined magnitude, it is determined that a defect exists in the bearing. This method can be applied only if there is vibration data accumulated for a certain period of time. If the same facility is installed at another position, vibration characteristics are different. Therefore, . As a result, the above-described method needs to individually manage the vibration monitoring standard customized for each equipment, which causes a problem in that all costs associated with the maintenance and repair of the equipment are increased.

따라서 베어링의 결함을 보다 효율적으로 감시하기 위해서는, ① 결함 주파수와 비교를 요구하지 않고, ② 베어링 결함 감시를 위해 고(高)사양의 하드웨어를 요구하지 않으며, ③ 축적된 진동 데이터를 요구하지 않고, ④ 이를 통하여 저(低)비용으로 시스템을 구축할 수 있을 것이 요구된다.Therefore, in order to monitor the defects of the bearings more efficiently, it is necessary to (1) require no comparison with the defect frequency, (2) do not require high-specification hardware for the monitoring of bearing defects, (3) ④ It is required to build a system with low cost through this.

[선행문헌1] 미국등록특허 US 7,602,985 B2
[Prior Art 1] United States Patent No. 7,602,985 B2

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 센서로부터 측정한 진동신호로부터 베어링의 결함을 감시할 수 있는 감시 인자를 정의하고, 정의된 감시 인자로부터 베어링의 결함 여부를 판단함으로써, 간단한 시스템으로 수행될 수 있는 베어링 결함 진단 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for detecting defects of a bearing from a vibration signal measured by a sensor, And a system for diagnosing bearing defects that can be performed by a system.

또한, 본 발명은 베어링의 결함 유무를 판단하는 과정에서 정상상태의 진동 데이터를 필요로 하지 않아, 설비의 유지 보수에 대한 효율성을 향상시킬 수 있는 베어링 결함 진단 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
It is another object of the present invention to provide a system and method for diagnosing bearing defects which can improve the efficiency of maintenance of equipments without requiring steady state vibration data in the process of determining the presence of defects of the bearings .

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 회전 설비의 베어링에 발생하는 결함을 진단하는 시스템에 있어서, 베어링의 진동신호를 측정하는 센서부; 측정된 상기 진동신호에 대하여 고유 주파수 대역 신호를 추출하는 필터와, 필터링 과정을 거친 진동신호와 필터링 과정을 거치기 전의 진동신호로부터 에너지 집중도와 신호의 복잡도를 계산하고, 상기 에너지 집중도와 신호의 복잡도로부터 감시인자 값을 추출하며, 추출된 상기 감시인자 값을 사전에 설정된 기준 값과 비교하여 베어링의 결함 유무를 판단하는 신호처리장치를 포함하는 신호처리부; 및 상기 베어링의 결함 유무를 표시하는 표시장치 및 상기 베어링에 결함이 발생하는 경우 경보를 발생시키는 경보장치를 포함하는 표시부;로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a system for diagnosing a defect occurring in a bearing of a rotating facility, the system comprising: a sensor unit for measuring a vibration signal of a bearing; A filter for extracting a natural frequency band signal with respect to the measured vibration signal and a complexity degree of energy concentration and a signal from a vibration signal subjected to the filtering process and a vibration signal before the filtering process, A signal processing unit for extracting a monitoring factor value and comparing the extracted monitoring factor value with a preset reference value to determine the presence or absence of a defect in the bearing; And a display unit including a display device for indicating the presence or absence of a defect in the bearing and an alarm device for generating an alarm when a defect is generated in the bearing.

그리고, 본 발명은 회전 설비의 베어링에 발생하는 결함을 진단하는 방법에 있어서, (a) 베어링의 하우징에 설치된 센서부에서 베어링의 진동신호를 측정하는 진동신호 측정단계; (b) 상기 (a) 단계에서 측정된 진동신호를 취득하고 필터링하여, 에너지 집중도(Er)와 신호의 복잡도(C)를 구하고, 이들로부터 감시인자(Sb)를 계산하는 신호 처리 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 감시인자(Sb)를 기준 값(Ref)과 비교하여 베어링의 상태를 판정하는 상태 판정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of diagnosing a defect occurring in a bearing of a rotating facility, the method comprising the steps of: (a) measuring a vibration signal of a bearing in a sensor unit installed in a housing of a bearing; (b) a signal processing step of acquiring and filtering the vibration signal measured in the step (a) to obtain the energy concentration Er and the complexity C of the signal and calculating a monitoring factor Sb therefrom; And (c) determining a state of the bearing by comparing the monitoring factor Sb of the step (b) with a reference value Ref.

여기서, 상기 에너지 집중도(Er)는 관심 대역과 전체 주파수 대역의 주파수 스펙트럼 에너지 합(合)의 비로 정의되고, 상기 신호의 복잡도(C)는 관심 대역 진동신호로부터 구한 복잡도로 정의되며, 상기 감시인자(Sb)는 상기 에너지 집중도(Er)와 상기 신호의 복잡도(C)로부터 0 내지 1 사이의 무차원 값으로 정의되는 파라미터인 것을 특징으로 한다.Here, the energy concentration Er is defined as a ratio of the frequency spectrum energy sum of the interest band and the entire frequency band, the complexity C of the signal is defined as the complexity obtained from the interest band vibration signal, (Sb) is a parameter defined as a dimensionless value between 0 and 1 from the energy concentration (Er) and the complexity (C) of the signal.

또한, 상기 (c) 단계에서는 상기 기준 값(Ref)은 0.1 ~ 0.2 사이의 값으로 설정되고, 감시인자(Sb)가 기준 값(Ref)을 초과하는 경우 베어링에 결함이 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.In the step (c), the reference value Ref is set to a value between 0.1 and 0.2. When the monitoring factor Sb exceeds the reference value Ref, it is determined that there is a defect in the bearing .

또한, 상기 베어링 결함 진단 방법은 (d) 상기 (c) 단계에서 베어링에 결함이 존재하는 것으로 판단되는 경우 그 결과를 표시하고, 경보를 발생하는 경보 발생 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
Further, the method for diagnosing bearing defects may further include: (d) generating an alarm when a failure is detected in the bearing in step (c).

상기와 같은 구성의 본 발명은, 현재 실시간으로 측정한 진동신호만을 베어링 결함 유무에 대한 판단 데이터로 사용하고, 일반적인 경향 감시에서 요구되는 축적된 데이터가 필요 없으므로, 어느 설비에도 쉽고 편리하게 적용할 수 있는 장점이 있다.The present invention having such a configuration can be applied easily and conveniently to any facility since it uses only the vibration signal measured in real time in the present time as judgment data on the presence or absence of bearing defects and does not need the accumulated data required in general tendency monitoring There is an advantage.

또한, 본 발명은 결함상태를 나타내는 감시 인자를 정의하여 베어링 결함 유무를 판단하므로, 이론적으로 계산되는 결함 주파수와 비교할 필요가 없어 간단한 하드웨어로 시스템을 구성할 수 있다. 즉, 높은 주파수 해상도를 얻기 위한 고사양의 주파수 분석기를 요구하지 않으므로, 비용면에서 효율성을 갖는다.
In addition, since the present invention defines a monitoring factor indicating a defect state to determine whether there is a bearing defect, it is not necessary to compare with a theoretical calculated defect frequency, and the system can be configured with simple hardware. That is, it does not require a high-end frequency analyzer for obtaining a high frequency resolution, and thus is cost-effective.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링 결함 진단 시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 베어링 결함 진단 과정을 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명의 베어링 결함 진단 시스템에서의 정상상태의 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 베어링 결함 진단 시스템에서의 내륜 결함상태의 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프, 및
도 5는 본 발명의 베어링 결함 진단 시스템에서의 외륜 결함상태의 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
1 is a block diagram showing a configuration of a bearing defect diagnosis system according to an embodiment of the present invention;
2 is a flowchart illustrating a process for diagnosing bearing defects according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the frequency spectrum of the steady state in the bearing defect diagnosis system of the present invention,
4 is a graph showing the frequency spectrum of the inner ring defect state in the bearing defect diagnosis system of the present invention, and Fig.
5 is a graph showing a frequency spectrum of an outer ring defect state in the bearing defect diagnosis system of the present invention.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링 결함 진단 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 베어링 결함 진단 시스템은 센서부(10), 신호처리부(20) 및 표시부(30)로 구성된다.1 is a block diagram illustrating a configuration of a bearing defect diagnosis system according to an embodiment of the present invention. 1, the bearing defect diagnosis system of the present invention comprises a sensor unit 10, a signal processing unit 20, and a display unit 30.

여기서, 센서부(10)는 베어링의 진동신호를 감지하기 위한 것으로, 베어링의 하우징(Bearing housing)에 설치되는 진동 감지 센서(11)로 구성된다. 진동 감지 센서(11)는 베어링에서 발생하는 진동을 실시간으로 감지한다.Here, the sensor unit 10 is for detecting a vibration signal of the bearing, and is composed of a vibration detection sensor 11 installed in a bearing housing of the bearing. The vibration detection sensor 11 detects vibrations occurring in the bearing in real time.

신호처리부(20)는 센서부(10)에서 감지된 베어링의 진동신호를 이용하여 베어링의 결함 여부를 판단한다. 즉, 베어링의 진동신호를 필터링하고, 필터링 전후의 진동신호 값을 이용하여 소정의 데이터를 추출하여 결함 여부를 결정하도록 구성된다. 이를 위한 신호처리부(20)는 도시된 바와 같이, 진동 감지 센서(11)에서 측정된 진동신호를 취득하기 위한 센서 인터페이스(21)가 구비되고, 취득한 진동신호를 필터링 및 가공하기 위한 장치로서 아날로그 필터(22), A/D(Analog to Digital) 변환기(23), 임시 데이터 저장장치(24), 디지털 필터(25) 및 신호처리장치(26)가 구비된다.The signal processing unit 20 uses the vibration signal of the bearing sensed by the sensor unit 10 to determine whether the bearing is defective or not. That is, the vibration signal of the bearing is filtered, and predetermined data is extracted by using the vibration signal values before and after filtering to determine whether or not the defect is defective. As shown in the figure, the signal processing unit 20 includes a sensor interface 21 for acquiring a vibration signal measured by the vibration sensor 11, and an apparatus for filtering and processing the obtained vibration signal, An analog-to-digital (A / D) converter 23, a temporary data storage device 24, a digital filter 25 and a signal processing device 26 are provided.

또한, 표시부(30)는 베이링의 결함 여부를 디스플레이하고, 경보를 알리며, 데이터를 저장하기 위한 구성으로, 표시장치(31), 경보장치(32) 및 데이터 저장장치(33)를 포함한다.The display unit 30 includes a display device 31, an alarm device 32 and a data storage device 33 for displaying whether or not the bay ring is defective, informing an alarm, and storing data.

상기와 같은 구성에 의하여 센서부(10)로부터 취득된 진동신호는 아날로그 필터(22)와 디지털 필터(25)를 거치면서 에너지 집중도(Energy concentration ratio : Er)와 진동신호의 복잡도(Complexity : C)를 추출하기 위한 신호로 필터링된다. 또한, 신호처리장치(26)에서는 필터링 전후의 진동신호를 가공하여, 에너지 집중도(Er)와 신호의 복잡도(C)를 추출하고, 추출된 데이터(Er,C)를 바탕으로 감시인자(Sb)를 계산하여 감시인자로부터 베어링의 결함 유무를 판단하다. 베어링의 결함 유무에 대한 판단 결과는 표시부(30)의 표시장치(31)를 통하여 디스플레이되고, 결함이 있는 경우 경보장치(32)를 통하여 경보 상황을 알리며, 판단 결과의 데이터는 데이터 저장장치(33)에 별도로 저장하게 된다. 이러한 일련의 동작은 소정의 프로그래밍으로 설정된 제어부에 의하여 진행될 수 있으며, 이하에서는 베어링 결함 진단 과정을 상세히 살펴보기로 한다.
The vibration signal obtained from the sensor unit 10 is passed through the analog filter 22 and the digital filter 25 and converted into an energy concentration ratio Er and a complexity C of the vibration signal, As shown in FIG. The signal processing device 26 processes the vibration signal before and after filtering to extract the energy concentration Er and the complexity C of the signal and extracts the monitoring factor Sb based on the extracted data Er and C, To determine whether the bearing is defective based on the monitoring factor. The result of the determination as to whether or not the bearing is defective is displayed through the display unit 31 of the display unit 30. If there is a defect, the alarm condition is informed via the alarm unit 32, ). Such a series of operations may be performed by a control unit set in a predetermined programming mode. Hereinafter, the process of diagnosing a bearing defect will be described in detail.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 베어링 결함 진단 과정을 나타낸 순서도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 베어링 결함 진단은 베어링에서 발생하는 진동신호를 측정하고(S11), 측정된 진동신호를 소정의 알고리즘에 따라 처리하여(S12~S14), 베어링의 결함 유무를 판단하며(S15~S16), 그 결과에 따라 후속 조치를 취하는 과정(S17)으로 이루어진다. 이하에서 상기의 각 과정에 대하여 구체적으로 살펴본다.
2 is a flowchart illustrating a process for diagnosing bearing defects according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the bearing defect diagnosis of the present invention measures a vibration signal generated in a bearing (S11), processes the measured vibration signal according to a predetermined algorithm (S12 to S14), determines whether the bearing is defective (S15 to S16), and a process of taking subsequent actions according to the result (S17). Hereinafter, each of the above processes will be described in detail.

1. 진동신호 측정단계(1. Vibration signal measurement step ( S11S11 ))

회전설비는 그 상태와 무관하게 진동을 발생시키는데, 정상상태의 베어링에서는 일정한 주기성이 존재하지 않는 특성을 보이게 된다. 일반적으로 백색 소음(White noise)의 특성을 보이며, 전 주파수 대역에서 아주 낮은 평탄한 스펙트럼을 보이게 된다. 이에 반해 결함이 있는 베어링의 경우는 베어링 결함에 연관된 주기성을 보이게 되며, 주파수 스펙트럼에서도 특정 주파수 대역에 많은 에너지가 집중되어 나타나게 된다. 이 특정 주파수 대역은 베어링의 고유진동수(Natural frequency)에 해당하는 주파수로 다음과 같이 정의된다.Rotating equipments generate vibration regardless of the state. In steady state bearings, there is no constant periodicity. Generally, it shows the characteristic of white noise and shows a very low flat spectrum in all frequency bands. On the other hand, in the case of a defective bearing, the periodicity associated with the bearing defect is shown, and in the frequency spectrum too much energy is concentrated in a specific frequency band. This specific frequency band is defined as the frequency corresponding to the natural frequency of the bearing.

[식 1][Formula 1]

Figure 112013066477592-pat00001
Figure 112013066477592-pat00001

여기서, fn은 베어링의 고유진동수를, k는 베어링의 강성을, m은 베어링의 질량을 나타낸다. 따라서, 측정단계에서는 상기한 베어링의 고유진동수를 포함하는 충분히 넓은 대역의 주파수 영역에 대한 측정이 이루어질 수 있도록 한다.
Where fn is the natural frequency of the bearing, k is the stiffness of the bearing, and m is the mass of the bearing. Therefore, in the measuring step, a measurement can be made in a sufficiently wide frequency range including the natural frequency of the bearing.

2. 진동신호 처리단계(2. Vibration signal processing step ( S12S12 ~~ S14S14 ))

본 발명은 베어링 진동신호로부터 베어링의 결함 유무를 판단할 수 있는 감시인자를 정의하고, 감시인자의 값에 따라 베어링의 상태를 판정하게 된다. 감시인자를 정의하는 과정에서는 주파수 스펙트럼으로부터 구한 에너지 집중도(Er)와 진동신호의 복잡도(C)를 사용하게 된다. 두 가지 파라미터는 다음과 같은 특성에 근거하여 사용된다.The present invention defines a monitoring factor for determining the presence or absence of a bearing from a bearing vibration signal and determines the state of the bearing according to the value of the monitoring factor. In the process of defining the monitoring factor, the energy concentration (Er) obtained from the frequency spectrum and the complexity (C) of the vibration signal are used. Two parameters are used based on the following characteristics.

정상상태 베어링의 진동신호는 주기성이 없는 랜덤 노이즈(Random noise)가 주된 성분으로, 특정 주파수 대역에 에너지가 집중되지 않으며 전체 주파수 대역에 고른 에너지 분포를 보이게 된다(도 3 참조). 즉, 많은 주파수 성분이 존재하게 된다. 따라서, 주파수 성분이 많을수록 큰 값을 보이는 신호의 복잡도는 크게 증가하게 된다. 그러나, 결함이 있는 베어링의 진동신호는 설비의 회전에 따라 주기적으로 과도 성분 (Transient signal component or impulses)이 발생하게 되고 그 강도가 증가하게 되므로, 신호의 복잡도는 감소하게 된다.The vibration signal of the steady state bearing is mainly composed of random noise having no periodicity, and energy is not concentrated in a specific frequency band, and an even energy distribution is shown over the entire frequency band (refer to FIG. 3). That is, a large number of frequency components exist. Therefore, the complexity of a signal having a large value increases greatly as the frequency component increases. However, the vibration signal of the defective bearing generates a transient component or impulse periodically in accordance with the rotation of the equipment, and the intensity of the signal increases, so that the complexity of the signal decreases.

이에 따라 본 발명에서는 진동신호를 필터링하고, 필터링 전후의 진동신호(x(t),x'(t))를 기초로 에너지 집중도(Er)와 신호의 복잡도(C)를 추출하고, 베어링 상태 판단을 위한 감시인자(Sb)를 계산한다.
Accordingly, in the present invention, the vibration signal is filtered and the energy concentration Er and the complexity C of the signal are extracted based on the vibration signals before and after the filtering (x (t), x '(t) Lt; RTI ID = 0.0 > Sb < / RTI >

가. 필터링(end. Filtering S12S12 ))

측정한 베어링의 진동신호(x(t))는 필터링 과정을 통하여 베어링의 고유주파수 대역의 신호(x'(t))만을 추출하게 된다. 이는 베어링의 상태와 무관한 신호성분의 영향을 최대한 배제하기 위한 목적으로 수행된다.
The vibration signal (x (t)) of the measured bearing is extracted through the filtering process to extract only the signal (x '(t)) in the natural frequency band of the bearing. This is done for the purpose of eliminating the influence of the signal components irrespective of the state of the bearings to the maximum.

나. 에너지 집중도 추출(I. Energy concentration extraction ( S13S13 ))

필터링 과정을 거친 진동신호(x'(t))와 필터링 과정을 거치기 전의 진동신호(x(t))를 사용하여 베어링의 상태를 판정하기 위해 에너지 집중도(Er)를 계산하게 된다. 에너지 집중도는 다음과 같이 정의된다.The energy concentration (Er) is calculated to determine the state of the bearing using the vibration signal x '(t) that has undergone the filtering process and the vibration signal x (t) before the filtering process. Energy concentration is defined as follows.

[식2][Formula 2]

Figure 112013066477592-pat00002
Figure 112013066477592-pat00002

여기서, X(f)와 X'(f)는 필터링 전후 베어링 진동신호에 대한 퓨리에 변환 주파수 스펙트럼(FFT)을 나타낸다. 즉, 에너지 집중도(Er)는 관심 대상인 베어링의 공진 주파수 대역과 전체 주파수 대역에 포함된 에너지 합(合)의 비(최대값 1.0)를 나타낸다. 정상상태 베어링의 진동신호는 전체 주파수 대역에서 고른 에너지 분포를 보이지만, 결함을 가진 베어링의 진동신호는 베어링의 고유 진동수 대역에 많은 에너지가 분포하기 때문에 베어링의 상태에 따른 에너지 집중도(Er)는 큰 차이를 보이게 된다. 이러한 차이는 베어링의 결함에 의해 발생하는 주기적인 과도성분(임펄스 신호)에 의해 발생하게 된다.Here, X (f) and X '(f) represent the Fourier transform frequency spectrum (FFT) of the bearing vibration signal before and after filtering. That is, the energy concentration (Er) represents the ratio (sum of 1.0) of the energy sum included in the resonance frequency band and the entire frequency band of the bearing of interest. Since the vibration signal of the steady state bearing exhibits a uniform energy distribution in the whole frequency band, the energy concentration (Er) according to the state of the bearing is large because the energy of the vibration of the bearing having the defect is distributed in the natural frequency band of the bearing. . This difference is caused by the periodic transient component (impulse signal) caused by the bearing defects.

그러나, 일반적으로 진동신호에는 노이즈와 더불어 여러 주파수 성분이 섞여 있다. 따라서, 필터링 과정을 거치더라도 필터의 통과대역에 존재하는 노이즈와 기타 불필요한 주파수 성분이 존재하게 되어 에너지 집중도(Er)만으로 베어링의 상태를 판정하는 것은 불완전하다. 따라서, 본 발명에서는 에너지 집중도(Er)와 함께 신호의 복잡도(C)를 파라미터로 하여 베어링의 상태를 판정한다.
However, in general, vibration signals are mixed with various frequency components in addition to noise. Therefore, even though the filtering process is performed, noise existing in the pass band of the filter and other unnecessary frequency components exist, and it is incomplete to determine the state of the bearings only by the energy concentration Er. Therefore, in the present invention, the state of the bearing is determined using the complexity C of the signal as a parameter together with the energy concentration Er.

다. 신호의 복잡도 추출(All. Complexity Extraction of Signal ( S13'S13 ' ))

신호의 복잡도(Complexity) 계산은 Lempel-Ziv Complexity 를 적용하여 계산한다. Lempel-Ziv Complexity는 신호의 반복되는 패턴에 따라 새로운 패턴의 발생빈도를 무차원화하여 0~1 사이의 값으로 표현하게 된다. 랜덤 노이즈처럼 아주 많은 주파수 성분이 존재하는 경우는 복잡성이 증가하여 "1"에 가까운 복잡도를 갖게 되며, 사인함수와 같이 주기성을 갖는 신호의 경우는 "0"에 가까운 복잡도(보통 0.2~0.3의 복잡도)를 갖게 된다.The complexity of the signal is calculated by applying Lempel-Ziv Complexity. Lempel-Ziv Complexity is expressed as a value between 0 and 1 by non-dimensionalizing the occurrence frequency of a new pattern according to the repeated pattern of the signal. In the case of a very large number of frequency components such as random noise, the complexity increases to have a complexity close to "1 ". In the case of a signal having a periodicity such as a sine function, the complexity close to" 0 " ).

따라서 베어링에 결함이 발생하게 되면 베어링이 회전함에 따라 결함에 의해 주기적인 과도성분이 크게 증가하게 되고, 결과적으로 신호의 복잡도는 감소하게 된다.
Therefore, if the bearing is defective, as the bearing rotates, the periodic transient component increases greatly due to the defect, resulting in a reduction of the signal complexity.

라. la. 감시인자Monitoring factor 계산( Calculation( S14S14 ))

앞에서 구한 에너지 집중도 (Er)와 신호의 복잡도(C)를 이용하여 다음과 같이 감시인자(Sb)를 계산한다.The monitoring factor Sb is calculated as follows using the energy concentration (Er) obtained previously and the complexity (C) of the signal.

[식3][Formula 3]

Figure 112013066477592-pat00003
Figure 112013066477592-pat00003

여기서, 감시인자(Sb)는 0~1의 값은 갖게 된다. 이는 에너지 집중도(Er)와 신호의 복잡도(C) 모두가 0~1 사이의 값을 갖기 때문이다. 감시인자(Sb)를 통한 베어링의 결함 유무 판정은 [표 1]에 나타낸 바와 같은 특성을 바탕으로 하여 정의되었다. [표 1]에 나타낸 특성에 따라 감시인자(Sb)를 계산하면, 정상상태일 때는 작은 값(즉, "0"에 가까운 값)을 갖게 되며 결함상태일 때는 정상상태보다 큰 값(즉, "1"에 가까운 값)을 갖게 된다.Here, the monitoring factor Sb has a value of 0 to 1. This is because both energy concentration (Er) and signal complexity (C) are between 0 and 1. The presence or absence of defects in the bearing through the monitoring factor (Sb) was defined based on the characteristics shown in [Table 1]. When the monitoring factor Sb is calculated according to the characteristics shown in Table 1, it has a small value (i.e., a value close to "0") in a steady state, Quot; 1 ").

베어링 상태Bearing condition 에너지 집중도(Er)
(최대값 = 1.0)
Energy concentration (Er)
(Maximum value = 1.0)
신호의 복잡도(C)
(최대값 = 1.0)
The complexity of the signal (C)
(Maximum value = 1.0)
감시인자(Sb)
(최대값 = 1.0)
The monitoring factor (Sb)
(Maximum value = 1.0)
정상상태Steady state that The that 결함상태Defect Status The medium medium

결함상태의 베어링 진동신호는 주기성을 갖는 여러 과도성분의 조합으로 구성되는데, 일반적으로 사인파가 갖는 복잡도(0.2~0.3)보다 크거나 같은 값을 갖게 된다.
The bearing vibration signal in the fault state is composed of a combination of several transient components having a periodicity, and generally has a value equal to or greater than the complexity (0.2 to 0.3) of the sinusoidal wave.

3. 판단 및 후속 조치단계(3. Judgment and follow-up steps ( S15S15 ~~ S17S17 ))

앞에서 정의한 감시인자(Sb)를 이용하여 베어링의 상태를 판정하는 방법 중 하나는 감시인자(Sb)가 시간에 따라 변화하는 정도를 기준으로 하여 판정할 수 있다. 그러나, 보다 효율적이며 안정적인 판정을 위해서 판정을 할 수 있는 기준 값이 필요하다. 본 발명에서는 다음과 같이 정상상태 베어링의 진동신호를 토대로 하여 기준 값을 제시한다.One of the methods for determining the state of the bearing using the monitoring factor Sb defined above can be determined based on the degree of change of the monitoring factor Sb with time. However, there is a need for a reference value that can be determined for more efficient and stable determination. In the present invention, the reference value is presented based on the vibration signal of the steady state bearing as follows.

정상상태 베어링의 진동신호는 상기 [표 1]에 나타낸 바와 같이 두 가지 파라미터인 에너지 집중도(Er)와 신호의 복잡성(C)이 서로 상반된 값을 갖게 된다. 즉, 이상적인 정상상태 베어링의 경우를 예로 보면, 에너지 집중도(Er)는 "0" 근처의 값을 갖지만, 신호의 복잡성(C)은 "1"의 값을 갖게 된다. 여기서, 이상적인 정상상태 베어링의 진동신호는 랜덤 노이즈로만 구성되어 있는 상태를 의미한다. 따라서, 감시인자(Sb)는 "0" 근처의 값을 갖게 된다.The vibration signal of the steady-state bearing has a value which is opposite to that of the energy concentration (Er) and the complexity (C) of the signal, which are two parameters as shown in Table 1 above. In other words, taking the ideal steady state bearing as an example, the energy concentration Er has a value near "0", but the signal complexity C has a value of "1". Here, the vibration signal of the ideal steady state bearing means that it is composed only of random noise. Therefore, the monitoring factor Sb has a value near "0 ".

그러나, 실제의 경우는 정상상태 베어링의 진동신호라도 정확히 "0" 근처의 값을 감시인자(Sb) 값으로 갖기는 어려운데, 이는 설비 자체에 존재하는 비선형성 및 기타 주변의 진동에 의한 배경 소음(Background noise)이 존재하기 때문이다. 이러한 점을 고려하여 일정 부분 마진(Margin)을 부여하여 베어링 상태 판정의 기준 값으로 정한다. 본 발명에서는 감시인자의 판정 기준값(Ref)으로 0.1 ~ 0.2 사이의 값을 제시한다. 그러나, 상기 값은 감시대상 설비의 특성 및 환경에 따라 사용자가 조정 가능한 값이다.However, in the actual case, it is difficult to have a value of the monitoring factor (Sb) close to exactly "0" even in the vibration signal of the steady state bearing because the nonlinearity existing in the equipment itself and the background noise Background noise is present. In consideration of this point, a certain margin is given as a reference value for determining the bearing condition. In the present invention, a value between 0.1 and 0.2 is presented as the reference value (Ref) of the monitoring factor. However, the value is a value that can be adjusted by the user depending on the characteristics and environment of the monitored facility.

계산된 감시인자(Sb) 값과 상기 기준 값(Ref)을 비교하는 판정식에 의하여 베어링에 결함이 존재하는 것으로 판단되면(즉, 감시인자 값이 기준 값보다 큰 경우), 경보를 발생하고 후속 처리를 위한 유지보수 계획을 수립하게 된다. 만일, 베어링에 결함이 존재하지 않는 것으로 판단되면, 반복하여 진동신호를 측정하여 본 발명에서 제시한 신호처리 단계를 거쳐 베어링의 상태를 지속적으로 감시하게 된다.
If it is determined that there is a defect in the bearing (that is, when the monitoring factor value is larger than the reference value) by the judgment formula comparing the calculated monitoring factor Sb and the reference value Ref, an alarm is generated, A maintenance plan for the treatment is established. If it is determined that there is no defect in the bearing, the vibration signal is repeatedly measured, and the state of the bearing is continuously monitored through the signal processing step shown in the present invention.

실험예Experimental Example

상기와 같은 과정에 따라 정상상태의 베어링과 결함이 있는 베어링의 진동신호에 대하여 성능을 검증한다. 도 3은 본 발명의 베어링 결함 진단 시스템에서의 정상상태의 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 베어링 결함 진단 시스템에서의 내륜 및 외륜 결함상태의 주파수 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.The performance of the steady state bearing and the defective bearing is verified by the above process. FIG. 3 is a graph showing a frequency spectrum of a steady state in the bearing defect diagnosis system of the present invention, and FIGS. 4 and 5 are graphs showing frequency spectra of the inner and outer ring defect states in the bearing defect diagnosis system of the present invention.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 정상상태의 베어링 진동신호에 대한 주파수 스펙트럼은, 측정이 이루어진 주파수 대역 전체에 대하여 고른 에너지 분포를 보이고 있다. 그러나, 4000Hz 이상의 주파수 대역에서는 주변의 진동과 베어링의 비선형성 등에 의한 고주파 성분이 일부 나타나고 있다. 즉, 실제 정상상태 베어링의 진동이라도 이상적인 랜덤 노이즈일 때의 주파수 스펙트럼과는 일부 차이가 있음을 알 수 있다. 따라서, 베어링의 상태를 판정하기 위해서는 여러 파라미터를 고려하여야 한다.First, as shown in FIG. 3, the frequency spectrum of the steady state bearing vibration signal shows an even energy distribution over the entire frequency band in which the measurement is made. However, in the frequency band of 4000Hz or more, high-frequency components due to peripheral vibration and non-linearity of bearings are partially appeared. In other words, it can be seen that the oscillation of the actual steady state bearing is partially different from the frequency spectrum when the ideal random noise is present. Therefore, several parameters must be considered to determine the condition of the bearing.

한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 내륜 결함과 외륜 결함을 갖는 베어링의 진동신호에 대한 주파수 스펙트럼은, 2000Hz부터 그 이상의 주파수 대역에서 많은 에너지가 모여 있음을 알 수 있다. 또한, 도 3 내지 5에 나타낸 베어링의 경우는 2000Hz ~ 4000Hz 사이에 베어링의 고유진동수가 위치하고 있음을 보여준다.On the other hand, as shown in FIGS. 4 and 5, it can be seen that the frequency spectrum of the vibration signal of the bearing having the inner ring defect and the outer ring defect has a large amount of energy gathered from 2000 Hz or more. Also, in the case of the bearings shown in Figs. 3 to 5, it is shown that the natural frequency of the bearing is located between 2000 Hz and 4000 Hz.

상기와 같은 실험 예에 대하여 본 발명의 베어링 결함 진단 방법에 따라, 도 3 내지 도 5에 나타난 바와 같이, 2000Hz ~ 4000Hz 사이의 주파수 대역에 필터를 적용하여 에너지 집중도(Er)와 신호의 복잡도(C)를 계산하여 감시인자(Sb) 값을 구하면 [표 2]와 같다. [표 2]의 예에서는 판정을 위한 기준 값(Ref)으로 0.15를 사용하였다. [표 2]에 나타난 바와 같이, 감시인자(Sb)의 값은 베어링의 결함유무에 따라 확연한 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다.3 to 5, a filter is applied to a frequency band between 2000 Hz and 4000 Hz according to the bearing defect diagnosis method of the present invention to determine the energy concentration Er and the signal complexity C ) And the monitoring factor (Sb) is obtained as shown in [Table 2]. In the example of [Table 2], 0.15 was used as the reference value Ref for judgment. As shown in [Table 2], it can be seen that the value of the monitoring factor (Sb) shows a clear difference depending on whether or not the bearing is defective.

베어링 상태Bearing condition 에너지 집중도(Er)Energy concentration (Er) 신호의 복잡도(C)The complexity of the signal (C) 감시인자(Sb)The monitoring factor (Sb) 판정결과
(기준=0.15)
Judgment result
(Standard = 0.15)
정상상태(도3)Steady state (Figure 3) 0.110.11 0.820.82 0.090.09 정상normal 내륜결함(도4)The inner ring defect (Figure 4) 0.500.50 0.600.60 0.300.30 결함flaw 외륜결함(도5)Outer ring defects (Figure 5) 0.680.68 0.440.44 0.300.30 결함flaw

본 발명의 적합성을 시험하기 위해 추가로 7가지 경우에 대한 진동신호를 이용하여 베어링의 상태를 판정한 결과를 [표 3]에 정리하였다.In order to test the conformity of the present invention, the results of judging the state of the bearings by using vibration signals for seven cases are summarized in Table 3.

No.No. 베어링 상태Bearing condition 에너지 집중도(Er)Energy concentration (Er) 신호의 복잡도(C)The complexity of the signal (C) 감시인자(Sb)The monitoring factor (Sb) 판정결과
(기준=0.15)
Judgment result
(Standard = 0.15)
1One 정상normal 0.0890.089 0.8200.820 0.070.07 정상normal 22 외륜결함1Outer ring defect 1 0.7090.709 0.4590.459 0.330.33 결함flaw 33 외륜결함1Outer ring defect 1 0.4430.443 0.7420.742 0.330.33 결함flaw 44 외륜결함3Outer ring defect 3 0.5980.598 0.3810.381 0.230.23 결함flaw 55 내륜결함1Inner ring defect 1 0.4860.486 0.6930.693 0.340.34 결함flaw 66 내륜결함2Inner Wheel Defect 2 0.5760.576 0.5270.527 0.300.30 결함flaw 77 내륜결함3Inner Wheel Defect 3 0.6880.688 0.4590.459 0.320.32 결함flaw

위 [표 3]에 나타낸 바와 같이, 모든 경우에 대하여 본 발명에서 정의한 감시인자(Sb)는 베어링의 상태를 정확하게 판정하고 있음을 알 수 있다.
As shown in Table 3, it can be seen that the monitoring factor (Sb) defined in the present invention for all cases accurately determines the state of the bearing.

이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments.

10 : 센서부
20 : 신호처리부
30 : 표시부
x(t) : 센서가 측정한 진동신호
x'(t) : 필터를 통과한 진동신호
X(f) : 센서가 측정한 진동신호(x(t))의 퓨리에 변환 주파수 스펙트럼
X'(f) : 필터를 통과한 진동신호(x'(t))의 퓨리에 변환 주파수 스펙트럼
Er : 에너지 집중도
C : 신호의 복잡도
Sb : 베어링 상태 감시인자
Ref : 베어링 상태 판정 기준 값
10: Sensor unit
20: Signal processor
30:
x (t): Vibration signal measured by the sensor
x '(t): The vibration signal passed through the filter
X (f): Fourier transform frequency spectrum of the vibration signal (x (t)) measured by the sensor
X '(f): Fourier transform frequency spectrum of the vibration signal (x' (t)
Er: Energy concentration
C: complexity of signal
Sb: Bearing condition monitoring factor
Ref: Bearing condition judgment reference value

Claims (6)

회전 설비의 베어링에 발생하는 결함을 진단하는 시스템에 있어서,
베어링의 진동신호를 측정하는 센서부;
측정된 상기 진동신호에 대하여 고유 주파수 대역 신호를 추출하는 필터와, 필터링 과정을 거친 진동신호와 필터링 과정을 거치기 전의 진동신호로부터 관심 대역과 전체 주파수 대역의 주파수 스펙트럼 에너지 합(合)의 비로 정의되는 에너지 집중도(Er)와 관심 대역 진동신호로부터 구한 복잡도로 정의되는 신호의 복잡도(C)를 계산하고, 상기 에너지 집중도(Er)와 신호의 복잡도(C)로부터 감시인자 값(Sb)을 추출하며, 추출된 상기 감시인자 값(Sb)을 사전에 설정된 기준 값(Ref)과 비교하여 베어링의 결함 유무를 판단하는 신호처리장치를 포함하는 신호처리부; 및
상기 베어링의 결함 유무를 표시하는 표시장치 및 상기 베어링에 결함이 발생하는 경우 경보를 발생시키는 경보장치를 포함하는 표시부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 베어링 결함 진단 시스템.
A system for diagnosing defects in bearings of rotating equipment,
A sensor unit for measuring a vibration signal of the bearing;
A filter for extracting a natural frequency band signal with respect to the measured vibration signal and a frequency spectrum energy sum of a frequency band of interest and an entire frequency band from a vibration signal before filtering and a vibration signal before filtering, The complexity C of the signal defined by the complexity calculated from the energy concentration Er and the interest band vibration signal is calculated and the monitoring factor value Sb is extracted from the energy concentration Er and the complexity C of the signal, And a signal processing unit for determining whether the bearing is defective by comparing the extracted monitoring factor value (Sb) with a predetermined reference value (Ref). And
And a display unit including a display device for indicating presence or absence of a defect in the bearing, and an alarm device for generating an alarm when a defect is generated in the bearing.
회전 설비의 베어링에 발생하는 결함을 진단하는 방법에 있어서,
(a) 베어링의 하우징에 설치된 센서부에서 베어링의 진동신호를 측정하는 진동신호 측정단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 측정된 진동신호를 취득하고 필터링하여, 관심 대역과 전체 주파수 대역의 주파수 스펙트럼 에너지 합(合)의 비로 정의되는 에너지 집중도(Er)와 관심 대역 진동신호로부터 구한 복잡도로 정의되는 신호의 복잡도(C)를 구하고, 이들로부터 감시인자(Sb)를 계산하는 신호 처리 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계의 감시인자(Sb)를 기준 값(Ref)과 비교하여 베어링의 상태를 판정하는 상태 판정 단계;를 포함하는 베어링 결함 진단 방법.
A method for diagnosing a defect occurring in a bearing of a rotary facility,
(a) a vibration signal measurement step of measuring a vibration signal of a bearing at a sensor part provided in a housing of a bearing;
(b) acquiring and filtering the vibration signal measured in the step (a), calculating an energy concentration (Er) defined by a ratio of the frequency spectrum energy sum of the interest band and the entire frequency band, A signal processing step of obtaining a complexity C of a signal defined by the signal Sb and calculating a monitoring factor Sb therefrom; And
(c) comparing the monitoring factor (Sb) of the step (b) with a reference value (Ref) to determine a state of the bearing.
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 감시인자(Sb)는 상기 에너지 집중도(Er)와 상기 신호의 복잡도(C)로부터 0 내지 1 사이의 무차원 값으로 정의되는 파라미터인 것을 특징으로 하는 베어링 결함 진단 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the monitoring factor Sb is a parameter defined as a dimensionless value between 0 and 1 from the energy concentration Er and the complexity C of the signal.
제4항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
상기 기준 값(Ref)은 0.1 ~ 0.2 사이의 값으로 설정되고, 감시인자(Sb)가 기준 값(Ref)을 초과하는 경우 베어링에 결함이 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 베어링 결함 진단 방법.
5. The method of claim 4, wherein step (c)
Wherein the reference value Ref is set to a value between 0.1 and 0.2, and when the monitoring factor Sb exceeds the reference value Ref, it is determined that there is a defect in the bearing.
제2항에 있어서,
(d) 상기 (c) 단계에서 베어링에 결함이 존재하는 것으로 판단되는 경우 그 결과를 표시하고, 경보를 발생하는 경보 발생 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 결함 진단 방법.
3. The method of claim 2,
and (d) generating an alarm by displaying a result of the determination in step (c) if a defect is present in the bearing.
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