KR101802701B1 - 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법 및 장치 - Google Patents

베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법 및 장치 Download PDF

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KR101802701B1 KR1020170044891A KR20170044891A KR101802701B1 KR 101802701 B1 KR101802701 B1 KR 101802701B1 KR 1020170044891 A KR1020170044891 A KR 1020170044891A KR 20170044891 A KR20170044891 A KR 20170044891A KR 101802701 B1 KR101802701 B1 KR 101802701B1
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김종면
김재영
이청훈
우영완
임춘성
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울산대학교 산학협력단
영진주식회사
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Abstract

본 발명은 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법 및 장치에관한 것으로, 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 기반으로 베어링의 설계 정격수명을 산출하는 단계, 상기 설계 정격하중, 상기 분당 회전수 및 베어링의 수명정보를 기반으로 상기 베어링의 실제 등가하중을 산출하는 단계, 상기 산출된 설계 정격수명 및 상기 산출된 실제 등가하중을 기반으로 상기 베어링의 요구 정격하중을 산출하는 단계 및 상기 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터를 선택하고, 상기 베어링의 실제 등가하중 및 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출하는 단계를 포함한다.

Description

베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법 및 장치 {Bearing reverse design method and device by evaluating residual life of bearing}
본 발명은 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법 및 장치 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실제 운전 환경에서 베어링의 수명이 정격수명에 도달하도록 베어링 파라미터들을 역설계하는 기술에 관한 것이다.
베어링은 축의 하중을 견디며 축의 마찰력을 줄여 기계가 원활하게 운전되도록 하는 중요한 기계 요소이다.
일반적으로 베어링은 기계의 유지보수 시 구름베어링의 정격수명을 계산하여 교체시기를 결정하고 주기적으로 교체한다. 이때 정격수명이란 동일규격의 베어링을 같은 조건으로 여러 개 사용하였을 때, 이 중 90% 이상의 베어링이 피로에 의한 손상이 생기지 않을 때까지의 총회전수 또는 시간을 의미하며, 주로 베어링에 가해지는 하중과 기계의 회전속도에 따라 계산된다.
도 1은 운전상태에 따라 베어링의 잔여수명과 정격수명을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 베어링의 정격수명은 베어링의 실제 운전상태를 고려하지 않고 베어링의 설계 스펙상의 물리적 수치에 의해 계산된 수명이므로, 실제 운전환경에서 베어링이 더 이른 시간에 파손될 수 있는 문제가 있다.
따라서 기계의 실제 환경을 고려하지 않고 베어링의 정격수명만을 가지고는 기계의 수명을 정확히 예측할 수 없으며, 실제 현장에서는 설계부하보다 훨씬 적은 부하상태로 운전되는 기계장치가 많은 현실이다. 기계장치의 보수정비를 제시간에 할 수 없으므로 보수정비기간에 도달하기도 전에 기계가 고장이 날 수 있게 때문에 이 경우에는 훨씬 더 큰 경제적 손실을 입을 수 있다.
한국 등록특허공보 제10-1492090호(2015년02월04일 등록)
본 발명의 실시 예들은 베어링 신호로부터 베어링의 잔여수명을 측정하고, 베어링의 수명이 설계수명시간에 도달할 수 있도록 베어링을 역설계 하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예들은 실제 운전 환경을 고려하여 베어링을 역설계 함으로써 베어링의 수명을 연장시킬 수 있도록 베어링을 역설계 하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따르면, 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 기반으로 베어링의 설계 정격수명을 산출하는 단계, 상기 설계 정격하중, 상기 분당 회전수 및 베어링의 수명정보를 기반으로 상기 베어링의 실제 등가하중을 산출하는 단계, 상기 산출된 설계 정격수명 및 상기 산출된 실제 등가하중을 기반으로 상기 베어링의 요구 정격하중을 산출하는 단계 및 상기 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터를 선택하고, 상기 베어링의 실제 등가하중 및 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 베어링에서 출력되는 음향, 진동 및 주파수 중 적어도 하나 이상의 신호로부터 상기 베어링의 실제 수명정보를 측정하고 상기 측정된 실제 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 베어링의 현재 열화 정도를 기 학습된 통계모델에 입력하여 추정된 열화트랜드와 고장 시점의 열화 정도를 기반으로 상기 베어링의 예측 수명정보를 예측하고 상기 예측된 예측 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 베어링의 복수 개의 파라미터는, 상기 베어링의 재질 계수, 구조 계수, 볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수, 볼의 직경 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 선택된 파라미터를 역산출하는 단계는, 하기의 [수학식 4]에 대입하여 상기 선택된 파라미터를 역산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017033936253-pat00001
이때,
Figure 112017033936253-pat00002
은 베어링의 실제 정격 하중,
Figure 112017033936253-pat00003
은 베어링의 요구 재질 계수,
Figure 112017033936253-pat00004
은 베어링의 구조 계수,
Figure 112017033936253-pat00005
는 베어링의 볼 개수,
Figure 112017033936253-pat00006
는 베어링의 접촉각,
Figure 112017033936253-pat00007
는 볼의 열 개수,
Figure 112017033936253-pat00008
는 볼의 직경.
또한, 상기 역산출된 파라미터를 이용하여 베어링을 역설계하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 기반으로 베어링의 설계 정격수명을 산출하는 제1 산출부, 상기 설계 정격하중, 상기 분당 회전수 및 베어링의 수명정보를 기반으로 상기 베어링의 실제 등가하중을 산출하는 제2 산출부, 상기 산출된 설계 정격수명 및 상기 산출된 실제 등가하중을 기반으로 상기 베어링의 요구 정격하중을 산출하는 제3 산출부 및 상기 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터를 선택하고, 상기 베어링의 실제 등가하중 및 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출하는 파라미터 역산출부를 포함하는 포함할 수 있다.
상기 베어링에서 출력되는 음향, 진동 및 주파수 중 적어도 하나 이상의 신호로부터 상기 베어링의 실제 수명정보를 측정하고 상기 측정된 실제 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 수명정보 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 베어링의 현재 열화 정도를 기 학습된 통계모델에 입력하여 추정된 열화트랜드와 고장 시점의 열화 정도를 기반으로 상기 베어링의 예측 수명정보를 예측하고 상기 예측된 예측 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 수명정보 예측부를 더 포함할 수 있다.
상기 베어링의 복수 개의 파라미터는, 상기 베어링의 재질 계수, 구조 계수, 볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수, 볼의 직경을 포함할 수 있다.
상기 파라미터 역산출부는, 하기의 [수학식 4]에 대입하여 상기 선택된 파라미터를 역산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017033936253-pat00009
이때,
Figure 112017033936253-pat00010
은 베어링의 실제 정격 하중,
Figure 112017033936253-pat00011
은 베어링의 요구 재질 계수,
Figure 112017033936253-pat00012
은 베어링의 구조 계수,
Figure 112017033936253-pat00013
는 베어링의 볼 개수,
Figure 112017033936253-pat00014
는 베어링의 접촉각,
Figure 112017033936253-pat00015
는 볼의 열 개수,
Figure 112017033936253-pat00016
는 볼의 직경.
상기 파라미터 역산출부에서 역산출된 파라미터를 이용하여 상기 베어링을 역설계하는 베어링 역설계부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 베어링 신호로부터 베어링의 잔여수명을 측정하고, 베어링의 수명이 설계수명시간에 도달할 수 있도록 베어링을 역설계 하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 실제 운전 환경을 고려하여 베어링을 역설계 함으로써 베어링의 수명을 연장시킬 수 있도록 베어링을 역설계 하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 운전상태에 따라 베어링의 잔여수명과 정격수명을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 베어링의 수명정보를 예측하는 구체적인 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 미래 열화트랜드를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 열화 정도에 따른 열화 속도를 계산하기 위해 도시된 그래프이다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법은 설계 정격수명을 산출하는 단계(S100), 실제 등가하중을 산출하는 단계(S110), 요구 정격하중을 산출하는 단계(S120), 선택된 파라미터를 역산출하는 단계(S130) 및 베어링을 역설계하는 단계(S140)를 포함한다.
이하에서는 도면을 참조하여 각 단계에 따른 과정을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면 본 발명에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치(10)는 센싱부(100), 데이터베이스부(200), 제어부(300) 및 베어링 역설계부(400)을 포함한다.
센싱부(100)는 베어링의 신호를 센싱하는 센서를 포함할 수 있다. 이의 예시로는 베어링의 음향, 진동 및 주파수를 측정할 수 있는 센서를 포함할 수 있으며 이에 한정하지 않는다. 또한 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치(10)는 상기 센서들을 구비함에 따라 베어링의 열화트랜드 데이터를 수집할 수 있다.
데이터베이스부(200)는 베어링의 스펙, 베어링의 파라미터 값 및 베어링의 정비이력 및 정비날짜 등의 데이터를 저장한다.
제어부(300)는 제1 산출부(310), 제2 산출부(320), 제3 산출부(330) 파라미터 역산출부(340) 및 수명정보 측정부(350)을 포함한다.
수명정보 측정부(350)는 센싱부(100)로부터 베어링의 신호를 획득하여 베어링의 실제 수명정보를 측정한다. 수명정보 측정부(350)는 측정된 실제 수명정보를 베어링의 수명정보로 적용한다.
제1 산출부는(310)는 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 기반으로 베어링의 설계 정격수명을 산출한다.
이때 상기 베어링의 설계 정격하중은 베어링이 견딜 수 있는 설계 등가하중(kg)이며, 상기 예상 등가하중은 베어링에 가해지는 예상 등가하중(kg)을 의미한다.
분당 회전수는 상기 베어링이 1분당 회전하는 수를 의미하며, 이는 rpm으로 나타낼 수 있다.
제1 산출부(310)는 베어링 설계 정격수명 모델에 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 대입하여 베어링의 설계 정격수명을 산출한다.
이때 상기 베어링 설계 정격수명 모델은 하기의 [수학식 1]이다.
[수학식 1]
Figure 112017033936253-pat00017
Figure 112017033936253-pat00018
: 베어링의 설계 수명시간(시간)
Figure 112017033936253-pat00019
: 베어링의 설계 정격하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00020
: 베어링 축에 작용하는 예상 등가하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00021
: 베어링 축의 설계 회전수(rpm)
제2 산출부(320)는 상기 수명정보 측정부(350)으로부터 측정된 실제 수명정보와, 상기 설계 정격하중 및 상기 분당 회전수를 실제 등가하중 산출모델에 대입하여 베어링의 실제 등가하중을 산출한다.
이때 상기 베어링 실제 등가하중 산출모델은 하기의 [수학식 2]이다.
[수학식 2]
Figure 112017033936253-pat00022
Figure 112017033936253-pat00023
: 베어링에 가해지는 실제 등가하중
Figure 112017033936253-pat00024
: 베어링의 실제수명
Figure 112017033936253-pat00025
: 베어링의 요구 정격하중
Figure 112017033936253-pat00026
: 베어링 축의 실제 회전수(rpm)
제3 산출부(330)는 상기 제1 산출부(310)에서 산출된 설계 정격수명 및 제2 산출부(320)에서 산출된 베어링의 실제 등가하중을 베어링 요구 정격하중 모델에 대입하여 상기 설계 수명을 만족시키는 요구 정격하중을 산출한다.
이때 상기 베어링 요구 정격하중 모델은 하기의 [수학식 3]이다.
[수학식 3]
Figure 112017033936253-pat00027
Figure 112017033936253-pat00028
: 베어링의 요구 정격하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00029
: 베어링에 가해지는 실제 등가하중
Figure 112017033936253-pat00030
: 베어링의 설계 수명시간(시간)
Figure 112017033936253-pat00031
: 베어링 축의 실제 회전수(rpm)
파라미터 역산출부(340)는 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터를 선택하고, 상기 베어링의 실제 등가하중 및 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출한다.
이때 상기 복수개의 파라미터는 베어링의 재질 계수, 구조 계수, 볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수 및 볼의 직경을 포함한다.
그리고 파라미터 역산출부(340)는 사용자로부터 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나를 선택 받을 수 있다. 또한, 다른 실시 예로는, 파라미터 역산출부(340)가 임의로 상기 복수 개의 파라미터 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
파라미터가 선택되면, 파라미터 역산출부(340)는 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출한다.
이때, 상기 파라미터의 기설정값은 데이터베이스부(200)에 저장된 값으로, 이는 베어링의 규격과 설계 값에 기초한 데이터일 수 있다.
선택된 파라미터는 하기의 [수학식 4]로부터 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017033936253-pat00032
Figure 112017033936253-pat00033
: 베어링의 요구 정격하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00034
: 베어링의 요구 재질 계수
Figure 112017033936253-pat00035
: 베어링의 구조 계수
Figure 112017033936253-pat00036
: 베어링의 볼 개수
Figure 112017033936253-pat00037
: 베어링의 접촉각
Figure 112017033936253-pat00038
: 볼의 열 개수
Figure 112017033936253-pat00039
: 볼의 직경.
이때, 만약 선택된 파라미터가 베어링의 요구 재질 계수(
Figure 112017033936253-pat00040
)일 경우
파라미터 역산출부(340)는 베어링 재질 파라미터 역추정 모델을 이용하여 베어링의 요구 재질 계수를 산출한다.
상기 베어링 재질 파라미터 역추정 모델은 상기 [수학식 4]를 변환한 [수학식 5]이다.
[수학식 5]
Figure 112017033936253-pat00041
또한, 다른 예시로서, 파라미터 역산출부(340)는 선택된 파라미터가 베어링의 접촉각(α)일 경우, 베어링 구조 파라미터 역추정 모델을 이용하여 베어링의 구조 파라미터를 산출한다.
상기 베어링 구조 파라미터 역추정 모델은 상기의 [수학식 4]를 변환한 하기의 [수학식 6]이다.
[수학식 6]
Figure 112017033936253-pat00042
또한, 상기 개시된 모든 파라미터의 역추정 모델을 상기 [수학식 4]을 변환함으로써 산출할 수 있다.
베어링 역설계부(400)는 파라미터 역산출부(340)에서 역산출된 파라미터를 이용하여 새로운 재질이나 새로운 구조를 가지는 상기 베어링을 역설계한다.
베어링 역설계부(400)는 상기 개시된 베어링의 재질 및 구조뿐만 아니라, 다양한 파라미터들(볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수 및 볼의 직경)을 새롭게 추정하고 새롭게 역설계 할 수 있다.
상기와 같이 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치(10)를 통해 베어링의 실제 수명을 측정하고, 설계수명시간에 도달할 수 있도록 베어링을 역설계 함으로써, 베어링의 교체시기를 늦추고, 기계장치의 수명 또한 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법을 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 역설계 방법으로는 먼저 베어링으로부터 음향, 진동 및 주파수 중 적어도 하나 이상의 신호를 센싱한다(S200).
또 다른 실시 예로는, 상기 본 발명의 장치(10)는 상기 복수의 센서를 이용하여 베어링의 신호를 센싱함으로써 베어링의 열화 상태 트렌드 데이터를 수집할 수 있다(S200).
그리고 베어링의 잔여 수명 예측 알고리즘을 통해 베어링의 수명을 예측한다(S210).
이때, 상기 베어링의 잔여 수명 예측 알고리즘은 도 6에서 자세히 설명하기로 한다.
그리고 베어링의 하중정보, 회전속도 및 수명지수정보를 포함하는 사용환경을 고려하여, 국제 표준 (ISO 281/1) 베어링 수명 계산식을 이용하여 베어링의 설계 정격 수명을 산출한다(S220).
이때 상기 파라미터는 베어링의 재질 계수, 구조 계수, 볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수 및 볼의 직경을 포함하며, 상기 파라미터의 기설정값은 베어링의 규격과 설계 값에 기초한 데이터일 수 있다
상기 (ISO 281/1) 베어링 수명 계산식은 상기 기재한 [수학식 1]이다.
[수학식 1]
Figure 112017033936253-pat00043
Figure 112017033936253-pat00044
: 베어링의 설계 수명시간(시간)
Figure 112017033936253-pat00045
: 베어링의 정격하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00046
: 베어링 축에 작용하는 예상 등가하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00047
: 베어링 축의 설계 회전수(rpm)
S210 과정에서 예측된 베어링의 예측수명과 S220 과정에서 산출된 베어링의 설계 정격수명의 차이를 비교하고(S230) 베어링의 열화가속도를 계산한다(S240).
상기 베어링의 열화가속도를 계산하기 위한 구체적인 방법은 도 8에서 자세히 설명하기로 한다.
이후 베어링에 가해지는 등가하중을 산출한다(S250). 이때 상기 등가하중은 하기의 [수학식 2]를 통해 산출 가능하다.
[수학식 2]
Figure 112017033936253-pat00048
Figure 112017033936253-pat00049
: 베어링에 가해지는 실제 등가하중
Figure 112017033936253-pat00050
: 베어링의 실제수명
Figure 112017033936253-pat00051
: 베어링의 요구 정격하중
Figure 112017033936253-pat00052
: 베어링 축의 설계 회전수(rpm)
S250 과정 이후, 상기 베어링이 견뎌야 하는 정격하중을 산출한다(S260).
이때 상기 정격하중은 하기의 [수학식 3]을 통해 산출 가능하다.
[수학식 3]
Figure 112017033936253-pat00053
Figure 112017033936253-pat00054
: 베어링의 요구 정격하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00055
: 베어링에 가해지는 실제 등가하중
Figure 112017033936253-pat00056
: 베어링의 설계 수명시간(시간)
Figure 112017033936253-pat00057
: 베어링 축의 실제 회전수(rpm)
또한 베어링의 수명을 연장시키기 위해 상기의 파라미터를 선택하고, 이에 대한 요구사양을 산출한다(S270).
이때 상기 요구사양은 [수학식 4]를 통해 산출한다.
[수학식 4]
Figure 112017033936253-pat00058
S270 과정을 통해 베어링의 요구 사양을 산출하면 3D 프린터를 통해 베어링을 새롭게 제작한다(S280).
이때 상기 3D 프린터는 입체 공간에서 3차원 물체의 출력이 가능한 프린터를 의미하며, 3차원 물체의 출력이 가능한 프린터라면 어떤 프린터이든 가능하다.
상기의 과정을 통해 본 발명은 본 발명은 펌프, 가압기, 터빈과 같은 산업설비에 포함된 베어링 신호로부터 베어링의 잔여수명을 측정하고, 잔여수명과 베어링의 설계 정격수명을 비교하여 실제 운전환경에서 베어링의 수명이 설계수명시간에 도달할 수 있도록 베어링을 역설계 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면 본 발명에 따른 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치(10)는 센싱부(100), 데이터베이스부(200), 제어부(300) 및 베어링 역설계부(400)을 포함한다.
센싱부(100)는 베어링의 신호를 센싱하는 센서를 포함할 수 있다. 이의 예시로는 베어링의 음향, 진동 및 주파수를 측정할 수 있는 센서를 포함할 수 있으며 이에 한정하지 않는다. 또한 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치(10)는 상기 센서들을 구비함에 따라 베어링의 상태 트랜드 데이터를 수집할 수 있다.
데이터베이스부(200)는 베어링의 스펙, 베어링의 파라미터 값 및 베어링의 정비이력 및 정비날짜 등의 데이터를 저장한다.
제어부(300)는 제1 산출부(310), 제2 산출부(320), 제3 산출부(330) 파라미터 역산출부(340) 및 수명정보 예측부(360)를 포함한다.
수명정보 예측부(360)는 센싱부(100)로부터 베어링의 신호를 획득하여 잔여 수명 예측 알고리즘을 통해 베어링의 예측 수명정보를 예측한다. 수명정보 예측부(360)는 예측 수명정보를 베어링의 수명정보로 적용한다.
제1 산출부는(310)는 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 기반으로 베어링의 설계 정격수명을 산출한다.
이때 상기 베어링의 설계 정격하중은 베어링이 견딜 수 있는 설계 등가하중(kg)이며, 상기 예상 등가하중은 베어링에 가해지는 예상 등가하중(kg)을 의미한다.
분당 회전수는 상기 베어링이 1분당 회전하는 수를 의미하며, 이는 rpm으로 나타낼 수 있다.
제1 산출부(310)는 베어링 설계 정격수명 모델에 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 대입하여 베어링의 설계 정격수명을 산출한다.
이때 상기 베어링 설계 정격수명 모델은 하기의 [수학식 1]이다.
[수학식 1]
Figure 112017033936253-pat00059
Figure 112017033936253-pat00060
: 베어링의 설계 수명시간(시간)
Figure 112017033936253-pat00061
: 베어링의 설계 정격하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00062
: 베어링 축에 작용하는 예상 등가하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00063
: 베어링 축의 설계 회전수(rpm)
제2 산출부(320)는 상기 수명정보 예측부(360)으로부터 측정된 예측 수명정보와, 상기 설계 정격하중 및 상기 분당 회전수를 실제 등가하중 산출모델에 대입하여 베어링의 실제 등가하중을 산출한다.
이때 상기 베어링 실제 등가하중 산출모델은 하기의 [수학식 2]이다.
[수학식 2]
Figure 112017033936253-pat00064
Figure 112017033936253-pat00065
: 베어링에 가해지는 실제 등가하중
Figure 112017033936253-pat00066
: 베어링의 실제수명
Figure 112017033936253-pat00067
: 베어링의 요구 정격하중
Figure 112017033936253-pat00068
: 베어링 축의 실제 회전수(rpm)
제3 산출부(330)는 상기 제1 산출부(310)에서 산출된 설계 정격수명 및 제2 산출부(320)에서 산출된 베어링의 실제 등가하중을 베어링 요구 정격하중 모델에 대입하여 상기 설계 수명을 만족시키는 요구 정격하중을 산출한다.
이때 상기 베어링 요구 정격하중 모델은 하기의 [수학식 3]이다.
[수학식 3]
Figure 112017033936253-pat00069
Figure 112017033936253-pat00070
: 베어링의 요구 정격하중(Kg)
Figure 112017033936253-pat00071
: 베어링에 가해지는 실제 등가하중
Figure 112017033936253-pat00072
: 베어링의 설계 수명시간(시간)
Figure 112017033936253-pat00073
: 베어링 축의 실제 회전수(rpm)
파라미터 역산출부(340)는 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터를 선택하고, 상기 베어링의 실제 등가하중 및 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출한다.
이때 상기 복수개의 파라미터는 베어링의 재질 계수, 구조 계수, 볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수 및 볼의 직경을 포함한다.
그리고 파라미터 역산출부(340)는 사용자로부터 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나를 선택 받을 수 있다. 또한, 다른 실시 예로는, 파라미터 역산출부(340)가 임의로 상기 복수 개의 파라미터 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
파라미터가 선택되면, 파라미터 역산출부(340)는 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출한다.
이때, 상기 파라미터의 기설정값은 데이터베이스부(200)에 저장된 값으로, 이는 베어링의 규격과 설계 값에 기초한 데이터일 수 있다.
선택된 파라미터는 하기의 [수학식 4]로부터 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017033936253-pat00074
Figure 112017033936253-pat00075
: 베어링의 요구 정격하중(Kg)
: 베어링의 요구 재질 계수
Figure 112017033936253-pat00077
: 베어링의 구조 계수
Figure 112017033936253-pat00078
: 베어링의 볼 개수
Figure 112017033936253-pat00079
: 베어링의 접촉각
Figure 112017033936253-pat00080
: 볼의 열 개수
Figure 112017033936253-pat00081
: 볼의 직경.
이때, 만약 선택된 파라미터가 베어링의 요구 재질 계수
Figure 112017033936253-pat00082
일 경우
파라미터 역산출부(340)는 베어링 재질 파라미터 역추정 모델을 이용하여 베어링의 요구 재질 계수를 산출한다.
상기 베어링 재질 파라미터 역추정 모델은 상기 [수학식 4]를 변환한 [수학식 5]이다.
[수학식 5]
Figure 112017033936253-pat00083
또한, 다른 예시로서, 파라미터 역산출부(340)는 선택된 파라미터가 베어링의 접촉각(
Figure 112017033936253-pat00084
)일 경우, 베어링 구조 파라미터 역추정 모델을 이용하여 베어링의 구조 파라미터를 산출한다.
상기 베어링 구조 파라미터 역추정 모델은 상기의 [수학식 4]를 변환한 하기의 [수학식 6]이다.
[수학식 6]
Figure 112017033936253-pat00085
또한, 상기 개시된 모든 파라미터의 역추정 모델을 상기 [수학식 4]을 변환함으로써 산출할 수 있다.
베어링 역설계부(400)는 파라미터 역산출부(340)에서 역산출된 파라미터를 이용하여 새로운 재질이나 새로운 구조를 가지는 상기 베어링을 역설계한다.
베어링 역설계부(400)는 상기 개시된 베어링의 재질 및 구조뿐만 아니라, 다양한 파라미터들(볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수 및 볼의 직경)을 새롭게 추정하고 새롭게 역설계 할 수 있다.
상기와 같이 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치(10)를 통해 베어링의 실제 수명을 측정하고, 설계수명시간에 도달할 수 있도록 베어링을 역설계 함으로써, 베어링의 교체시기를 늦추고, 기계장치의 수명 또한 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 6는 본 발명의 베어링의 수명 예측 알고리즘에 대해 도시한 도면이다.
구체적으로는, 수명정보 예측부(360)는 센싱부(100)로부터 베어링의 신호를 센싱한 데이터를 입력 받아 특징정보를 추출한다. 이때 상기 특징정보는 실효값(RMS)정보, 크레스트 펙터(crest factor)정보, 비대칭도(skewness)정보 피크 투 피크(peak-to-peak)값, 임펄스 값(impulse value), 평균값(mean)정보 및 첨도(Kurtosis)정보를 포함할 수 있다.
수명정보 예측부(360)는 상기 추출된 특징으로부터 현재 열화 정도를 계산한다. 이때 열화 정도를 계산하는 구체적인 방법은 도8에 자세히 설명하기로 한다.
이후, 수명정보 예측부(360)는 상기 계산된 현재 열화 정도를 기 학습된 통계모델에 입력하여 열화 트랜드를 추정한다.
이때, 상기 기 학습된 통계 모델은 상기 베어링의 과거 데이터로부터 실효값(RMS)정보, 크레스트 펙터(crest factor)정보, 비대칭도(skewness)정보 피크 투 피크(peak-to-peak)값, 임펄스 값(impulse value), 평균값(mean)정보 및 첨도(Kurtosis)정보를 포함하는 특징들을 추출하고, 상기 특징정보로부터 열화 정도를 계산하여 통계 모델에 미리 학습시킨 모델을 의미한다. 이때 상기 통계모델은 Hidden Markov model, Adaptive Neuro-fuzzy inference을 포함할 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
그리고 수명정보 예측부(360)는 데이터베이스부(200)에 저장된 베어링의 정비 이력 및 정비 날짜를 이용하여 고장 시점의 열화 정도를 계산하고, 상기 추정된 열화 트랜드와 상기 고장 시점의 열화 정도를 이용하여 베어링의 수명을 예측한다. 즉, 수명정보 예측부(360)는 현재 시점에서 추정된 열화 트랜드에 따라 고장 시점의 열화 정도까지 남은 잔여수명을 계산한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 추정된 열화트랜드를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이 x축은 시간을 나타내며, y축은 베어링의 열화 정도를 나타낸다. 이때, 수명정보 예측부(360)는 센싱부(100)를 통해 베어링 신호 센싱 데이터를 입력 받아 상기 센싱 데이터의 특징정보를 추출한다.
상기 추출된 특징정보를 바탕으로 현재 열화 정도를 계산하며, 이때 상기 현재열화 정도는 도 7에서 붉은색 지점이다.
그리고 데이터베이스부(200)로부터 정비 이력 및 정비 날짜를 입력 받아 고장 시점의 열화 정도를 계산하며, 이때 상기 고장 시점의 열화 정도는 도 6에서 푸른색 지점이다.
기 학습된 통계모델에 상기 계산된 현재 열화 정도 값을 입력하여 열화 트랜드를 추정하며, 상기 추정된 열화 트랜드는 도 7에 점선으로 도시되어 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 열화 정도에 따른 열화 속도를 계산하기 위해 도시된 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, x축는 시간을 나타내며, y축은 베어링의 열화 정도를 나타낸다. 이때, 녹색 그래프는 운전 환경에 따른 베어링의 수명곡선이며, 검정색 그래프는 베어링의 정격수명 모델을 통해 산출된 베어링의 수명 곡선이다. 베어링은 시간이 지남에 따라 열화가 가속되어 일정한 열화 정도에 이르게 되면 베어링이 파손된다. 이때, 정격 수명에 대한 열화 속도 v는
Figure 112017033936253-pat00086
식에 의해 산출될 수 있으며, 운전환경에 따른 잔여 수명에 대한 열화속도 v’는
Figure 112017033936253-pat00087
로 산출될 수 있으며, 정격 수명에 대한 잔여 수명의 상대적 열화 가속도 α는,
Figure 112017033936253-pat00088
로 산출될 수 있다.
상술한 실시 예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.
따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이와 같이 본 발명은 실제 결함등급별 모터의 결함시험을 바탕으로 획득한 데시벨 데이터로부터 정상등급과 결함등급 모터간의 관계를 매핑하여 표준모델링을 설정하고, 이를 운전 모터에 적용하여 잔존수명 판정기준값을 산출하는 부하모델링을 수행하며, 이로부터 개별모델링에 따라 운전 모터의 이력 데시벨 변화율을 산출함으로서, 전동기 및 발전기의 구성품과 전동기에 연동된 부하기계 내의 회전하는 기기의 구성품의 잔존수명 예측과 에너지 손실원 분석을 정확하게 수행할 수 있으며, 따라서 회전 설비구성품 잔존 수명의 객관적 데이터로부터 계획정비를 수행함으로서 돌발사고를 억제하고 정비시간을 줄여 생산 기회를 최대화할 수 있게 되는 것이다.
이상에서는 본 발명의 전동기 및 발전기의 구성품과 전동기에 연동된 부하기계 내의 회전하는 기기의 구성품의 수명 예측방법을 통해 모터의 잔여 수명을 예측하는 것에 대하여 설명하였으나, 본 발명이 모터의 잔여 수명 예측에만 한정되어 적용 가능한 것은 아니며, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않는 한 모터 외의 전동기 및 발전기의 구성품과, 전동기와 연동된 부하기계 내부의 회전하는 기기의 구성품의 이상 진단 및 제어에 적용하는 것도 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
10 : 베어링 역설계 장치
100 : 센싱부
200 : 데이터베이스부
300 : 제어부
310 : 제1 산출부
320 : 제3 산출부
330 : 제4 산출부
340 : 파라미터 역산출부
350 : 수명정보 측정부
360 : 수명정보 예측부
400 : 베어링 역설계부

Claims (12)

  1. 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 기반으로 베어링의 설계 정격수명을 산출하는 단계;
    상기 설계 정격하중, 상기 분당 회전수 및 베어링의 수명정보를 기반으로 상기 베어링의 실제 등가하중을 산출하는 단계;
    상기 산출된 설계 정격수명 및 상기 산출된 실제 등가하중을 기반으로 상기 베어링의 요구 정격하중을 산출하는 단계; 및
    상기 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터를 선택하고, 상기 베어링의 실제 등가하중 및 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출하는 단계;를 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 베어링에서 출력되는 음향, 진동 및 주파수 중 적어도 하나 이상의 신호로부터 상기 베어링의 실제 수명정보를 측정하고 상기 측정된 실제 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 단계;
    를 더 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 베어링의 현재 열화 정도를 기 학습된 통계모델에 입력하여 추정된 열화트랜드와 고장 시점의 열화 정도를 기반으로 상기 베어링의 예측 수명정보를 예측하고 상기 예측된 예측 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 단계;
    를 더 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 베어링의 복수 개의 파라미터는,
    상기 베어링의 재질 계수, 구조 계수, 볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수, 볼의 직경 중 적어도 하나 이상을 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 선택된 파라미터를 역산출하는 단계는,
    하기의 [수학식 4]에 대입하여 상기 선택된 파라미터를 역산출하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법.

    [수학식 4]
    Figure 112017033936253-pat00089


    이때,
    Figure 112017033936253-pat00090
    은 베어링의 실제 정격 하중,
    Figure 112017033936253-pat00091
    은 베어링의 요구 재질 계수,
    Figure 112017033936253-pat00092
    은 베어링의 구조 계수,
    Figure 112017033936253-pat00093
    는 베어링의 볼 개수,
    Figure 112017033936253-pat00094
    는 베어링의 접촉각,
    Figure 112017033936253-pat00095
    는 볼의 열 개수,
    Figure 112017033936253-pat00096
    는 볼의 직경.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 역산출된 파라미터를 이용하여 베어링을 역설계하는 단계;
    를 더 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 방법.
  7. 베어링의 설계 정격하중, 예상 등가하중 및 분당 회전수를 기반으로 베어링의 설계 정격수명을 산출하는 제1 산출부;
    상기 설계 정격하중, 상기 분당 회전수 및 베어링의 수명정보를 기반으로 상기 베어링의 실제 등가하중을 산출하는 제2 산출부;
    상기 산출된 설계 정격수명 및 상기 산출된 실제 등가하중을 기반으로 상기 베어링의 요구 정격하중을 산출하는 제3 산출부; 및
    상기 베어링의 복수 개의 파라미터 중 어느 하나의 파라미터를 선택하고, 상기 베어링의 실제 등가하중 및 상기 선택된 파라미터를 제외한 나머지 파라미터의 기설정값을 기반으로 상기 선택된 파라미터를 역산출하는 파라미터 역산출부;를 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 베어링에서 출력되는 음향, 진동 및 주파수 중 적어도 하나 이상의 신호로부터 상기 베어링의 실제 수명정보를 측정하고 상기 측정된 실제 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 수명정보 측정부;
    를 더 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 베어링의 현재 열화 정도를 기 학습된 통계모델에 입력하여 추정된 열화트랜드와 고장 시점의 열화 정도를 기반으로 상기 베어링의 예측 수명정보를 예측하고 상기 예측된 예측 수명정보를 상기 베어링의 수명정보로 적용하는 수명정보 예측부;
    를 더 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 베어링의 복수 개의 파라미터는,
    상기 베어링의 재질 계수, 구조 계수, 볼 개수, 접촉각, 볼의 열 개수, 볼의 직경을 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 파라미터 역산출부는,
    하기의 [수학식 4]에 대입하여 상기 선택된 파라미터를 역산출하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치.

    [수학식 4]
    Figure 112017033936253-pat00097


    이때,
    Figure 112017033936253-pat00098
    은 베어링의 실제 정격 하중,
    Figure 112017033936253-pat00099
    은 베어링의 요구 재질 계수,
    Figure 112017033936253-pat00100
    은 베어링의 구조 계수,
    Figure 112017033936253-pat00101
    는 베어링의 볼 개수,
    Figure 112017033936253-pat00102
    는 베어링의 접촉각,
    Figure 112017033936253-pat00103
    는 볼의 열 개수,
    Figure 112017033936253-pat00104
    는 볼의 직경.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 파라미터 역산출부에서 역산출된 파라미터를 이용하여 상기 베어링을 역설계하는 베어링 역설계부;
    를 더 포함하는 베어링의 잔여수명 평가를 통한 베어링 역설계 장치.
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